ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑ ΓΕΝΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ Ι

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑ ΓΕΝΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ Ι T.E.T.Y. 124 Υπεύθυνη Σημειώσεων: Μαρία Βαμβακάκη Ηράκλειο Φεβρουάριος 2003

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σελίδα Κοινά Εργαστηριακά Όργανα Εισαγωγή Συνήθεις Εργαστηριακές Τεχνικές Χρήση Χημικών Αντιδραστηρίων Καθαρισμός Γυάλινων Σκευών... 6 Μέτρηση Όγκου Υγρών... 6 Ζύγιση Διήθηση... 8 Απόχυση Θέρμανση Ψύξη Ξήρανση Ξηραντικά Μέσα Εκχύλιση Ανακρυστάλλωση Αποχρωματισμός Σημείο Τήξης Απόσταξη Μέτρα και Κανόνες Ασφαλείας στο Χημικό Εργαστήριο Πρότυπο Εργαστηριακών Αναφορών Ανάλυση Πειραματικών Δεδομένων Εργαστηριακές Ασκήσεις: Άσκηση 1: Πρωτολυτικές Τιτλοδοτήσεις Αλκαλιμετρία και Οξυμετρία 33 Άσκηση 2: Πεχαμετρική Τιτλοδότηση Προσδιορισμός της Σταθεράς Διάστασης Ασθενούς Οξέος Ρυθμιστικά Διαλύματα Άσκηση 3: Μέθοδοι Σταθμικής Ανάλυσης Άσκηση 4: Συμπλοκομετρικές Ογκομετρήσεις Προσδιορισμός Ολικής Σκληρότητας Νερού Άσκηση 5: Οξειδοαναγωγικές Ογκομετρήσεις Ιωδομετρία Άσκηση 6: Σύγκριση Μεθόδων Χημικής Ανάλυσης Προσδιορισμός Μαγγανίου.. 60 Άσκηση 7: Ποιοτική Ανάλυση Κατιόντων της 1 ης Ομάδας Άσκηση 8: Ανάλυση Φαρμάκων με τη Μέθοδο της Χρωματογραφίας Λεπτής Στοιβάδας (TLC) Βιβλιογραφία. 78 Πίνακες - Περιοδικοί Πίνακες Στοιχείων

3 ΚΟΙΝΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΑ ΟΡΓΑΝΑ Φιάλες αντιδραστηρίων Πλαστικός υδροβολέας Ποτήρι ζέσεως Κωνική φιάλη Σταγονομετρικό φιαλίδιο Πλυντρίδα αερίου Γουδί Ξηραντήρας Φιαλίδιο ζυγίσεως Κρυσταλλωτήριο Ύαλος ωρολογίου Σπάτουλες Ψύκτρα 3

4 Σιφώνιο πληρώσεως Ογκομετρικός κύλινδρος Ογκομετρική φιάλη Σιφώνιο μετρήσεως (ογκομετρημένα) Χωνί ουσιών Χωνί Buchner Προχοΐδα Διαχωριστικό χωνί Χωνί διηθήσεως Πυράγρα Δοκιμαστικός σωλήνας Στήριγμα δοκιμαστικών σωλήνων Λαβίδα δοκιμαστικού σωλήνα Χωνευτήριο Λύχνος Τριπόδι θερμάνσεως Πλέγματα θερμάνσεως 4

5 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο Εργαστήριο Χημείας οι φοιτητές χρησιμοποιώντας ορισμένες βασικές εργαστηριακές τεχνικές, όργανα και συσκευές, θα αναλύσουν χημικές ουσίες και μίγματα τους ως προς τις φυσικές και χημικές τους ιδιότητες, τη σύσταση αλλά και τις αντιδράσεις τους. Για την επιτυχή και ασφαλή εκτέλεση των ασκήσεων και την αποφυγή ατυχήματος απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή και η συμμόρφωση όλων των φοιτητών προς ορισμένους βασικούς κανόνες. Γι αυτό παρακαλούνται οι φοιτητές να μελετήσουν προσεκτικά το πρώτο μέρος αυτών των σημειώσεων που αναφέρεται στις τεχνικές που θα χρησιμοποιηθούν καθώς και τους κανόνες ασφαλείας στο χημικό εργαστήριο. Μεγάλης σημασίας σε ένα εργαστηριακό μάθημα είναι επίσης τόσο η λήψη σωστών σημειώσεων κατά τη διάρκεια του πειράματος καθώς και η συγγραφή σωστών εργαστηριακών εκθέσεων μετά το πείραμα. Για περισσότερες λεπτομέρειες όσο αφορά τα θέματα αυτά οι φοιτητές παραπέμπονται στις αντίστοιχες ενότητες παρακάτω. Τάξη και καθαριότητα: Στο χημικό εργαστήριο είναι σημαντική η διατήρηση της τάξης και της καθαριότητας έτσι ώστε να μειωθεί ο κίνδυνος ατυχήματος. Τα γυάλινα σκεύη και τα εργαστηριακά όργανα πρέπει να είναι και να διατηρούνται καθαρά. Τα όργανα, η θέση εργασίας αλλά και οι κοινόχρηστοι χώροι πρέπει να καθαρίζονται μετά την εργασία και να αφήνονται στην κατάσταση που ήταν πριν το πείραμα. Τα στερεά απορρίμματα ρίχνονται στα ειδικά δοχεία απορριμμάτων ενώ τα υγρά (οξέα, βάσεις, υδατικά διαλύματα), εκτός των οργανικών ενώσεων, χύνονται στο νιπτήρα αφού πρώτα αραιωθούν με άφθονο νερό. Τα όργανα και τα αντιδραστήρια πρέπει να επιστρέφονται στην αρχική τους θέση αμέσως μετά τη χρησιμοποίηση τους. ΣΥΝΗΘΕΙΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ Χρήση Χημικών Αντιδραστηρίων Τα περισσότερα χημικά αντιδραστήρια είναι τοξικά ή έχουν άλλες επικίνδυνες ιδιότητες γι αυτό πρέπει να χειρίζονται με προσοχή. Διαβάστε προσεκτικά την ετικέτα της φιάλης πριν τη χρησιμοποιήσετε και φροντίστε να γνωρίζετε τις ιδιότητες των αντιδρασηρίων που χρησιμοποιείτε. Πάνω στην ετικέτα της φιάλης θα βρείτε κυρίως τα παρακάτω χαρακτηριστικά του αντιδραστηρίου που περιέχει: 1. Το όνομα του προϊόντος 2. Το χημικό του τύπο 3. Την περιεκτικότητα του (αν πρόκειται για διάλυμα) 4. Το σημείο ζέσεως του 5. Το ειδικό βάρος του 6. Το βαθμό καθαρότητας του 7. Το σημείο αυτοανάφλεξης του Κατά τη χρήση αποφεύγετε την επαφή με τα αντιδραστήρια και στο τέλος βεβαιωθείτε ότι πωματίσατε τη φιάλη. Σε καμία περίπτωση δεν βάζουμε τα αντιδραστήρια στο στόμα μας. 5

6 Η μεταφορά ενός αντιδραστηρίου από τη φιάλη εξαρτάται από το είδος του. Οι στερεές ουσίες δεν μεταφέρονται ποτέ απευθείας από τη φιάλη σε δοκιμαστικό σωλήνα. Αν πρόκειται για μικρές ποσότητες αυτές αποχύνονται αρχικά σε καθαρό γυαλί ορολογίου ή κομμάτι διηθητικού χαρτιού από το οποίο στη συνέχεια μεταφέρονται στο δοκιμαστικό σωλήνα. Μεγαλύτερες ποσότητες αποχύνονται πρώτα σε ποτήρι ζέσεως ή άλλο δοχείο με τη βοήθεια χωνιού και στη συνέχεια στο δοκιμαστικό σωλήνα. Τα υγρά αντιδραστήρια μεταφέρονται απευθείας σε ποτήρι ζέσεως ή δοκιμαστικό σωλήνα κρατώντας το πώμα της φιάλης ανάμεσα στα δάχτυλα μας και χωρίς να το αφήσουμε στον πάγκο. Παίρνουμε πάντα όση ποσότητα αντιδραστηρίου χρειαζόμαστε αποφεύγοντας τις σπατάλες ενώ ποτέ δεν επιστρέφουμε στη φιάλη αντιδραστήριο που τυχόν περίσεψε. Τέλος ποτέ δε βυθίζουμε σιφώνια ή σταγονόμετρα στις φιάλες των αντιδραστηρίων. Καθαρισμός Γυάλινων Σκευών Τα σκεύη και τα όργανα που χρησιμοποιούμε στο πείραμα μας πρέπει να είναι πολύ καθαρά για την επιτυχία του πειράματος. Είναι πολύ σημαντικό να καθαρίζονται σχολαστικά όλα τα σκεύη που χρησιμοποιήσαμε αμέσως μετά το τέλος του πειράματος. Το πλύσιμο των γυάλινων σκευών γίνεται συνήθως με απορρυπαντικό και μηχανικό καθαρισμό με ψήκτρα, ενώ η τελική έκπλυση γίνεται με απιονισμένο νερό. Σε ορισμένες περιπτώσεις όμως και ανάλογα με το ρύπο χρησιμοποιούνται άλλα κατάλληλα μέσα καθαρισμού. Έτσι για όξινους ρύπους χρησιμοποιείται διάλυμα καυστικού νατρίου ή σόδας ενώ για ουσίες αλκαλικής φύσης χρησιμοποιούνται διαλύματα οξέων. Ιδιαίτερα αποτελεσματικό είναι το χρωμοθειϊκό οξύ (διάλυμα πυκνού θειϊκού οξέος με διχρωμικό κάλιο). Οι λιπαντικές ουσίες πλένονται με οργανικούς διαλύτες όπως ο αιθέρας, ακετόνη κλπ. Μετά την πλύση τα σκεύη ξηραίνονται σε φούρνο ξήρανσης. Τα σκεύη μέτρησης όγκου (βαθμονομημένα) δεν τοποθετούνται στο πυριαντήριο, αλλά στεγνώνονται με διαβίβαση θερμού αέρα. Μέτρηση Όγκου Υγρών Γενικά όλα τα σκεύη στο εργαστήριο είναι βαθμολογημένα ως προς τον όγκο που χωράνε αλλά η ένδειξη αυτή είναι κατά προσέγγιση. Το σκεύος που θα χρησιμοποιήσουμε για τη μέτρηση του όγκου ενός υγρού εξαρτάται από τον όγκο και την ακρίβεια με την οποία θέλουμε να τον μετρήσουμε. Τέσσερα είναι τα συνηθισμένα σκεύη μέτρησης όγκου υγρού: οι ογκομετρικές φιάλες, οι προχοΐδες, τα σιφώνια και οι ογκομετρικοί κύλινδροι. Μέσα στα σκεύη αυτά τα υγρά σχηματίζουν στο επάνω μέρος τους ένα μηνίσκο και η σωστή μέτρηση αντιστοιχεί στην εφαπτομένη του κάτω άκρου του μηνίσκου κάθετα προς το σκεύος (δείτε Σχήμα 1) για να αποφευχθούν λάθος μετρήσεις λόγω παράλλαξης. Σχήμα 1: Σωστή μέτρηση όγκου 6

7 α) Οι ογκομετρικές φιάλες έχουν επίπεδο πυθμένα και σχήμα αχλαδιού. Είναι βαθμολογημένες ώστε να περιέχουν καθορισμένο όγκο υγρού στη μέση θερμοκρασία δωματίου όταν γεμίσουν μέχρι τη χαραγή που υπάρχει στο μακρύ και στενό λαιμό τους. Οι φιάλες αυτές χρησιμοποιούνται κυρίως για την παρασκευή διαλυμάτων ακριβούς και γνωστής συγκέντρωσης. Αυτό επιτυγχάνεται με την εισαγωγή στη φιάλη ζυγισμένης με ακρίβεια στερεάς ουσίας ή μετρημένου με ακρίβεια όγκου υγρής ένωσης και στη συνέχεια γέμισμα της φιάλης με διαλύτη μέχρι περίπου τη μέση. Μετά από ισχυρή ανακίνηση, έως ότου διαλυθεί πλήρως το στερεό ή αναμειχθεί καλά το υγρό, γεμίζεται η φιάλη με διαλύτη σχεδόν μέχρι τη χαραγή, ενώ η τελική συμπλήρωση του όγκου μέχρι το κάτω άκρο του μηνίσκου να εφάπτεται τη χαραγή, γίνεται με σταγονόμετρο έτσι ώστε να πετύχουμε την μέγιστη ακρίβεια όγκου. β) Οι προχοΐδες είναι μεγάλης ακρίβειας όργανα μέτρησης όγκου υγρών. Είναι λεπτοί βαθμονομημένοι σωλήνες που καταλήγουν σε μία στρόφιγγα με κατάλληλο χειρισμό της οποίας παίρνουμε τον επιθυμητό όγκο υγρού. Βρίσκουν ευρεία χρήση στις τιτλοδοτήσεις ή ογκομετρήσεις. Οι πιο συνηθισμένες προχοΐδες είναι αυτές των 50 ml που φέρουν υποδιαιρέσεις ανά 0.1 ml αλλά υπάρχουν και οι μικροπροχοΐδες που δίνουν ακρίβεια 0,01 ή 0,02 ml. Για να χρησιμοποιήσουμε μια προχοΐδα αρχικά λιπαίνουμε τη στρόφιγγα με κάποιο λιπαντικό μέσο (βαζελίνη ή σιλικόνη) με μεγάλη προσοχή ώστε να μην βουλώσει η οπή της. Στη συνέχεια γεμίζουμε την προχοΐδα με τη βοήθεια μικρού χωνιού μέχρι το υγρό να υπερβεί την ένδειξη του μηδέν κατά 2-3 ml. Στη συνέχεια αφαιρούμε το χωνί και ανοίγουμε προσεκτικά τη στρόφιγγα της προχοΐδας αδειάζοντας το επιπλέον υγρό μέχρι η στάθμη του να φτάσει στο μηδέν. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνουμε να διώξουμε και τον αέρα που υπάρχει στην κάτω άκρη της προχοΐδας. Κατά τη χρήση της προχοΐδας προσέχουμε να μην υπάρχουν καθόλου φυσαλίδες αέρα σε όλο το ύψος του υγρού και η εκροή του να γίνεται πολύ αργά με ρυθμό σταγόνων. Ο χειρισμός της προχοΐδας κατά την ογκομέτρηση γίνεται πάντα με το αριστερό χέρι ενώ με το δεξί ανακινείται η φιάλη ογκομέτρησης (δείτε Σχήμα 2). Σχήμα 2: Σωστός χειρισμός της προχοΐδας 7

8 Η ανάγνωση της προχοΐδας γίνεται κάθετα προς αυτήν όπως αναφέρθηκε παραπάνω για τη μέτρηση του όγκου ενός υγρού με τα ογκομετρικά όργανα. Μετά το τέλος της εργασίας αδειάζουμε την προχοΐδα και την ξεπλένουμε καλά με άφθονο απιονισμένο νερό. Στην περίπτωση που χρησιμοποιήσαμε κάποιο αλκαλικό διάλυμα στην προχοΐδα, μετά την αρχική έκπλυση με νερό ακολουθεί ξέπλυμα με αραιό θειικό οξύ και τέλος ξεπλένουμε και πάλι με απιονισμένο νερό. Αυτό γίνεται γιατί τα αλκαλικά διαλύματα έχουν την ιδιότητα να προσβάλλουν το γυαλί της προχοΐδας και προκαλούν συγκόλληση της στρόφιγγας. γ) Τα σιφώνια είναι λεπτοί γυάλινοι βαθμονομημένοι σωλήνες και είναι τα πιο ακριβή όργανα μέτρησης όγκου υγρών. Διακρίνονται σε σιφώνια πλήρωσης και σιφώνια μέτρησης. Τα πρώτα έχουν μόνο μία ένδειξη συνολικού όγκου (χαραγή) και χρησιμοποιούνται για τη λήψη μόνο αυτού του προκαθορισμένου όγκου υγρού. Αντίθετα τα σιφώνια μέτρησης φέρουν πολλές υποδιαιρέσεις όγκου και επομένως με αυτά μπορεί να ληφθεί οποιοσδήποτε όγκος υγρού που αντιστοιχεί στη μέτρηση που διαβάζεται κάθε φορά. Η είσοδος του υγρού στο σιφώνιο επιτυγχάνεται με τη βοήθεια ειδικής φούσκας (πουάρ) και ποτέ δεν γίνεται αναρρόφηση με το στόμα. Αφού αδειάσει το σιφώνιο ακουμπάμε την άκρη του στο εσωτερικό του δοχείου στο οποίο το αδειάσαμε, για να απομακρύνουμε και την τελευταία σταγόνα που τυχόν υπάρχει στην άκρη του σιφωνίου. Ποτέ δεν φυσάμε το σιφώνιο για να διώξουμε την τελευταία σταγόνα που παραμένει μέσα σε αυτό καθώς ο όγκος του σιφωνίου έχει υπολογιστεί λαμβάνοντας υπόψη τον όγκο αυτής της σταγόνας. δ) Οι ογκομετρικοί κύλινδροι είναι βαθμονομημένοι σωλήνες διαφόρων μεγεθών με γυάλινη βάση που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση όγκου υγρών. Είναι η λιγότερο ακριβής από τις παραπάνω μεθόδους μέτρησης όγκου υγρών. Ο υδροβολέας είναι ένα πλαστικό μπουκάλι το οποίο καταλήγει σε μία λεπτή έξοδο και περιέχει απιονισμένο νερό ή άλλους διαλύτες που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή διαλυμάτων ή το πλύσιμο στο εργαστήριο. Ζύγιση Η ζύγιση των αντιδρατηρίων στο εργαστήριο γίνεται χρησιμοποιώντας αναλυτικούς ζυγούς το είδος του οποίου εξαρτάται από το βάρος και την ακρίβεια που θέλουμε στη ζύγιση (αναλυτικοί ζυγοί 3, 4 και 5 δεκαδικών ψηφίων είναι οι συνηθέστεροι). Τα χαρακτηριστικά ενός ζυγού είναι η ακρίβεια και η ευαισθησία του. Ως ακρίβεια ορίζουμε το μικρότερο κλάσμα του γραμμαρίου, του οποίου την αριθμητική τιμή δίνει ο ζυγός, ενώ ευαισθησία είναι η ικανότητα του ζυγού να αποκλίνει από τη θέση ισορροπίας του με την προσθήκη ελάχιστου βάρους. Γενικά οι ζυγοί πρέπει να διατηρούνται πάντα καθαροί και στεγνοί και να καθαρίζονται επιμελώς πριν και μετά τη χρήση. Πάντα μηδενίζομε το ζυγό πριν τον χρησιμοποιήσουμε και ποτέ δεν τοποθετούμε αντιδραστήρια απ ευθείας στο δίσκο του ζυγού. Διήθηση Διήθηση είναι η τεχνική που χρησιμοποιείται για το διαχωρισμό στερεού από υγρό. Επιτυγχάνεται με τη χρήση κατάλληλου διηθητικού μέσου (ηθμός) το οποίο μπορεί να είναι διηθητικό χαρτί, ή ειδικό γυαλί με πολύ λεπτούς πόρους. Κατά τη διήθηση το υγρό 8

9 διαπερνά τον ηθμό λόγω βαρύτητας (συνηθισμένη διήθηση) ή ελαττωμένης πίεσης κάτω από τον ηθμό (διήθηση με κενό) ενώ το στερεό συλλέγεται πάνω στον ηθμό. Στην πρώτη μέθοδο (δείτε Σχήμα 1) χρησιμοποιούμε συνήθως διηθητικό χαρτί κυκλικού σχήματος το οποίο διπλώνεται δυο φορές στη μέση και ανοίγεται στο σχήμα κώνου. Ο ηθμός αυτός τοποθετείται σε γυάλινο χωνί φροντίζοντας τα άκρα του να απέχουν 1-2 cm από τα άκρα του χωνιού. Στη συνέχεια στερεώνουμε το χωνί με τη βοήθεια στηρίγματος και τοποθετούμε κάτω από αυτό φιάλη συλλογής του διηθήματος. Ο ηθμός υγραίνεται με λίγες σταγόνες διαλύτη από το μίγμα που θέλουμε να διηθήσουμε για να στερεωθεί στο χωνί και στη συνέχεια αποχύνουμε το προς διήθηση μίγμα στο χωνί (πρώτα το υγρό και προς το τέλος το ίζημα για να μην φράξουν από την αρχή οι πόροι του ηθμού). Η φιάλη που περιείχε αρχικά το προς διήθηση μίγμα, ξεπλένεται, στο τέλος της διήθησης, με λίγο καθαρό διαλύτη και το έκπλυμα προστίθεται και αυτό στο χωνί. Για να γίνει πιο γρήγορα η διήθηση χρησιμοποιείται ο λεγόμενος πτυχωτός ηθμός που διευκολύνει το πέρασμα του υγρού λόγω της αυξημένης επιφάνειας χαρτιού γυαλιού. Σχήμα 1: Διήθηση λόγω βαρύτητας με χρήση πτυχωτού ηθμού Στη δεύτερη μέθοδο με χρήση κενού, χρησιμοποιούμε αντί για το γυάλινο χωνί, το λεγόμενο χωνί Βüchner ή το χωνευτήρι Gooch (με ειδικό γυάλινο ηθμό) ενώ το κενό επιτυγχάνεται συνήθως με τη βοήθεια υδραντλίας (δείτε Σχήμα 2). Με τη μέθοδο αυτή μπορούμε να διηθήσουμε μίγματα που δεν διηθούνται εύκολα με κοινή διήθηση κυρίως επειδή περιέχουν μεγάλη ποσότητα στερεού. Για να αποφύγουμε την είσοδο νερού από τη βρύση στο διήθημα λόγω αναρρόφησης, παρεμβάλλουμε μεταξύ της βρύσης και της φιάλης του διηθήματος μία φιάλη ασφαλείας (παγίδα). Η αναρρόφηση μπορεί να συμβεί είτε λόγω μεταβολής της παροχής νερού, είτε όταν φράξει ο ηθμός από την ουσίας μας ή αν κλείσουμε τη βρύση πριν βγάλουμε τη φιάλη διήθησης από το κενό. Στο χωνί Βüchner πρέπει να είμαστε προσεκτικοί ώστε να εφάπτεται ακριβώς το διηθητικό χαρτί στο χωνί αλλιώς το στερεό περνά στο διήθημα και το διήθημα δεν είναι πλέον διαυγές. Σχήμα 2: Διάταξη συσκευής διήθησης υπό κενό 9

10 Απόχυση Απόχυση ονομάζουμε το διαχωρισμό μιας στερεάς ουσίας από μία υγρή και αυτή γίνεται αφήνοντας το σύστημα να ηρεμήσει και αφού το στερεό καθιζάνει λόγω βαρύτητας, αποχύνουμε προσεκτικά το υπερκείμενο υγρό. Θέρμανση Ψύξη Ως πηγές θέρμανσης των πειραμάτων στο εργαστήριο χρησιμοποιούνται συνήθως ο λύχνος Bünsen, τα διάφορα λουτρά (υδατόλουτρο, ελαιόλουτρο, κ.λ.π.) και οι θερμομανδύες. Ο λύχνος Bünsen χρησιμοποιείται κυρίως για υδατικά διαλύματα ή μη εύφλεκτες ενώσεις γιατί η γυμνή φλόγα είναι επικίνδυνη πηγή πυρκαγιάς. Η λειτουργία του λύχνου βασίζεται στην καύση αερίου το οποίο διαβιβάζεται στο λύχνο με σωλήνα και η ροή του ρυθμίζεται με στρόφιγγα που βρίσκεται στην αρχή του σωλήνα πάνω στον πάγκο. Ο αέρας που χρειάζεται για την καύση παρέχεται και ρυθμίζεται στην επιθυμητή αναλογία από την οπή που βρίσκεται στη βάση του λύχνου. Η ανάφλεξη του μίγματος αερίου-αέρα γίνεται στο επάνω μέρος του λύχνου έχοντας την οπή του λύχνου κλειστή. Στη συνέχεια με άνοιγμα της οπής ρυθμίζεται η ποσότητα του αέρα, δίνοντας μία φλόγα φωτιστική, αιθαλίζουσα και αναγωγική σε χαμηλές ποσότητες αέρα και κυανή, θερμαντική και οξειδωτική φλόγα όταν ο αέρας είναι επαρκής. Η θερμοκρασία της φλόγας του λύχνου ποικίλει από περιοχή σε περιοχή έχοντας την υψηλότερη τιμή της στα 2/3 του ύψους της. Ο λύχνος πρέπει να χρησιμοποιείται με προσοχή και να γίνεται συχνός έλεγχος για τυχόν διαρροή του εκρηκτικού αερίου. Τα γυάλινα σκεύη που πρόκειται να θερμάνουμε πρέπει εξωτερικά να είναι εντελώς ξηρά διαφορετικά θα σπάσουν αμέσως παρουσία νερού. Η θέρμανση των δοκιμαστικών σωλήνων μπορεί να γίνει κρατώντας απευθείας το σωλήνα πάνω στη φλόγα του λύχνου και ανακινώντας τον συνεχώς αλλά ιδιαίτερη προσοχή χρειάζεται ώστε το στόμιο του σωλήνα να μην είναι στραμμένο προς οποιοδήποτε πρόσωπο γιατί μπορεί να εκτιναχτεί το υγρό και να προκαλέσει εγκαύματα. Κατά τη θέρμανση των υπόλοιπων γυάλινων σκευών απαιτείται παρεμβολή πλέγματος αμιάντου μεταξύ αυτών και της φλόγας. Η θέρμανση εύφλεκτων ουσιών γίνεται με τη χρήση λουτρών ανάλογα με τη θερμοκρασία που θέλουμε να επιτύχουμε. Επίσης για θέρμανση από 100 ºC μέχρι και 300 ºC χρησιμοποιούμε ηλεκτρικούς θερμομανδύες στους οποίους πρέπει να προσέχουμε τυχόν επαφή εύφλεκτων ουσιών με τη ζεστή επιφάνεια του μανδύα καθώς υπάρχει κίνδυνος έκρηξης. Τέλος η ψύξη στο εργαστήριο γίνεται συνήθως με νερό (θερμοκρασία δωματίου), πάγο (0 ºC), πάγο με αλάτι (-10 ºC), ψυκτικά μέσα χαμηλότερων θερμοκρασιών (π.χ. μίγμα ξηρού πάγου ακετόνης (-78 ºC), υγρό άζωτο κλπ), ανάλογα με τη θερμοκρασία που θέλουμε να επιτύχουμε. Ξήρανση Ξηραντικά Μέσα Η ξήρανση χρησιμοποιείται ως απαραίτητο στάδιο κατά την παρακευή ή απομόνωση ενός προϊόντος. Διακρίνουμε δύο είδη ξήρανσης, την ξήρανση διαλύματος με την οποία χαρακτηρίζουμε την απομάκρυνση κάθε είδους υγρασίας (π.χ. από ένα οργανικό διαλύτη μετά από εκχύλιση με υδατικό διάλυμα) και την ξήρανση στερεού ή υγρού με την οποία εννοούμε την απομάκρυνση κάθε ίχνους οποιουδήποτε διαλύτη από το προϊόν. Για την ξήρανση διαλύματος χρησιμοποιούμε κάποιο στερεό αδιάλυτο και αδρανές (ως προς τα συστατικά του διαλύματος) ξηραντικό μέσο, το οποίο προσθέτουμε στο διάλυμα 10

11 μέσα σε κωνική φιάλη και αναδεύουμε δυνατά. Προσθέτουμε ξηραντικό μέσο μέχρι να σταματήσει αυτό να συσσωματώνεται μέσα στο διάλυμα και να παραμείνει κάποια μικρή ποσότητα στη φιαλή με τη μορφή σκόνης. Τέλος αναδεύουμε για λίγα ακόμη λεπτά (20-30 mn) και διηθούμε για να απομακρύνουμε το ξηραντικό. Η ποσότητα και το είδος του ξηραντικού που θα χρησιμοποιήσουμε εξαρτάται από την ποσότητα νερού που έχουμε στο διάλυμα και το βαθμό ξήρανσης που θέλουμε να πετύχουμε. Τα ξηραντικά χαρακτηρίζονται από τρεις ιδιότητες την ταχύτητα κατακράτησης, τη χωρητικότητα (ποσό κατακρατούμενου νερού ανά γραμμάριο ξηραντικού) και την ένταση της ξήρανσης (ποσοστό νερού που παραμένει στο διάλυμα μετά την ξήρανση. Τα ξηραντικά με μεγάλη χωρητικότητα έχουν μικρή ένταση ξήρανσης γι αυτό όταν το διάλυμα περιέχει νερό σε μεγάλη ποσότητα και θέλουμε να το απομακρύνουμε όλο, χρησιμοποιούμε πρώτα ένα ξηραντικό μεγάλης χωρητικότητας και στη συνέχεια ένα ξηραντικό μεγάλης έντασης. Με τον τρόπο αυτό αποφεύγουμε επίσης τη βίαιη αντίδραση του νερού με ξηραντικά μεγάλης έντασης όπως το Να, P 2 O 5 κ.λ.π. αφού αυτά χρησιμοποιούνται συνήθως μετά από ξηραντικά μεγάλης χωρητικότητας, όπως τα θειικά άλατα του ασβεστίου και του μαγνησίου. Τα κυριότερα ξηραντικά μέσα οργανικών ενώσεων είναι: τα θειικά άλατα του ασβεστίου, μαγνησίου και του νατρίου, CaCl 2, Κ 2 CΟ 3, P 2 O 5, Να, Κ, CaH 2, κ.λ.π. Η ξήρανση στερεών ή υγρών προϊόντων από πτητικούς διαλύτες γίνεται πιο εύκολα στον αέρα με εξάτμιση. Η απομάκρυνση λιγότερο πτητικών διαλυτών μπορεί να γίνει με θέρμανση σε φούρνο με την προϋπόθεση ότι η ένωση μας δεν αποσυντίθεται στη θερμοκρασία που θα χρησιμοποιήσουμε. Ξήρανση σε υψηλότερες θερμοκρασίες γίνεται υπό ελαττωμένη πίεση σε φούρνο κενού. Τέλος για πολύ ευαίσθητες ενώσεις χρησιμοποιούμε ξηραντήρες (δοχεία που περιέχουν κάποιο ξηραντικό μέσο π.χ. CaCl 2 ) σε ατμοσφαιρική ή ελαττωμένη πίεση. Εκχύλιση Η εκχύλιση είναι μία μέθοδος διαχωρισμού την οποία χρησιμοποιούμε για να παραλάβουμε μία ουσία από ένα διάλυμα, να διαχωρίσουμε ένα στερεό μίγμα στα συστατικά του ή να απομακρύνουμε τυχόν ανεπιθύμητες προσμίξεις και να καθαρίσουμε μία ένωση. Βασίζεται στη χρήση ενός διαλύτη που διαλύει μία ουσία, αλλά δε διαλύει τα άλλα συστατικά. Η εκχύλιση είναι μία απλή και γρήγορη τεχνική γι αυτό και έχει βρεί ευρεία εφαρμογή. Η εκχύλιση βασίζεται στον νόμο κατανομής, σύμφωνα με τον οποίο όταν σε ένα σύστημα διαλυτών 1 και 2 που δεν αναμιγνύονται, προστεθεί μία τρίτη ουσία, διαλυτή και στους δύο διαλύτες 1 και 2, τότε η ουσία κατανέμεται μεταξύ των διαλυτών έτσι ώστε ο λόγος των ενεργοτήτων της ουσίας στους δύο διαλύτες να είναι σταθερός σε σταθερή θερμοκρασία. Ορίζουμε σαν συντελεστή κατανομής (K D ) μιας ουσίας σε ορισμένη θερμοκρασία, το πηλίκο της ενεργότητας της ουσίας στο διαλύτη Α προς την ενεργότητα της ουσίας στο διαλύτη Β. ουσία στο διαλύτη Α K D ουσία στο διαλύτη Β Η αποτελεσματικότητα της εκχύλισης με ένα διαλύτη ενός υγρού ή στερεού που είναι διαλυμένο σε άλλο διαλύτη, εξαρτάται από τη διαλυτότητα, και άρα την κατανομή της ουσίας που διαχωρίζεται μεταξύ των δύο υγρών. 11

12 Η ουσία κατανέμεται μεταξύ των δύο φάσεων (συνήθως η μία φάση είναι υδατική και η άλλη κάποιος οργανικός διαλύτης) με ορισμένη πάντα αναλογία για την ίδια θερμοκρασία, που εκφράζεται από τον συντελεστή κατανομής K D της ουσίας. Με βάση την παραπάνω σχέση για το συντελεστή κατανομής, προκύπτει ότι μία εκχύλιση είναι αποτελεσματικότερη όταν κάνουμε πολλές εκχυλίσεις με λίγο διαλύτη κάθε φορά και όχι όταν κάνουμε μία εκχύλιση με όλο τον όγκο του διαλύτη που πρόκειται να χρησιμοποιήσουμε. Αυτό αποδεικνύεται ως εξής: Έστω ότι σε S ml υδατικού διαλύματος περιέχονται W 0 g διαλυμένης ουσίας και εκχυλίζουμε με V ml οργανικού διαλύτη. K D ουσία στον εκχυλιστή ( οργανικό διαλύτη) ουσία στο εκχυλιζόμενο μέσο ( υδατική φάση) Αν W 0 g ουσίας περιέχονται αρχικά στην υδατική φάση και W 1 g ουσίας μένουν στην υδατική φάση μετά την πρώτη εκχύλιση, η συγκέντρωση στο νερό είναι: W 1 W0 W1 g / ml, και g / ml S V οργανικό διαλύτη. είναι η συγκέντρωση της ουσίας στον Επομένως μετά την πρώτη εκχύλιση έχουμε: K D W W (K 1 D 0 W V W S 1 1 K V + S) W D 0 W0 S W1 S K W V S W 1 1 W 0 (K D D W V W 1 S V + S) 0 S W S 1 (1) Μετά τη δεύτερη εκχύλιση: KD W1 W2 2 V S S... W2 W1 W2 W W 0 2 (KD V S) KD V S + + (2) S Μετά από n εκχυλίσεις: W n S W0 K D V S (2) + n 12

13 Μετά την εκχύλιση θέλουμε Wn 0 όμως W 0, K D, S σταθερά οπότε πρέπει το n να είναι S μεγάλο αφού < 1 K D V S + Με άλλα λόγια καλύτερα αποτελέσματα έχουμε όταν κάνουμε πολλές εκχυλίσεις με μικρή ποσότητα διαλύτη παρά με μία εκχύλιση με όλο τον όγκο του διαλύτη. Τεχνική της Εκχύλισης Η εκχύλιση γίνεται με τη βοήθεια της εκχυλιστικής χοάνης. Βάζουμε το διάλυμα της ουσίας που θα εκχυλίσουμε μαζί με το κατάλληλο εκχυλιστικό υγρό μέσα στη χοάνη, έτσι ώστε να πιάνουν το πολύ τα 2/3 του όγκου της και τα ανακατεύουμε με ισχυρή ανατάραξη (δείτε Σχήμα 1). Κατά την ανατάραξη προσέχουμε να κρατάμε το πώμα της φιάλης, γιατί η πίεση που αναπτύσσεται από την τάση ατμών των υγρών με την ανάμειξη μπορεί να το πετάξει και να προκαλέσει ατύχημα. Ο κίνδυνος είναι μεγαλύτερος όταν χρησιμοποιούμε πτητικούς διαλύτες ή το διάλυμα που εκχυλίζουμε είναι ζεστό. Την ισορροπία των πιέσεων μέσα και έξω από τη χοάνη πετυχαίνουμε με το συχνό άνοιγμα της στρόφιγγας της, ενώ την χοάνη την κρατάμε όπως δείχνει το Σχήμα 1ε. α β γ δ ε Σχήμα 1: Τεχνική της εκχύλισης Μετά την ανάμειξη, αφού αφαιρέσουμε το πώμα της φιάλης, περιμένουμε τις δύο φάσεις να ξεχωρίσουν και συγκεντρώνουμε χωριστά τα δύο υγρά με τη βοήθεια της στρόφιγγας (δείτε Σχήμα 1). Πολλές φορές με την ανατάραξη δημιουργείται γαλάκτωμα και οι δύο στοιβάδες δεν διαχωρίζονται. Σε αυτή την περίπτωση προσθέτουμε μικρή ποσότητα άλατος NaCl το οποίο λόγω των φορτίων των ιόντων του βοηθά στην αποφόρτιση των κολλοειδών σωματιδίων και την καταστροφή του γαλακτώματος. Επίσης το NaCl θα διαλυθεί στην υδατική φάση με αποτέλεσμα να μειώσει τη διαλυτότητα της ουσίας που θέλουμε να εκχυλίσουμε στην φάση αυτή. 13

14 Κριτήρια για την Επιλογή του Κατάλληλου Εκχυλιστικού Μέσου: Ένα βασικό σημείο της διαδικασίας της εκχύλισης είναι να βρούμε τον κατάλληλο διαλύτη η επιλογή του οποίου γίνεται με βάση τα παρακάτω: 1) Να μην αντιδρά με την ουσία που εκχυλίζουμε 2) Να διαλύει επιλεκτικά την προς εκχύλιση ένωση 3) Να έχει πολύ διαφορετική πυκνότητα από την άλλη φάση της εκχύλισης ώστε να διαχωρίζονται εύκολα οι δύο φάσεις και να μην διαλύεται ή να σχηματίζει σταθερό γαλάκτωμα με την άλλη φάση 4) Να έχει χαμηλό σημείο ζέσεως ώστε να απομονώνεται εύκολα η ουσία μας στο τέλος 5) Να μην είναι τοξικός και εύφλεκτος Εκχύλιση Στερεού με Υγρό με τη Μέθοδο των Πολλαπλών Εκχυλίσεων Για τη μέθοδο αυτή των πολλαπλών εκχυλίσεων χρησιμοποιούμε ειδικές συσκευές όπως η συσκευή Soxhlet, που επιτυγχάνουν πολλές συνεχείς εκχυλίσεις με μικρή ποσότητα διαλύτη. Στη συσκευή Soxhlet η ουσία που θέλουμε να εκχυλίσουμε μπαίνει στον εκχυλιστήρα α του Σχήματος 2, μέσα σε ειδική φύσιγγα από διηθητικό χαρτί, ενώ ο διαλύτης στη φιάλη Α. Η φιάλη Α θερμαίνεται και οι ατμοί του διαλύτη περνώντας μέσα από το σωλήνα β, φτάνουν στον ψυκτήρα Γ όπου υγροποιούνται. Οι σταγόνες του υγρού διαλύτη πέφτουν μέσα στον εκχυλιστήρα α και διαλύουν μία ποσότητα της ουσίας που εκχυλίζεται. Όταν ο διαλύτης που υγροποιείται φτάσει στο ανώτερο σημείο του εκχυλιστήρα α, με σιφωνισμό ρέει πίσω στη φιάλη Α, φέρνοντας μαζί του τη διαλυμένη ουσία. Ψυκτήρας Γ Σωλήνας β Φύσιγγα ουσίας Εκχυλιστήρας α Σωλήνας σιφωνισμού Διαλύτης Φιάλη Α Σχήμα 2: Συσκευή Soxhlet Στη συνέχεια ο διαλύτης στη φιάλη Α ξαναεξατμίζεται και ακολουθεί την παραπάνω πορεία, ενώ η εκχυλιχθείσα ουσία παραμένει στη φιάλη Α. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνουμε την ανακύκλωση του διαλύτη, μέχρι να συγκεντρώσουμε ποσοτικά τη ζητούμενη ουσία στη φιάλη Α. 14

15 Ανακρυστάλλωση Είναι η κυριότερη μέθοδος καθαρισμού στερεών κρυσταλλικών ενώσεων από ανεπιθύμητες προσμίξεις. Βασίζεται στη διαφορετική διαλυτότητα μιας ουσίας σε ένα διαλύτη σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Επιλογή του Κατάλληλου Διαλύτη. Ένα από τα σημαντικότερα σημεία της διαδικασίας της ανακρυστάλλωσης είναι η επιλογή του κατάλληλου διαλύτη (ή μίγμα διαλυτών) ο οποίος πρέπει: Να μην διαλύει την ουσία μας σε θερμοκρασίες αρκετά χαμηλότερες από το σημείο ζέσεως του αλλά να την διαλύει στο σημείο ζέσεως του ή σε θερμοκρασία κοντά σε αυτό. Να διαλύει τις προσμίξεις που θέλουμε να απομακρύνουμε σε χαμηλές θερμοκρασίες ή να μην τις διαλύει καθόλου. Να κρυσταλλώνεται εύκολα σε αυτόν η ένωση μας κατά την ψύξη Να μην αντιδρά με την ένωση που θέλουμε να καθαρίσουμε Να έχει χαμηλό σημείο βρασμού έτσι ώστε να μην αποσυντίθεται ή τήκεται η ουσία κατά την κρυστάλλωση αλλά και για να απομακρύνεται εύκολα ο διαλύτης στο τέλος και να ανακτάται η ένωση που θέλουμε. Να μην είναι τοξικός Να είναι φθηνός Αφού λοιπόν επιλέξουμε τον κατάλληλο διαλύτη, η διαδικασία της ανακρυστάλλωσης ξεκινάει με την προσθήκη της ελάχιστης δυνατής ποσότητας θερμού διαλύτη, στη μη καθαρή ένωση μας μέσα σε κωνική φιάλη. Στη συνέχεια θερμαίνουμε τη φιάλη μέχρι το σημείο ζέσεως του διαλύτη για να διαλυθεί η ουσία μας. Αν η ένωση παραμένει αδιάλυτη προσθέτουμε επιπλέον μικρές ποσότητες θερμού διαλύτη μέχρι την πλήρη διάλυση της. Αποφεύγουμε την προσθήκη περίσσειας διαλύτη καθώς αυτό μπορεί να αποτρέψει την κρυστάλλωση της ένωσης μας σε παραπέρα στάδιο. Όταν διαλυθεί η ουσία μας και ενώ το διάλυμα μας είναι ακόμη θερμό πραγματοποιούμε διήθηση για να απομακρύνουμε τις αδιάλυτες προσμίξεις ενώ η ουσία μας περνά στο διήθημα. Είναι σημαντικό στο στάδιο αυτό να γίνει η διήθηση εν θερμώ για να αποφύγουμε την κρυστάλλωση της ουσίας μας στο χωνί ή το χαρτί διήθησης. Για το λόγο αυτό η διήθηση γίνεται σε ζεστό διάλυμα και με τη χρήση πτυχωτού ηθμού σε ζεστό γυάλινο χωνί το οποίο θερμαίνεται συνεχώς από τους ατμούς που δημιουργούνται καθώς θερμαίνουμε τον υποδοχέα κατά τη διάρκεια της διήθησης. Στη συνέχεια αφήνουμε το διάλυμα να κρυώσει σιγά-σιγά. Σε αυτό το στάδιο είναι σημαντικό η ψύξη να γίνει αργά ώστε να έχουμε πραγματική κρυστάλλωση της ουσίας μας και όχι απότομη καταβύθιση της σαν άμορφο στερεό γιατί ενώ στην πρώτη περίπτωση παραλαμβάνουμε καθαρή την ένωση μας και οι προσμίξεις παραμένουν στο διάλυμα, αντίθετα με την καταβύθιση συμπαρασύρονται αρκετές προσμίξεις. Αν η ένωση μας δεν κρυσταλλώνεται μετά από αρκετό χρόνο αναμονής ψύχουμε παραπέρα το διάλυμα σε πάγο ή τρίβουμε τα τοιχώματα της φιάλης με τη γυάλινη ράβδο ώστε να σχηματιστούν μικρά θραύσματα γυαλιού που λειτουργούν ως πυρήνες κρυστάλλωσης. Άλλες τεχνικές που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε για να πετύχουμε την κρυστάλλωση της ένωσης μας, είναι είτε να εμβολιάσουμε το διάλυμα με λίγους κρυστάλλους από την ουσία μας, οι οποίοι θα παίξουν το ρόλο των πυρήνων κρυστάλλωσης, ή να προσθέσουμε μερικές σταγόνες ενός διαλύτη που δεν διαλύει την ένωση μας με αποτέλεσμα να υποβιβαστεί η διαλυτότητα της ένωσης στο σύστημα των διαλυτών και να γίνει ταχύτερη η κρυστάλλωση. Αφού ολοκληρωθεί και η κρυστάλλωση διηθούμε την ένωση μας σε χωνί υπό κενό και ξεπλένουμε το ίζημα με λίγο ψυχρό διαλύτη. Αφήνουμε την ένωση πάνω στον ηθμό υπό κενό για λίγη ώρα για να στεγνώσει, την ξηραίνουμε στο φούρνο αν 15

16 χρειαστεί και στη συνέχεια ελέγχουμε την καθαρότητα της με προσδιορισμό του σημείου τήξεως της όπως περιγράφεται παρακάτω. Αν η ένωση μας δεν είναι καθαρή επαναλαμβάνουμε την παραπάνω διαδικασία της ανακρυστάλλωσης μέχρι να πάρουμε καθαρή την ένωση μας. Αποχρωματισμός Πολλές φορές κατά την ανακρυστάλλωση παρατηρούμε χρωματισμό άχρωμων ουσιών λόγω της παρουσίας σε αυτών έγχρωμων οργανικών ενώσεων. Αν οι ενώσεις αυτές είναι διαλυτές στον θερμό διαλύτη τότε προσροφούνται στους κρυστάλλους της ένωσης που σχηματίζονται κατά τη διαδικασία της κρυστάλλωσης και δεν μπορούν να απομακρυνθούν με τη μέθοδο αυτή. Για τον καθαρισμό των ουσιών από τέτοιες προσμίξεις χρησιμοποιούμε τη μέθοδο του ενεργού άνθρακα ο οποίος προστίθεται στο διάλυμα κατά την ανακρυστάλλωση στο στάδιο της διαλυτοποίησης της ένωσης μας και του βρασμού του διαλύματος μας. Η έγχρωμη πρόσμιξη προσροφάται στην επιφάνεια του ενεργού άνθρακα και απομακρύνεται μετά από διήθηση του διαλύματος της ένωσης μας. Η ποσότητα του ενεργού άνθρακα που θα χρησιμποιήουμε θα πρέπει να είναι η ελάχιστη δυνατή ώστε να απομακρυνθεί η πρόσμιξη, αλλά να μην έχουμε σημαντικές απώλειες της ουσίας μας η οποία εν μέρει επίσης προσροφάται πάνω στην επιφάνεια του άνθρακα. Σημείο Τήξης Σημείο τήξης μιας κρυσταλλικής ουσίας ονομάζουμε τη θερμοκρασία στην οποία το στερεό αρχίζει να υγροποιείται. Η θερμοκρασία τήξεως εξαρτάται από την πίεση και είναι χαρακτηριστικό για μία ορισμένη καθαρή ένωση. Κατά την αντίθετη διαδικασία της στερεοποίησης ενός υγρού η θερμοκρασία πήξεως του υγρού είναι η ίδια με τη θερμοκρασία τήξεως του αντίστοιχου στερεού. Το σημείο τήξης μίας ένωσης σε P 1 Atm χαρακτηρίζεται ως κανονικό σημείο τήξεως και είναι χαρακτηριστικό για μία ορισμένη καθαρή ένωση, είναι δηλαδή φυσική σταθερά. Η αλλαγή φάσεως είναι απότομη και έτσι το εύρος της θερμοκρασίας που λιώνει όλη η ουσία δεν είναι πάνω από 2 ºC. Η διαφορά αυτή θεωρείται και κριτήριο καθαρότητας της ένωσης. Θεωρητικά ξέρουμε στο διάγραμμα θερμοκρασίας χρόνου ότι η θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της τήξης διατηρείται σταθερή αν και συνεχίζουμε τη θέρμανση, γιατί τα ποσά της θερμότητας δαπανούνται στην αλλαγή φάσεως (λανθάνουσα θερμότητα τήξεως). Αν σε μία ουσία προστεθεί μικρή ποσότητα ξένης ουσίας, τότε σύμφωνα με το νόμο του Raoult η τάση ατμών του υγρού μειώνεται σε ποσοστό που εξαρτάται από την ποσότητα της πρόσμιξης. Αυτό έχει ως συνέπεια την μείωση του σημείου τήξεως που παύει πλέον να είναι συγκεκριμένο. Γενικά, το διάγραμμα θερμοκρασίας τήξεως σε ένα σύστημα δύο συστατικών Α+Β σε συνάρτηση με την % του σύσταση, θα έχει τη μορφή του Σχήματος 1. Δηλαδή αν σε μία ουσία Α με σημείο τήξεως t A προσθέσουμε ουσία Β με σημείο τήξεως t B έστω σε ποσοστό 20 %, το σημείο τήξεως του μίγματος χαμηλώνει στη θερμοκρασία t M. Aν προσθέσουμε και άλλη ουσία Β, χαμηλώνει ξανά μέχρι ένα κατώτερο όριο που λέγεται εύτηκτο σημείο t C. Από εκει και πέρα όσο αυξάνει η περιεκτικότητα του Β αυξάνει και η θερμοκρασία τήξεως του μίγματος μέχρι την t B. 16

17 Θερμοκρασία Γραμμομοριακό κλάσμα του συστατικού Α Σχήμα 1: Μεταβολή του σημείου τήξεως σε μίγμα δύο συστατικών Το σημείο τήξεως επηρεάζεται και από την πίεση. Για μικρές μεταβολές της πίεσης η επίδραση είναι μικρή και το σημείο τήξεως μπορεί να θεωρηθεί σταθερό. Στη θερμοδυναμική, η σχέση που δίνει τη μεταβολή του σημείου τήξεως Τ κατά dt για μεταβολή πίεσης κατά dp, δίνεται από την εξίσωση του Clausus Clareyron: dp dt ΔΗ TΔV Τ(V ΔΗ L V S ) όπου ΔΗ η γραμμομοριακή ενθαλπία που είναι πάντα θετική όταν πηγαίνουμε από σταθερή φάση χαμηλής θερμοκρασίας σε σταθερή φάση υψηλής θερμοκρασίας. V L και V S οι όγκοι της υγρής και της στερεής φάσης αντίστοιχα. Παρατηρούμε λοιπόν ότι για θετικό dp η μεταβολή dt είναι θετική ή αρνητική ανάλογα αν ο όγκος του υγρού που προκύπτει κατά την τήξη είναι μεγαλύτερος ή μικρότερος του όγκου του στερεού από το οποίο προήλθε. Έτσι για τα σώματα που V L > V S (κλίση καμπύλης τήξεως θετική) η αύξηση της πίεσης αυξάνει το σημείο τήξεως. Ενώ για τα σώματα που V L < V S (κλίση καμπύλης αρνητική) η αύξηση της πίεσης μειώνει το σημείο τήξεως. Για την ταυτοποίηση ενός σώματος το σημείο τήξεως είναι μία ένδειξη ότι η ουσία μας είναι η Α, όχι όμως και απόδειξη. Καθ όσον μπορεί η Α να έχει προσμίξεις που να χαμηλώνουν το σημείο τήξεως της ή να είναι άλλη ένωση που έχει σημείο τήξεως κοντά στο σημείο τήξεως της Α. Για να βεβαιωθούμε, χρησιμοποιούμε και άλλες μεθόδους χαρακτηρισμού της ένωσης μας (π.χ. φασματοσκοπικές). Τεχνική Σημείου Τήξεως. Μέσα σε μικρό δοκιμαστικό σωλήνα κλειστό στη μία άκρη του, βάζουμε μικρή ποσότητα του δείγματος που προηγουμένως έχει κονιοποιηθεί ώστε να πάρει τη μορφή σκόνης. Χτυπάμε ελαφρά τον σωλήνα για να φύγουν τα κενά του αέρα που υπάρχουν μεταξύ τω κόκκων και να μαζευτεί η ουσία στην κλειστή άκρη του σωλήνα. Το ύψος του δείγματος μέσα στο σωλήνα τήξεως δεν πρέπει να ξεπερνά τα 2 μμ. Στη συνέχεια βάζουμε το δείγμα στην ειδική θέση της συσκεύης σημείου τήξεως και θερμαίνουμε σιγά. Σημειώνουμε δύο θερμοκρασίες. Η πρώτη είναι το σημείο που σχηματίζεται η πρώτη σταγόνα μεταξύ των κόκκων του στερεού και η δεύτερη εκείνη που όλο το στερεό έχει γίνει ένα διαυγές υγρό. Οι δύο αυτές θερμοκρασίες δεν πρέπει να διαφέρουν πάνω από 2 ºC αν η ένωση μας είναι καθαρή. 17

18 Απόσταξη Απόσταξη ονομάζεται η πορεία που ακολουθούμε για τη μετατροπή ενός υγρού σε ατμό και στη συνέχεια υγροποίηση και συγκέντρωση του ατμού. Χρησιμοποιείται τόσο για την ταυτοποίηση όσο και για τον καθαρισμό υγρών ουσιών από άλλες που διαφέρουν αρκετά στο σημείο ζέσεως τους. Είναι γνωστό, ότι όταν έχουμε ένα υγρό, σε μία ορισμένη θερμοκρασία, μέσα σε κλειστό δοχείο έτσι ώστε να υπάρχει και ελεύθερος χώρος, ο αριθμός των μορίων που φεύγουν από την υγρή στην αέρια φάση (εξάτμιση) και ο αριθμός των μορίων που συμπυκνώνονται από την αέρια στην υγρή φάση (συμπύκνωση) είναι ο ίδιος. Τότε λέμε ότι έχουμε κορεσμένο ατμό και η πίεση που ασκεί η αέρια φάση, ονομάζεται τάση κορεσμένων ατμών του υγρού, για τη θερμοκρασία του πειράματος. Η τάση ατμών του υγρού αυξάνει με τη θερμοκρασία και είναι ανεξάρτητη από την ποσότητα του υγρού και την παρουσία του ατμού στο σύστημα. Όταν η τάση ατμών εξισωθεί με την εξωτερική πίεση, τότε το υγρό βράζει και η θερμοκρασία στην οποία συμβαίνει αυτό λέγεται σημείο ζέσεως του υγρού. Κατά το βρασμό η θερμοκρασία παραμένει σταθερή και η ενέργεια που προσφέρεται, γνωστή ως «λανθάνουσα θερμότητα ζέσεως» χρησιμοποιείται για να υπερνικηθούν οι ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των μορίων του υγρού και τα μόρια αυτά να περάσουν στην αέρια φάση. Στο σημείο αυτό η εξάτμιση των μορίων δεν γίνεται μόνο από την επιφάνεια του υγρού αλλά από όλη τη μάζα του. Το σημείο ζέσεως ενός υγρού εξαρτάται από την εξωτερική πίεση και συγκεκριμένα μείωση της εξωτερικής πίεσης έχει σαν αποτέλεσμα τη μείωση του σημείου ζέσεως και αντίστροφα. Για P 1 Atm το σημείο ζέσεως λέγεται κανονικό. Το πώς μεταβάλλεται το σημείο ζέσεως με την πίεση (P f(t)) φαίνεται στο Σχήμα 1. Ένα υγρό μπορεί να εξαερωθεί σε θερμοκρασίες που αντιστοιχούν μεταξύ του τριπλού σημείου (οπου υπάρχουν και οι τρεις φάσεις του σώματος μαζί) και του κρίσιμου σημείου (πάνω από το οποίο το σώμα δε μπορεί να βρεθεί σε υγρή κατάσταση). Ο προσδιορισμός του σημείου ζέσεως ενός υγρού ή ο καθαρισμός μίας υγρής ένωσης (η οποία βράζει σε θερμοκρασία χαμηλότερη από αυτή που διασπάται) επιτυγχάνεται με τη μέθοδο της απόσταξης. Στερεό Υγρό Κρίσιμο σημείο Πίεση, P Τριπλό σημείο Στερεό Θερμοκρασία, Τ Σχήμα 1: Διάγραμμα φάσης μίας ουσίας 18

19 Τα κυριότερα είδη αποστάξεων είναι: α) Απλή Απόσταξη Όταν ένα υγρό αποστάζει, ο ατμός ανεβαίνει από την αποστακτική φιάλη Α, ψύχεται στον ψυκτήρα Β και από εκεί συγκεντρώνεται σαν υγρό στη φιάλη Γ. Η συσκευή που χρησιμοποιούμε φαίνεται στο Σχήμα 2. To θερμόμετρο παρεμβάλλεται μεταξύ της αποστακτικής στήλης και του ψυκτήρα για να ελέγχεται η θερμοκρασία του ατμού που αποστάζει. έξοδος νερού Β Α είσοδος νερού Σχήμα 2: Συσκευή απλής απόσταξης Ο ψυκτήρας ψύχεται με νερό που περνά όπως δείχνει το σχήμα από κάτω προς τα πάνω, ενώ η φιάλη Α γεμίζεται με υγρό το πολύ κατά τα 2/3 της. Η θέρμανση γίνεται με ελαιόλουτρο ή θερμομανδύα και με τέτοια ταχύτητα ώστε το υγρό να συγκεντρώνεται στη φιάλη με ρυθμό μία σταγόνα το δευτερόλεπτο. Η απόσταξη σταματάει, όταν μέσα στη φιάλη Α έχει μείνει κάποια ποσότητα υγρού γιατί αν αποστάξουμε μέχρι ξηρού, υπάρχει φόβος έκρηξης από υπερθέρμανση ή να σπάσει η γυάλινη φιάλη. Για ένα μίγμα υγρών Α+Β που αναμιγνύονται τελείως, η σύνθεση του ατμού και του υγρού σε ισορροπία είναι διαφορετική. Αυτό φαίνεται στο Σχήμα 3 όπου η πάνω καμπύλη αναφέρεται στον ατμό ενώ η κάτω στο υγρό. Σε μία θερμοκρασία t μεταξύ t A και t B, η σύσταση του υγρού και του ατμού, είναι η τετμημένη των a 2 και α 2 αντίστοιχα. Έστω Υ 30 % A, 70 % B και Α 70 % A, 30 % B η σύσταση του υγρού και του ατμού αντίστοιχα. Είναι δηλαδή ο ατμός εμπλουτισμένος στο πιο πτητικό συστατικό, ενώ στο υγρό αυξάνει η ποσότητα του λιγότερου πτητικού συστατικού, όσο προχωράει η απόσταξη. Με την απλή απόσταξη, δεν μπορούμε ποτέ να ξεχωρίσουμε εντελώς το Α από το Β εκτός αν η διαφορά στα σημεία ζέσεως τους είναι πολύ μεγάλη ή αν το Β είναι σε μικρή συγκέντρωση. Για την περίπτωση που τα σημεία ζέσεως των Α και Β είναι κοντά, χρησιμοποιούμε την τεχνική της κλασματικής απόσταξης. Γ 19

20 t B Σύσταση Ατμού Θερμοκρασία, Τ Σημείο Ζέσεως Υγρού t A Γραμμομοριακό κλάσμα του Α Σχήμα 3: Διάγραμμα σύστασης-θερμοκρασίας ενός μίγματος ουσιών t A είναι το σημείο ζέσεως του συστατικού Α, t B είναι το σημείο ζέσεως του Β. Για να βρούμε τη σύσταση της υγρής και της αέριας φάσης, εργαζόμαστε ως εξής: α) Για την υγρή φάση ισχύει ο νόμος του Raoult P A P A º X A, P B P B º X B όπου P A º, P Β º η τάση κορεσμένων ατμών των Α και Β P A, P Β η μερική πίεση των Α και Β X A, X Β το γραμμομοριακό κλάσμα των Α και Β στο διάλυμα (Σαν X A ορίζουμε moles Α στο διάλυμα ) moles A στο διάλυμα + moles Β στο διάλυμα β) Για την αέρια φάση ισχύουν οι νόμοι των ιδανικών αερίων P A n A RT P ολ (n A + n B ) RT n A PA Pολ Χ P Α ολ n A + n B P B X B P ολ P ολ P A +P B όπου X Α, X B το γραμμομοριακό κλάσμα των Α και Β στον ατμό. 20