Distilarea este tehnica de separare de bază a lumii chimice. Rafinăriile o folosesc la scară colosală pentru a împărți țițeiul în combustibili, uzinele de desalinizare o folosesc pentru a obține apă proaspătă din mare, iar distilatorii din orice tradiție o folosesc de secole pentru a concentra alcoolul. Ori de câte ori două componente dintr-un amestec lichid se diferențiază prin ușurința cu care se vaporizează, distilarea le poate separa.
Principiul constă într-o diferență a punctelor de fierbere. Când o soluție a unui solid nevolatil este încălzită, doar solventul fierbe: moleculele sale scapă sub formă de vapori, în timp ce solidul dizolvat, al cărui punct de fierbere se află cu sute de grade mai sus, rămâne în urmă. Conduși mai departe și răciți, vaporii condensează înapoi în lichid — acum lipsiți de solutul pe care l-au lăsat în balon. Încălzirea determină schimbarea de fază din lichid în gaz; răcirea o inversează; iar solutul, neputând să efectueze niciuna dintre călătorii, este separat de solventul său.
În acest laborator veți separa o soluție de sulfat de cupru în cei doi constituenți ai săi: apa va fi fiartă, condensată într-o eprubetă răcită de o baie de gheață și recuperată ca distilat, în timp ce sulfatul de cupru va rămâne în balonul Erlenmeyer sub formă de reziduu solid. Veți asambla singur întregul aparat, veți controla încălzirea și veți urmări cum se produc ambele jumătăți ale separării în același timp.
Obiective educaționale
Familiarizarea cu mediul de laborator
- Identificați dispunerea și echipamentul laboratorului de distilare, incluzând plita electrică cu agitator magnetic, suportul de laborator cu clemele sale, cilindrul gradat, termometrul, cronometrul și baia de gheață.
Asamblarea unui aparat de distilare
- Montați întregul traseu al vaporilor — balon Erlenmeyer cu dop, cot de sticlă, conector și tub de colectare răcit — și explicați rolul fiecărei componente.
- Poziționați clemele la înălțimile prescrise, astfel încât tubul de colectare să stea în baia de gheață, iar conectorul să facă legătura cu balonul.
Încălzirea controlată a unei soluții
- Setați temperatura țintă a plăcii de încălzire și monitorizați termometrul și tabelul cu rezultate pe măsură ce soluția se apropie de punctul de fierbere.
- Menține temperatura la cel mult 5 °C față de punctul de fierbere al apei și explică de ce supraîncălzirea riscă să descompună solutul.
- Folosește agitatorul magnetic pentru a menține soluția amestecată și fierberea lină.
Stăpânirea vocabularului distilării
- Folosește corect termenii solvent, solut, vapori, condensare, distilat și reziduu, asociind fiecare dintre aceștia cu elementul observat în experiment.
Înțelegerea fizicii separării
- Explicați separarea în funcție de diferența de volatilitate dintre apă și un solid ionic.
- Descrieți cele două schimbări de fază implicate și unde au loc fiecare în cadrul aparatului.
Protocol
- Folosind cilindrul gradat de 70 mL, măsurați aproximativ 60 mL de sulfat de cupru 1M (CuSO4) soluție.
- Toarnă lichidul măsurat în balonul Erlenmeyer de 250 mL.
- Introduceți o baghetă magnetică în balonul Erlenmeyer.
- Închideți balonul Erlenmeyer cu dopul de cauciuc cu două găuri, inclusiv cotul de sticlă.
- Pune balonul Erlenmeyer pe plita electrică.
- Introduceți termometrul în gaura dopului cu cot de sticlă.
- Umpleți pe jumătate paharul Berzelius de 500 mL care conține gheața cu apă rece de la robinet.
- Așezați paharul Berzelius în dreapta plăcii de încălzire.
- Atașați o clemă universală de stativ, deasupra paharului cu gheață, la o înălțime de aproximativ 15 cm (poziție inferioară).
- Atașați eprubeta goală de clemă astfel încât eprubeta să fie poziționată în vasul cu gheață.
- Atașați celălalt clește universal de suport, la o înălțime de aproximativ 30 cm (poziție superioară).
- Atașează conectorul mov la clema superioară, care va permite o conexiune între eprubetă și balonul Erlenmeyer.
- Porniți agitatorul magnetic.
- Porniți cronometrul.
- Pune plita la 105°C.
- Verifică că punctul de fierbere al apei (100°C) este atins pe termometru, precum și în tabelul de rezultate.
Rețineți că în acest experiment, viteza de fierbere a apei este înmulțită cu 2.
- Încălziți fără a depăși punctul de fierbere al apei cu mai mult de 5 grade °C și asigurați-vă că nu ardeți solutul.
După atingerea temperaturii de 100°C, se așteaptă o întârziere între 45 și 60 de secunde înainte de începerea reacției de fierbere.
- Când aproape tot solventul s-a evaporat și se vede un reziduu solid albastru, opriți agitatorul și reduceți temperatura țintă a plăcii de încălzire la 15°C.
- Conținutul eprubetei este solventul și se numește acum distilat.
- Conținutul balonului Erlenmeyer este substanța dizolvată.
Rezultate anticipate
Rezultate așteptate. Soluția se separă într-un reziduu solid în flaconul Erlenmeyer și un distilat limpede, incolor, în tubul de colectare.
| Cantitate | Valoare așteptată |
|---|---|
| Soluție distilată | 60 mL de CuSO₄ 1 M4 |
| Cantitatea de sulfat de cupru din balon | 0,060 mol |
| Reziduul, dacă este recuperat sub formă de pentahidrat, CuSO₄·5H₂O4·5H2O | 15,0 g (albastru) |
| Reziduul, dacă este recuperat sub formă de sare anhidră, CuSO₄4 | 9,6 g (de la alb la gri-verde) |
| Distilat | apă, colectată în eprubeta răcită |
De ce doar apa părăsește balonul. La presiunea atmosferică, apa fierbe la 100 °C. Sulfatul de cupru, în schimb, este un solid ionic menținut împreună prin forțe electrostatice puternice: nu are niciun punct de fierbere nicăieri aproape de această temperatură și se descompune în loc să fiarbă atunci când este încălzit puternic. Prin urmare, la 105 °C, vaporii care se ridică din balon sunt în esență apă pură; Cu2+ și ASA42− Ionii nu pot urma. Cantitatea de solut este fixată de compoziția soluției: n = C × V = 1,0 mol/L × 0,060 L = 0,060 mol.
De ce se condensează vaporii în eprubetă. vaporul de apă își transportă căldura de vaporizare. Când ajunge în tubul de colectare aflat în baia de gheață, această energie este preluată de mediul înconjurător rece și vaporii revin la starea lichidă — aceeași schimbare de fază în sens invers. Lichidul condensat se numește distilateste apa recuperată din soluție, lăsând în urmă fostul său solut.
De ce încălzirea trebuie să fie treptată. Două motive. În primul rând, ținta de 105 °C — abia deasupra punctului de fierbere — menține apa fierbând constant fără a supraîncălzi solidul rămas pe măsură ce lichidul dispare; un reziduu supraîncălzit se carbonizează sau se descompune, lucru împotriva căruia protocolul avertizează ca fiind arderea solutului. În al doilea rând, pe măsură ce apa este eliminată, soluția rămasă devine mai concentrată, iar punctul său de fierbere urcă ușor peste 100 °C — un efect coligativ —, așa că este nevoie cu adevărat de o marjă mică deasupra valorii de 100 °C pentru a menține distilarea. Pauza de 45–60 de secunde de după momentul în care termometrul indică pentru prima dată 100 °C reflectă căldura suplimentară necesară pentru a aduce întregul volum la fierbere, nu doar zona din jurul senzorului.
Rezumatul temei pe intervale de note
Clasele a IX-a și a X-a
- Concentrare: un solid dizolvat și solventul său pot fi separate prin punctul de fierbere, iar fiecare fracțiune recuperată are un nume.
- Activități: asamblați aparatul conform protocolului și efectuați distilarea în siguranță; observați unde au loc evaporarea și condensarea în cadrul aparatului și indicați-le; numiți distilatul și reziduul și menționați cărui constituent al soluției originale corespunde fiecare; înregistrați momentul în care începe fierberea și momentul în care reziduul devine vizibil pentru prima dată.
Clasa a XI-a
- Concentrare: latura cantitativă a separării și schimbările de fază care o determină.
- Activități: calculați cantitatea de sulfat de cupru din balon pe baza concentrației și a volumului; preziceți masa reziduului pentru sarea anhidră și pentru pentahidrat utilizând masele lor molare; explicați de ce vaporii sunt apă pură în termenii volatilității; explicați de ce punctul de fierbere al soluției crește pe măsură ce distilația avansează.
Clasa a XII-a / Nivel universitar
- Concentrare: hidrați, bilanțul energetic și evaluarea unei separări.
- Activități: folosește culoarea și masa observate ale reziduuului pentru a deduce starea sa de hidratare și propune încălzirea până la masă constantă ca fiind testul care ar lămuri acest lucru; estimează energia necesară pentru a vaporiza apa utilizând căldura de vaporizare; explică masa care nu se regăsește în niciuna dintre fracțiunile recuperate; compară distilarea cu evaporarea până la sec și justifică când aparatura suplimentară merită efortul.
Esențiale de laborator
Instrumente
- Pahar Berzelius (50 mL și 500 mL)
- Erlenmeyer (250 mL)
- Cilindri gradați (70 mL)
- Plită
- Stand și cleme de laborator
- Agitator magnetic
- Conector de plastic
- Eprubete
- Termometru
- Cronometru
- Cot de sticlă
Produse
- Soluție 1M de sulfat de cupru