1. Приборы для простой перегонки в вакууме

Приборы для перегонки в вакууме отличаются от приборов для перегонки под атмосферным давлением главным образом устройством приемников, благодаря которому можно собирать дестиллат, не нарушая вакуума. Вторым отличительным признаком является наличие приспособления против бросков жидкости в перегонной колбе, усиливающихся с увеличением вакуума. Ниже мы рассмотрим особенности устройства перегонных колб и приемников, позволяющие осуществлять простую вакуумперегонку.

Перегонные колбы. Простейшей колбой для перегонки в вакууме, широко применяемой в органических лабораториях, является колба Кляйзена (рис. 53, 1). Колба имеет два горла. В левое горло вставляют стеклянную трубку, оканчивающуюся капилляром, а в правое горло - термометр. Отводная трубка соединена с холодильником. Иногда колба делается грушевидной формы. Если колба Кляйзена снабжена елочным дефлегматором (рис. 53, 3), то трубку ниже наколки следует раздуть в шарик. Это сильно уменьшает возможность захлебывания дефлегматора при бросках (видоизменение колбы Кляйзена см.⁷²).

Рис. 53. Колба Кляйзена и ее видоизменения: 1 - обычная колба Кляйзена; 2 - колба Кляйзена с оттянутыми горлами; 3 - колба Кляйзена с елочным дефлегматором

Чтобы уменьшить загрязнение жидкости в колбе веществами, которые экстрагируются из резиновых пробок (особенно при высокой температуре перегонки), весьма целесообразно при вакуум-разгонках пользоваться другим способом соединения термометра (или трубки с капилляром) с горлом колбы. Одновременно уменьшается опасность поломки термометра при вынимании пробки, обычно сильно всасывающейся. В этом случае оба горла у колбы сужают так, как показано на рис. 53, 2. Понятно, что самая узкая часть горла должна быть все же настолько широкой, чтобы в нее свободно мог проходить термометр. На суженную часть горла надевают отрезок резиновой трубки, которая может плотно охватить термометр или трубку. Затем в резиновую трубку вставляют термометр (или стеклянную трубку).

Очень часто для вакуумных перегонок пользуются вместо колбы Кляйзена колбой Фаворского или колбой Арбузова (см. рис. 19). Для этой цели пригодна также колба Андреева (см. рис. 24).

Чтобы предотвратить броски жидкости, которые особенно усиливаются при перегонке в вакууме, в левое горло колбы Кляйзена или в тубус колбы Фаворского вставляют трубку, оканчивающуюся волосным капилляром. Конец капилляра должен доходить до самой низкой точки дна колбы, почти касаясь последнего. Если вещество при разгонке осмоляется, то капилляр не должен доходить до дна колбы на 5 - 8 мм.

Иногда в колбу вставляют длинную трубку с волосным капилляром на конце длиной 1 - 2 см; в других случаях предпочитают пользоваться короткой трубкой с длинным капилляром (иногда настолько длинным, что он укладывается в колбе в несколько колец).

Когда в системе создан вакуум, через жидкость из капилляра начинают проходить мелкие пузырьки воздуха, которые являются зародышами парообразования; жидкость при этом перемешивается током пузырьков. Тем самым предупреждаются местные перегревы, являющиеся причиной бросков.

Если через кипящую жидкость нельзя пропускать воздух, то внешний конец трубки соединяют через осушители с источником инертного газа (газометр с азотом, аппарат Киппа с углекислым газом). На открытый конец стеклянной трубки надевают отрезок резиновой трубки с винтовым зажимом для регулирования скорости потока воздуха или газа. Чтобы стенки резиновой трубки не слиплись при завинчивании зажима, в нее вставляют кусок проволоки диаметром 0,3 - 0,5 мм.

При регулировании тока газа с помощью зажима скорость газа часто изменяется в процессе перегонки, так как малейшее изменение в положении зажима оказывает влияние на прохождение газа. Кроме того, в резиновой и стеклянной трубках между зажимом и капилляром создается вакуум; при резком падении вакуума в системе, например в момент перерыва или окончания перегонки, в трубку засасывается вещество из колбы. Поэтому предпочтительнее при вакуум-разгонках не пользоваться зажимом, а отрегулировать диаметр и длину самого капилляра. С этой целью, вытянув капилляр, нагревают участок его на расстоянии 1 - 2 см от конца на пламени микрогорелки или спички до размягчения и затем резким движением оттягивают более тонкий волосной капилляр. Погрузив конец капилляра в маленькую колбу или пробирку с эфиром, с силой дуют в него. Из капилляра при этом должны подниматься отдельные мелкие пузырьки. Если волосной капилляр заплавился и не пропускает воздуха, то от него отламывают кончик длиной 3 - 5 мм. Повторив эту операцию 2 - 3 раза, можно добиться нужной скорости просасывания воздуха.

Эффективным средством против толчков является стеклянная вата, которую закладывают в колбу в таком количестве, чтобы она была выше слоя жидкости на 4 - 5 мм.

При перегонке в вакууме нагревание колбы следует проводить таким образом, чтобы исключалась возможность местных перегревов. Для этой цели можно рекомендовать в качестве источника тепла масляную или еще лучше металлическую баню, например, со сплавом Вуда. Если пользуются непосредственно электрообогревом, то предпочтительно работать с колбонагревателем такого размера, чтобы шар колбы входил в него целиком. При перегонке из колбы большого размера желательно, чтобы диаметр плитки был не меньшим, чем диаметр колбы. Плитку располагают на расстоянии 1 - 2 см от колбы и под колбой помещают кружок из асбестовой бумаги диаметром 2 - 4 см.

Весьма хорошие результаты при вакуум-разгонке получаются, судя по литературным данным, если жидкость нагревать термосифоном, описанным в главе III.

Следует отметить, что применение термосифона или стеклянной ваты не может вызвать понижения температуры кипения вещества. При перегонке вещества в токе воздуха или другого газа температура кипения жидкости снижается в зависимости от количества просасываемого через нее газа. Это явление, как и перепад давления между колбой и приемником, зависящий и от скорости просасывания газа, сильно отражаются на точности получаемых данных по температурам кипения веществ в вакууме. Так как влияние просасываемого газа на условия перегонки жидкости часто не учитывают, то литературные данные по температурам кипения веществ в вакууме часто плохо воспроизводятся и не являются надежными.

Иногда при перегонке (особенно в вакууме) жидкость настолько сильно пенится, что пена перебрасывается в дефлегматор, а иногда попадает даже в отводную трубку. Чтобы ослабить пенообразование, приходится в таких случаях в процессе перегонки добавлять в перегонную колбу вещества, понижающие поверхностное натяжение перегоняемой жидкости (например, амиловый или октиловый спирты). Для этого перегонную колбу снабжают капельной воронкой. Кроме того, с этой же целью рекомендуется применять колбу, имеющую между шаром и дефлегматором расширение для отделения пара и пены⁷².

Как правило, в лабораториях давление, при котором проводятся вакуум-перегонки, измеряется с помощью вакуумметра, соединенного с приемником. Между тем давление в колбе не равно давлению в приемнике и холодильнике.

Величина перепада давления определяется аэродинамическим сопротивлением, которое оказывают стенки колбы, дефлегматора и отводной трубки потоку пара. Для обычных перегонных колб с дефлегматором, внутренний диаметр отводной трубки которых равен 5 - 6 мм и длина 15 - 20 см, перепад давления составляет 1 - 4 мм (рис. 54). Если давление в приемнике не ниже 15 мм, то перепад давления в обычных перегонных колбах не оказывает сильного влияния на температуру кипения жидкости.

Рис. 54. Перепад давления в приборе для вакуум-перегонки

При работе в области более низких давлений, особенно ниже 2 мм, влияние перепада давления в перегонном приборе на температуру кипения жидкости становится заметным. Более того, можно добиться глубокого вакуума (менее 0,1 мм рт. ст.) в приемнике, но это не окажется эффективным для перегонки, так как давление в колбе все же оказывается равным 1 - 4 мм. Следовательно, если перегонку необходимо проводить при очень малом давлении, то надо брать колбу с широкой отводной трубкой, присоединенной к горлу вблизи шара. Расстояние между поверхностью жидкости и отводной трубкой можно еще уменьшить, наклоняя колбу.

Чтобы знать истинное давление, при котором отмечается температура кипения жидкости, была сконструирована "автоманометрическая колба"⁷⁵ (см. также⁷, стр. 99). Колба эта снабжена манометром, одно колено которого находится в месте, где измеряется температура, а другое там, где давление соответствует показанию вакуумметра. Манометрической жидкостью служит конденсат. Зная удельный вес дестиллата, можно по разности уровней в этом манометре найти поправку, которую следует прибавить к показанию вакуумметра. Следует отметить, что перегонка в токе газа, наряду с отмеченным ранее понижением температуры кипения жидкости, искажает результаты также и тем, что поток газа создает дополнительный перепад давления в системе. Чем больше количество пропускаемого газа, например воздуха, тем больше перепад давления. В головках же полной конденсации при отсутствии тока газа давление полностью соответствует показаниям вакуумметра; это является добавочным преимуществом головок описываемого типа.

Иногда приходится иметь дело с веществами, которые разлагаются даже при температуре кипения в вакууме. Перегонку таких термически весьма неустойчивых соединений можно проводить в вакууме ниже температуры их кипения. Жидкости, испаряющиеся при этом, конденсируются в охлажденном приемнике. Однако такой способ перегонки может оказаться еще менее эффективным для разделения жидкостей, чем простая перегонка, так как жидкость не кипит; она слабо перемешивается, и образование пара происходит не во всей массе, а только на поверхности. По мере испарения нижекипящего компонента концентрация его в поверхностных слоях уменьшается и восполняется в основном вследствие диффузии из нижележащих слоев жидкости. В результате пар оказывается менее обогащенным нижекипящими компонентами, нежели при перегонке кипящей жидкости. Иногда с этой же целью применяют перегонку в токе газа при температуре более низкой, чем температура кипения жидкости.

Для перегонки высокомолекулярных соединений приходится прибегать к молекулярной перегонке (см. стр. 131).

Приемники. Простейшим приемником для вакуум-перегонок может служить колба Вюрца, надетая на форштосс холодильника так, чтобы конец форштосса находился внутри шара (см. рис. 21, У). При смене такого приемника требуется прерывать перегонку.

Чтобы отбирать фракции, не нарушая режима вакуум-перегонки, пользуются приемниками особой конструкции двух типов: съемными и передвижными. Приемники первого типа изображены на рис. 55. Весьма простые по устройству, съемные приемники неудобны тем, что дестиллат в них проходит через кран, соприкасаясь со смазкой. Этого недостатка лишены передвижные приемники, простейшим из которых является так называемый "паук". Различные виды "пауков" изображены на рис. 56. На отростки приемника надевают круглодонные колбы или пробирки. Поворачивая "паук", подставляют под конец форштосса очередную колбу. Резиновая пробка, на которую надет "паук", должна быть хорошо смазана глицерином, чтобы он легко вращался. Иногда "пауки" присоединяются к форштоссу или алонжу на шлифе, который также следует хорошо смазывать вакуум-смазкой (см, приложение III).

Рис. 55. Приемники съемного типа

Разновидностью передвижных приемников являются приемники, изображенные на рис. 57. При такой конструкции приемников форштосс холодильника входит в резервуар, представляющий собой толстостенный стакан или колокол, в котором помещаются пробирки, иногда прикрепленные к колодке. Вращая ось (или резервуар), подставляют ту или иную пробирку под конец форштосса. Этот тип приемников особенно удобен для отбора большого числа маленьких фракций. Герметизация сосуда может быть выполнена различными способами. Сосуд может открываться сверху или снизу. Соединение его частей может быть сделано на шлифе или при помощи резиновых пробок или прокладок. Ось (проволочная или стеклянная) может проходить через пробку или соединяться с сосудом на шлифе. Колодку можно сделать из дерева или большой пробки. Выточив по образующим пробки желобки, помещают в них пробирки, которые удерживаются на месте резиновым кольцом (надетым на все пробирки). Приемники, изображенные в нижней части рис. 57, предназначены для микроколонок.

Рис. 56. Приемники типа 'паук'

Рис. 57. Передвижные приемники с пробирками

В приемнике для перегонки больших количеств жидкости (рис. 58) распределение дестиллата по отдельным колбам производится поворотом распределителя. Отростки снабжены краном с тремя отверстиями; кран этот позволяет закрывать доступ дестиллата в колбу, соединяя ее в то же время с атмосферой. После того как дестиллат из колбы слит и она вновь надета на место, можно вторым насосом эвакуировать колбу и затем вновь открыть в нее доступ дестиллату. Тем самым предупреждается возможность падения давления при соединении колбы с остальной системой.

Рис. 58. Приемник для перегонки больших количеств жидкости

В приемнике для перегонки малых количеств жидкости, изготовленном из материальной банки (см. рис. 57, внизу), капли дестиллата из форштосса попадают на согнутую палочку или заплавленную барометрическую трубку, поворотом которой направляют дестиллат в ту или иную пробирку. Палочка проходит через отрезок вакуумной трубки, смазанной глицерином или вазелином. Материальную банку необходимо предварительно проверить под вакуумом.