شارح الدرس: التقطير الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف طُرق التقطير ونستكشف أخطاءها ونصحِّحها، وكذلك نَصِف استخدامها في فصل السوائل والتنقية.

سنتناول في هذا الشارح طريقتين للتقطير، وهما التقطير البسيط والتقطير التجزيئي.

ببساطةٍ مصطلح «التقطير» يُقصَد به «السماح بالتنقيط».

فيما سبق، كان من المُمكن فصل السوائل من المخاليط بالتسخين، وكانت الزجاجيات مختلفة قليلًا. كان الخليط يُضاف إلى مُعوَجَّة سُخِّنت وتظهر قطرات من السائل (على سبيل المثال زيوت نباتية) في نهاية الفوهة الطويلة، وتُجمع تلك القطرات.

تختلف معدَّات التقطير الحديثة عن المعدَّات القديمة، لكنها تعتمد على المبادئ نفسها.

وفيما يأتي هذه المبادئ:

1. تحتوي المواد على قوى ترابط بين مكوِّناتها (أي الروابط الفلزية، أو الروابط الأيونية، أو القوى بين الجزيئية، وغيرها).
2. كلما كانت هذه القوى أشدَّ، زادت صعوبة تحويل المادة إلى غاز.
3. إن درجة غليان أيِّ مادة هي انعكاس لمدى شدَّة هذه القوى؛ فكلما ارتفعت درجة غليان المادة، زادت شدَّة الروابط بين مكوِّناتها.
4. يُمكننا فصل خليط من المواد بتسخين هذا الخليط. وعليه سوف تغلي المادة التي لها أقلُّ درجة غليان أولًا.

في حالة خلط مادتين، ستظلَّان تغليان بشكلٍ منفصل عند درجات غليانهما في الحالة النقية (هناك بعض الاستثناءات، لكننا لن نتناولها هنا).

هناك العديد من أنواع التقطير، لكنها تشترِك جميعًا في هذه المبادئ.

لنفترض أن لدينا خليطًا من مادتين: تغلي المادة A عند ، وتغلي المادة B عند . بمفردهما، يُمكننا بسهولة التنبؤ بما سيَحدُث عندما نسخِّنهما.

فيما يأتي منحنيا التسخين للمادة النقية A والمادة النقية B.

لكنْ إذا كان لدينا خليط من المادتين، فستكون هناك درجتا غليان: درجة غليان المادة A، ثم درجة غليان المادة B.

فيما يأتي منحنى التسخين لخليط من المادة A والمادة B.

وثمَّة نقطة جوهرية في المنتصف، وهي عندما تكون المادة A غازًا والمادة B سائلًا؛ أيْ عندما تكونان في حالتين مختلفتين، يُمكننا بسهولة فصل إحداهما عن الأخرى. حيث يَخرُج الغاز مخلِّفًا وراءه السائل.

إذا كنَّا نُريد A، يُمكننا تبريد (g)A في أيِّ مكان آخَر، وتجميعها. إذا كنَّا نُريد B، يُمكننا فقط أن نترك A يَخرُج. ويُمكننا الاحتفاظ بكلا السائلين النقيَّيْن أيضًا، إذا أردنا.

من الناحية العملية، سوف يتبخَّر القليل من المادة B أثناء غليان المادة A، ومن ثَمَّ قد تكون هناك حاجة إلى مزيد من خطوات التنقية.

إذن كيف نفصل سائلين في المعمل؟

إذا كان لدينا سائلان درجتا غليانهما مختلفتان بوضوح، فيُمكننا فصلهما باستخدام إعداد تقطير بسيط.

يُمكن أيضًا استخدام التقطير البسيط لفصل المُذيب عن محلول ما يحتوي على مادة صُلبة مُذابة (على سبيل المثال، يُمكن فصل الماء من ماء البحر عن طريق التقطير).

وعمومًا فإن التقطير البسيط في المعمل مناسب لفصل مادة جزيئية بدرجة غليان تتراوح بين ، ، طالما أن درجة غليانها أقلُّ من أيِّ مادة أخرى في الخليط. لفصل المواد فصلًا جيدًا، عادة يجب ألَّا يقلَّ الفرق في درجات الغليان عن .

خطوات: إجراء تقطير بسيط لفصل سائلين

هذا هو الشكل الذي قد يبدو عليه إعداد التقطير البسيط.

يجب أن يكون رأس الترمومتر أمام فتحة المُكثِّف مباشرة. وهذا يعني أن قراءة درجة الحرارة ستكون انعكاسًا دقيقًا لدرجة حرارة البخار قبل دخوله مباشرةً في المُكثِّف (وليس دورق التقطير، الذي قد يكون أكثر سخونة قليلًا).

بمجرد تجميع الجهاز ووضْع الخليط في دورق التقطير، يُمكننا إجراء عملية الفصل:

1. أشعِل الموقد.
   التسخين ببطء يفصل الموادَّ فصلًا أفضل.
2. لاحِظ الترمومتر والخليط.
   سترتفع قراءة الترمومتر في البداية، ثم تظلُّ ثابتة أثناء غليان السائل.
   تحقَّق إذا كانت درجة الحرارة كما توقَّعت. يجب أن تكون درجة الحرارة قريبةً جدًّا من درجة الغليان النقية للسائل الذي له أقلُّ درجة غليان (نسمِّي هذا أحيانًا السائل الأول).
   عند درجة غليان السائل الأول، من المحتمل أن تتكوَّن فقاعات في السائل الموجود في الدورق. حافِظ على الحرارة منخفضةً بما يكفي؛ بحيث لا يتناثر السائل في بقية الجهاز.
   ستتحرَّك الأبخرة لأعلى من دورق التقطير، وتنتقل إلى المكثِّف، وتتحوَّل إلى سائل.
3. اجمع السائل المكثَّف في دورق الاستقبال.
   سيكون الفصل أفضل إذا كان أبطأ: سنحصل على السائل في صورة قطرات بدلًا من الحصول عليه في صورة تدفُّق متواصل. إذا كان الفصل سريعًا جدًّا، قلِّل الحرارة.
4. لاحِظ الترمومتر والخليط.
   سيقلُّ حجم الخليط مع غليان السائل الأول.
   عندما يختفي معظم السائل الأول، ستبدأ قراءة الترمومتر في الارتفاع.
   وعندما ترتفع قراءة الترمومتر فوق درجة غليان السائل الأول، سيكون معظم السائل الأول انتقل إلى دورق الاستقبال، وحينها يكون الوقت المناسب لإيقاف التقطير.
5. أخرِج دورق الاستقبال من أسفل المحوِّل القابل للفصل، وأطفئ الموقد.
   يجب أن تضع دورق النفايات أسفل المحوِّل القابل للفصل لالْتقاط أيِّ قطرات إضافية.

يجب أن يكون السائل الموجود في دورق الاستقبال هو السائل الأول، وأن يكون نقيًّا تقريبًا.

أمَّا السائل الذي يظلُّ في دورق التقطير سيكون في الغالب هو السائل الثاني، وإذا أردنا تنقية هذا بدرجة أكبر، فيُمكننا تسخينه لفترة أطول قليلًا.

عمومًا لن يكون لدينا خليط نقي من سائلين في عملية تقطير بسيط. قد تبقى شوائب أخرى في دورق التقطير يجب إزالتها باستخدام تقنيات أخرى.

في الواقع، لا تكون المخاليط في كثير من الأحيان بسيطة مثل سائلين نقيين خُلِطا معًا. من الناحية العملية، سيظلُّ ناتج التقطير من التقطير البسيط خليطًا من المكوِّنات المتطايرة للخليط. أيضًا إذا كان الفرق في درجة غليان المكوِّنات أقلَّ من فلن يُنتِج التقطير البسيط فصلًا جيدًا بما يكفي.

يُعَدُّ التقطير التجزيئي مناسبًا لفصل المكوِّنات المتطايرة للخليط الذي درجات غليانه تختلف بأقلَّ من .

ومثل التقطير البسيط، تُعطي درجة حرارة البخار مؤشرًا عن تركيبه. يُطلَق على السائل الذي يُجمَع على مدى درجة حرارة محدَّد «جزء».

على الرغم من أن غرض عملية التقطير التجزيئي هو الحصول على أجزاء تكون مواد نقية، فإن ذلك ليس ممكنًا دائمًا. إذا كان هناك مكوِّنان متطايران في خليط ما لهما درجتا غليان الفرق بينهما اقل من ، فقد لا يكون إعداد التقطير التجزيئي في المختبر جيدًا بما يكفي لفصلهما فصلًا فعَّالًا.

المكوِّن الرئيسي لإعداد التقطير التجزيئي هو عمود التجزئة. هناك أنواع كثيرة، لكنها تعمل بالطريقة نفسها:

1. تدخل أبخرة من الخليط المغلي إلى العمود. ستكون هذه الأبخرة عبارة عن خليط من المواد المتطايرة من الخليط، ولكنها ستحتوي على نسبة أعلى من المواد الأكثر تطايرًا.
2. تتكثَّف الأبخرة داخل العمود مكوِّنة قطرات من السائل.
3. عندما يدخل المزيد من الأبخرة إلى العمود، فإنه يُسخِّن قطرات السائل، وهو ما يجعلها تتبخَّر مرَّة أخرى.
4. تحتوي الأبخرة المنبعثة من القطرات على نسبة أعلى من المكوِّنات الأكثر تطايرًا من أبخرة الخليط.
5. تستمرُّ دورة التكثيف وإعادة التبخير أعلى العمود.

ومع التحرُّك لأعلى العمود، فإن دورات التكثيف والتبخير المتكرِّرة تعني أن البخار أنقى. وباستخدام الجهاز المناسب (مثل عمود طويل بما يكفي)، يُمكننا أن نكون على ثقةٍ من أن الأبخرة الخارجة من العمود لن تتكوَّن إلَّا من أكثر مكوِّنات الخليط تطايرًا، وستكون الأبخرة نقية تمامًا.

في المعمل، أسهل طريقة لتكوين عمود هي إضافة حبيبات زجاجية إلى مخبار زجاجي متَّصِل بدورق التقطير. توفِّر الحبيبات الزجاجية مساحة سطح إضافية لتحدث دورة التكثيف والتبخير.

يوضِّح الشكل الآتي نسخةً مثالية من التنقية التدريجية لبخار يتَّجِه لأعلى عمود التجزئة.

خطوات: إجراء عملية تقطير تجزيئي لفصل ثلاثة سوائل

يُمكن استخدام التقطير التجزيئي لفصل سائلين فقط، لكننا سنرى هنا كيفية تجميع أجزاء متعدِّدة باستخدام نفس الإعداد.

سنسمِّي السوائل السائل 1، السائل 2، السائل 3.

السائل 1 له أقلُّ درجة غليان، والسائل 3 له أعلى درجة غليان.

وهذا هو الشكل الذي قد يبدو عليه إعداد التقطير التجزيئي.

يجب أن يكون رأس الترمومتر أمام فتحة المُكثِّف مباشرة. هذا يعني أن قراءة درجة الحرارة ستكون انعكاسًا دقيقًا لدرجة حرارة البخار قبل دخوله مباشرةً إلى المُكثِّف (وليس دورق التقطير، أو عمود التجزئة الذين قد يكونان أكثر سخونة قليلًا).

ستحتاج إلى دورق استقبال واحد لكلِّ جزء سوف تكثِّفه.

بمجرد تجميع الجهاز ووضْع الخليط في دورق التقطير، يُمكننا إجراء عملية الفصل:

1. أشعِل الموقد.
   التسخين ببطء يفصل المواد فصلًا أفضل.
   اجمع الجزء 1.
2. لاحِظ الترمومتر والخليط.
   سترتفع قراءة الترمومتر في البداية، ثم تظلُّ ثابتة أثناء غليان السائل.
   تَحقَّق إذا كانت درجة الحرارة كما توقَّعت. يجب أن تكون درجة الحرارة قريبةً جدًّا من درجة الغليان النقية للسائل الذي له أقلُّ درجة غليان (السائل 1).
   عند درجة غليان السائل 1، من المحتمل أن تتكوَّن فقاعات في السائل الموجود في الدورق. حافِظ على الحرارة منخفِضة بما يكفي بحيث لا يتناثر السائل في بقية الجهاز.
   ستتحرَّك الأبخرة لأعلى من دورق التقطير، وتنتقل إلى عمود التجزئة، وتخضع لدورات تكثيف وتبخير، وتُصبح أكثر نقاءً كلما ارتفعت.
   بعد ذلك، تنتقل الأبخرة إلى داخل المكثِّف وتتحوَّل مرَّة أخرى إلى سائل.
3. اجمع السائل المكثَّف في دورق الاستقبال الأول.
   سيكون الفصل أفضل إذا كان أبطأ: سنحصل على السائل في صورة قطرات بدلًا من الحصول عليه في صورة تدفُّق متواصل. إذا كان الفصل سريعًا جدًّا، قلِّل الحرارة.
4. لاحِظ الترمومتر والخليط.
   سيقلُّ حجم الخليط عند غليان الجزء الأول.
   عندما يختفي معظم الجزء الأول، ستبدأ قراءة الترمومتر في الارتفاع.
   وعندما ترتفع قراءة الترمومتر أعلى من درجة غليان الجزء الأول، سيكون انتقل معظم الجزء الأول إلى دورق الاستقبال.
5. بدِّل دورق الاستقبال مع دورق النفايات.
   سيكون لدينا الآن الجزء 1 في دورق الاستقبال الأول.
   اجمع الجزء 2.
6. وكما فعلنا من قبلُ، لاحِظ الترمومتر والخليط.
7. عندما تستقرُّ درجة حرارة البخار (نأمل أن تكون قريبة من درجة غليان السائل 2)، بدِّل دورق النفايات مع دورق الاستقبال الثاني.
8. اجمع السائل المكثَّف.
9. وكما فعلنا من قبلُ، لاحِظ الترمومتر والخليط.
10. وعندما تكون قراءة الترمومتر أعلى من درجة غليان الجزء الثاني، بدِّل دورق الاستقبال مع دورق النفايات.
    سيكون لدينا الآن الجزء 2 في دورق الاستقبال الثاني.
11. أطفئ الموقد.

بسبب عمود التجزئة، يجب أن يتبع ذلك الآتي:

• يجب أن يكون السائل الموجود في دورق الاستقبال الأول السائل 1 النقي.
• يجب أن يكون السائل الموجود في دورق الاستقبال الثاني السائل 2 النقي.
• إذا استمرَّت عملية التقطير لفترة قصيرة، يجب أن يكون السائل الموجود في دورق التقطير هو السائل 3 النقي.

سوف يحتوي دورق النفايات على خليط من السوائل الثلاثة، ولكن نأمل ألَّا يكون كثيرًا.

يُستخدَم التقطير التجزيئي في المجال الصناعي لفصل المخاليط المعقَّدة مثل الهواء والزيت الخام. في بعض التطبيقات، من المُهِمِّ أن تكون الأجزاء عبارة عن مواد نقية (مثل النيتروجين)، وفي حالات أخرى لا بأس في أن تكون عبارة عن مخاليط من مواد متشابهة لها درجات غليان متشابهة (مثل الجازولين). يُستخدَم التقطير التجزيئي أيضًا لفصل الكحول عن مخاليط التخمُّر.

مثال ٣: تحديد أداة زجاجية مُستخدَمة في عملية التقطير التجزيئي

توضِّح الصورة الآتية إحدى أدوات المعمل التي تُستخدَم عادةً في التقطير التجزيئي. ما الاسم الذي يُطلَق على هذه الأداة؟

1. قمع
2. مُحوِّل
3. محقنة الغاز
4. مُكثِّف
5. موصِّل

الحل

في المعمل، ستلاحِظ أن هذه الأداة الزجاجية تقترب من كونها أفقية وليست رأسية. فهي، من طرف، متَّصِلة برأس ثابت (يحتوي على الترمومتر)، الذي يُوضَع أعلى عمود التجزئة. وفي الطرف الآخَر، ستتَّصِل برأس قابلة للفصل، وهو ما يُوجِّه السائل المكثَّف إلى دورق الاستقبال.

يُعرَف الجدار الخارجي باسم «الغلاف الخارجي»، ويتدفَّق الماء خلال فتحة واحدة ويَخرُج من خلال الأخرى. ومن ثَمَّ، يتدفَّق البخار الناتج عن التقطير إلى المكثِّف، ويُبرَّد بواسطة الغلاف الخارجي، ثم يعود إلى صورة السائل.

من المحتمل ألَّا يكون هذا المكثِّف مناسبًا لعمود التجزئة؛ لأنه ليس له مساحة سطح عالية؛ ولذلك لن يُنتِج المستويات العالية المطلوبة من الفصل.

بالمناسبة، يُعرَف هذا النوع المعيَّن من المكثِّف باسم «مكثِّف ليبيج».

إذن الإجابة هي الخيار د المكثِّف.

ترتبط الصعوبات الرئيسية التي تُواجِه التقطير بالتوقيت.

يُمكن أن يؤدِّي التسخين بسرعة كبيرة جدًّا إلى تقليل نقاء الأبخرة ونواتج التقطير.

إذا ارتفعت درجة الحرارة في الترمومتر أثناء تجميع جزء ما، فقد يحتوي ناتج التقطير على شوائب كان من المفترض أن تكون في الجزء التالي.

إذا وَجدتَ أن التقطير لا يُنتِج ناتجًا نقيًّا بدرجة كافية، فجرِّب الآتي:

• سخِّن الخليط ببطء أكثر.
• أزِلْ دورق الاستقبال بمجرد أن ترتفع درجة الحرارة في الترمومتر.
• استخدِم التقطير التجزيئي، أو عمود تجزئة أطول في حالة إجراء التقطير التجزيئي بالفعل.

المسألة الرئيسية الأخرى المتعلِّقة بالتوقيت هي أن عمليات التقطير تسير ببطء شديد. يُمكنك أن تجعل الأبخرة ترتفع أسرع عن طريق عزل كلِّ شيء حتى المكثِّف باستخدام الصوف القطني (احذر من وضْع الصوف بالقرب من مصدر الحرارة بشكل مبالَغ فيه؛ فهو قابل للاشتعال).