فيديو الدرس: التقطير الكيمياء

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف ونصحح طرق التقطير، وكذلك نصف استخدامها في فصل السوائل والتنقية.

١٩:٤٠

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعرف على التقطير، وهو طريقة تجريبية تستخدم لفصل السوائل وتنقيتها. سنتعرف على كيفية استخدام هذه الطريقة، وكيفية إجراء تجارب التقطير، وبعض الطرق الشائعة التي يستخدم بها التقطير في معامل الكيمياء وفي الصناعة.

التقطير هو طريقة تستخدم لفصل السوائل وفق درجة غليانها. لنفترض، على سبيل المثال، أن لدينا خليطًا من الماء والإيثانول. كما نعلم، درجة غليان الماء هي 100 درجة سلزية، ودرجة غليان الإيثانول أقل قليلًا عند 78 درجة سلزية. إذا سخنا هذا الخليط، فإنه سيغلي في النهاية. تذكر أن الغليان هو عملية تتحول خلالها المادة من سائلة إلى غازية. وإذا نظرنا إلى هذه العملية على المستوى الذري، فسنجد أنه عند تسخين السائل تكتسب بعض جزيئاته طاقة كافية للهروب من السائل والتحول إلى غاز.

بما أن درجة غليان المادة تعد انعكاسًا لمقدار الطاقة التي تحتاجها جزيئات هذه المادة للهروب من السائل والتحول إلى غاز، فعند وجود خليط من السوائل، كما هو الحال مع خليط الماء والإيثانول، ويغلي هذا الخليط، تكون الجزيئات ذات درجات الغليان الأقل هي الأكثر عرضة للهروب من السائل أولًا وتصبح غازًا، وفي هذه الحالة، هي الإيثانول. هذه هي الطريقة التي من خلالها يفصل التقطير بين السوائل عن طريق درجة غليانها. فيصبح المكون ذو درجة الغليان الأقل في الخليط غازًا أولًا. ومن ثم يمكننا فصله عن بقية المكونات في الخليط. وهذه هي النظرية التي تستند عليها تجارب التقطير. والآن، دعونا نر كيف يمكننا إجراء تجربة تقطير.

في هذا الفيديو، سوف نتناول اثنين من إعدادات تجارب التقطير. إعداد التجربة الأول هو التقطير البسيط، والثاني هو التقطير التجزيئي. يعمل التقطير البسيط بشكل أفضل عند وجود فرق كبير بين درجات غليان مكونات الخليط يبلغ حوالي 50 درجة سلزية أو أكثر. وهو مفيد أيضًا في تنقية سائل يحتوي على مادة صلبة مذابة داخله. وهذه، على سبيل المثال، هي طريقة الحصول على الماء المقطر. فيمكننا الحصول على ‪H2O‬‏ نقي خال من الأملاح والمعادن التي يحتوي عليها ماء الصنبور الطبيعي.

يتضمن إعداد تجربة التقطير عددًا قليلًا نسبيًّا من الزجاجيات، دعونا نستعرضها جميعًا قطعة تلو الأخرى. القطعة الأولى من الزجاجيات هي دورق تقطير. سيحتوي هذا الدورق على العينة التي نريد تقطيرها، وكذلك بعض أحجار الغليان، بحيث تغلي العينة بهدوء ولا يحدث أي فوران عنيف للفقاعات. القطعة التالية من الزجاجيات هي محول ثلاثي الاتجاهات. في أحد أطراف المحول، سيكون لدينا ترمومتر وسدادة لتثبيت الترمومتر. وفي الطرف الأخير من المحول، سنضع واحدة من الزجاجيات تسمى المكثف تبدو مثل أنبوب زجاجي طويل داخله أنبوب زجاجي أصغر.

وعلى الطرف الآخر للمكثف، سنضع محولًا آخر. ثم لدينا القطعة الأخيرة من الزجاجيات، وهي دورق آخر سنستخدمه في تجميع العينة بمجرد الانتهاء من التقطير. بعد اكتمال هذا الإعداد، نوصل خرطومين مطاطيين بالمكثف، أحدهما يتدفق الماء من خلاله إلى المكثف والآخر يتدفق الماء عبره إلى خارج المكثف. وهذا سيجعل الماء البارد يدور داخل المكثف. ومن ثم عندما يصل البخار الذي نقوم بتقطيره إلى المكثف، سيتكثف مرة أخرى في شكل سائل بحيث نتمكن من جمعه. وأخيرًا، نحتاج إلى مصدر حرارة. في تجارب التقطير، عادة ما يكون مصدر الحرارة حمامًا رمليًّا، أو حمامًا زيتيًّا، أو مسدس الحرارة. ليس من الشائع جدًّا استخدام لهب بنسن في تجارب التقطير؛ لأننا عادة ما نقوم بتقطير سوائل عضوية وهي قابلة للاشتعال إلى حد كبير.

عندما نكون جاهزين لبدء التقطير، يمكننا إشعال مصدر الحرارة. بعد فترة، ستغلي العينة. قد نلاحظ تكثف الأبخرة على جدران دورق التكثيف، لكننا لن نلاحظ أي زيادة في درجة الحرارة‪‎‏‬‏. هذا لأن الترمومتر لا يقيس درجة حرارة المحلول خلال هذه التجربة. بل يقيس درجة حرارة البخار الذي يصل إليه، ولهذا السبب وضعنا بصيلة الترمومتر بالقرب من المكثف.

ومع استمرار غليان المحلول، يزداد البخار المتكثف أعلى جوانب المحول، ما يتسبب في رفع درجة الحرارة. ثم سنبدأ في رؤية سائل يتكثف داخل المكثف، والذي سيسقط في النهاية في دورق التجميع. علينا أن نحرص على تسجيل نطاق درجة الحرارة الذي نرى عنده قطرات تسقط في دورق التجميع؛ لأن هذه ستكون درجة غليان السائل الذي نجمعه. سنحتاج أيضًا إلى مراقبة المعدل الذي نجمع به السائل. إذا كنا نجمعه بسرعة كبيرة، فهذا يعني أننا لن نحصل على فصل جيد. السرعة المناسبة هي حوالي قطرة واحدة في الثانية.

يمكننا التوقف عن التقطير عندما نلاحظ تغيرًا في درجة الحرارة. يشير الانخفاض في درجة الحرارة إلى أننا انتهينا من تقطير المكون الذي كنا نجمعه وأن البخار لم يعد يصل إلى الترمومتر. يشير ارتفاع درجة الحرارة إلى أننا بدأنا في تجميع المركب التالي من الخليط والذي درجة غليانه أعلى. كما يتعين علينا التوقف عن التقطير أيضًا إذا انخفض مستوى السائل بشكل كبير حيث قد يتسبب جفاف السائل في حدوث تفاعلات جانبية خطرة.

الإعداد التالي الذي سنتناوله هو التقطير التجزيئي. يمكن للتقطير التجزيئي أن يفصل المكونات التي لها درجات غليان متقاربة في خليط. على سبيل المثال، يمكن استخدام التقطير التجزيئي لفصل خليط الإيثانول والماء الذي استعرضناه في بداية هذا الفيديو. يطابق إعداد التقطير التجزيئي الإعداد الذي شهدناه مع التقطير البسيط. الفرق الوحيد بينهما هو وجود قطعة إضافية من الزجاجيات تسمى عمود التجزئة. يمكن أن يكون هذا العمود أنبوبًا زجاجيًّا به بعض النتوءات، أو قد يكون به حبيبات زجاجية أو صوف صلب. لكن ما بداخل العمود ليس له أهمية كبيرة. ما يهم هو أن ملء العمود يزيد مساحة السطح.

وهكذا عندما يغلي المحلول، تتسبب مساحة السطح الزائدة داخل عمود التجزئة في إعادة تكثيف البخار داخل العمود. وتعد حقيقة أن البخار يتكثف مرة أخرى السبب في كون قدرة التقطير التجزيئي على الفصل أفضل من التقطير البسيط. بعد أن يتكثف البخار مرة أخرى، يصبح من الأسهل أن تتحول مجددًا مكونات الخليط التي لها درجات غليان أقل إلى بخار ثم تتجمع في دورق التجميع. ونظرًا لأن التقطير التجزيئي أفضل في فصل مكونات الخليط، فإنه يستخدم عادة لفصل أكثر من مكون. ويسمى كل مكون يجري فصله جزءًا.

يمكننا معرفة أننا نجمع جزءًا جديدًا عن طريق مراقبة الترمومتر عن كثب أثناء التجربة. عندما ننتهي من تقطير جزء أو مكون، يجب أن نرى انخفاضًا في درجة الحرارة عندما يتوقف بخار هذا المكون عن الوصول إلى الترمومتر. ثم سترتفع درجة الحرارة عندما نبدأ في تجميع جزء أو مكون جديد درجة غليانه أعلى. لكننا لن نشهد دائمًا انخفاضًا في درجة الحرارة قبل أن نشهد ارتفاعها، لذا يجب أن نلاحظ جيدًا درجة الحرارة أثناء التجربة.

يستخدم التقطير التجزيئي دائمًا في معامل الكيمياء قبل إجراء التجارب وبعدها. ويمكن استخدامه لتكوين كواشف نقية. ويمكن استخدامه للحصول على الناتج المطلوب؛ إذ يفصله عن المذيب الذي جرى فيه التفاعل. لكن يستخدم التقطير التجزيئي أيضًا طوال الوقت في الصناعة. دعونا نلق نظرة على بعض الأمثلة.

يعد فصل النفط الخام أحد الاستخدامات الشائعة للغاية للتقطير التجزيئي في الصناعة. يتكون النفط الخام من مزيج من الهيدروكربونات المختلفة، وهي مركبات تحتوي على الهيدروجين والكربون. يمكننا فصل خليط الهيدروكربونات هذا إلى الأنواع المختلفة من الهيدروكربونات المكونة له، لنحصل على مواد مثل الجازولين والديزل والكيروسين ومواد التشحيم والعديد من المواد الكيميائية الأخرى.

ويمكن أيضًا استخدام التقطير التجزيئي لفصل الهواء إلى غازي الأكسجين والنيتروجين النقيين. لتحقيق ذلك، يضغط الهواء أولًا إلى سائل. ثم ترشح جميع الغازات والشوائب الأخرى. وهكذا يتبقى لدينا في النهاية خليط من الأكسجين السائل والنيتروجين السائل. بعد ذلك يضخ هذا الخليط في وعاء. وبما أن الأكسجين يغلي عند سالب 183 درجة سلزية، والنيتروجين له درجة غليان أقل عند سالب 196 درجة سلزية، عندما يضخ خليط الأكسجين والنيتروجين في الوعاء، يصبح النيتروجين غازًا أولًا. ويمكن بعد ذلك إزالة غاز النيتروجين النقي من الوعاء. ويمكن إزالة الأكسجين السائل النقي المتبقي وتسخينه حتى يصبح غازًا مرة أخرى.

المثال الأخير الذي سنتناوله حول استخدام التقطير التجزيئي في الصناعة هو إنتاج الإيثانول. تستخدم هذه العملية لإنتاج الإيثانول النقي ليستخدم في معامل الكيمياء. يستخدم الإيثانول في تصنيع الوقود الحيوي. كما أنه يستخدم في صناعة الكحوليات القوية المستخدمة في المشروبات الكحولية. وينتج الإيثانول عن طريق كائن أحادي الخلية يسمى الخميرة. تتفاعل الخميرة مع السكر. وعندما يحدث ذلك، تنتج ثاني أكسيد الكربون والإيثانول. إذا استمرت الخميرة في التفاعل مع السكر منتجة ثاني أكسيد الكربون والإيثانول، فسيزداد تركيز الإيثانول، وهو ما يفسد الخميرة، وسيعطينا محلولًا يحتوي على حوالي 14 إلى 18 بالمائة من الإيثانول.

ومن ثم، إذا أردنا الحصول على محلول يكون تركيز الإيثانول فيه أعلى من ذلك، فعلينا تقطير هذا المحلول. يمكن تحقيق ذلك بسهولة من خلال التقطير التجزيئي؛ إذ سنفصل الإيثانول عن الماء الذي ذابت فيه الخميرة والسكر.

هذا كل ما علينا معرفته عن نظرية التقطير، وكيفية إجراء تجربة التقطير، واستخدامات التقطير التجزيئي في الصناعة. لذا دعونا نلق نظرة على بعض الأسئلة قبل الانتهاء من هذا الفيديو.

يوضح الجدول الآتي درجات غليان أربعة سوائل خلطت معًا. بأي ترتيب يجمع كل سائل إذا استخدم التقطير التجزيئي لفصلها؟

التقطير هو طريقة يمكن استخدامها لفصل السوائل عن طريق درجة غليانها. التقطير التجزيئي، على وجه التحديد، مفيد للغاية في فصل السوائل التي تكون درجات غليانها متقاربة، كما نرى في هذا السؤال. تعد درجة غليان أي مادة انعكاسًا لمدى سهولة ترك جزيئات المادة للسائل وتحولها إلى غاز. هذا يعني أن السوائل الموجودة في الخليط ستجمع وفقًا لترتيب درجة غليانها من الأقل إلى الأعلى لأن السوائل التي لها درجة غليان أقل تكون أكثر عرضة للتحول إلى غاز أولًا.

ومن ثم، للإجابة عن هذا الجزء من السؤال، كل ما علينا فعله هو ترتيب السوائل وفقًا لدرجة غليانها من الأقل إلى الأعلى. أقل درجة غليان في القائمة هي 65 درجة سلزية، وهي درجة غليان الميثانول. الدرجة التي تليها هي 77 درجة سلزية، وهي درجة غليان إيثانوات الإيثيل. بعد ذلك لدينا 98 درجة سلزية، وهي درجة غليان 2-بيوتانول. ثم لدينا أعلى درجة غليان وتبلغ 118 درجة سلزية، وهي درجة غليان حمض الإيثانويك. وهكذا، إذا قمنا بتقطير هذا الخليط من السوائل، فسيكون ترتيب تجميعها هو الميثانول ثم إيثانوات الإيثيل ثم 2-بيوتانول وأخيرًا حمض الإيثانويك.

درجة غليان الإيثانول هي 78 درجة سلزية. لماذا لا يؤدي التقطير التجزيئي إلى فصل الإيثانول عن الخليط؟

على الرغم من أن التقطير التجزيئي مفيد جدًّا في فصل خليط من السوائل التي تكون درجات غليانها متقاربة، فإنه ليس مثاليًّا. درجة غليان الإيثانول، 78 درجة سلزية، قريبة جدًّا من درجة غليان سائل آخر في الخليط، وهو إيثانوات الإيثيل، الذي تبلغ درجة غليانه 77 درجة سلزية. وبما أن هذين السائلين لهما درجة غليان متقاربة للغاية، فإنهما سيغليان في الوقت نفسه تقريبًا، وهو ما يعني أنه عند إجراء التقطير لخليط مكون من هذين السائلين، فإننا سنجمعهما في نفس الوقت تقريبًا.

ببساطة، لا يستطيع التقطير التجزيئي فصل السوائل التي يبلغ الفرق في درجة غليانها درجة سلزية واحدة. ومن ثم، فإن السبب في عدم التمكن من فصل الإيثانول عن الخليط عن طريق التقطير التجزيئي هو أن درجة غليانه مشابهة تمامًا لدرجة غليان إيثانوات الإيثيل.

عند إجراء عملية التقطير، لماذا يوضع الترمومتر أعلى العمود بدلًا من وضعه في المحلول؟

لدينا هنا إعدادان متماثلان للتقطير. هناك دورق تقطير يحتوي على العينة، وعمود تجزئة، ومحول، ومكثف، ومحول آخر، ودورق ثان لجمع السائل المقطر، ومصدر للحرارة. الفرق الوحيد بين هذين الإعدادين هو أن الإعداد الموجود على اليسار يوضع فيه الترمومتر في أعلى العمود، وفي الإعداد الموجود على اليمين، يوضع الترمومتر في المحلول. لمعرفة السبب في تفضيل وضع الترمومتر أعلى العمود بدلًا من وضعه في المحلول، دعونا نفكر فيما سيقيسه الترمومتر في كل حالة.

إذا وضع الترمومتر في المحلول، فإنه سيقيس درجة حرارة المحلول. وبما أن درجة حرارة المحلول لا تتغير أثناء غليانه، فستظل ثابتة أثناء التجربة بمجرد أن يغلي المحلول. وإذا وضعنا الترمومتر أعلى العمود، فلن يتمكن من قياس درجة حرارة المحلول. إنه ببساطة سيكون بعيدًا جدًّا عنه. بدلًا من ذلك، سيتمكن من قياس درجة حرارة البخار بعد أن يبدأ السائل في الغليان، ويصبح غازًا، ويتجه لأعلى العمود.

إذن، ما الذي نريد قياسه خلال تجربة التقطير؟ درجة حرارة البخار أم درجة حرارة المحلول؟ كما قلنا من قبل، ستظل درجة حرارة المحلول ثابتة أثناء التجربة. لكن إذا وضعنا الترمومتر أعلى العمود، فستتغير قراءة درجة الحرارة خلال التجربة. فسترتفع درجة الحرارة بمجرد أن يصل البخار إلى أعلى العمود، ونبدأ بتجميع السائل. وإذا لاحظنا بعد ذلك انخفاضًا في درجة الحرارة، فهذا يعني أن عملية التقطير للمكون الذي كنا نجمعه قد انتهت ولم يعد بخاره يصل إلى الترمومتر.

وإذا شهدنا ارتفاعًا في درجة الحرارة، فهذا يشير إلى بداية تقطير مكون جديد من الخليط له درجة غليان أعلى. إذن، من خلال قياس درجة حرارة البخار بدلًا من المحلول، يمكننا الحصول على مزيد من المعلومات خلال التجربة. إذن نضع الترمومتر أعلى العمود بدلًا من وضعه في المحلول عند إجراء تجربة التقطير لكي نقيس درجة حرارة البخار.

والآن، لنختتم هذا الفيديو بالنقاط الرئيسية لهذا الموضوع. التقطير هو طريقة للفصل بين السوائل وفق درجة غليانها. عند إجراء تجربة التقطير لفصل السوائل، تجمع مكونات الخليط وفقًا لدرجات غليانها من الأقل إلى الأعلى. ومن ثم، فإن أول ما سيخرج من المخاليط سيكون السوائل التي درجة غليانها أقل.

يمكن استخدام التقطير البسيط لفصل السوائل التي بينها فروق كبيرة في درجة الغليان. كما يمكن استخدامه أيضًا لتنقية سائل يحتوي على مادة صلبة مذابة داخله. يمكن استخدام التقطير التجزيئي لفصل السوائل التي بينها فروق أقل في درجة الغليان. يستخدم التقطير التجزيئي أيضًا في الصناعة لفصل النفط الخام، وفصل الغازات، مثل فصل الهواء إلى أكسجين نقي وغاز نيتروجين نقي، ويستخدم أيضًا لإنتاج الإيثانول.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.