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1、实验四 分馏一、实验目的1了解分馏的原理和意义，蒸馏与分馏的区别，分馏的种类及特点；2掌握分馏柱的工作原理和常压下的简单分馏操作方法。二、实验原理1.基本原理应用分馏柱将由几种沸点相近的物质组成的混合物进行分离的方法称为分馏。它在化学工业和实验室中被广泛应用。现在最精密的分馏设备已能将沸点相差仅12 的混合物分开，利用蒸馏或分馏来分离混合物的原理是一样的，实际上分馏就是在一个装置中实现多次蒸馏。如果将几种具有不同沸点而又可以完全互溶的液体混合物加热，当其总蒸气压等于外界压力时，液体开始沸腾汽化，蒸气中易挥发液体的成分较在原混合液中为多。这可从下面的分析中看出，为了简化，我们仅讨论混合物是二组分
2、理想溶液的情况。所谓理想溶液即是指在这种溶液中，相同分子间的相互作用与不同分子间的相互作用是一样的，也就是各组分在混合时无热效应产生，体积没有改变，只有理想溶液才遵守拉乌尔定律。这时，溶液中每一组分的蒸气压等于此纯物质的蒸气压和它在溶液中的摩尔分数的乘积。亦即：PA =PAo xA； PB = P Bo xBPA、PB分别为溶液中A和B组分的分压。PAo、PBo分别为纯A和纯B的蒸气压，xA和xB分别为A和B在溶液中的摩尔分数。溶液的总蒸气压： P = PA + PB。根据道尔顿分压定律，气相中每一组分的蒸气压和它的摩尔分数成正比，在气相中各组分蒸气的成分为： 由上式推知，组分B在气相和溶液中
3、的相对浓度为：因为在溶液中xA+xB= 1，所以若PAoPBo，则xB气/xB = 1，表明这时液相的成分和气相的成分完全相同，这样的A和B就不能用蒸馏(或分馏)来分离。如果PBoPAo则xB气/xB1，表明沸点较低的B在气相中的浓度较在液相中为大(在PBoPAo时，也可作类似的讨论)。在将此蒸气冷凝后得到的液体中，B的组分比在原来的液体中多(这种气体冷凝的过程就相当于蒸馏的过程)。如果将所得的液体再进行汽化，在它的蒸气经冷凝后的液体中，易挥发的组分又将增加，如此多次重复，最终就能将这两个组分分开(凡形成共沸点混合物者不在此列)。分馏就是利用分馏柱来实现这一“多次重复”的蒸馏过程。当沸腾着的混
4、合物进入分馏柱(工业上称为精馏塔)时，因为沸点较高的组分易被冷凝，所以冷凝液中就含有较多较高沸点的物质，而蒸气中低沸点的成分就相对地增多。冷凝液向下流动时又与上升的蒸气接触，二者之间进行热量交换，亦即上升的蒸气中高沸点的物质被冷凝下来，低沸点的物质仍呈蒸气上升；而在下流的液体中低沸点的物质则受热气化，高沸点的仍呈液态。如此经多次的液相与气相的热交换，使得低沸点的物质不断上升，最后被蒸馏出来，高沸点的物质则不断流回加热的容器中，从而将沸点不同的物质分离。所以，在分馏时，柱内不同高度的各段，其组分是不同的，相距越远，组分的差别就越大，也就是说，在柱中的动态平衡情况下，沿着分馏柱存在着组分梯度。了解
5、分馏原理最好是应用恒压下的沸点-组成曲线图(称为相图，表示这两组分体系中相的变化情况)。通常它是用实验测定在各温度时气液平衡状况下的气相和液相的组成，然后以横坐标表示组成，纵坐标表示温度而作出的(如果是理想溶液，则可直接由计算作出)。图3-17即是大气压下的苯-甲苯溶液的沸点-组成图。从图中可以看出，由苯60和甲苯40组成的液体(L1)在90时沸腾，和此液相平衡的蒸气(V1)组成约为苯80和甲苯20，若将此组成的蒸气冷凝成同组成的液体(L2)，则与此溶液成平衡的蒸气(V2)组成约为苯90和甲苯10。显然如此继续重复，即可获得接近纯苯的气相。图3.17 苯-甲苯体系的沸点-组成曲线图2.分馏柱和
6、分馏效率(1)分馏柱。分馏柱主要是一根长而垂直、柱身有一定形状的空管，或在管中填以特制的填料，总的目的是要增大液相和气相接触的面积，提高分离效果。分馏柱的种类很多，如图3-19所示，普通有机实验中常见的有球形分馏柱、填充式分馏柱和刺形分馏柱（又称韦氏Vigreux分馏柱）。球形分馏柱分离效率较差；填充式分馏柱是在柱内填上各种惰性材料，以增加表面积。填料包括玻璃珠、玻璃管、陶瓷或螺旋形、马鞍形、网状等各种形状的金属片或金属丝，它效率较高，适合于分离一些沸点差距较小的化合物；韦氏分馏柱结构简单，且比填充式分馏柱黏附的液体少，缺点是比同样长度的填充式分馏柱分离效率低，适用于分离少量且沸点差距较大的液
7、体。若欲分离沸点相距较近的液体混合物，必须使用精密分馏装置。（a）球形分馏柱（b）刺形分馏柱（c）填充式分馏柱图3.19 常见的分馏柱在分馏过程中，无论用哪一种柱，都应防止回流液体在柱内聚集，否则会减少液体和上升蒸气的接触，或者上升蒸气把液体冲入冷凝管中造成“液泛”，达不到分馏的目的。为了避免这种情况，通常在分馏柱外包扎石棉布等绝热物以保持柱内温度，提高分馏效率。(2)影响分馏效率的因素。理论塔板。分馏柱效率可用理论塔板来衡量。如图3-17所示，分馏柱中的混合物，经过一次汽化和冷凝的热力学平衡过程，相当于一次普通蒸馏所达到的理论浓缩效率，当分馏柱达到这一浓缩效率时，那么分馏柱就具有一块理论塔板
8、，柱的理论塔板数越多，分离效果越好。分离一个理想的二组分混合物所需的理论塔板数与该两个组分的沸点差之间的关系见表3-7。表3.7 二组分的沸点差与分离所需的理论塔板数沸点差值108 72 54 43 36 20 10 7 4 2分离所需的理论塔板数1 2 3 4 5 10 20 30 50 100回流比。在单位时间内，由柱顶冷凝返回柱中液体的数量与蒸出物量之比称为回流比，若回流中每10滴收集1滴馏出液，则回流比为9:1。回流比小，意味着从烧瓶中蒸发的蒸气大部分由柱顶流出被冷凝收集，显然分离效率果不高若要提高分流效率，回流比就应控制得大一些。蒸气全部冷凝返回柱中（无馏出物）时的回流比最大，称为全
9、回流，此时的分离效率最高。理论塔板数就是在全回流时测得的。尽管回流比大，分离效率高，但分馏速度慢。柱的保温。许多分馏柱必须进行适当的保温，以便能始终维持温度平衡。不过分馏柱散热量越大，被分离出的物质越纯。填料及其它因素。为了提高分馏柱的分馏效率，在分馏柱内装入具有大表面积的填料，填料之间应保留一定的空隙，要遵守堆放紧密且均匀的原则，这样可以增加回流液体和上升蒸气的接触机会。填料有玻璃（玻璃珠、短段玻璃管）或金属（不锈钢棉、金属丝绕成固定形状）。玻璃的优点是不会与有机化合物起反应，而金属则可与卤代烷之类的化合物起反应。在分馏柱底部往往放一些玻璃丝以防止填料坠入蒸馏容器中。三、仪器、装置及试剂仪器
10、：50mL圆底烧瓶、蒸馏头、韦氏分馏柱、温度计套管、温度计100、直形冷凝管、尾接管、50 mL三角瓶、100 mL烧杯、50 mL量筒、沸石、升降台、加热套图3.20 简单分馏装置图试剂：丙酮、蒸馏水四、实验步骤1加热。简单分馏操作和蒸馏大致相同。取丙酮和水各20mL，放入圆底烧瓶中，加入沸石。柱的外围可用石棉绳包住，这样可减少柱内热量的散发，减少风和室温的影响。选用合适的热浴加热，液体沸腾后要注意调节浴温，使蒸气慢慢升入分馏柱，约10-15min后蒸气到达柱顶(可用手摸柱壁，如若烫手表示蒸气已达该处)，有馏出液滴出现后，调节浴温使得蒸出液体的速度控制在每23秒1滴，保证有相当数量的液体自分
11、馏柱流回烧瓶，即保持合适的回流比，以达到比较好的分馏效果。2记录体积并绘制分馏曲线。记录馏出液每增加1 mL的温度的变化，待低沸点组分蒸完后，温度计指数会明显下降，此时应更换接受瓶，再渐渐升高温度，当第二个组分蒸出时温度计指数会迅速上升，至温度稳定时，再进行收集，如此便可分馏出沸点不同的各组分物质，至大部分馏液蒸出为止。上述情况是假定分馏体系有可能将混合物的组分进行严格的分馏，如果不是这种情况，一般则有相当大的中间馏分除非沸点相差很大。注意不要蒸干，以免发生危险。如馏出的温度是连续的，没有明显的阶段性，可将得到的馏出液继续进行第二次分馏。停止加热后，关闭冷凝水，按相反的顺序拆卸仪器。以温度为纵
12、坐标、馏出液体积为横坐标作丙酮-水的分馏曲线，并与蒸馏曲线比较。五、注意事项分馏一定要缓慢进行，控制好恒定的蒸馏速度（1滴/23s），这样可以得到比较好的分馏效果。要使有相当量的液体沿柱流回烧瓶中，即要选择合适的回流比，使上升的气流和下降液体充分进行热交换，使易挥发组分尽量上升，难挥发组分尽量下降，分馏效果更好。必须尽量减少分馏柱的热量损失和波动。柱的外围可用石棉绳包住，这样可以减少柱内热量的散发，减少风和室温的影响，使加热均匀，分馏操作平稳地进行。六、思考题1用分馏柱提纯液体时，为了取得较好的分离效果，为什么分馏柱必须保持回流液？2分馏和蒸馏在原理及装置上有哪些异同？如果是两种沸点很接近的液体组成的混合物能否用分馏来提纯呢？3. 若加热太快，馏出液12滴s（每秒种的滴数超过要求量），用分馏分离两种液体的能力会显著下降，为什么？
