اگر آبنمک را بجوشانیم، بخار خروجی عمدتاً آب است و نمک در ظرف باقی میماند؛ اما برای جداسازی دو مایع فرّار مانند اتانول و آب، یک بار تبخیر و میعان جداسازی کاملی ایجاد نمیکند. تقطیر از تفاوت فرّاریت اجزای مخلوط بهره میگیرد و بخار را پس از سردکردن دوباره به مایع تبدیل میکند. انتخاب میان تقطیر ساده و جزءبهجزء به ماهیت اجزا و فاصله نقطه جوش آنها بستگی دارد. در این مقاله مسیر حرکت ماده در دستگاه، نقش ستون تقطیر، شیوه خواندن دما و محدودیتهای این روش را گامبهگام بررسی میکنیم.
تقطیر بر تفاوت فرّاریت اجزای مخلوط استوار است
در یک محلول مایع، همه اجزا الزاماً با سرعت یکسان وارد فاز بخار نمیشوند. جزء فرّارتر در دمای معین فشار بخار بیشتری دارد و بخار بالای محلول از آن غنیتر است. در سطح دبیرستان معمولاً جزء دارای نقطه جوش کمتر را فرّارتر در نظر میگیریم. پس تقطیر فقط «جوشاندن» نیست؛ تبخیر ترجیحی یک جزء و سپس میعان بخار حاصل است.
هنگام گرمکردن مخلوط، بخار غنی از جزء فرّارتر از بالن خارج میشود، در مبرد گرما از دست میدهد و به مایع تقطیرشده یا تقطیرشونده تبدیل میشود. جزء کمفرّارتر بیشتر در بالن میماند. واژه «غنیتر» مهم است: بخار ممکن است هنوز مقداری از جزء دیگر داشته باشد و یک مرحله تقطیر لزوماً ماده خالص تولید نمیکند.
- فرّاریت بیشتر معمولاً با نقطه جوش کمتر همراه است
- فاز بخار از جزء فرّارتر غنیتر میشود
- مبرد بخار را به مایع تبدیل میکند
- تقطیر بر تفاوت خواص فیزیکی تکیه دارد و واکنش شیمیایی نیست
اجزای دستگاه هر کدام وظیفه مشخصی دارند
مخلوط در بالن تقطیر گرم میشود. دماسنج باید نزدیک مسیر ورود بخار به مبرد قرار گیرد تا دمای بخاری را نشان دهد که واقعاً به سوی گیرنده میرود؛ فروبردن حباب دماسنج در خود مایع، دمای بالن را میسنجد و برای تشخیص جزء در حال جمعآوری مناسب نیست. سنگ جوش یا همزدن کنترلشده نیز به جوشش یکنواخت کمک میکند.
بخار وارد لوله داخلی مبرد میشود و آب سرد در پوشش بیرونی مبرد جریان مییابد. آب خنککننده را معمولاً از اتصال پایین وارد و از اتصال بالا خارج میکنند تا پوشش مبرد پر بماند و تبادل گرمای مؤثرتری انجام شود. مایع میعانیافته در ظرف گیرنده جمع میشود. دستگاه نباید کاملاً بسته باشد، زیرا گرمکردن سامانه بسته میتواند فشار خطرناکی ایجاد کند.
- بالن: گرمکردن کنترلشده مخلوط
- دماسنج: سنجش دمای بخار خروجی
- مبرد: گرفتن گرما و میعان بخار
- گیرنده: جمعآوری مایع تقطیرشده
- ورود آب سرد مبرد از پایین و خروج آن از بالا
تقطیر ساده برای یک مایع فرّار و جزء نافَرّار مناسب است
اگر محلولی از یک مایع فرّار و مادهای عملاً نافَرّار داشته باشیم، تقطیر ساده انتخاب مناسبی است. در آبنمک، آب بخار میشود و بیشتر یونهای نمک در بالن باقی میمانند. با میعان بخار میتوان آبی با نمک بسیار کمتر به دست آورد؛ در همان حال، محلول داخل بالن غلیظتر میشود.
تقطیر ساده برای دو مایع امتزاجپذیر نیز زمانی جداسازی قابلقبولی میدهد که اختلاف نقطه جوش آنها نسبتاً زیاد باشد. مرز عددی کاملاً مطلق نیست و به خلوص موردنیاز و دستگاه وابسته است، اما در آموزش دبیرستانی اختلاف حدود ۲۵ تا ۳۰ درجه سلسیوس یا بیشتر را نشانهای برای مناسببودن تقطیر ساده میگیرند. اگر نقطه جوشها نزدیک باشند، بخار هر دو جزء را به مقدار قابل توجه حمل میکند.
- مایع فرّار + جامد حلشده نافَرّار: تقطیر ساده
- دو مایع با اختلاف نقطه جوش زیاد: معمولاً تقطیر ساده
- نمک در تقطیر آبنمک تبخیر و نابود نمیشود
- خلوص تقطیرشونده به میزان جداسازی بخار از مایع وابسته است
ستون جزءبهجزء چرخههای تبخیر و میعان را تکرار میکند
برای دو مایع فرّار با نقطه جوش نزدیک، میان بالن و مبرد یک ستون جزءبهجزء قرار میدهیم. سطح گسترده داخل ستون باعث میشود بخار بالارونده بارها بخشی از گرمای خود را از دست بدهد و میعان کند. مایع برگشتی دوباره با بخار گرم تماس مییابد و جزء کمفرّارتر بیشتر به سوی بالن بازمیگردد.
هر چرخه تبخیر و میعان، بخار بالاتر ستون را از جزء فرّارتر غنیتر میکند. بنابراین ستون را میتوان مجموعهای از مراحل کوچک جداسازی دانست. ستون بلندتر و دارای سطح تماس مؤثرتر معمولاً جداسازی بهتری میدهد، ولی فرایند را کندتر و مصرف انرژی را بیشتر میکند. گرمکردن شدید که بخار را با سرعت زیاد عبور دهد، فرصت برقراری این چرخهها را کم میکند.
- نقطه جوشهای نزدیک: تقطیر جزءبهجزء مناسبتر است
- ستون سطح تماس بخار و مایع را افزایش میدهد
- جزء کمفرّارتر بیشتر به بالن بازمیگردد
- سرعت گرمایش باید امکان تبادل گرما در ستون را بدهد
دمای بخار زمان تعویض ظرف گیرنده را نشان میدهد
در تقطیر مخلوط دو مایع، دمای سرِ دستگاه ممکن است مدتی نزدیک نقطه جوش جزء فرّارتر ثابت بماند. مایعی که در این بازه جمع میشود، از همان جزء غنیتر است. با کاهش مقدار جزء فرّارتر در بالن، ترکیب بخار تغییر میکند و دما به سوی نقطه جوش جزء کمفرّارتر بالا میرود.
در آزمایش جزءبهجزء میتوان برشها یا کسرهای تقطیر را در ظرفهای جدا جمع کرد. ثابتماندن نسبی دما نشانه خروج یک برش غنی از جزء مشخص است و افزایش میان دو ناحیه، گذار ترکیبی را نشان میدهد. با این حال دمای مشاهدهشده به فشار محیط وابسته است؛ نقطه جوش ثبتشده در ارتفاع زیاد الزاماً با مقدار جدول در فشار یک اتمسفر برابر نیست.
- ناحیه دمای تقریباً ثابت: جمعآوری یک برش غنیتر
- افزایش دما: تغییر ترکیب بخار خروجی
- ظرف گیرنده را میتوان میان برشها عوض کرد
- فشار محیط بر دمای جوش اثر میگذارد
مثال روشن: برای هر مخلوط کدام روش را انتخاب کنیم؟
سه مخلوط را در نظر بگیر: آب و سدیم کلرید، استون با نقطه جوش تقریبی ۵۶ درجه سلسیوس و آب با نقطه جوش ۱۰۰ درجه سلسیوس، و اتانول با نقطه جوش تقریبی ۷۸ درجه سلسیوس و آب. برای آبنمک، نمک نافَرّار است؛ پس تقطیر ساده آب را جدا میکند. برای استون و آب، اختلاف نقطه جوش حدود ۴۴ درجه است و در مدل آموزشی تقطیر ساده میتواند جداسازی اولیه مناسبی بدهد.
اختلاف نقطه جوش اتانول و آب حدود ۲۲ درجه است؛ بنابراین تقطیر جزءبهجزء انتخاب مناسبتری است. در آغاز، تقطیرشونده از اتانول غنیتر خواهد بود و با ادامه فرایند دمای بخار افزایش مییابد. پاسخ درست نباید ادعا کند که اتانول مطلق به دست میآید؛ امتزاجپذیری، تعادل بخار و مایع و رفتار غیرایدهآل میتوانند خلوص قابل دستیابی را محدود کنند.
تقطیر را با تبخیر، تبلور و صافکردن اشتباه نگیر
در تبخیر برای بازیابی جامد حلشده، حلال را خارج میکنیم و معمولاً آن را جمعآوری نمیکنیم؛ در تقطیر، بخار حلال را میعان میدهیم تا مایع نیز بازیابی شود. تبلور بر تفاوت انحلالپذیری در دماهای مختلف تکیه دارد و میتواند برای خالصسازی جامد مناسبتر باشد. صافکردن نیز فقط ذرههای جامد نامحلول را از سیال جدا میکند و یونهای نمک حلشده از کاغذ صافی عبور میکنند.
انتخاب روش با یک پرسش آغاز میشود: اجزای مخلوط چه حالت و چه ویژگی متفاوتی دارند؟ جامد نامحلول را میتوان صاف کرد، جامد محلول را نمیتوان با صافی معمولی جدا کرد، و دو مایع امتزاجناپذیر اغلب با قیف جداکننده تفکیک میشوند. تقطیر زمانی معنا دارد که دستکم یک جزء فرّار باشد و بر اثر گرمشدن تجزیه خطرناک یا قابل توجهی رخ ندهد.
- بازیابی حلال: تقطیر از تبخیر مناسبتر است
- جامد محلول از صافی معمولی عبور میکند
- تبلور برای خالصسازی بسیاری از جامدها کاربرد دارد
- مایعهای امتزاجناپذیر معمولاً به قیف جداکننده نیاز دارند
- پایداری گرمایی ماده را پیش از انتخاب تقطیر بررسی کن
تمرین و نکات کلیدی انتخاب روش
تمرین: مخلوطی همگن از مایع A با نقطه جوش ۶۵ درجه سلسیوس و مایع B با نقطه جوش ۷۲ درجه سلسیوس داریم. کدام روش مناسبتر است و نخستین برش از کدام جزء غنیتر خواهد بود؟ چون اختلاف فقط ۷ درجه است، تقطیر جزءبهجزء مناسبتر است و اولین برش از A، یعنی جزء فرّارتر با نقطه جوش کمتر، غنیتر خواهد بود.
اگر در طول آزمایش دما ابتدا نزدیک ۶۵ درجه ثابت بماند، سپس افزایش یابد و بعد نزدیک ۷۲ درجه ثابت شود، بازه اول را برای برش غنی از A و بازه دوم را برای برش غنی از B در نظر میگیریم. برای پاسخدادن به هر پرسش، حالت اجزا، فرّاربودن، امتزاجپذیری، فاصله نقطه جوش و خلوص موردنیاز را به ترتیب بررسی کن.
- ابتدا فرّار یا نافَرّار بودن اجزا را مشخص کن
- برای دو مایع، فاصله نقطه جوش را مقایسه کن
- نقطه جوش نزدیکتر یعنی نیاز بیشتر به ستون جزءبهجزء
- جزء با نقطه جوش کمتر در برش نخست غنیتر است
- دمای دماسنج را به بخار خروجی نسبت بده، نه همه مایع بالن
- تقطیر را جداسازی کامل و بیمحدودیت فرض نکن
برای انتخاب روش، ابتدا ماهیت اجزای مخلوط را مشخص کن. یک مایع فرّار در کنار جامد نافَرّار یا دو مایع با فاصله نقطه جوش زیاد معمولاً با تقطیر ساده جدا میشوند؛ دو مایع امتزاجپذیر با نقطه جوش نزدیک به ستون جزءبهجزء نیاز دارند. بخار و سپس مایع تقطیرشده از جزء فرّارتر غنیتر است، نه لزوماً خالص. جای درست دماسنج، جریان آب مبرد از پایین به بالا، گرمایش آرام و دنبالکردن ناحیههای دمایی برای جمعآوری برشها، چهار نکته عملی تحلیل دستگاهاند.
مبنای آموزش، مفاهیم کتاب درسی است. برای جزئیات منابع و مقررات هر سال، دفترچه و اطلاعیه رسمی سازمان سنجش را بررسی کن.