úvod
Keď varíš osolenú vodu na cestoviny, na pokrievke sa zbierajú kvapky. Nie sú slané: voda sa z hrnca odparila, na chladnejšej pokrievke znova skvapalnela a soľ zostala v hrnci. Na tomto princípe funguje destilácia. V tejto lekcii zistíš, ako sa zmesi oddeľujú podľa teplôt varu, ako sa jód mení z tuhej látky priamo na plyn a ako sa farbivá z fixky rozdelia po papieri.
teória
Destilácia
Destilácia je oddeľovanie zložiek zmesi, pri ktorom kvapalinu zahrievaním odparíme a jej pary ochladením znova zmeníme na kvapalinu, destilát. Takto sa dá oddeliť kvapalina od látok v nej rozpustených (voda od soli) alebo dve kvapaliny, ktoré sa miešajú a majú rozdielne teploty varu (lieh od vody). Rozhoduje teplota varu, ktorú poznáš z lekcie Vlastnosti látok: látka s nižšou teplotou varu sa odparuje ľahšie. Soľ sa pri varení vody neodparuje vôbec, a preto zostane v banke.
| Zmes | Čo destiláciou získame | Na čo sa používa |
|---|---|---|
| voda z vodovodu | destilovaná voda | laboratórium, lekáreň, autobatérie |
| prekvasená ovocná šťava (kvas) | lieh (etanol) | liehoviny, dezinfekcia, palivo |
| kvety levandule a vodná para | levanduľový olej | kozmetika a voňavky |
| morská voda | pitná voda | lode, suché prímorské krajiny |
Destilovaná voda neobsahuje rozpustené soli, je to chemicky čistá látka (pozri Chemicky čisté látky a zmesi). Vonné oleje z kvetov unáša horúca vodná para, ktorú cez kvety preháňame. V predlohe sa olej oddelí od vody a pláva na nej.
Čistá voda vrie pri 100 °C a čistý lieh (etanol) pri 78,4 °C. Zmes liehu s vodou však nezačne vrieť pri 78,4 °C, ale pri vyššej teplote, a to tým bližšie k 100 °C, čím menej liehu obsahuje. V parách nad vriacou zmesou je viac liehu ako v kvapaline, a preto je destilát na lieh bohatší ako pôvodná zmes. Ako lieh z banky ubúda, teplota postupne stúpa. Keď sa blíži k 100 °C, v banke zostáva takmer len voda.
Destilácia funguje preto, lebo pary nad vriacou zmesou majú iné zloženie ako kvapalina: je v nich viac prchavejšej zložky, teda tej s nižšou teplotou varu. Jedna destilácia preto zložky úplne neoddelí, destilát je len bohatší na prchavejšiu zložku. V priemysle sa destilácia opakuje v jednej vysokej kolóne: pary stúpajú nahor a na každom jej poschodí sa stretávajú so skvapalneným destilátom, ktorý steká nadol, a obohatia sa o prchavejšiu zložku. Tomuto spôsobu hovoríme rektifikácia.
Lieh sa od vody úplne neoddelí ani rektifikáciou. Zmes s hmotnostným zlomkom etanolu 95,6 % vrie pri 78,2 °C, dokonca nižšie ako čistý etanol, a jej pary majú rovnaké zloženie ako kvapalina. Takej zmesi hovoríme azeotropická zmes. Bezvodý etanol sa preto vyrába inak: zvyšnú vodu z neho odstráni sušidlo, teda látka, ktorá vodu viaže.
Pri destilácii slanej vody ukazuje teplomer celý čas asi 100 °C, lebo sa odparuje len voda.
teória
Destilačná aparatúra
V laboratóriu destilujeme v aparatúre zostavenej z týchto častí:
| Časť | Na čo slúži |
|---|---|
| zdroj tepla | kahan so sieťkou alebo elektrický ohrievač |
| destilačná banka | banka s bočným vývodom, plníme ju najviac do dvoch tretín |
| varné kamienky | kúsky pórovitej keramiky, zabránia utajenému varu (náhlemu prudkému vzkypeniu) |
| teplomer | meria teplotu pár, ktoré odchádzajú do chladiča |
| chladič | trubica v plášti so studenou vodou, pary v nej skvapalnia |
| predloha | banka alebo kadička, do ktorej kvapká destilát |
Pri zostavovaní aparatúry treba dodržať dve pravidlá:
- Banička teplomera je vo výške bočného vývodu banky, nie v kvapaline, lebo meriame teplotu pár, ktoré odchádzajú do chladiča.
- Chladiaca voda vteká do chladiča dolným koncom a vyteká horným, teda proti smeru pár. Plášť je tak celý plný vody a pary sa pred predlohou stretnú s najstudenšou vodou.
Varné kamienky sa pridávajú do studenej zmesi, nikdy nie do horúcej. Banka sa nesmie zahrievať do sucha a aparatúra nesmie byť uzavretá, inak by v nej stúpal tlak.
vyskúšaj si
Destilácia
- 1destilačná banka so zmesou
- 2varné kamienky
- 3teplomer, banička je vo výške bočného vývodu
- 4Liebigov chladič, voda vteká dole a vyteká hore
- 5predloha na destilát
- 6elektrický ohrievač
Zmes v banke
100 ml zmesi liehu s vodou, 12 % liehu ako vo víne
Chladiaca voda
teplomer
20,0 °C
čas 0,0 min
v banke 101 ml
predloha 1: 0,0 ml
Zapni ohrev a sleduj teplomer. Keď teplota začne stúpať, vymeň predlohu.
Zahrievaj slanú vodu alebo zmes liehu s vodou a sleduj teplomer. Keď teplota začne stúpať, vymeň predlohu, aby sa nový podiel destilátu nezmiešal s predchádzajúcim; na úrovni SŠ takto rozdelíš aj ropu na frakcie.
teória
Frakčná destilácia ropy
Aj ropa je zmes, a to zmes stoviek rôznych látok. V rafinérii ju destiláciou rozdelia na časti s rôznymi teplotami varu, ktoré sa volajú frakcie: plyny do plynových fliaš a zapaľovačov (propán a bután), benzín, petrolej na letecké palivo, naftu a hustý zvyšok, z ktorého sa vyrábajú mazacie oleje a asfalt na cesty.
Pri frakčnej destilácii sa destilát zachytáva po častiach, frakciách, podľa teplôt varu. Ropa sa v peci zohreje asi na 350 až 400 °C a jej pary vstupujú do spodnej časti destilačnej kolóny, ktorá je dole najteplejšia a hore najchladnejšia. Každá zložka skvapalnie na poschodí, kde teplota klesne pod jej teplotu varu, a frakcie sa odoberajú z rôznych výšok.
| Frakcia | Teplota varu (približne) | Využitie |
|---|---|---|
| rafinérsky plyn | pod 30 °C | propán a bután do fliaš, palivo |
| benzín | 30 až 200 °C | palivo do automobilov, surovina pre chemický priemysel |
| petrolej | 150 až 250 °C | letecké palivo |
| plynový olej | 250 až 350 °C | motorová nafta, vykurovací olej |
| mazut (zvyšok) | nad 350 °C | vákuová destilácia na mazacie oleje, parafín a asfalt |
Hranice frakcií sú približné a prekrývajú sa, každá frakcia je stále zmes látok s podobnou teplotou varu. Čím väčšie molekuly, tým vyššia teplota varu: plyny majú v molekule 1 až 4 atómy uhlíka, mazut viac ako 20.
Vákuová destilácia. Zložky mazutu by pri normálnom tlaku vreli až pri teplotách, pri ktorých sa rozkladajú. Čím nižší tlak, tým nižšia teplota varu: na vrchole Mount Everestu, kde je tlak vzduchu asi tretinový, vrie voda už pri 71 °C. Mazut sa preto destiluje za tlaku niekoľkých kilopascalov (atmosférický tlak je asi 101 kPa), oddelia sa z neho mazacie oleje a parafín a zvyšok je asfalt.
Frakčnou destiláciou sa delí aj skvapalnený vzduch: dusík vrie pri −195,8 °C, argón pri −185,8 °C a kyslík pri −183 °C. Pozri pokus Tekutý dusík.
Na Slovensku spracúva ropu rafinéria Slovnaft v Bratislave.
rozšírenie Slnečná destilácia: pitná voda z mora
Kde je veľa slnka a málo sladkej vody, dá sa morská voda destilovať aj bez kahana. Slnečný destilátor je plytká vaňa s čiernym dnom a morskou vodou, prikrytá šikmou sklenenou doskou. Voda sa v slnku vyparuje, para na chladnejšom skle skvapalnie a kvapky stekajú do žliabku, soľ zostane vo vani.
Na odparenie 1 kg vody pri teplote okolo 50 °C treba asi 2,4 MJ tepla. V slnečnej púšti dopadne na 1 m² za deň asi 6 kWh, teda približne 22 MJ, čo by stačilo na odparenie asi 9 litrov vody. Časť tepla však uniká do okolia, preto skutočné destilátory dávajú asi 2 až 5 litrov z metra štvorcového za deň, zhruba toľko, koľko človek denne vypije. Veľké odsoľovacie zariadenia dnes väčšinou pretláčajú morskú vodu cez membrány, ktoré soli nepustia (reverzná osmóza).
teória
Sublimácia
Niektoré tuhé látky sa pri zahriatí netopia, ale menia sa rovno na plyn. Tento dej sa volá sublimácia. Opačný dej, keď sa plyn na studenom povrchu zmení priamo na tuhú látku, je desublimácia, tak vzniká napríklad inovať.
Sublimáciou sa dá oddeliť jód od piesku. Zmes sa v kadičke mierne zahreje a prikryje bankou so studenou vodou. Jód sa mení na fialové pary, z ktorých na studenom dne banky vyrastú lesklé kryštáliky čistého jódu, piesok zostane v kadičke. Pary jódu sú zdraviu škodlivé, preto pokus robí učiteľ v digestore. Pozri si video v pokuse Sublimácia jódu.
| Látka | Ako sublimuje |
|---|---|
| jód | pri miernom zahriatí vytvára fialové pary |
| suchý ľad (tuhý oxid uhličitý) | pri −78,5 °C sa mení priamo na plyn, nezostane po ňom mláka |
| naftalén | pomaly už pri izbovej teplote, kedysi sa ním odpudzovali mole |
| ľad | bielizeň vyvesená za mrazu vyschne, hoci voda v nej zamrzne |
Či látka sublimuje, alebo sa topí, závisí od tlaku. Kvapalný oxid uhličitý existuje len pri tlaku najmenej asi päťkrát vyššom ako atmosférický, preto sa suchý ľad pri normálnom tlaku neroztopí. Jód sa pri 113,7 °C roztopiť dá, no jeho pary vznikajú vo veľkom už pod touto teplotou, takže pri miernom zahrievaní sublimuje skôr. Molekuly I₂ sa pri tom nemenia, je to fyzikálny dej. Chlorid amónny sa pri zahrievaní vyparí len zdanlivo: rozloží sa na amoniak a chlorovodík (NH₄Cl → NH₃ + HCl), ktoré sa na studenom povrchu opäť zlúčia. Pozri pokus Príprava chloridu amónneho.
teória
Chromatografia
Chromatografia rozdeľuje látky, ktoré sú v zmesi v malom množstve, najčastejšie farbivá. Najjednoduchšia je papierová chromatografia:
- Na pásik filtračného papiera nakresli ceruzkou asi 2 cm od spodného okraja čiaru, štart, a urob na ňu fixkou malú bodku.
- Papier ponor spodným okrajom do vody tak, aby bola hladina pod štartom.
- Voda vzlína papierom nahor a unáša farbivá. Každé sa k papieru viaže inak silno, a preto putuje inou rýchlosťou.
- Bodka sa rozdelí na niekoľko farebných škvŕn, vznikne chromatogram.
Z čiernej fixky často vzniknú modré, fialové, žlté či ružové škvrny, lebo čierny atrament je zmes farbív. Štart kreslíme ceruzkou, lebo grafit sa vo vode nerozpúšťa. Permanentné popisovače, ktoré voda nezmyje, treba skúšať s liehom.
vyskúšaj si
Papierová chromatografia
Fixka
Rozpúšťadlo
Hladina rozpúšťadla
Vyber fixku a rozpúšťadlo, urob bodku na štart nakreslený ceruzkou a ponor spodný okraj pásika do nádoby.
Urob na papieri bodku fixkou, ponor spodný okraj papiera do vody alebo do liehu a sleduj, ako sa farbivá rozdelia. Na úrovni SŠ z nameraných vzdialeností vypočítaš hodnotu Rf.
Metódu vymyslel začiatkom 20. storočia ruský botanik Michail Cvet, keď rozdeľoval farbivá zo zelených listov. Názov pochádza z gréckych slov pre farbu a písanie. Zložitejšími druhmi chromatografie sa dnes kontroluje zloženie potravín a liekov alebo sa odhaľuje doping.
Zložky sa rozdeľujú medzi dve fázy: stacionárnu, ktorá sa nepohybuje (papier, presnejšie voda viazaná na jeho vláknach), a mobilnú, teda rozpúšťadlo, ktoré papierom putuje. Zložka, ktorá sa lepšie rozpúšťa v mobilnej fáze, putuje rýchlejšie, zložka silnejšie viazaná na stacionárnu fázu zaostáva. Polohu škvrny vyjadruje retardačný faktor:
Čelo rozpúšťadla je miesto, kam až rozpúšťadlo vystúpilo, označíme ho ceruzkou hneď po vybratí papiera. nemá jednotku a je vždy medzi 0 a 1, lebo žiadna škvrna nepredbehne rozpúšťadlo. Pri rovnakom papieri, rozpúšťadle a teplote má každá látka rovnaké , a tak sa dá porovnaním so známou látkou zistiť, čo zmes obsahuje.
Príklad: výpočet Rf
Čelo rozpúšťadla vystúpilo 8,0 cm nad štart. Čierna fixka sa rozdelila na žltú škvrnu so stredom 6,0 cm nad štartom a modrú so stredom 2,4 cm nad štartom. Vypočítaj oboch farbív. Ktoré farbivo sa viaže na papier silnejšie?
Riešenie
Silnejšie sa na papier viaže modré farbivo, preto zaostáva a má menšie . Keby iná fixka za rovnakých podmienok vytvorila modrú škvrnu s , obsahuje pravdepodobne to isté farbivo.
teória
Extrakcia
Extrakcia (vylúhovanie) oddeľuje zložku zmesi pomocou rozpúšťadla, v ktorom sa táto zložka dobre rozpúšťa a ostatné zložky nie. Robíš ju pri každom zalievaní čaju: horúca voda vylúhuje z lístkov farbivá, arómy aj kofeín a lístky zostanú vo vrecúšku. Podobne vzniká káva: v prekvapkávacom kávovare sa extrakcia spája s filtráciou a zvyšky zomletých zŕn zostanú na filtri. V cukrovaroch sa cukor vylúhuje horúcou vodou z nakrájanej cukrovej repy.
Ako rýchlo extrakcia prebieha, závisí od teploty. V horúcej vode sa čaj vylúhuje za pár minút, v studenej to trvá hodiny. Ako rozpúšťanie závisí od teploty, ukazuje lekcia Rozpustnosť a nasýtený roztok.
Extrahovať sa dá aj z roztoku. Keď hnedožltý vodný roztok jódu pretrepeme s hexánom v oddeľovacom lieviku, jód prejde do hexánu, v ktorom sa rozpúšťa oveľa lepšie ako vo vode. Hexán sa s vodou nemieša a je ľahší, preto vytvorí hornú fialovú vrstvu. Spodnú vodnú vrstvu potom vypustíme kohútikom. V priemysle sa extrakciou získavajú oleje zo semien alebo sa z kávových zŕn odstraňuje kofeín, napríklad oxidom uhličitým pod vysokým tlakom.
teória
Časté chyby
- „Destiláciou sa lieh od vody oddelí úplne.“ Destilát je len bohatší na lieh, trocha vody v ňom zostane aj po opakovanej destilácii.
- „Chladiaca voda má tiecť do chladiča zhora.“ Vteká dolným koncom a vyteká horným, proti smeru pár. Inak by sa plášť chladiča celý nenaplnil.
- „Teplomer patrí do vriacej kvapaliny.“ Banička teplomera je pri bočnom vývode banky, lebo meriame teplotu pár, ktoré idú do chladiča.
- „Sublimácia je rýchle vyparovanie.“ Vyparuje sa kvapalina, pri sublimácii sa na plyn mení priamo tuhá látka.
- „Farebné škvrny na chromatograme vznikli chemickou reakciou.“ Farbivá boli vo fixke od začiatku, chromatografia ich len rozdelila.
Ako sa oddeľujú nerozpustené látky a ako sa zo slanej vody získa soľ, opakuje lekcia Oddeľovanie zmesí: usadzovanie, filtrácia, odparovanie. V ďalšej lekcii Precvičovanie: test z látok a zmesí si overíš, čo vieš z celej kapitoly.