Transcript E5. EXAXNOSH

ΕΞΑΧΝΩΣΗ
ΘΕΩΡΙΑ ΤΗΣ ΕΞΑΧΝΩΣΕΩΣ: Η μετάβαση μιας ένωσης από τη στερεά στην αέρια φάση (σε
συνδυασμό με την αντίστροφη μεταβολή, την στερεοποίηση) χωρίς να περάσει από την υγρή καλείται
εξάχνωση. Στην πράξη συμβαίνει καμιά φορά να προηγηθεί της εξαερώσεως η τήξη, αλλά οι ατμοί
που προκύπτουν αποκτούν κατά την ψύξη, απ΄ευθείας την στερεή κατάσταση, και στην περίπτωση
αυτή η μεταβολή χαρακτηρίζεται σαν εξάχνωση, γιατί το πιο σημαντικό γνώρισμα της εξαχνώσεως
είναι η απ’ ευθείας μετατροπή των ατμών σε στερεή ουσία.
Το φαινόμενο αυτό το εμφανίζουν στερεές οργανικές ενώσεις με μεγάλη τάση ατμών όπως η
καμφορά, η καφεΐνη κ.ά. Η εξάχνωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον καθαρισμό τέτοιων ενώσεων
από άλλες προσμίξεις οι οποίες δεν παρουσιάζουν παραπλήσια τάση ατμών. Κατά τη διαδικασία της
εξάχνωσης, η ουσία θερμαίνεται, υπό ελαττωμένη πίεση, σε θερμοκρασία χαμηλότερη από το σημείο
τήξεως της μέχρι να εξαχνωθεί ολόκληρη η ποσότητά της, ενώ οι ατμοί συμπυκνώνονται σε μια
ψυχρή επιφάνεια (Σχήμα 1). Η εξάχνωση είναι φαινόμενο συγγενές προς την εξάτμιση όπως
προκύπτει από τη μελέτη των καμπυλών στο παρακάτω διάγραμμα θερμοκρασίας – πιέσεως που
αναφέρεται στην ισορροπία μεταξύ στερεής, υγρής και
αέριας φάσεως.
Στο διάγραμμα αυτό (Σχήμα 2) η καμπύλη TV
αναφέρεται στις συνθήκες θερμοκρασίας και πιέσεως
κάτω από τις οποίες η υγρή και η αέρια φάση
βρίσκονται σε ισορροπία, δηλαδή είναι η καμπύλη της
τάσεως ατμών του υγρού. Όμοια, η καμπύλη ST
περιγράφει τις συνθήκες ισορροπίας στερεού και
αερίου, είναι δηλαδή η καμπύλη της τάσεως ατμών
του στερεού. Τέλος η καμπύλη TM ορίζει τις
συνθήκες πιέσεως και θερμοκρασίας στις οποίες η
στερεή και η υγρή φάση βρίσκονται σε ισορροπία,
Σχήμα 1: Συσκευή εξαχνώσεως
δηλαδή περιγράφει την επίδραση της πιέσεως πάνω
στο σημείο τήξεως. Το κοινό σημείο T των τριών καμπυλών ονομάζεται τριπλό σημείο , και ορίζει
τη θερμοκρασία και πίεση στην οποία οι τρεις καταστάσεις μιας ουσίας (στερεή, υγρή και αέρια)
βρίσκονται σε ισορροπία. Όπως ξέρουμε, κατά την απόσταξη ενός υγρού, τούτου θερμαίνεται μέχρι
τη θερμοκρασία στην οποία η τάση ατμών αυτού γίνει ίση με την εξωτερική πίεση.
M
A
760
V
B
C
Στο παραπάνω διάγραμμα η διαδικασία αυτή μπορεί να παρασταθεί
Πίεση (Torr)
με ένα σημείο που κινείται από τη θέση B στη θέση C. Στη συνέχεια,
η ψύξη των ατμών προκαλεί υγροποίηση τούτων, δηλαδή τώρα το
P1
D
T
σημείο επιστρέφει από τη θέση C στη θέση B. Φυσιολογικά η
E
απόσταξη ενός στερεού περιλαμβάνει πήξη, εξαέρωση, υγροποίηση
P2
S
και τελικά στερεοποίηση αυτού. Στο διάγραμμα μας η διαδικασία
T2
TM
T1
T760
αυτή παριστάνεται με ένα σημείο που κινείται από τη θέση A στη B
Θερμοκρασία
Σχήμα 2: Διάγραμμα θερμοκρασίαςπιέσεως που δείχνει την ισορροπία μετά στη C για να επιστρέψει τελικά στη θέση A αφού περάσει εκ
στερεής-υγρής-αέριας φάσης
νέου από τη θέση B.
Εάν όμως ένα στερεό θερμανθεί σε πίεση μικρότερη απ’ αυτήν που αντιστοιχεί στο τριπλό σημείο T
(σχ.2) θα αποκτήσει κάποια θερμοκρασία στην οποία η τάση ατμών του θα γίνει ίση με την εξωτερική
πίεση και το στερεό θα αποστάξει χωρίς να προηγηθεί τήξη. Στη συνέχεια, ψύξη ατμών κάτω από
την ίδια πίεση θα προκαλέσει την απ’ ευθείας στερεοποίηση των ατμών. Η διαδικασία αυτήν είναι
προφανώς η εξάχνωση και στο διάγραμμα μας μπορεί να παρασταθεί με ένα σημείο που κινείται από
τη θέση D στη θέση E και επιστρέφει εκ νέου στη θέση D.
Στο φαινόμενο της εξαχνώσεως
οφείλεται, π.χ. η απώλεια νερού από τρόφιμα που έμειναν επί μακρό χρονικό διάστημα στην
κατάψυξη.
Είναι σπάνιες η ουσίες που έχουν τάση ατμών 760 mm Hg ή μεγαλύτερη στη θερμοκρασία του
τριπλού σημείου, που πρακτικά είναι η ίδια θερμοκρασία με το σημείο τήξεως, και να μπορούν
συνεπώς να εξαχνωθούν χωρίς μείωση της πιέσεως. Υπάρχουν ωστόσο πολλές ουσίες με αρκετά
υψηλές τάσεις ατμών κοντά στο σημείο τήξεώς τους, πράγμα που καθιστά δυνατή την εξάχνωσή τους
με μειωμένη πίεση που εύκολα επιτυγχάνεται σε εργαστηριακή ή βιομηχανική κλίμακα. Στον
παρακάτω πίνακα δίνονται οι τάσεις ατμών μερικών ουσιών στο σημείο τήξεως αυτών.
ΠΙΝΑΚΑΣ 1: Μερικές εύκολα εξαχνώσιμες ουσίες
Ουσία
Εξαχλωροαιθάνιο
Καμφορά
Ναφθαλίνη
Βενζόλιο
P-Διβρωμοβενζόλιο
p-Διχλωροβενζόλιο
Βενζοϊκό οξύ
Διοξείδιο του άνθρακα
Ιώδιο
Σημείο Τήξεως oC
185
179
80
5
87
53
122
-57
114
Τάση ατμών στο Σ.Τ. mm Hg
780
370
7
36
9
8,5
6
5,2 atm
90
Η Εξάχνωση είναι μια εύκολη και χρήσιμη μέθοδος για τον καθαρισμό διαφόρων ουσιών υπό
την προϋπόθεση ότι οι προσμίξεις είναι μη πτητικές ουσίες και η προς καθαρισμό ουσία έχει στο
σημείο τήξεώς της τάση ατμών μερικών mmHg. Η εξάχνωση είναι εξόχως χρήσιμη μέθοδο
καθαρισμού στις περιπτώσεις που πειραματιζόμαστε με μικρές ποσότητες δειγμάτων, καθότι οι
μηχανικές απώλειες μπορούν να περιοριστούν στο ελάχιστο. Στην εξάχνωση, εξάλλου, κάτω από
μειωμένη πίεση στηρίζεται η μέθοδος της λυοφιλιώσεως (lyophilisation, Freeze-dry) με την οποία
απομονώνουμε σε εργαστηριακή ή και βιομηχανική κλίμακα, ουσίες από τα υδατικά τους διαλύματα.
Στη βιομηχανία τροφίμων η μέθοδος αυτή εφαρμόζεται στη παραγωγή σκόνης γάλακτος, καφέ και
άλλων προϊόντων.
ΤΕΧΝΙΚΗ ΤΗΣ ΕΞΑΧΝΩΣΕΩΣ: Η συγκρότηση της συσκευής για την εξάχνωση κάτω από
κανονική πίεση είναι απλή. Βασικά εξαρτήματα μιας τέτοιας συσκευής είναι ένα δοχείο στο οποίο
τοποθετείται η προς εξάχνωση ουσία και ένα κατάλληλο σύστημα ψύξεως των ατμών. Ως δοχείο
χρησιμοποιείται μια κωνική φιάλη για την θέρμανση της ουσίας και μια σφαιρική φιάλη που
χρησιμοποιείται για ψυκτήρας. Με ελαφρό ρεύμα αέρα που φθάνει στη φιάλη με σωλήνα οδηγούνται οι
ατμοί της ουσίας στο χώρο ψύξεως. Η θέρμανση της ουσίας πρέπει να γίνεται προσεκτικά για να
αποφέγεται η τήξη μέχρις ότου σχηματιστούν οι πρώτοι κρύσταλλοι της ουσίας στην επιφάνεια του
ψυκτήρα. Από το σημείο αυτό και πέρα, απαιτείται πολύ μικρή παροχή θερμότητας για να διατηρηθεί
η πορεία της εξαχνώσεως. Για καλύτερο έλεγχο της ταχύτητας θερμάνσεως, συνιστάται η χρήση
ελαιόλουτρου. Για μικρές ποσότητες ουσιών μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μια πιο απλή συσκευή. Η
συσκευή αυτή αποτελείται από μια κάψα πορσελάνης για την θέρμανση της ουσίας η οποία
καλύπτεται με ένα δίσκο διηθητικού χαρτιού που φέρει μερικές τρύπες για τη διέλευση των ατμών
της ουσίας. Για την ψύξη των ατμών χρησιμοποιούμε την επιφάνεια ενός χωνιού, διαμέτρου ίσης με
εκείνη της κάψας, που τοποθετείται ανεστραμμένο πάνω απ’ αυτήν. Για καλύτερη ψύξη, καλύπτουμε
την επιφάνεια του χωνιού με κομμάτια βρεγμένου διηθητικού χαρτιού.
Για την εξάχνωση κάτω από ελαττωμένη πίεση, η διαδικασία είναι η ίδια, με τη διαφορά ότι
εδώ θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε κλειστό σύστημα για την εφαρμογή του επιθυμητού κενού. Στο
σχήμα 1. εικονίζεται η συγκρότηση μιας συσκευής για εξάχνωση κάτω από ελαττωμένη πίεση.
ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 5ο:
ΕΞΑΧΝΩΣΗ
ΣΚΟΠΟΣ: Καθαρισμός οργανικών ουσιών με εξάχνωση.
ΣΤΟΧΟΙ:
Με το πείραμα αυτό επιδιώκεται να αποκτήσουν οι σπουδαστές τις
απαραίτητες θεωρητικές και πρακτικές γνώσεις που σχετίζονται με το
παραπάνω θέμα, και συγκεκριμένα:
1) Να γνωρίσουν οι σπουδαστές
α) την έννοια του τριπλού σημείου
β) τις προϋποθέσεις εφαρμογής της μεθόδου της εξαχνώσεως
2) Να εξοικειωθούν οι σπουδαστές με τις διάφορες πρακτικές λεπτομέρειες του
πειράματος, όπως:
α) τη συγκρότηση της συσκευής β) την πρακτική διεξαγωγή της εξαχνώσεως.
ΑΠΑΡΑΙΤΗΤΑ ΟΡΓΑΝΑ
ΑΠΑΡΑΙΤΗΤΑ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΙΑ
Κάψα πορσελάνης 15 cm
Γυάλινο χωνί διαμ. 15 cm
Διηθητικό χαρτί
Βενζοϊκό οξύ
ΠΟΡΕΙΑ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: Συγκρότηση της απλής συσκευής που περιγράφεται στο θεωρητικό
μέρος, σύμφωνα με τον τρόπο που περιγράφεται. Τοποθέτηση της προς εξάχνωση ουσίας
στην κάψα πορσελάνης και θέρμανση με ήπια φλόγα.
ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΠΟΥΔΑΣΤΩΝ:
ΠΡΟΣΟΧΗ: Το πείραμα διεξάγεται
στον απαγωγό
 Οι σπουδαστές θα πειραματιστούν με 2,5 g βενζοϊκό οξέος του εμπορίου. Η θέρμανση
συνεχίζεται μέχρις ότου παύσει η έκλυση ατμών βενζοϊκού οξέος.
 Ζυγίζεται το καθαρό βενζοϊκό οξύ και υπολογίζεται το ποσοστό της ανακτήσεως.
 Παράδοση του καθαρού βενζοϊκού οξέος στον υπεύθυνο του εργαστηρίου.
 Το αποτέλεσμα του πειράματος καταχωρούνται σύμφωνα με το υπόδειγμα:
Βάρος ακαθάριστου
βενζοϊκού οξέος
……………g
Βάρος καθαρού βενζοϊκού
οξέος
..............g
Ποσοστό ανακτήσεως
..............g
ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ – ΣΧΟΛΙΑ
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΡΓΑΣΙΑ:
ΕΙΣΑΓΩΓΗ: 1) Τι είναι εξάχνωση, 2) ποιες οι προϋποθέσεις, 3) τι εκφράζουν οι καμπύλες
TV, ST & TM. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ: Περιγραφή του πειράματος.