水蒸气蒸馏：原理、适用范围及操作要点

2024-08-20 理论教育版权反馈

【摘要】：实验八水蒸气蒸馏（一）实验目的1.了解水蒸气蒸馏的原理及适用范围。为使馏液中的含量增高，就要想办法提高次物质的蒸气压，也就是说要提高温度，使蒸气的温度超过100℃，即要用过热水蒸气蒸馏。圆底烧瓶应当用铁夹夹紧，水蒸气导管外径一般不小于7mm，以保证水蒸气畅通，其末端应接近烧瓶底部，以便水蒸气和蒸馏物质充分接触并起搅拌作用。

实验八　水蒸气蒸馏

（一）实验目的

1.了解水蒸气蒸馏的原理及适用范围。

2.掌握水蒸气蒸馏的装置及操作。

（二）实验原理

许多不溶于水或微溶于水的有机化合物，无论是固体还是液体，只要在100℃左右具有一定的蒸气压，即有一定的挥发性时，若与水在一起加热就能与水同时蒸馏出来，这就称为水蒸气蒸馏。利用水蒸气蒸馏可把一些化合物同其他挥发性更低的物质分开而达到分离提纯的目的。水蒸气蒸馏是分离和提纯有机化合物的常用方法之一，也是从动植物中提取芳香油等天然产物最常用的方法之一。

使用水蒸气蒸馏时被提纯的物质应该具备下列条件：不溶（或几乎不溶）于水；在沸腾下与水长时间共存而不起化学变化；在100℃左右是必须具有一定的蒸气压（一般不小于1.33kPa，即10mmHg）。

当与水不相混溶的物质与水一起存在时，根据道尔顿（Dalton）分压定律，整个体系的蒸气压应为各组分蒸气压之和。对于二组分体系，有：

P=P_A＋P_B

式中，P为总的蒸气压；P_A为水的蒸气压；P_B为与水不相溶物质的蒸气压。当混合物中各组分蒸气压总和等于外界大气压时，这时的温度即为它们的沸点。此沸点必定较任一组分的沸点都低。因此，在常压下应用水蒸气蒸馏，就能在低于100℃的温度下将高沸点组分与水一起安全地蒸出来。

此法特别适用于分离那些在其沸点附近易分解的物质；也适用于从难挥发物质或不需要的树脂状物质中分离出所需的组分。蒸馏时混合物的沸点保持不变，直到其中一组分几乎全部蒸出（因总的蒸气压与混合物中二者间的相对量无关），温度才上升到留在瓶中液体的沸点。

由理想气体状态方程：PV=nRT可知，在一定容积（V）和温度（T）下，混合物蒸气中各气体分压（P_A，P_B）之比等于它们的物质的量之比。即

n_A/n_B=P_A/P_B

而n_A=m_A/M_A；n_B=m_B/M_B。其中m_A、m_B为各物质在一定容积中蒸气的质量。M_A、M_B为物质A和B的相对分子质量。因此：

可见，这两种物质在馏出液中的相对质量（就是它们在蒸气中的相对质量）与它们的蒸气压和相对分子质量的乘积成正比。

水具有低的相对分子质量和较大的蒸气压。它们的乘积M_A·P_A是小的。因此就有可能来分离较高相对分子质量和较低蒸气压的物质。若已知被提纯物质与水的共沸温度以及水在此温度下的分压，就可以计算出馏出液中被提纯物与水的质量之比。

例如，溴苯的沸点为135℃，且和水不相互混溶。当和水一起加热，其共沸温度为95.5℃，在此温度下水的蒸气压是86.1kPa，溴苯的蒸气压是15.2kPa，水和溴苯的相对分子质量分别是18g/mol和157g/mol代入上式：

即蒸出6.5g水能够带出10g溴苯。溴苯在溶液中的组分占61。上述关系式只适用于与水不互溶的物质。而实际上很多化合物在水中或多或少有些溶解。因此这样的计算只是近似的。如果蒸气压在0.13kPa～0.67kPa，则其在馏液中的含量仅占1，甚至更低。为使馏液中的含量增高，就要想办法提高次物质的蒸气压，也就是说要提高温度，使蒸气的温度超过100℃，即要用过热水蒸气蒸馏。例如苯甲醛（沸点178℃）进行水蒸气蒸馏时，在97.9℃沸腾（这时P_A=93.8kPa，P_B=7.5kPa）馏出液中的苯甲醛占32.1。假如导入133℃的过热蒸气，这时苯甲醛的蒸气压可达29.3kPa，因而只要有72kPa的水蒸气压，就可使体系沸腾。因此：

这样馏出液中苯甲醛的含量就可提高到（70.6%）。

应用过热水蒸气还具有使水蒸气冷凝少的优点，这样可以省去在盛蒸馏物的容器下加热等操作。为了防止过热蒸汽冷凝，可在盛蒸馏物质的容器下以油浴保持和蒸汽相同的温度。(www.chuimin.cn)

在实验操作中，过热蒸汽可应用于在100℃时具有0.13～0.67kPa的物质。例如在分离苯酚的硝化产物中，邻硝基苯酚可用一般的水蒸气蒸馏蒸出。在蒸完邻位异构体后，如果提高蒸汽温度，也可以蒸馏出对位产物。

（三）实验操作

常用的水蒸气蒸馏装置（如图2-13），安装时应依次安装水蒸气发生器、圆底烧瓶、冷凝管、接液管和接收瓶，当进行少量的水蒸气蒸馏时可用克氏蒸馏瓶（如图2-14）。

图2-13　常用水蒸气蒸馏装置

A.水蒸气发生器；B.安全玻璃管；C.水位显示管；D.盛样烧瓶；

E.蒸气导入管F.蒸气导出管；G.T形管；H.接收器

水蒸气发生器内的盛水量以其容积的3/4为宜，如果太满，沸腾时水将冲至烧瓶。长玻璃管为安全管，管的下端几乎插到发生器的底部。当容器内气压太大时，水可沿玻璃管上升，以调节内压。如果系统发生阻塞，水便会从管的上口喷出。此时应检查导管是否被阻塞。圆底烧瓶应当用铁夹夹紧，水蒸气导管外径一般不小于7mm，以保证水蒸气畅通，其末端应接近烧瓶底部，以便水蒸气和蒸馏物质充分接触并起搅拌作用。发生器的支管和水蒸气导管之间用一个T形管相连接。在T形管的支管上套一段短橡皮管，用螺旋夹夹紧，它可以用来除去水蒸气中冷凝下来的水分。在操作中，如果发生不正常现象，应立刻打开夹子，使体系与大气相通。

图2-14　用克氏蒸馏瓶（头）进行少量物质的水蒸气蒸馏

进行水蒸气蒸馏时，先将要蒸馏的物质倒入烧瓶中。开始蒸馏时，先把T形管上的夹子打开，加热水蒸气发生器，直至接近沸腾后再将夹子夹紧，使水蒸气均匀地进入烧瓶中。为了使蒸气不至于在烧瓶中冷凝而积聚过多，必要时可在烧瓶底部放一石棉网，用小火加热。必须控制加热速度，使蒸气能全部在冷凝管中冷凝下来。如果随水蒸气挥发的物质具有较高的熔点，在冷凝后易于析出固体，则应调小冷凝水的流速，使它冷凝后仍然保持液态。假如已有固体析出，并且接近阻塞时，可暂时停止冷凝水的流通，甚至需要将冷凝水暂时放去，以使物质熔融后随水流入接收器中。必须注意，当冷凝管夹套中要重新通入冷却水时，要小心而缓慢，以免冷凝管因骤冷而破裂。万一冷凝管已被阻塞，应立即停止蒸馏，并设法疏通（如用玻璃棒将阻塞的晶体捅出或用电吹风的热风吹化结晶，也可在冷凝管夹套中灌以热水使之熔出）。

在蒸馏过程中，应该仔细观察整个蒸馏系统是否畅通。若水蒸气发生器的安全管水面上升较高，说明蒸馏系统内的压力增高，此时应立即打开T形管上的螺旋夹，然后移开热源检查蒸馏系统是否堵塞。此外，若烧瓶内的压力大于水蒸气发生器内的压力，则会产生倒吸现象，此时也应打开T形管的螺旋夹，移开热源，检查事故原因。待排除了事故原因后方可继续进行水蒸气蒸馏。

水蒸气蒸馏过程中，可以看见一滴滴混浊液随热蒸气冷凝聚集在接收瓶中，当被蒸物质全部蒸出后，蒸出液由混浊变澄清，此时不要结束蒸馏，要再多蒸出10～20mL的透明馏出液后方可停止蒸馏。

在中断或结束蒸馏时，一定要先打开T形管的螺旋夹，使体系与大气相通，然后再停止加热，拆下接收瓶后，再按顺序拆除各部分装置。

注意事项

1.水蒸气发生器中一定要配置安全管。可选用一根长玻璃管作安全管，管子下端接近水蒸气发生器底部。使用时，注入的水不要过多，一般不要超出其容积的2/3。

2.水蒸气发生器与烧瓶之间的连接管路应尽可能短，以减少水蒸气在导入过程中的热损耗。

3.导入水蒸气的玻璃管应尽量接近圆底烧瓶底部，以利于提高蒸馏效率。

4.在蒸馏过程中，如果有较多的水蒸气因冷凝而积聚在烧瓶中，可以用小火隔着石棉网在烧瓶底部加热。

5.实验中，应经常注意观察安全管。如果其中的水柱出现不正常上升，应立即打开T形管，停止加热，找出原因，排除故障后再重新蒸馏。

6.停止蒸馏时，一定要先打开T形管，然后停止加热。如果先停止加热，水蒸气发生器因冷却而产生负压，会使烧瓶内的混合液发生倒吸。

水蒸气蒸馏：原理、适用范围及操作要点

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