实验三、蒸馏、分馏和减压蒸馏
实验三：蒸馏、分馏和减压蒸馏（2022年10月22日）
一、实验目的
（1） 了解蒸馏、分馏和减压蒸馏的基本原理和适用条件；
（2）熟练掌握蒸馏、分馏装置的安装和使用方法；掌握减压蒸馏仪器的安装和操作方法。
二、 基本原则
（一）蒸馏和分馏
蒸馏和分馏利用有机物的不同沸点。蒸馏过程中，先蒸发低沸点组分，后蒸发高沸点组分，达到分离纯化的目的。不同之处在于，分馏是一系列蒸馏，可以在分馏塔的帮助下一 次完成，而无需重复蒸馏（分馏是多次蒸馏）。应用范围也不同。蒸馏过程中，混合液中各组分的沸点在分离前应大于30℃，完全分离的沸点应大于110℃。分馏可以分离纯化沸点相近（即使沸点差只有1-2℃）的互溶液体混合物。 液体的分子由于分子运动有从表面逸出的倾向，这种倾向随着温度的升高而增大，进而在液面上部形成蒸气。当分子由液体逸出的速度与分子由蒸气中回到液体中的速度相等，液面上的蒸气达到饱和，称为饱和蒸气。它对液面所施加的压力称为饱和蒸气压。实验证明，液体的蒸气压只与温度有关。即液体在一定温度下具有一定的蒸气压。当液态物质受热时蒸气压增大，到与外界施于液面的总压力（通常是大气压力）相等时，就有大量气泡从液体内部逸出，即液体沸腾。这时的温度称为液体的沸点。 蒸馏：将液体物质加热至沸腾，将其转化为蒸汽，并将蒸汽冷却为液体的联合操作。纯液体有机化合物在一定压力下具有一定的沸点（沸点范围0.5-1.5c）。利用这个，我们可以确定纯液体有机物的沸点。也称为常数法。
但是具有固定沸点的液体不一定都是纯粹的化合物，因为某些有机化合物常和其它组分形成二元或三元共沸混合物，它们也有一定的沸点。
非挥发性杂质可以通过蒸馏去除，沸点差大于30℃的液体混合物可以分离，纯液体有机物的沸点也可以测定，液体有机物的纯度可以定性测试。
分馏：如果将两种挥发性液体混合物进行蒸馏，在沸腾温度下，其气相与液相达成平衡，出来的蒸气中含有较多量易挥发物质的组分，将此蒸气冷凝成液体，其组成与气相组成等同（即含有较多的易挥发组分），而残留物中却含有较多量的高沸点组分（难挥发组分），这就是进行了一次简单的蒸馏。
如果蒸汽冷凝的液体被重新蒸馏，即进行另一个气液平衡，并且重新生成的蒸汽中挥发性物质的成分增加。同样，通过冷凝蒸汽获得的液体中挥发性物质的组成肯定较高，因此我们可以使用一系列系统的重复蒸馏，最终可以获得两种接近纯组分的液体。使用这种简单的重复蒸馏，虽然可以得到两种接近纯组分的液体，但重复蒸馏操作不仅浪费时间，而且损失巨大，设备复杂。因此，分馏塔通常用于多次气化和冷凝，即分馏。
1
o
在分馏柱内，当上升的蒸气与下降的冷凝液互凝相接触时，上升的蒸气部分冷凝放出热量使下降的冷凝液部分气化，两者之间发生了热量交换，其结果，上升蒸气中易挥发组分增加，而下降的冷凝液中高沸点组分（难挥发组分）增加，如果继续多次，就等于进行了多次的气液平衡，即达到了多次蒸馏的效果。这样靠近分馏柱顶部易挥发物质的组分比率高，而在烧瓶里高沸点组分（难挥发组分）的比率高。这样只要分馏柱足够高，就可将这种组分完全彻底分开。工业上的精馏塔就相当于分馏柱。（二）减压蒸馏
真空蒸馏是分离纯化有机物的重要方法之一。特别适用于常压蒸馏时沸点高、易分解、易氧化、易聚合的物质。为了提高蒸馏速度和溶剂回收率，有时会考虑大量蒸馏方法。
液体的沸点是指它的饱和蒸汽压等于外界大气压时的温度，所以液体沸腾的温度是随外再压力的降低而降低的。用真空泵连接盛有液体的容器，使液体表面上的压力降低，即可降低液体的沸点。这种在较低压力下进行蒸馏的操作称为减压蒸馏，减压蒸馏时物质的沸点与压力有关。
为了便于使用，不同的真空度通常分为几个级别：
低真空度[101.32~1.3332kpa(760~10mmhg)]：一般可用水泵获得。水泵所达到的最大真空度受水蒸气压力限制，因此，水温在3~4℃时，水泵可达0.7999kpa(6mmhg)的真空度；而水温在20~25℃时，只能达到2.266~3.333kpa(17~25mmhg)。中真空度[1333.2~13.332pa(10~10-1mmhg)]：一般可由油泵获得。
高真空度[<13.332pa（10-1mmhg）]：通常通过扩散泵获得。它利用液体的蒸发和冷凝，空气附着在冷凝液滴的表面以富集气体分子。一方面，泵的功能是泵出积聚的气体分子，另一方面，它可以降低所用液体的汽化点，使其易于沸腾。扩散泵中使用的工作液可以是泵或其他特殊油，其极限真空度主要取决于工作液的性质。
三、实验装置
（一） 蒸馏装置：主要由气化、冷凝和接收组成：
2
1.蒸馏瓶：蒸馏瓶的选择与蒸发液体的体积有关。一般情况下，液体体积应为蒸馏瓶体积的1/3-2/3。不要使用太多或太少的液体。（为什么）？蒸馏低沸点液体时，选择长颈蒸
馏瓶；蒸馏高沸点液体时，选择短颈蒸馏瓶。
2、温度计：温度计应根据被蒸馏液体的沸点来选，低于100c,可选用100c温度计;高于100c,应选用250-300c水银温度计。
3.冷凝管：冷凝管可分为水冷冷凝管和空气冷凝管。水冷冷凝管用于蒸发液体的沸点低于140℃；空气冷凝管用于蒸发液体的沸点高于140摄氏度（为什么）。
4、尾接管及接收瓶：尾接管将冷凝液导入接收瓶中。常压蒸馏选用锥形瓶为接收瓶，减压蒸馏选用圆底烧瓶为接收瓶。
仪器的安装顺序为：从下到上，从左到右。按相反顺序卸下仪器。（2） 减压蒸馏系统：分为三部分：蒸馏、抽气、保护和压力测量装置。
o
o
o
o
o
o
1、蒸馏部分
这一部分类似于普通蒸馏，也可分为三部分
（1）减压蒸馏瓶（克氏蒸馏瓶）有两个颈，其目的是为了避免减压蒸馏时瓶内液体由于沸腾而冲入冷凝管中，瓶的一颈中插入温度计，另一颈中插入一根距瓶底约1－2mm的末端拉成细丝的毛细管的玻管。毛细管的上端连有一段带螺旋夹的橡皮管，螺旋夹用以调节进入空气的量，使极少量的空气进入液体，呈微小气泡冒出，作为液体沸腾的气化中心，使蒸馏平稳进行，又起搅拌作用。
（2） 冷凝管与普通蒸馏管相同。
（3）接液管（尾接管）和普通蒸馏不同的是，接液管上具有可供接抽气部分的小支管。
蒸馏时，若要收集不同的馏分而又不中断蒸馏，则可用两尾或多尾接液管。转动多尾接液管，就可使不同的馏分进入指定的接受器中。2、抽气部分
实验室通常用水泵或油泵减压。水泵（水循环泵）：可达到的最小压力为1kPa
油泵：油泵的效能决定于油泵的机械结构以及真空泵油的好坏。好的油泵能抽至真空度为13.3pa。油泵结构较精密，工作条件要求较严。蒸馏时，如果有挥发性的有机溶剂、水或酸的蒸气，都会损坏油泵及降低其真空度。因此，使用时必须十分注意油泵的保护。
三
3、保护和测压装置部分
为了保护油泵，必须在蒸馏液接收器和油泵之间依次安装一个冷阱和几个吸收塔。冷阱中冷却液的选择取决于需要。通常有三个吸收塔（干燥塔）：第一个装有无水CaCl2或硅胶以吸收水蒸气；第二层填充粒状na0h，吸收酸性气体；第三个装有切片石蜡以吸收碳氢化合物气体。
实验室通常利用水银压力计来测量减压系统的压力。水银压力计又有开口式水银压力计、封闭式水银压力计。
四、 实验步骤（I）蒸馏：
1、加料：将待蒸液40ml小心倒入蒸馏瓶中，不要使液体从支管流出。加入几粒沸石（为什么），塞好带温度计的塞子，注意温度计的位置。再检查一次装置是否稳妥与严密。2、加热：先打开冷凝水龙头，缓缓通入冷水，然后开始加热。注意冷水自下而上，蒸汽自上而下，两者逆流冷却效果好。当液体沸腾，蒸气到达水银球部位时，温度计读数急剧上升，调节热源，让水银球上液滴和蒸气温度达到平衡，使蒸馏速度以每秒1―2滴为宜。此时温度计读数就是馏出液的沸点。
如果蒸馏过程中热源温度过高，蒸汽会变成过热蒸汽，导致温度计显示的高沸点；如果热源温度过低，馏出蒸汽无法完全渗入温度计的水银球，导致温度计读取的沸点较低或不规则。3.收集馏分：准备两个接收瓶，一个用于接收前馏分或蒸馏头，另一个（待称重）用于接收所需馏分，并记录馏分的沸腾范围：即第一滴和最后一滴馏分的温度计读数。
在所需馏分蒸出后，温度计读数会突然下降。此时应停止蒸馏。即使杂质很少，也不要蒸干，以免蒸馏瓶破裂及发生其它意外事故。
4.拆除蒸馏装置：蒸馏后，先拆除热源，然后停止供水，最后拆除蒸馏装置（与安装顺序相反）。（2） 真空蒸馏：
1．装置安装完毕，加入需蒸馏的液体于克氏蒸馏瓶中，一般不得超过容积的1/2，打开抽气泵，慢慢关好安全瓶上的二通旋塞，调节螺旋夹，使导入空气量以能冒出一连串的小气泡为宜。
2.当达到所需真空度且压力稳定时，开始加热。热水浴的温度通常比液体的沸点高20℃左右。当液体沸腾时，应调整热源，并经常注意压力表上显示的压力。如果不一致，则应进行调整。当达到所需沸点时，旋转多尾接头以接收所需的馏分，蒸馏速度应为0.5~1滴/秒。蒸馏后，移除热源。稍微冷却后，拧下螺丝夹，慢慢打开安全瓶上的旋塞，平衡内外压力，慢慢将压力表的水银柱恢复到原来的状态。如果开得太快，水银柱会迅速下降，可能会击穿压力计。内外压力平衡后，可关闭抽油泵电源，防止抽油泵中的油被吸入干燥塔。5、 操作要点和说明（一）蒸馏
1、进行蒸馏操作时，有时发现馏出物的沸点往往低于（或高于）该化合物的沸点，有时馏出物的温度一直在上升，这可能是因为混合液体组成比较复杂，沸点又比较接近的缘故，简单蒸馏难以将它们分开，可考虑用分馏。
2.为了消除蒸馏过程中的过热现象，保证沸腾的稳定状态，经常添加沸石，或
4
一端密封的毛细管可以防止加热过程中的沸腾现象。他们被称为防暴剂，也被称为煮沸剂。值得注意的是，液体沸腾时不能添加防暴剂，也不能使用使用过的防暴剂。
