Растворы. Коллигативные свойства, страница 14

Заметим теперь, что на обоих рисунках (рис. 4.23 и рис. 4.24), которые представляют систему бензол–толуол, при двухфазном состоянии пар всегда имеет большее содержание бензола, чем валовое содержание бензола в системе. Чистый бензол имеет более низкую температуру кипения (при данном давлении) и более высокое давление насыщенного пара (при данной температуре), чем толуол. Это иллюстрирует общее правило, известное как первый закон Коновалова:

Насыщенный пар над жидкой смесью относительно богаче тем компонентом, добавление которого к смеси повышает общее давление пара при данной температуре или понижает температуру кипения смеси при данном давлении.

Этот факт находит применение для разделения компонент смесей или растворов с помощью процесса, называемого дистилляцией или перегонкой. Представим, что смесь бензола и толуола с мольной долей 0.5 каждого нагрели до 95 °С при нормальном давлении. При этих условиях пар над жидкостью обогащен бензолом (точка r' на рис. 4.24). Если "систему открыть" и пар сконденсировать отдельно от кипящей жидкости, то получится жидкость (конденсат), обогащенная бензолом по сравнению с исходной смесью. Если этот конденсат нагреть приблизительно до 90 °С и повторить конденсацию пара отдельно от равновесной жидкости, то получится смесь, ещё более богатая бензолом. Повторяя этот процесс много раз, можно получить практически чистый бензол. Аналогичный процесс разделения компонент можно осуществить при постоянной температуре путем понижения давления для испарения и последующего повышения давления для конденсации в отдельной ёмкости. Такой способ разделения называется изотермической перегонкой.

На практике, вместо стадийной конденсации в разных ёмкостях, используется фактически непрерывный процесс, при котором пар и жидкость движутся в вертикальной фракционной колонке над ёмкостью, содержащей исходный раствор. Пар поднимается по колонке, в которой имеется множество "полочек" для конденсации. Жидкость стекает по полкам в противоположном направлении. В стационарном режиме, который устанавливается после некоторого времени работы установки, температура в колонке плавно распределена по высоте, от высоких температур внизу до более низких вверху. Так как состав жидкости и пара является функцией температуры, то на низких полках конденсируется пар с относительно высоким содержание компонента, имеющего более высокую температуру кипения, тогда как поднимающийся по колонке пар обогащен компонентом с более низкой температурой кипения. В результате последовательной конденсации на своём пути вверх, пар последовательно обогащается одним компонентом и, в заключении, конденсируется в отдельную ёмкость. Рис. 4.25 даёт представление о способе осуществления этого процесса в лаборатории. Фракционная колонка в такой установке называется дефлегматором. Она представляет собой полую трубку (обычно стеклянную) с теплоизолирующей рубашкой вокруг неё и множеством мелких стеклянных деталей внутри (например, насыпанные стеклянные кольца или радиальные выступы из стеклянных стенок).

Степень обогащения пара одним компонентом зависит от длины и конструкции фракционной колонки. С этой точки зрения процесс характеризуют числом "теоретических тарелок" (тарелок, на которых могла бы происходить последовательная конденсация и испарение смеси). Это число подсчитывается с помощью диаграммы жидкость–пар, как если бы процесс последовательного испарения и конденсации происходил с максимальным возможным обогащением на каждой стадии (на каждой тарелке). Например, если в результате дистилляции смесь бензол–толуол обогащается от хВ = 0.2 до хВ = 0.81, то число теоретических тарелок по фазовой диаграмме этой системы равно трём (рис. 4.26).

В промышленности фракционная дистилляция обычно называется ректификацией. Для промышленного производства, ректификационная колонна может иметь высоту до 75 м и может характеризоваться тысячами теоретических тарелок. Это необходимо для разделения смесей, компоненты которых имеют близкие температуры кипения. Однако, если требуется очистить растворитель от растворённых веществ, имеющих очень высокую температуру кипения и очень низкое давление пара (таких, как неорганические соли), то достаточно применить однократную перегонку: выпарить жидкость и сконденсировать её в отдельной ёмкости. Такая простая дистилляция повсеместно применяется для очистки воды от "солей жесткости" и от гидроксидов железа, которые являются обычной примесью водопроводной воды во многих городах.