О.С.ГАБРИЕЛЯН,
И.Г.ОСТРОУМОВ,
А.К.АХЛЕБИНИН

СТАРТ В ХИМИЮ

7 класс

Продолжение. Начало см. в № 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9/2006

Глава 3.
Явления, происходящие с веществами

(окончание)

§ 17. Дистилляция, или перегонка

Получение дистиллированной воды

Вода из-под крана чиста, прозрачна, не имеет запаха… Но чистое ли это вещество с точки зрения химика? Загляните в чайник: в нем легко обнаруживаются накипь и коричневатый налет, которые появляются на спирали и стенках чайника в результате многократного кипячения в нем воды
(рис. 71). А известковый налет на кранах? И природная, и водопроводная вода – это однородные смеси, растворы твердых и газообразных веществ. Конечно, их содержание в воде очень мало, но эти примеси могут привести не только к образованию накипи, но и к более серьезным последствиям. Не случайно лекарства для инъекций готовят только с использованием специально очищенной воды, называемой дистиллированной .

Откуда взялось такое название? Воду и другие жидкости очищают от примесей с помощью процесса, называемого дистилляцией, или перегонкой . Сущность дистилляции состоит в том, что смесь нагревают до кипения, образующиеся пары чистого вещества отводят, охлаждают и вновь превращают в жидкость, которая уже не содержит загрязняющих примесей.

На учительском столе собрана лабораторная установка для перегонки жидкостей (рис. 72).

В перегонную колбу учитель наливает воду, подкрашенную в оранжевый цвет растворимой неорганической солью (дихроматом калия). Так вы воочию убедитесь, что в очищенной воде этого вещества не будет. Для равномерного кипения в колбу бросают 3–4 кусочка пористого фарфора или пемзы (кипелки).
В рубашку холодильника подается вода, а перегонная колба нагревается до кипения содержимого с помощью электронагревателя. Пары воды, попадая в холодильник, конденсируются, и дистиллированная вода стекает в приемник.
Какую температуру показывает термометр? Как вы думаете, через какой отвод в холодильник подается холодная вода, а через какой она сливается?

Дистиллированная вода используется не только для приготовления лекарств, но и для получения растворов, применяемых в химических лабораториях. Даже автомобилисты используют дистиллированную воду, доливая ее в аккумуляторы для поддержания уровня электролита.

А если требуется получить твердое вещество из гомогенного раствора, то используют выпаривание , или кристаллизацию.

Кристаллизация

Один из способов выделения и очистки твердых веществ – кристаллизация. Известно, что при нагревании растворимость вещества в воде увеличивается. Значит, при охлаждении раствора некоторое количество вещества выпадает в виде кристаллов. Проверим это на опыте.

Демонстрационный эксперимент. Помните красивые оранжевые кристаллы дихромата калия, которыми учитель «подкрашивал» воду для дистилляции? Возьмем примерно 30 г этой соли и «загрязним» ее несколькими кристалликами марганцовки. Как очистить основное вещество от внесенной примеси? Смесь растворяют в 50 мл кипящей воды. При охлаждении раствора растворимость дихромата резко понижается, и вещество выделяется в виде кристаллов, которые можно отделить фильтрованием, а затем промыть на фильтре несколькими миллилитрами ледяной воды. Если растворить очищенное вещество в воде, то по цвету раствора можно определить, что марганцовки оно не содержит. Марганцовка осталась в исходном растворе.

Добиться кристаллизации твердого вещества из раствора можно упариванием растворителя. Для этого и предназначены чашки для выпаривания, с которыми вы встречались во время знакомства с химической посудой.

Если испарение жидкости из раствора происходит естественным путем, то для этой цели используют специальные стеклянные толстостенные сосуды, которые так и называются – кристаллизаторы. С ними вы также знакомились в практической работе № 1.

В природе соляные озера – это своеобразные бассейны для кристаллизации. За счет испарения воды на берегах таких озер кристаллизуется гигантское количество соли, которая после очистки попадает к нам на стол.

Перегонка нефти

Дистилляцию используют не только для очистки веществ от примесей, но и для разделения смесей на отдельные порции – фракции, различающиеся температурой кипения. Например, нефть – это природная смесь очень сложного состава. При фракционной перегонке нефти получают жидкие нефтепродукты: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут и другие. Процесс этот ведут в специальных аппаратах – ректификационных колоннах (рис. 73). Если в вашем городе есть нефтеперерабатывающий завод, вы могли видеть эти химические аппараты, которые непрерывно разделяют нефть на важные и нужные в жизни современного общества продукты (рис. 74).

Бензин – это основное топливо для легковых автомобилей. Трактора и грузовики используют в качестве такового другой нефтепродукт – дизельное топливо (солярку). Топливом для современных самолетов является главным образом керосин. На этом небольшом примере вы можете понять, насколько важен в современной жизни такой процесс, как перегонка нефти.

Рис. 74. Нефть и нефтепродукты

Фракционная перегонка жидкого воздуха

Вы уже знаете, что любые газы смешиваются в любых соотношениях. А можно ли из смеси газов выделить отдельные компоненты? Задача не из простых. Но химики предложили очень эффективное решение. Смесь газов можно превратить в жидкий раствор и подвергнуть его дистилляции. Например, воздух при сильном охлаждении и сжатии сжижают, а затем позволяют один за другим выкипать отдельным компонентам (фракциям), поскольку они имеют различные температуры кипения. Первым из жидкого воздуха испаряется азот (рис. 75), у него самая низкая температура кипения (–196 °С). Затем из жидкой смеси кислорода и аргона можно удалить аргон (–186 °С). Остается практически чистый кислород, который вполне годится для технических целей: газовой сварки, химического производства. А вот для медицинских целей его нужно очищать дополнительно.

Азот, полученный таким способом, используют для производства аммиака, который в свою очередь идет на получение азотных удобрений, лекарственных и взрывчатых веществ, азотной кислоты и т.д.

Благородный газ аргон используют в особом виде сварки, которая так и называется – аргоновая.

1. Что такое дистилляция, или перегонка? На чем она основана?

2. Какая вода называется дистиллированной? Как ее получают? Где она применяется?

3. Какие нефтепродукты получают при перегонке нефти? Где они применяются?

4. Как разделить воздух на отдельные газы?

5. Чем выпаривание (кристаллизация) отличается от перегонки (дистилляции)? На чем основаны оба способа разделения жидких смесей?

6. Чем отличаются процессы выпаривания и кристаллизации? На чем основаны оба способа выделения твердого вещества из раствора?

7. Приведите примеры из повседневной жизни, в которых применяется выпаривание и дистилляция.

8. Какую массу соли можно получить при выпаривании 250 г 5%-го раствора? Какой объем воды можно получить из этого раствора при помощи дистилляции?

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 4.
Выращивание кристаллов соли
(домашний эксперимент)

Перед тем как приступить к выполнению работы, внимательно прочитайте ее описание до конца.

Прежде всего выберите подходящую для эксперимента соль. Для выращивания кристаллов подойдет любая хорошо растворимая в воде соль (медный или железный купорос, квасцы и т.д.). Подойдет и поваренная соль – хлорид натрия.

Из оборудования вам понадобятся:

Литровая банка или небольшая кастрюлька, в ней вы будете готовить раствор соли;

Деревянная ложка или палочка для перемешивания;

Воронка с ватой для фильтрования раствора;

Термос с широким горлышком вместимостью 1 л (он нужен для того, чтобы раствор остывал медленно, тогда будут расти крупные кристаллы).

Если нет воронки или нужного термоса, их можно сделать самому.

Чтобы сделать воронку, возьмите пластиковую бутылку из-под напитка и ножницами аккуратно отрежьте ей горлышко, как это показано на рис. 76.

Вместо термоса подойдет обыкновенная стеклянная литровая банка. Поставьте ее в картонную или пенопластовую коробку. Большую коробку брать не нужно, главное, чтобы в нее полностью входила банка. Щели между коробкой и банкой плотно заложите кусочками тряпки или ватой. Чтобы плотно закрыть банку, понадобится пластиковая крышка.

Приготовьте горячий насыщенный раствор соли. Для этого заполните банку наполовину горячей водой (кипяток брать не нужно, чтобы не обжечься). Порциями добавляйте соль и перемешивайте. Когда соль перестанет растворяться, оставьте раствор на одну-две минуты, чтобы нерастворившиеся кристаллы успели осесть. Отфильтруйте горячий раствор через воронку с ватой в чистый термос. Закройте термос крышкой и оставьте раствор медленно остывать два-три часа.

Раствор немного остыл. Теперь внесите в него затравку – кристаллик соли, подвешенный на нитке. После того как ввели затравку, прикройте сосуд крышкой и оставьте на продолжительное время. Чтобы вырос крупный кристалл, потребуется несколько дней или даже недель.

Обычно на нитке вырастает несколько кристаллов. Нужно периодически удалять лишние, чтобы рос один большой кристалл.

Важно записывать условия проведения эксперимента и его результат, в нашем случае это характеристики полученного кристалла. Если получилось несколько кристаллов, то приводят описание самого большого.

Изучите полученный кристалл и ответьте на вопросы.

Сколько дней вы выращивали кристалл?

Какова его форма?

Какого цвета кристалл?

Прозрачный он или нет?

Размеры кристалла: высота, ширина, толщина.

Масса кристалла.

Зарисуйте или сфотографируйте полученный кристалл.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 5.
Очистка поваренной соли

Целью данной работы является очистка поваренной соли, загрязненной речным песком.

Предложенная вам загрязненная поваренная соль представляет собой гетерогенную смесь кристаллов хлорида натрия и песка. Для ее разделения необходимо воспользоваться различием в свойствах компонентов смеси, например различной растворимостью в воде. Как известно, поваренная соль растворяется в воде хорошо, в то время как песок в ней практически нерастворим.

В химический стакан поместите выданную учителем загрязненную соль и налейте 50–70 мл дистиллированной воды. Перемешивая содержимое стеклянной палочкой, добейтесь полного растворения соли в воде.

Раствор соли от песка можно отделить фильтрованием. Для этого соберите установку как показано на рис. 77. С помощью стеклянной палочки осторожно перелейте содержимое стакана на фильтр. Прозрачный фильтрат будет стекать в чистый стакан, нерастворимые компоненты исходной смеси останутся на фильтре.

Жидкость в стакане – это водный раствор поваренной соли. Выделить из него чистую соль можно выпариванием. Для этого 5–7 мл фильтрата налейте в фарфоровую чашку, поместите чашку в кольцо штатива и осторожно нагревайте на пламени спиртовки, постоянно перемешивая содержимое стеклянной палочкой.

Сравните кристаллы соли, полученные после выпаривания раствора, с исходной загрязненной солью. Перечислите, какие приемы и операции вы использовали для очистки загрязненной соли.

Нашедших по-настоящему масштабное применение в технике только в XX веке, уходит, тем не менее, своими корнями в XVIII век. Век, когда о самом существовании кислорода и азота, не говоря уже об аргоне, научное сообщество и не подозревало. Воздух считался самостоятельным элементом, не подлежащим разделению на составляющие. Характер же горения тех или иных веществ, по господствовавшим тогда представлениям, определялся содержанием в них горючего компонента – флогистона. Чем больше в материале флогистона, тем он более горюч, и тем больше теплоты при высвобождении порождает.

Основы для более адекватного описания реальности заложили шведский химик Карл Шееле и его английский коллега Джозеф Пристли, которые, разделяя те или иные сложные соединения нагреванием, получили «горючий воздух», в котором пламя свечи горело куда ярче обычного. Шееле пошел еще дальше: он показал, что при сгорании веществ в изолированном сосуде количество воздуха уменьшается примерно на двадцать процентов, при этом в оставшемся воздухе горение невозможно. Однако приверженность теории флогистона вынуждала этих выдающихся ученых придумывать те или иные объяснения очевидным фактам в рамках устоявшейся догмы. Первым, кто, проведя серию опытов, предложил новую теорию горения, заявив, что воздух состоит из двух частей – горючей (кислород) и инертной (азот), – а вещество, сгорая, соединяется с кислородом, связывая его, был Лавуазье. Путем точных взвешиваний он установил, что масса продуктов горения всегда больше массы исходного вещества. В то же время масса запаянной колбы, в которой он сжигал те или иные реагенты не изменялась. В совокупности с установленным Шееле фактом уменьшения количества воздуха в процессе горения, Лавуазье и сделал вывод о том, что реакционноспособная часть воздуха связывается с исходным веществом, образуя продукты горения. Так были открыты кислород и азот.

Между тем прошло много лет, прежде чем эти газы смогли использовать в промышленных масштабах. На протяжении первых двух третей XIX века кислород получали в очень незначительных количествах лабораторными методами, поэтому ни о каком его широком применении речь не шла. Казалось бы, парадокс: атмосфера – целый океан кислорода и азота, осталось только найти способ разделить эти два газа, и проблема их получения решена. В то же время наиболее естественный способ разделения воздуха на кислород и азот – за счет разницы температур кипения, долгое время оставался недоступным. Прежде всего, в силу необходимости глубокого охлаждения воздуха. Вообще одно время азот и кислород считали «постоянными» газами, то есть газами, которые невозможно подвергнуть сжижению. Хотя, конечно, это отражало только отсутствие необходимых методов и технологий, а не какую-то принципиальную особенность данных газов.

Таким образом, одним из основных препятствий на пути промышленного получения атмосферных газов в чистом виде было несовершенство техники охлаждения. Одними из первых преодолеть данный барьер попытались польские физики Ольшевский и Врублевский (Краковский университет) параллельно с Джеймсом Дьюаром (Великобритания), применившие каскадный принцип охлаждения для сжижения кислорода и азота. Позднее с помощью этой же схемы Каммерлинг-Оннес (Нидерланды) получил и жидкий воздух. Суть метода состоит в последовательном понижении температуры при помощи нескольких рефрижераторов компрессионного типа с разными рабочими веществами.

Принцип действия каскадного процесса можно проследить с помощью рис. 1.

Сначала газ, выбранный в качестве охлаждающего агента, сжижают при комнатной температуре путем сильного сжатия с помощью компрессора. Тепло, выделяющееся при сжатии, отводится системой водяного охлаждения. Сжиженный газ подается в испаритель с более низким давлением, где кипит, отбирая теплоту, поступая затем в компрессор, где вновь сжижается. При этом испаритель первой ступени является одновременно охлаждающей ванной для сжиженного хдадагента второй ступени. Естественно, что для каждой ступени подбирают хладагент, температура кипения которого соответствует требуемым уровням охлаждения.

Рис. 1. Парокомпрессионный рефрижератор: 1 – компрессор; 2 – вода; 3 – бак системы охлаждения; 4 – дроссель; 5 – жидкость; 6 – испаритель (криостат)

Каскадный процесс сыграл важную роль в истории получения технических газов, показав принципиальную сжижаемость воздуха. Однако в дальнейшем он уступил место более совершенным технологическим схемам.

Метод Линде, предложенный этим немецким физиком в 1895 г. основан на эффекте Джоуля-Томпсона, который заключается в изменении температуры газа при расширении его через какое-либо гидродинамическое сопротивление (дросселирование). Дело в том, что внутренняя энергия реальных газов состоит из потенциальной энергии притяжения между частицами и кинетической энергией их хаотического движения. При расширении газа в условиях отсутствия энергообмена с внешней средой его потенциальная энергия взаимодействия молекул увеличивается, так как увеличивается расстояние между ними. Рост потенциальной энергии, вследствие «растаскивания» молекул на большее расстояние друг от друга, компенсируется уменьшением их кинетической энергии (энергии теплового движения), а следовательно, и температуры. Правда подобный эффект наблюдается только до определенного температурного порога, выше которого он изменяет знак: теперь при расширении газ нагревается. В этом случае просто меняет знак сама потенциальная энергия. Если раньше (до определенной температуры) она определялась силами притяжения, то теперь превалирующими являются силы отталкивания. И расширение (наоборот) придает дополнительный импульс тепловому движению молекул. Подобный «обращенный» эффект Джоуля-Томпсона при нормальных температурах характерен для водорода.

Впрочем, воздух охлаждается путем дросселирования на достаточно большом температурном интервале, что и позволило применить это его свойство в цикле Линде. В нем воздух сжимается компрессором до давления 200 атмосфер, теплоту сжатия отдает в теплообменнике и истекает через дроссельный клапан, при этом расширяясь и охлаждаясь. Охлажденный воздух протекает через тот же теплообменник, но с другой стороны, отбирая тепло у новой порции сжатого газа, после чего сам поступает на сжатие. Циркулируя таким образом достаточно долгое время, воздух охлаждается до такой температуры, что при дросселировании часть его начинает сжижаться. Впрочем, заслуга Линде состояла не только в том, что он смог поставить на промышленные рельсы сжижение воздуха, но в первую очередь в том, что он разделил сжиженный воздух, получив азот и кислород высокой степени очистки.

Для этого он применил двойную ректификацию полученного жидкого воздуха, так как простая перегонка не давала продукцию нужной чистоты. Несмотря на то, что температура кипения кислорода (-183 °С) выше температуры кипения азота (-196 °С) на тринадцать градусов, полностью разделить эти газы простым испарение азота не удавалось.

Сама идея ректификационной колонны состоит во встречном движении жидкости, обогащенной низкокипящим компонентом (в нашем случае азотом), навстречу парам газовой смеси, обогащенной высококипящим компонентом (кислородом). Жидкость подается сверху колонны, газовая смесь испаряется из ее нижней части.

Для увеличения поверхности контакта фаз применяют так называемые ректификационные тарелки. Соприкасаясь с ними, газ частично конденсируется, а жидкость частично испаряется. При этом в жидкое состояние переходит в основном высококипящая часть газа, а испаряется низкокипящая часть жидкости. В результате подобного обмена восходящий поток смеси газов обогащается низкокипящим компонентом, а нисходящий поток жидкости – высококипящим. В обычных ректификационных колоннах для создания обратного потока жидкости часть полученного на выходе из колонны низкокипящего компонента конденсируют и направляют назад.

Проблема в том, что жидкий воздух не удается разделить «с наскока». Применяя даже самые эффективные ректификационные колонны, мы можем получить на выходе достаточно чистый азот, но внизу колонны будет оставаться смесь азота с кислородом, хотя и обогащенная последним по сравнению с первоначальным составом воздуха.

Поэтому-то Линде и предложил схему двойной перегонки. Вкратце опишем происходящие в них процессы (рис. 2).

• 1) В первую (нижнюю) ректификационную колонну подается сжиженный воздух, который в процессе перегонки разделяется на почти чистый азот и азотно-кислородную смесь.
• 2) Азот конденсируется в верхней части первой колонны, откуда отбирается, направляясь затем в жидком виде в верхнюю часть второй (верхней) колонны, формируя поток жидкости, стекающей вниз.
• 3) Азотно-кислородная смесь подается в среднюю часть второй колонны. Так как процесс непрерывен, там ее уже поджидают, с одной стороны, поток газов из испарителя, обогащенный кислородом, а с другой – стекающая сверху жидкость, обогащенная азотом.
• 4) Попав под такой «перекрестный огонь», азотно-кислородная смесь начинает разделяться в соответствии с ранее описанными принципами. Вверх с газами в итоге уходит чистый азот, а внизу собирается чистый кислород.

Изящность предложенной схемы состоит, кроме всего прочего, в том, что испаритель второй колонны является одновременно конденсатором для первой. Это позволяет существенно сократить расход энергии. Между тем необходимый температурный режим обеспечивается разностью давлений в двух колоннах и поддерживается автоматически.

Параллельно с Линде над разделением воздуха работах французский ученый Клод. При этом для предварительного сжижения он использовал не дросселирование, а детандеры – машины, в которых газ, расширяясь, совершал работу и охлаждался. Данная технология оказалась менее эффективной, нежели предложенная Линде, прежде всего, из-за сложностей работы механических деталей при низкой температуре. Между тем к началу тридцатых годов в общих чертах был разработан турбодетандер, в котором воздух (или любой другой газ), расширяясь, вращает лопасти турбины, за счет чего охлаждается с последующим сжижением. Подобные устройства даже начали частично применяться в промышленном производстве, но обладали достаточно низким КПД. Прорыв в использовании турбодетандеров обеспечил П. Л. Капица, предложивший, казалось бы, очевидную идею, до которой, тем не менее, никто до него не додумался. Ранее для сжижения газов использовалась турбина, близкая по характеристикам к паровой. Капица же обратил внимание на то, что холодный сжатый воздух, работающий в ней, по свойствам ближе к жидкости, чем к пару. Это побудило его взять за прототип для нового турбодетандера водяную турбину: "...правильно выбранный тип турбодетандера будет как бы компромиссом между водяной и паровой турбиной " – считал Капица. Это действительно резко повысило КПД сжижения газов, так что теперь именно турбодетандер, разработанный Капицей, является основой получения жидкого воздуха. Последующее же его разделение идет по схеме, предложенной еще Линде.

Рис. 2. Аппарат двукратной ректификации: 1, 2 – ректификат колонны; 3 – конденсатор-испаритель

Впрочем, воздух состоит не только из азота и кислорода. Он содержит в небольших количествах такие инертные газы, как аргон, неон, криптон и ксенон. Неон, как легкокипящий компонент, собирается под крышкой второй ректификационной колонны вместе с гелием. Неонно-гелиевую смесь очищают от азота в противоточном дефлегматоре. А сам неон извлекают из нее адсорбционным методом. Криптон и ксенон, как высококипящие компоненты, уходят вниз колонны вместе с кислородом. Смесь кислород-криптон-ксенон разделяется в дополнительной колонне на чистый кислород и так называемый «первичный концентрат», где содержание инертных газов выше, чем в первоначальной смеси. И уже из первичного концентрата путем адсорбции выделяют криптон и ксенон.

Сложнее с аргоном. Его температура кипения ниже, чем у кислорода, но выше, нежели у азота. Поэтому часть его выходит с кислородом, а другая часть – с азотом. Чтобы предотвратить подобное развитие событий, из средней части колонны отбирают некоторую долю находящейся там смеси, направляя ее в дополнительную колонну разделения, откуда освобожденная от аргона кислородно-азотная смесь возвращается обратно, а концентрат аргона поступает на дальнейшее очищение.

Отметим, что на сегодняшний день, кроме криогенного, существуют и другие способы разделения газов.

Так, например, адсорбционный способ характеризуется низкой себестоимостью, легкостью управления производственным процессом и достаточно высокой степенью чистоты получаемых газов. В основу данного способа положена способность некоторых веществ специфически (преимущественно) поглощать те или иные газы. При получении азота, воздух под давлением подается в адсорбер, содержащий углеродные молекулярные сита (рис. 3). В результате кислород поглощается адсорбентом, а на выходе получаем азот. В то же время объем кислорода, который может поглотить адсорбент, ограничен, поэтому необходимо постоянно проводить регенерацию молекулярных сит. Обычно это достигается сбросом давления: кислород испаряется с поверхности адсорбента, и последний готов к разделению новой партии воздуха.

Для получения кислорода используют тот факт, что азот адсорбируется на алюмосиликатных ситах быстрее, чем кислород. Поэтому, пропуская воздух через адсорбер с алюмосиликатным наполнением, на выходе получаем кислород чистотой до 95 %.

Рис. 3. Адсорбционное разделение газов:
а) схема получения азота из воздуха адсорбционным методом;
б) установка для адсорбционного разделения газов

Мембранный способ разделения воздуха – еще один метод получения газов из атмосферы. Он основан на том, что составляющие воздуха с различной скоростью проходят через газопроницаемые мембраны, обычно полимерные (рис. 4). Воздух при этом, подается под давлением в мембранный модуль, состоящий из множества полых полимерных волокон с нанесенным на них газоразделительным слоем. Молекулы кислорода и аргона «продавливаются» сквозь мембрану наружу, а в волокнах остается обогащенная азотом газовая смесь. Последовательное фильтрование воздуха сквозь несколько мембранных модулей позволяет получить достаточно чистый азот (до 99,9 %).

Рис. 4. Мембранное разделение газов:
а) мембраны – полые полимерные волокна;
б) установка для мембранного разделения

И мембранный и адсорбционный способы разделения воздуха, позволяя получить относительно чистый азот, не могут, тем не менее, похвастаться выделением кислорода с нужной для технических целей чистотой, не говоря уже об аргоне и других газах. Поэтому основным способом разделения газов на сегодняшний день остается метод криогенной ректификации, позволяющий получать конечные продукты, практически свободные от примесей.

Выбор установки (прибора) для выполнения работы определяется, в первую очередь, задачей, стоящей перед экспериментатором, условиями проведения работы, а также свойствами исходных и конечных продуктов.

Сборка установки должна проводиться с большой тщательностью и аккуратностью, так как это является непременным условием успешной и безопасной работы.

Можно отметить следующие правила сборки приборов и установок.

Отдельные части установки необходимо соединять друг с другом осторожно, подбирая пробки, трубки и другие детали еще до закрепления прибора на штативе.

Если приборы собирают на шлифах, то их следует предварительно смазать.

Посуду подбирают такого размера, чтобы реакционная масса занимала не более 2/3 объема.

Если реакционная смесь будет нагреваться, то обязательно применяют круглодонную колбу соответствующего размера.

После того как собраны отдельные части установки, их закрепляют в лапках штатива.

Установку всегда собирают, начиная с основного блока или с ее предполагаемого «верха». Например, при сборке установки для простой перегонки следует вначале укрепить на штативе колбу Вюрца, затем к ней присоединить нисходящий холодильник, потом аллонж и, наконец, подвести под него приемник.

Вся установка должна быть собрана в одной плоскости или по одной линии (за исключением некоторых случаев), без перекосов или напряжения стеклянных частей прибора. Это особенно важно при работе со стандартными шлифами, когда они должны присоединяться друг к другу без особых усилий со стороны экспериментатора.

Необходимо следить, чтобы при соединении отдельных частей прибора выполнялись условия герметичности.

Если стеклянные части установки достаточно тяжелые (например, колба с обратным холодильником, мешалкой, капельной воронкой, термометром и т.д.), то крепить их к штативу следует несколькими лапками. При этом дефлегматоры, мешалки, обратные холодильники крепят строго вертикально, а нисходящие холодильники наклонно, чтобы жидкость стекала в приемник, не попадая на пробки.

Если установка предназначена для работы под атмосферным давлением, то необходимо, чтобы она свободно сообщалась с атмосферой во избежание повышения давления в системе.

При необходимости защиты реагирующих веществ от действия влаги воздуха используют хлоркальциевые трубки.

12.Приступая к работе, следует еще раз внимательно осмотреть прибор и

убедиться в правильности его сборки.

4. Методы выделения и очистки

органических веществ

Полученные при синтезе вещества, как правило, содержат некоторое количество примесей (исходные вещества, не вступившие в реакцию, побочные продукты, растворители и др.). Чтобы избавиться от них, применяют различные методы очистки и выделения органических веществ. Эти методы довольно разнообразны и зависят, в основном, от агрегатного состояния соединения.

4.1. Очистка жидких веществ

Основными видами очистки жидких веществ являются

Простая перегонка,

Фракционная перегонка,

Перегонка в вакууме,

Перегонка с водяным паром,

Экстракция.

4.1.1. Простая перегонка

В тех случаях, когда перегоняемое вещество достаточно устойчиво к нагреванию и практически не разлагается при температуре кипения, для очистки пользуются простой перегонкой при атмосферном давлении .

Обычно этот способ перегонки целесообразно применять для жидкостей с температурой кипения до 180 о С, так как выше 180 о С многие вещества заметно разлагаются. Часто при перегонке температура кипящей жидкости вследствие перегрева несколько выше, чем температура пара. Перегревы, возникающие при отсутствии центров кипения в перегоняемой жидкости, приводят к сильным толчкам, в результате которых вещество вместе с примесями и загрязнениями может быть переброшено в приемник. Существуют различные способы предотвращения или ослабления толчков при кипении. Чаще всего в колбу с жидкостью, подвергаемой перегонке, вносят так называемые «кипелки», роль которых выполняют различные, инертные, пористые материалы (рис. 57).

Рисунок 57. - Приготовление смеси для перегонки.

В качестве рабочего сосуда обычно используют круглодонные колбы (рис. 58). Для перегонки низкокипящих жидкостей берут колбу с высокоприпаянной отводной трубкой, для высококипящих - с низкоприпаянной. Температура кипения обычно контролируется термометром, ртутный шарик которого должен полностью омываться парами кипящего вещества, т.е. верхний край шарика следует устанавливать примерно на 0,5 см ниже отверстия отводной трубки колбы.

Величину перегонной колбы выбирают в зависимости от количества перегоняемой жидкости и от температуры ее кипения. Жидкость должна занимать не более 2/3 объема колбы. Колба не должна быть слишком большой, особенно при перегонке высококипящих жидкостей, так как в ней остается большое количество перегоняемого вещества. Колбу укрепляют в штативе, зажимая ее лапкой выше отводной трубки. Во избежание загрязнения вещества дистиллят должен по возможности меньше соприкасаться с пробками, поэтому отводную трубку перегонной колбы соединяют с холодильником так, чтобы конец ее выступал из пробки в холодильник не менее чем на 4-5 см и доходил до той части холодильника, который охлаждается водой. Размер холодильника (площадь охлаждения) выбирают в зависимости от температуры кипения отгоняемой жидкости.

Пары веществ, легко кристаллизующихся при комнатной температуре, не должны охлаждаться в холодильнике до температуры затвердевания. Для этого холодильник можно периодически отключать от проточной воды. Жидкости, кипящие в пределах 200-300 о С, перегоняются без холодильника, функцию которого в этом случае может выполнять отводная трубка колбы для перегонки. Холодильник соединяют с приемником посредством аллонжа. В качестве приемника обычно употребляют конические или плоскодонные колбы, которые можно поставить на поверхность. При применении в качестве приемников круглодонных колб, их необходимо дополнительно закреплять. Для более полной конденсации паров низкокипящих жидкостей приемник помещают в сосуд с охлаждающей смесью.

Схема установки для простой перегонки показана на рис. 58, 59 . Она состоит из перегонной колбы 1 (или колбы Вюрца), термометра 3, нисходящего холодильника Либиха 4, алонжа 5, приемника 6, нагревательного элемента 7. Части прибора крепятся на штативах 8 с помощью муфт 10 и лапок 9. Порядок сборки установки показан на рис. 61. Перед сборкой необходимо проверить колбу на наличие трещин (рис 60)

Когда весь прибор собран, его тщательно проверяют и только тогда начинают нагревать. В зависимости от температуры кипения нагревание ведут, используя различные типы нагревательных бань (рис. 59). Скорость перегонки обычно выбирают такую, чтобы стекало не более 1-2 капель дистиллята в секунду.

Простая перегонка часто применяется для очистки абсолютных растворителей, но в этом случае обязательно к аллонжу присоединяется хлоркальциевая трубка.

Рисунок 58. - Схема установки для простой перегонки без бани.

Рисунок 59. – Схема установки для простой перегонки на бане.

Рисунок 60 Колба с трещиной (звездочкой)

Рисунок 61. Порядок сборки установки для простой перегонки

Принцип получения кислорода из жидкого воздуха основан на том, что температура кипения основных составных частей воздуха различна.

Температура кипения кислорода равна -183°, а температура кипения азота -196°. Поэтому при медленном испарении жидкого воздуха из него сначала улетучивается главным образом азот. После того как основная часть азота испарится, температура оставшейся жидкости повысится до -183°, и кислород начнет кипеть.

На этом принципе основана любая дробная, или фракционная, перегонка жидкой смеси, состоящей из нескольких веществ, которые обладают различными температурами кипения. Дробной такая перегонка называется потому, что смесь жидкостей перегоняется по частям, начиная от той жидкости, которая кипит при более низкой температуре. До тех пор пока не перегонится основная часть низкокипящей жидкости, температура всей смеси, несмотря на подогревание, будет оставаться почти без изменения. Как только жидкость, кипящая при более низкой температуре, будет отогнана, температура быстро повысится до точки кипения следующей части смеси, и так до тех пор, пока не отгонится по частям вся перегоняемая жидкость.

На этом принципе основана перегонка нефти, из которой отгоняют сначала бензин, который кипит при более низкой температуре, чем другие составные части нефти, за ним - керосин, далее перегоняют более тяжелый вид топлива - так называемое дизельное топливо, или соляровое масло.

В перегонном аппарате после отгона бензина, керосина и дизельного топлива остается мазут. Нагревая мазут до еще более высокой температуры, получают различные смазочные масла и гудрон.

При однократной фракционной перегонке нельзя сразу получить чистые продукты отгона. После первой перегонки полученные продукты загрязнены соединениями, температуры кипения которых близки. Чтобы освободиться от примесей, необходимы последующие перегонки.

При однократном испарении жидкого воздуха также невозможно получить чистый кислород и азот. Вначале, когда в жидком воздухе содержится 21 процент кислорода и 78 процентов азота, испаряется главным образом азот. Однако чем меньше азота будет оставаться в жидкости, тем больше одновременно с азотом начнет испаряться кислорода. Так, например, когда в жидкой фазе останется 50 процентов азота, в парах над такой жидкостью будет уже около 20 процентов кислорода. Чтобы получить чистый кислород и азот, недостаточно испарить жидкий воздух один раз.

Газообразные продукты, полученные после испарения, конденсируют - превращают снова в жидкость, которая подвергается вторичной перегонке. Чем больше повторяют процесс испарения и конденсации, тем чище получают продукты отгона.

Конденсация и испарение являются двумя противоположными процессами. При испарении жидкости необходимо затратить тепло, при конденсации пара - тепло выделяется. Если никаких потерь тепла нет, то теплота испарения вещества будет равна теплоте его конденсации.

Для получения кислорода из жидкого воздуха необходимо затратить некоторое количество тепла - скрытую теплоту испарения.

Если газообразный кислород пропустить через жидкий воздух, он сконденсируется и превратится в жидкость. При этом выделится тепло, называемое скрытой теплотой конденсации. Жидкий воздух, получив это тепло, сразу же израсходует его на испарение азота, температура кипения которого ниже температуры кипения кислорода.

Так как скрытая теплота конденсации кислорода почти равна скрытой теплоте испарения азота, то из жидкого воздуха выделится по объему приблизительно столько же азота, сколько сконденсировалось кислорода.

На принципе многократной конденсации кислорода с одновременным испарением азота из жидкого воздуха основан процесс разделения жидкого воздуха на чистый газообразный азот и чистый жидкий кислород.

Такой процесс разделения носит название ректификации .

Он заключается в том, что газообразная смесь азота и кислорода, которая образуется при испарении жидкого воздуха, вновь пропускается через жидкий воздух. При этом кислород конденсируется, выделяя тепло. За счет этого тепла испаряется новая часть азота. Пропуская

вновь образовавшиеся газы через жидкий воздух, можно в конце концов получить чистый газообразный азот и жидкий чистый кислород.

Аппарат, в котором разделяют жидкий воздух на азот и кислород, называется ректификационной колонной.

Ректификационная колонна разделена перегородками на камеры-тарелки. Сверху в колонну медленно подают жидкий воздух. По сливным стаканам он постепенно стекает вниз, заполняя все тарелки колонны. Перегородки сделаны из латунного листа, в котором на расстоянии около 3 миллиметров друг от друга в шахматном порядке пробиты мелкие отверстия диаметром 0,8-0,9 миллиметра. Газы, образующиеся при испарении жидкого воздуха, легко проходят через такие отверстия, не давая жидкости просочиться через них. Попадая в жидкость, газы вспенивают ее и перемешиваются с ней. Во время перемешивания газообразный кислород конденсируется и переходит в жидкость, а азот, испаряясь, уходит через отверстия в перегородках вверх, на следующую тарелку. Таким образом, на каждой тарелке газы обогащаются азотом и обедняются кислородом.

По мере накопления жидкость стекает через края сливных больше и больше обогащаясь кислородом.

В результате наверху, на выходе из колонны, получается чистый газообразный азот, а внизу собирается чистый жидкий кислород, который сливают через кран.

Так из атмосферного воздуха получают для промышленности кислород.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Так как все газы имеют несколько агрегатных состояний и могут быть сжижены, то воздух, состоящий из смеси газов, тоже может стать жидкостью. В основном жидкий воздух производят для выделения из него чистого кислорода, азота и аргона.

Немного истории

До 19 века ученые считали, что газ имеет лишь одно агрегатное состояние, но доводить воздух до жидкого состояния научились уже в начале прошлого века. Это делалось при помощи машины Линде, основными частями которой были компрессор (электродвигатель, снабженный насосом) и теплообменник, представленный в виде двух свернутых в спираль трубок, одна из которых проходила внутри другой. Третьим компонентом конструкции был термос, внутри него и собирался Детали машины покрывались теплоизоляционными материалами, чтобы предотвратить доступ к газу теплоты извне. Находящаяся вблизи горловины внутренняя трубка оканчивалась дросселем.

Работа газа

Технология получения сжиженного воздуха довольно проста. Сначала смесь газов очищают от пыли, частиц воды, а также от углекислого газа. Есть еще одна важная составляющая, без которой не получится произвести жидкий воздух, - давление. С помощью компрессора до 200-250 атмосфер, одновременно охлаждая его водой. Далее воздух идет через первый теплообменник, после чего делится на два потока, больший из которых идет в детандер. Этим термином называют поршневую машину, которая работает за счет расширения газа. Она преобразовывает потенциальную энергию в механическую, и газ охлаждается, потому что совершает работу.

Турбодетандер

Несмотря на кажущуюся простоту, применение детандера невозможно в промышленных масштабах. Полученный путем дросселирования через тонкую трубку газ оказывается слишком дорог, получение его недостаточно эффективно и энергозатратно, а следовательно неприемлемо для промышленности. В начале прошлого века стоял вопрос об упрощении выплавки чугуна, и для этого было выдвинуто предложение делать поддув из воздуха с высоким содержанием кислорода. Таким образом возник вопрос и о промышленной добыче последнего.

Поршневой детандер быстро забивается водяным льдом, поэтому воздух нужно предварительно осушить, что делает процесс сложнее и дороже. Решить проблему помогла разработка турбодетандера, использующего вместо поршня турбину. Позднее турбодетандеры нашли применение в процессе получения и других газов.

Применение

Сам жидкий воздух как таковой нигде не используется, это промежуточный продукт в получении чистых газов.

Принцип выделения составляющих основан на разнице в кипении составных частей смеси: кислород закипает при —183°, а азот при —196°. Температура жидкого воздуха ниже двухсот градусов, и нагревая его, можно производить разделение.

Когда жидкий воздух начинает медленно испаряться, первым улетучивается азот, а после того, как его основная часть уже испарилась, при температуре —183° закипает кислород. Дело в том, что пока азот остается в смеси, она не может продолжить нагреваться, даже если использовать дополнительный подогрев, но как только большая часть азота улетучится, смесь быстро достигнет температуры кипения следующей части смеси, то есть кислорода.

Очищение

Однако таким путем невозможно получить чистые кислород и азот за одну операцию. Воздух в жидком состоянии на первой стадии перегонки содержит около 78 % азота и 21 % кислорода, однако чем дальше идет процесс и чем меньше азота остается в жидкости, тем больше вместе с ним будет испаряться и кислорода. Когда концентрация азота в жидкости падает до 50 %, содержание кислорода в парах увеличивается до 20 %. Поэтому испаренные газы вновь конденсируют и подвергают перегонке во второй раз. Чем больше было перегонок, тем чище будут полученные продукты.

В промышленности

Это два противоположных процесса. При первом жидкость должна затратить тепло, а при втором - тепло будет выделяться. В случае если нет потери тепла, то теплота, выделяемая и потребляемая во время этих процессов, равна. Таким образом объем сконденсированного кислорода будет практически равен объему испаренного азота. Этот процесс называется ректификацией. Смесь двух газов, образованная вследствие испарения жидкого воздуха, снова пропускается через него, и некоторая часть кислорода переходит в конденсат, отдавая при этом тепло, за счет чего испаряется некоторая часть азота. Процесс повторяется множество раз.

Промышленное и кислорода происходит в так называемых ректификационных колоннах.

При контакте с жидким кислородом многие материалы становятся хрупкими. К тому же - очень мощный окислитель, поэтому, попав в него, органические вещества сгорают, выделяя много тепла. При пропитке жидким кислородом некоторые из этих веществ приобретают неконтролируемые взрывоопасные свойства. Такое поведение свойственно нефтепродуктам, к которым относится обычный асфальт.