DESTİLASYON (DAMITMA) Organik Sıvıların Saflandırılması Ve Ayrılması

DESTİLASYON (DAMITMA) Organik Sıvıların Saflandırılması Ve Ayrılması

Destilasyon; sıvıların saflandırılması ve ayrılmasında kullanılan en yaygın metottur. Sıvı, kaynama noktasına kadar ısıtılır, buharlaşan kısım soğutma sistemi içinden geçirilerek yoğunlaştırılır ve yoğuşan kısım toplanır.

GENEL PRENSİPLER

Kapalı bir kap içindeki sıvıda, bazı moleküller sıvı yüzeyinden ayrılarak buhar fazına geçerler. Aynı esnada buhar fazındaki bazı moleküller de sıvı yüzeyine çarparak sıvı faza geçerler. Denge kurulduğu zaman sıvı yüzeyinden ayrılan molekül sayısı, sıvıya dönen molekül sayısına eşit olur. Buhar fazındaki moleküller kabın çeperlerine çarptıklarından, buhar tarafından kabın çeperlerine bir basınç uygulanır, buna “sıvının buhar basıncı” denir. Sıvının sıcaklığı yükseltilirse buhar fazına geçen molekül sayısı yeniden denge kurulana kadar artar. Sıvının buhar basıncı sıcaklığın artmasıyla artar. Şekil 1’de tipik bir buhar basıncı – sıcaklık eğrisi gösterilmiştir.

Şekil 1: Buhar basıncı – sıcaklık eğrisi

Kaynama noktası, bir sıvının kaynama noktası; sıvının basıncının çevrenin basıncına (sıvının yüzeyine yapılan basınca) eşit olduğu sıcaklıktır. Sıvıyı içeren kap atmosfere açık ise kaynama noktası sıvının buhar basıncının atmosfer basıncına eşit olduğu sıcaklıktır. Saf bir sıvının buhar basıncı kaynama noktasına varana kadar sıcaklık artışı ile düzenli olarak artar. Kaynayan saf sıvının buharına temas edecek şekilde yerleştirilen termometreden kaynama noktası bulunabilir (Şekil 5).

İdeal Sıvıların Karışımları

Kaynama noktası farklı, karışabilen iki sıvının karışımı kaynama noktasına kadar ısıtılırsa buhar sıvı ile aynı bileşime sahip olmayacaktır Şekil 2 kaynama noktaları TA ve TB olan karışabilen A ve B sıvılarının davranışını göstermektedir.

Şekil 2: Tipik bir sıvı – buhar bileşimi diyagramı

Üstteki eğri kaynama noktasında sıvı ile dengede olan buharın bileşimini göstermektedir. Saf A (%100 A) sadece A’nın buhar basıncı atmosfer basıncına eşit olduğunda kaynar (TA’da) ve buhar fazında yalnızca A olur. C1 bileşimli A ve B karışımı ısıtılırsa, karışım TC1’de kaynar. Sıvının bileşimi C1’den %100 B’ye doğu tedricen değişecektir. Sıvının kaynama noktası da TC1’den TB’ye doğru tedricen yükselecektir. TC1’deki buharın bileşimi C2 olacaktır. Bunun anlamı C1 bileşimli sıvı destilasyon düzeneğinde kaynama noktasına kadar ısıtılırsa oluşan buharın bileşimi C2 olacaktır, A bileşenince de daha zengindir.Destilasyon ilerledikçe A sıvıdan uzaklaşacaktır. Sıvının bileşimi C1’den %100 B’ye doğru değişecektir. Sıvının kaynama noktası da TC1’den TB’ye doğru tedricen değişir. Destilatın bileşimi de C2’den (A yönünden zengin) %100 B’ye değişir.Bir karışımın basit damıtılmasında ilk gelen daha uçucu olan yani kaynama noktası düşük olan maddedir, sonradan gelen ise daha az uçucu yani yüksek kaynama noktalı maddedir.

Azeotrop Oluşturan Sıvılar

Bazı sıvı karışımları Şekil 2’de sıvı-buhar bileşim diyagramlı ideal çözeltile oluşturma yerine minimum ve maksimum kaynama noktası gösteren sistemler oluştururlar. Böyle karışımlar için tipik bileşim diyagramları Şekil 3’de gösterilmiştir. CMİN veya CMAX’a tamamen eşit bileşimdeki karışımlar saf sıvı gibi tek bir sabit sıcaklıkta destillenirler.etanol ve su (%95,5 etanol) minimum kaynama noktalı (78,2 OC) bir karışım oluştururlar. (Etanol 78,3 OC’de, su 100 OC’de kaynar)

Şekil 3: Minimum veya maksimum kaynama noktalı sıvılar için sıcaklık – değişim diyagramı

Formik asit ve su (%22,5 formik asit, %77,5 su) maksimum kaynama noktalı (107,1OC) karışım oluşturmaktadır. (Formik asitin kaynama noktası 100,8 OC) Böyle sabit kaynama noktalı karışımlar Azeotrop olarak adlandırılırlar.Şekil 3’de CMİN ve CMAX’ın solundaki bileşimdeki karışımlar saf A ve sabit kaynama noktalı karışıma ayrılabilir, ama böyle bir karışımdan saf B destilasyonla elde edilemez. Aynı şekilde CMİN veya CMAX’ın sağındaki bileşime sahip karışımlar saf B ve sabit kaynama noktalı karışıma ayrılabilir ama saf A elde edilemez.

Vakum Destilasyonu

Bazı sıvılar kaynama noktasının altındaki sıcaklıklarda bozunduklarından normal atmosfer basıncında destillenemezler. Bu yüzden daha düşük basınçta destillenmeleri gerekir. Şekil 1 bir sıvının kaynama noktası üzerine basınç azalmasının etkisini göstermektedir. Şekilden görüldüğü gibi basınç 1atm’den 200 torr’a düşürüldüğünde sıvının destillenmesi için gereken sıcaklık 200 OC’den 100OC’ye düşmektedir. Düşük basınçta yapılan destilasyon işlemine vakum destilasyonu denilmektedir. Basıncı azaltmak için vakum pompası veya su trombu kullanılmaktadır.

Fraksiyon Kolonu (Fraksiyonlu Destilasyon)

Şekil 2’den görüldüğü gibi C1 bileşimli A – B karışımı destillendiği zaman ilk destilat damlası saf A’yı değil, esas olarak A ama biraz da B içeren C2 karışımını verir. Eğer bu ilk fraksiyonlar birleştirilip tekrar destillenirse yoğunlaştırılan ilk buhar A yönünden zengin olacaktır. Bu şlemler (buharlaştırma, yoğunlaştırma, tekrar buharlaştırma) tekrar tekrar yapılırsa A – B karışımından saf A elde ayrılabilmektedir.sonraki fraksiyonlardaki yüksek kaynama noktalı fraksiyonların da benzer şekilde tekrar destillenmesiyle saf B’de elde edilebilir. Şekil 6’daki fraksiyon kolonu destilasyon işleminin verimliliğini artıran bir unsurdur. İçinde cam parçaları, cam helezon veya buharın çarparak yoğunlaşacağı yüzeyi artıran inert başka materyaller bulunan bir cam borudur. Sıcak buharlar kolonda yükselirken Organik Kimya Laboratuvarı 34 yoğunlaşır ve geri dönerler. Yoğunlaşan kısımdaki uçucu olan madde gelen buharın sıcaklığı ile tekrar buharlaşır. Kolon uygun ise bu işlem pek çok kez tekrarlanır. Destilat, karışımın düşük sıcaklıkta kaynayan bileşenlerini hemen hemen saf olarak içerir.

Şekil 4: Fraksiyonlu destilasyon prensibini gösteren buhar – sıvı bileşim diyagramı

Şekil 4 bu işlemi grafik üzerinde göstermektedir. C1 bileşimli A – B karışımı TC’de kayar ve buhar bu sıcaklıkta kolona girer, eğer kolonda yoğunlaşırsa yoğuşan kısmın bileşimi C2 olur. Bu, kolonun alt kısmında TC2 sıcaklığında buharlaşır ve C3 bileşimli buharı oluşturur. Bu yoğunlaşıp tekrar buharlaşınca C4 bileşimli buharı oluşturur. Eğer kolon yeterince yüksek veya yeteri kadar buharlaşma – yoğunlaşma yapmaya yetecek yüzey içeriyorsa destilat saf A olacaktır. Bu işlem A’nın tümü uzaklaştırılıncaya kadar devam edecektir, sonra sıcaklık B’nin kaynama noktasına kadar yükselecektir. Pratikte destilasyon kolonları %100 verimli değildir ama aralarında 2Olik kaynama noktası farkı bulunan ayırabilecek kolonlar da yapılmıştır.

CCl4’ün DESTİLASYONU İşlem

Önce basit destilasyon düzeneğinde saf bir sıvıyı destilleyeceksiniz. Şekil 5’deki gibi sistemi hazırlayınız. Termometrenin haznesi şekilde gösterildiği gibi dikkatlice yerleştirilmiş olmalı ki gerçek kaynama noktası ölçülebilsin. 30 mL CCl4’ü balona koyun. İçine kaynama taşı atın. Termometreyi yerleştirin, yoğuşturucudan suyu geçirmeye başlayın. Asistanınıza sistemi kontrol ettirin. Düşük alevde CCl4’e kaynama noktasına kadar ısıtın. Saniyede 1 damla akacak şekilde ısıtma hızını ayarlayın. 2, 5, 10, 15, 20 ve 25 mL destilat toplandığı zamanki sıcaklığı kaydedin. Sonra destilasyonu durdurun. Sıcaklıklar arasındaki fark 2OC’den fazla olmamalıdır. Bu da CCl4’ün kaynama noktası aralığını verir. Kalıntıyı balondan boşaltın.

Şekil 5: Basit destilasyon sistemi BASİT DESTİLASYONLA İKİLİ KARIŞIMLARIN AYRILMASI

Şekil 3-5 deki aynı düzeneği kullanarak 25 ml CCl4 ve 25 ml tolüen karışımını destilleyiniz. Yeni destillediğiniz CCl4 ü bu amaçla kullanabilirsiniz. Damlalar yavaş ve düzenli düşecek şekilde ısıtma hızını ayarlayın. 45 ml destilat toplana kadar her 5 ml de bir sıcaklığı kaydedin.

Şekil 6: Fraksiyonlu kolonla basit veya vakum destilasyon düzeneği

FRAKSİYONLU KOLONU KULLANARAK İKİLİ KARIŞIMLARIN AYRILMASI İşlem Şekil 6 da gösterilen düzeneği kurunuz. Bir önceki deneyden kalanı ve destilatı birleştiriniz. Bu karışımı dibi yuvarlak 100 ml lik balona koyunuz. Düzeneği kurup destilasyonu yapınız. 45 ml destilatı toplarken her 5 ml topladığınızda sıcaklığı kaydediniz.