Sistemi di separazione per miscugli omogenei

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1 Sistemi di separazione per miscugli omogenei I sistemi di separazione per i miscugli omogenei riguardano principalmente la distillazione in tutte le varie declinazioni, la separazione mediante cromatografia (anche qui nelle varie modalità) e l'estrazione con solvente, già trattata nel documento su i sistemi di separazione per miscugli eterogenei. Distillazione La distillazione è una tecnica che permette la separazione di un soluto (generalmente solido) dal solvente o, più in generale, la separazione di due o più componenti di un miscuglio omogeneo sfruttando il diverso punto di ebollizione dei costituenti stessi. Nel corso della distillazione non avvengono fenomeni chimici: si hanno solo fenomeni fisici di evaporazione e di condensazione. Di conseguenza in un impianto di distillazione avvengono due passaggi di stato: un primo passaggio dallo stato liquido allo stato di vapore che avviene nella caldaia (pallone) ed un secondo passaggio di stato, questa volta dallo stato di vapore a quello liquido, che avviene nel refrigerante (condensatore). In questo documento parleremo di: Distillazione semplice (a pressione atmosferica) Distillazione sotto vuoto Distillazione in corrente di vapore Distillazione frazionata La distillazione semplice (detta anche a pressione atmosferica) è il tipo più comune di distillazione: viene condotto alla pressione atmosferica e non necessita di particolari accorgimenti. L apparecchiatura necessaria alla distillazione semplice è costituita da: 1. Un sistema di riscaldamento a fiamma 6 libera o elettrico. 2. Un recipiente dove porre la miscela da separare ( caldaia ) 3. Un sistema di raccolta dei vapori prodotti 4. Un sistema di condensazione dei vapori 5. Un sistema di raccolta del condensato E anche indispensabile avere a disposizione un termometro (6) per la misura della temperatura dei vapori. 4 5

2 Per quanto concerne il riscaldamento si può operare a fiamma libera oppure mediante un sistema di riscaldamento elettrico Il sistema di riscaldamento elettrico presenta il vantaggio di essere regolabile più facilmente e con maggiore precisione e di non presentare pericoli di incendio nel caso si distillino sostanze infiammabili. Per contro un bruciatore Bunsen ben carburato è in grado di riscaldare molto più rapidamente a parità di volume e di tipo di liquido da distillare. In questo caso è consigliabile usare una reticella o un diffusore di calore (piastra in Duran )in modo da rendere più omogeneo il riscaldamento. Il recipiente in cui si sistema il miscuglio da separare è detto comunemente caldaia e, generalmente, è costituito da un pallone sferico di adeguata capacità che non dovrebbe essere riempito oltre la metà (al massimo non oltre i 2/3) della sua capacità in modo da consentire uno sviluppo del vapore da una superficie quanto più ampia possibile. Dovendo lavorare su volumi ridotti di miscuglio si adottano palloni a fondo conico chiamati comunemente a cuore di bue. Vedi foto a destra Il pallone può anche essere dotato di un tubo laterale (cosiddetto pallone codato ) per consentire un montaggio dell'apparecchiatura molto più rapido. Nel pallone poi, oltre al miscuglio da distillare, va sistemato anche un sistema per rendere regolare l'ebollizione: possono essere sferette di vetro, palline di porcellana non vetrinata, pezzetti di tubicini capillari o qualsiasi altro sistema che consenta un regolare svolgimento del vapore all'ebollizione. In questa maniera si evitano quei surriscaldamenti seguiti dalla produzione di una gran quantità di vapore (chiamati in inglese bump ) che possono mandare a monte una distillazione per il fatto che il refrigerante non riesce a gestire tutto il vapore prodotto con conseguente perdita di distillato o, nella peggiore delle ipotesi, la proiezioni si schizzi e spruzzi di sostanza bollente dal pallone. Se l'impianto è costituito da vetreria con giunti conici normalizzati e smerigliati (vedi la sezione Giunti per vetreria su Wikipedia) sull'imboccatura del pallone va inserito un raccordo tipo Claisen (detto anche testa di distillazione ) per permettere il collegamento tra il pallone, il termometro ed il refrigerante. Siccome è necessario controllare la temperatura del vapore che condensa, il termometro deve essere posto con il bulbo all'altezza del tubo laterale. Ovviamente la lettura della temperatura va fatta solo quando sul termometro si nota la condensazione del vapore.

3 Subito dopo la testa di distillazione si collega il refrigerante o condensatore. Questo è un apparecchio che consente lo scambio termico tra il vapore in entrata e un liquido di raffreddamento (generalmente acqua): il tutto si traduce in un raffreddamento dei vapori che così condensano e possono essere raccolti. I refrigeranti presentano quindi quattro collegamenti: uno per l'entrata del vapore, uno per l'uscita del condensato e altri due per l'entrata e uscita dell'acqua di raffreddamento. Il flusso del liquido di raffreddamento è di solito in controcorrente rispetto al flusso del vapore: ciò aumenta l'efficienza del refrigerante. Nel caso di refrigeranti montati in verticale (trappole) l'entrata dell'acqua avviene dal basso. Nella figura viene rappresentato in azzurro il percorso dell'acqua di raffreddamento in un refrigerante a serpentina. Nel corso del tempo si è avuta una continua evoluzione dei refrigeranti: dai modelli più semplici si è passati a modelli via via più efficienti (e complicati) con lo scopo di ridurre il consumo di acqua e aumentarne l'efficienza. I vari tipi possono essere distinti in base a determinate caratteristiche o in base al nome dell'inventore. Così abbiamo: Nome Liebig inventore Allihn Graham Dawies Thorpe A serpentina A doppia Ad alta camicia efficienza Schema Caratteristica A canna A bolle diritta Note Da usare solo in verticale Il refrigerante di Allihn ha il tubo interno con una serie di rigonfiamenti: in questo modo aumenta la superficie di scambio termico; stessa cosa per gli altri refrigeranti: si è cercato in tutte le maniere di aumentare la superficie di scambio in modo da aumentare l'efficienza del sistema. Il refrigerante di Allihn viene spesso usato anche come trappola per confinare in un pallone un determinato reagente volatile: il refrigerante condensa i vapori della sostanza e li fa ricadere nel pallone, anche se si opera alla temperatura di ebollizione della sostanza. Questo tipo di riscaldamento viene detto a ricadere o a riflusso ed è largamente usato in chimica organica.

4 All'estremità del refrigerante (tipo Liebig) va sistemato un raccordo per convogliare il distillato in un recipiente di raccolta. Ovviamente, se il refrigerante è montato in verticale il problema non sussiste. Su questo tipo di raccordo di solito è presente anche il collegamento per una pompa da vuoto per poter operare a pressione ridotta. Se si vogliono recuperare più porzioni diverse del distillato si può fare ricorso a un dispositivo per la raccolta separata conosciuto, data la forma, come vacca (in alcuni testi è chiamata porcellino ). Questo dispositivo, montato all'estremità del condensatore consente di prelevare quattro porzioni di distillato senza, per esempio, dover staccare l'impianto dalla pompa a vuoto per sostituire il recipiente di raccolta.

5 Distillazione a pressione ridotta ( sotto vuoto ) Un liquido bolle quando la sua pressione di vapore eguaglia la pressione del sistema in cui si trova: per questo motivo in alta montagna l acqua bolle ad una temperatura inferiore a i 100 C solitamente segnati nelle tabelle. In realtà ogni temperatura di ebollizione dovrebbe essere corredata anche della pressione alla quale essa è stata rilevata ma solitamente si sottintende che la misura sia stata fatta alla pressione di una atmosfera (1013 hpa o 760 mmhg). Quindi, se noi operiamo a livello del mare in una bella giornata, la pressione di vapore del liquido deve arrivare a 1013 hpa (760 mmhg) affinché avvenga l'ebollizione mentre se, nella stessa giornata e con lo stesso liquido, ci troviamo in montagna, la pressione di vapore del liquido deve arrivare a un valore inferiore per ottenere l'ebollizione; il tutto quindi bollirà ad una temperatura inferiore. In chimica si sfrutta questa proprietà per poter distillare sostanze termolabili. Nella distillazione sotto vuoto si utilizza una apparecchiatura identica a quella vista per la distillazione a pressione atmosferica ma completamente stagna in cui la pressione interna viene abbassata mediante una pompa da vuoto. In questo modo la miscela viene a trovarsi ad una pressione inferiore a quella atmosferica presente nel laboratorio ed entra in ebollizione ad una temperatura inferiore. Al limite, se la pompa da vuoto funziona bene e si ottiene una pressione nel sistema particolarmente bassa, si può arrivare a far bollire la miscela a temperatura ambiente. In realtà le cose non sono così semplici: l apparecchiatura deve essere assemblata con cura, deve avere tutti i connettori a cono smerigliato e normalizzato e deve essere collegata ad una pompa da vuoto efficiente. Le norme di sicurezza impongono poi che l impianto sia protetto sia con uno schermo di sicurezza, sia con un sistema che consenta un piccolo, regolare, flusso di aria attraverso l impianto stesso per evitare i pericoli derivanti da una implosione. Il vuoto necessario viene realizzato mediante pompe ad acqua che funzionano sul principio del trascinamento delle molecole d'aria per diminuire la pressione del sistema collegato.

6 Distillazione in corrente di vapore La distillazione in corrente di vapore viene effettuata quando il prodotto da distillare è termolabile e, in questo caso particolare, anche immiscibile con l'acqua. Questa modalità di distillazione viene usata largamente per ottenere i cosiddetti olii essenziali che vengono estratti da piante e fiori. Si è visto prima che, per ottenere l'ebollizione di un liquido, è necessario che la sua pressione di vapore sia pari alla pressione dell'ambiente. Operando in corrente di vapore si ottiene una riduzione del punto di ebollizione della sostanza in quanto si sfrutta la legge di Dalton che dice che la pressione totale di un sistema è data dalla somma delle pressioni parziali dei costituenti il sistema. Vedi Pressione parziale L'impianto di distillazione in corrente di vapore prevede che il vapore venga prodotto a parte in una beuta (o in un pallone) e poi venga fatto gorgogliare nel pallone di distillazione. Ovviamente sia il pallone di distillazione che il pallone per la produzione di vapore devono essere riscaldati. Nel pallone di raccolta del distillato si ottiene un miscuglio eterogeneo liquido liquido che si può agevolmente separare mediante un imbuto separatore. Produzione vapore Distillazione Condensazione Raccolta distillato

7 Distillazione frazionata Con la distillazione frazionata si ottiene la separazione di miscugli omogenei i cui costituenti hanno punti di ebollizione vicini tra loro (10 15 C di differenza). Per ottenere questa separazione bisogna inserire tra il pallone e la testa di distillazione una colonna di rettifica (o deflemmatore) detta anche Colonna Vigreux (si pronuncia Vigrè): questa è costituita da un tubo di vetro che porta sul corpo diverse decine di introflessioni che ne aumentano considerevolmente la superficie. In questo modo tra la base della colonna e la sua sommità si ottiene una differenza di temperatura (un gradiente ) di pochi gradi che consente di ottenere la separazione desiderata. Con questa apparecchiatura il controllo della temperatura deve essere quanto più preciso possibile perché bastano pochi gradi centigradi in più per rovinare il frazionamento del miscuglio. Se, invece, la temperatura è troppo bassa, il frazionamento non avviene. Questa tecnica di distillazione ha raggiunto il suo culmine con il frazionamento del petrolio greggio: solo con un miglioramento di questa tecnica (colonne di distillazione frazionata a piatti) è stato possibile ottenere la separazione di tutti quei componenti che hanno poi dato vita alla industria petrolchimica. Nell'industria alimentare l'uso della colonna Vigreux consente di eliminare dai distillati alcoolici l'alcool metilico, un alcool indesiderato in quanto tossico e, in alcuni casi, mortale (vedi lo scandalo avvenuto in Italia nel 1986, con la morte di quasi due dozzine di consumatori).

8 Il presente lavoro, redatto dall' ITP Eligio ZLATICH, nell'ambito della formazione di base per il laboratorio di chimica per l'i.t.i.s. A.Volta di Trieste, viene rilasciato con licenza Creative Commons: (Obbligo di citare la fonte, Opera gratuita, L'opera può essere modificata ma deve essere rilasciata con gli stessi attributi) Per approfondire: