蒸馏水蒸气的温度

Steam Distillation

【目的要求】

1．了解水蒸气蒸馏的原理、条件及其适用性。

2．学习水蒸气蒸馏的仪器装置及其操作方法。

【实验原理】

水蒸气蒸馏是分离提纯液态或固态有机化合物的常用方法之一。可用水蒸气蒸馏提纯的有机化合物须具备下列条件:不溶(或几乎不溶)于水;在100℃左右与水长时间共存不会发生化学变化;在100℃左右具有一定的蒸汽压，一般不小于1．33 kPa，即10 mmHg柱。

当与水不相混溶的物质和水一起存在时，根据道尔顿分压定律，混合物的蒸汽压力P，应该为水的蒸汽压PA和该物质的蒸汽压PB之和，即:

P=PA+PB

P随温度升高而增大，当温度升高到P等于外界大气压时，该混合物开始沸腾。这时的温度为该混合物的沸点，此沸点必定较混合物中任一组分的沸点都低。因此，在不溶于水的有机物之中，通入水蒸气进行水蒸气蒸馏时，在比该物质低得多的温度，而且比100℃还要低的温度下就可以使该物质同水一起蒸馏出来。蒸出的是水和与水不相混溶的物质，很容易进一步分离，从而达到纯化的目的。

已知水(b．p．100℃)和溴苯(b．p．156℃)互不相溶，通过讨论溴苯的水蒸气蒸馏，可说明水蒸气蒸馏的基本原理。纯物质及混合物的蒸气压－温度图见2－6。

由图2－6可知，95℃时，混合物的蒸气压等于外压，混合物应在95℃左右沸腾。这与理论预测一致，该温度低于水的沸点。由于水蒸气蒸馏的温度低于100℃，因而具有广泛用途，特别适用于以下三种情况:①对热敏感，高温会分解、氧化或聚合的高沸点的有机化合物;②含有大量的树脂状或焦油状物质，采用蒸馏、萃取等方法难于分离的混合物;③从较多的固体反应物中分离出被吸附的液体。

水蒸气蒸馏液的组成与化合物的分子量及蒸馏温度下各蒸气压有关。

对于二组分混合物A和B，如果A和B蒸气近似理想气体，可应用理想气体方程，得下面表达式:

图2－6　蒸气压－温度图

式中，P0为纯液体蒸气压，V为气体体积，g为气相组分重量，M为分子量，R为气体常数，T为绝对温度(K)。第一个等式除以第二个等式得:

因为分子、分母中的RT是相同的，气体体积相同(VA=VB)，上式可变换为:

已知混合物溴苯和水在95℃时，蒸气压分别是120 mmHg和640 mmHg(见图2－6)，可用上式计算蒸馏液组成为:

即蒸出1 g水可带出1．64 g溴苯。馏出液中溴苯的含量占62%，但实际上所得的比例比较低，因为有相当一部分水蒸气来不及与被蒸馏物质充分接触便离开蒸馏烧瓶。从计算结果还可以看出:以重量计算，尽管在蒸馏温度下，溴苯的蒸气压比水低很多，但蒸馏液中溴苯的含量却比水高。这是因为有机物分子量通常比水大得多，甚至只要在100℃时有5 mmHg左右的蒸气压，就可以用水蒸气蒸馏得到良好提纯的效果。但当某化合物的分子量虽很大，而其蒸汽压过低，在0．13～0．67 kPa，则其在馏出液中的含量仅占1%，甚至更低，就要想办法提高此物质的蒸气压，也就是说要提高温度，使蒸气的温度超过100℃，即要用过热水蒸气来蒸馏，从而提高馏出液中该物质的含量。

【操作方法】

1．水蒸气蒸馏装置

水蒸气蒸馏除需常压蒸馏的的仪器以外，还需要有水蒸气发生器和导管，另外需一长颈的圆底烧瓶，其装置如图2－7所示。A是水蒸气发生器，铁质或铜质的，也可以用圆底烧瓶代替，侧面玻管C是液面标记，可以观察发生器内液面的高度，通常盛水量以其容积的2/3为宜，如果太满，沸腾时水蒸气会把水冲至烧瓶。安全玻管B应插到接近发生器A的底部，当容器内的水蒸气压大时，水可沿着玻管上升，以调节容器内压力。如果水从玻管上口喷出，此时应检查整个系统是否有阻塞(通常是圆底烧瓶内的蒸气导管E的下口被树脂状或焦油状物质堵塞)。

图2－7　水蒸气蒸馏装置

蒸馏部分通常是长颈的圆底烧瓶D，瓶内的液体不宜超过其容积的1/3。为防止瓶中液体因跳溅而冲入冷凝管内，故将烧瓶的位置向发生器的方向倾斜约45°。蒸气倒入管E的末端应弯曲，使其垂直正对烧瓶中央，并接近瓶底。蒸气导出管F(弯角约30°)，孔径最好比管E大一些，一端插入双孔木塞，露出约5 mm，另一端和冷凝管连接。馏出液通过弯接管进入接收器H(根据情况，接收器外围可用冰水浴冷却)。

水蒸气发生器与长颈圆底烧瓶之间应装上一个T形管。在T形管下端连一个螺旋夹G或止水夹以便及时除去冷凝下来的水滴，通常在下放一烧杯。应尽量缩短水蒸气发生器与长颈瓶之间的距离，以减少水蒸气的冷凝。

2．水蒸气蒸馏操作

加热水蒸气发生器，当有水蒸气从T形管冲出时，先通冷凝水，再将螺旋夹G夹紧，使水蒸气通入D。为了使水蒸气不致在D中因冷凝而积聚过多，必要时可在D下放一石棉网，用小火加热。注意调节加热水蒸气发生器的热源，使产生水蒸气不致太快，以免把D中混合物冲至冷凝管中。

如果随水蒸气蒸出的物质具有较高的熔点，在冷凝管中易于析出固体时，则应调小冷凝水的流速，使它冷凝后仍然保持液体状态。如已有固体析出，并且接近阻塞时，可暂时停止冷凝水的流通，甚至需要将冷凝水暂时放去，以使物质融熔后随水流入接收器中。当蒸馏液澄清透明时，一般即可停止蒸馏。

在蒸馏需要中断或蒸馏完毕后，一定要先打开螺旋夹G使体系和大气相通，方可停止加热，否则D中的液体会倒吸到A中。在蒸馏过程中，如发现安全管B中的水位迅速上升，也应立即打开螺旋夹G，然后关掉热源，待排除了堵塞后再继续进行水蒸气蒸馏。

有时也可直接利用反应的三颈瓶来代替圆底烧瓶进行水蒸气蒸馏，装置如图2－8所示。对于少量物质的水蒸气蒸馏，也可用克氏蒸馏瓶代替圆底烧瓶，装置如图2－9所示。

图2－8　用三颈瓶代替圆底烧瓶的水蒸气蒸馏装置

图2－9　用克氏蒸馏瓶(头)的水蒸气蒸馏装置

【仪器与试剂】

仪器:水蒸气蒸馏装置。

试剂:苯甲醛、萘。

【实验内容】

1．苯甲醛的水蒸气蒸馏

在长颈圆底烧瓶中，放入10 mL苯甲醛和10 mL水，参照图2－7或图2－8装好水蒸气蒸馏装置，通过水蒸气蒸馏进行纯化。

将全部馏出液倒入分液漏斗中，先分出苯甲醛，剩余的水层加入10 mL乙醚，振荡，静置分层后，将醚层与前边分出的苯甲醛合并于一干燥的小锥形瓶中，加入少量无水氯化钙，塞好瓶口，干燥，其间应振荡几次(参看1．6．2)。然后改用常压蒸馏装置，在热水浴中将乙醚蒸出，即可得苯甲醛。也可用旋转蒸发仪去除溶剂乙醚。

2．萘的水蒸气蒸馏

称取2．0 g粗品萘加入50 mL圆底烧瓶中，按图2－9装好水蒸气蒸馏装置，通过水蒸气蒸馏进行纯化。蒸馏过程中冷凝管中的水要时开时停，防止蒸馏出的萘冷凝成固体后把接引管堵死。待馏出液透明后，再多蒸出10 mL清液。冷却，使充分结晶，然后用抽滤的方法，收集产品，自然干燥后，测熔点。

实验指导

【预习要求】

1．了解水蒸气蒸馏法纯化有机化合物的原理及操作过程中的注意事项。

2．参看“实验5”，了解分液漏斗的使用和保养。

3．参看“1．6”节，了解液体有机化合物的干燥方法。

【注意事项】

1．水蒸气蒸馏时，玻璃仪器非常烫，操作时要小心。

2．蒸馏瓶内液体的体积不能超过蒸馏瓶体积的1/3。

3．在整个水蒸气蒸馏过程中，要仔细观察水蒸气发生器侧管和安全管中的水位以及圆底烧瓶中通入水蒸气的情况，以及时排除故障和防止倒吸等现象。

4．水蒸气蒸馏结束，应先打开T形管的螺旋夹，然后再停止加热。否则，蒸馏瓶中热液体会倒流进入水蒸气发生器。

【思考题】

1．应用水蒸气蒸馏的化合物必须具有哪些条件?水蒸气蒸馏适用哪些情况?

2．指出下列各组混合物能否采用水蒸气蒸馏法进行分离。为什么?

(1)乙二醇和水;

(2)对二氯苯和水

3．为什么水蒸气蒸馏温度总是低于100℃?

4．简述水蒸气蒸馏操作程序。

5．如何判断水蒸气蒸馏可以结束?

6．若安全管中水位不断上升，说明什么问题，如何处理?

(编写:彭红建　校核:罗一鸣)