实验7 丙酮-水混合物的蒸馏与分馏
【实验目的】
1.了解蒸馏、分馏的原理和意义。
2.掌握蒸馏、分馏的基本操作。
【实验原理】
见2.2.4常压蒸馏及2.2.5分馏。
【实验装置】
1.简单蒸馏装置（见2.2.4节）。
2.常量分馏装置（见2.2.5节）。
【实验用品】
仪器：电热套，圆底烧瓶，分馏柱，蒸馏头，温度计，水冷凝管，接液管，锥形瓶等。
试剂：丙酮，蒸馏水等。
【实验步骤】
1.丙酮-水混合物的蒸馏
为了比较蒸馏和分馏的分离效果，将丙酮和水各15mL的混合液放置于50mL圆底烧瓶中，安装简单蒸馏装置，收集沸程为A 56～62℃、B 62～98℃、C 98～100℃的馏分，记录每增加1mL馏出液时的温度及总体积。以蒸气温度为纵坐标，馏出液体积为横坐标，将实验结果绘制成温度-体积曲线。
2.丙酮-水混合物的分馏
安装分馏装置并准备3个15mL的试管为接收器，分别注明A、B、C。在50mL圆底烧瓶内放置15mL丙酮、15mL水及1～2粒沸石。开始缓慢加热，并尽可能精确地控制加热，使馏出液以1～2滴/秒的速度蒸出。
将初馏出液收集于试管A，注意记录柱顶温度及接收器A的馏出液总体积。继续蒸馏，记录每增加1mL馏出液时的温度及总体积。温度达62℃换试管B，98℃用试管C接收，直至蒸馏烧瓶内残液为1～2mL，停止加热。（A 56～62℃、B 62～98℃、C 98～100℃）记录三个馏分的体积，待分馏柱内液体流到烧瓶时测量并记录残留液的体积，以柱顶温度为纵坐标，馏出液体积为横坐标，将实验结果绘制成温度-体积曲线，讨论分离效率。
【思考题】
1.分馏和蒸馏在原理及装置上有哪些异同？
2.如果是两种沸点很接近的液体组成的混合物，能否用分馏来提纯呢？
2.2.6 减压蒸馏
1.基本原理
减压蒸馏（又称真空蒸馏）是分离提纯有机化合物的常用方法之一。它特别适用于在常压蒸馏时未到沸点即已分解、氧化、聚合，或沸点很高的物质。
液体化合物的沸点与外界压力有密切的关系，当外界压力降低时，液体的沸点随之降低。例如，乙酰乙酸乙酯在常压下的沸点为181℃/101.3kPa（760mmHg），当压力降至7.99kPa（60mmHg）时，其沸点已降低到97℃。通常，大多数有机化合物当压力降低到2.67kPa（20mmHg）时，其沸点比常压时的沸点低100℃左右。当减压蒸馏在1.3～3.3kPa（10～25mmHg）之间进行时，大致上压力每相差133.3Pa（1mmHg），沸点相差约1℃。当要进行减压蒸馏时，预先估计出相应的沸点，对具体操作具有一定的参考价值。
所谓真空只是相对而言，一般可划分成几个等级。低真空（1.3～101.3kPa）一般可用水泵获得。中度真空（0.1～133.3Pa）可用油泵获得。高真空（小于0.1Pa）可用扩散泵获得。减压蒸馏时物质的沸点与压力的关系，可以从以下两条途径获得：①查阅文献；②用压力-沸点关系图（见图2-27）来查找，即从某一压力下的沸点可以推算出另一压力下的沸点。用一把小尺子通过图表中的两个数据，便可以知道第三个数据。例如，某一化合物在常压下的沸点为200℃左右，若要在4.0kPa（30mmHg）的减压条件下进行蒸馏操作，那么其蒸出点是多少呢？首先在图2-27中常压沸点刻度线上找到200℃标示点，在系统压力曲线上找出4.0kPa（30mmHg）标示点，然后将这两点连接成一直线并向减压沸点刻度线延长相交，交点所示的数字就是该化合物在4.0kPa（30mmHg）减压条件下的沸点，即100℃。在没有其他资料来源的情况下，由此法所得估计值对于实际减压蒸馏操作具有一定的参考价值。
图2-27 液体在常压和减压下的沸点近似关系图
2.减压蒸馏装置
常用的减压蒸馏装置如图2-28所示。它主要由蒸馏、抽气（减压）、安全保护和测压四部分组成。蒸馏部分由蒸馏瓶、克氏蒸馏头、毛细管、温度计及冷凝管、接收器等组成。克氏蒸馏头可减少或避免由于液体暴沸而冲溅入冷凝管的可能性；而毛细管的作用，则是作为气化中心，使蒸馏平稳进行，避免液体过热而产生暴沸。毛细管口距瓶底1～2mm。为了控制毛细管的进气量，可在毛细玻璃管上口套一段乳胶管，乳胶管中插入一段细铁丝，并用螺旋夹夹紧。蒸出液接收部分，通常用燕尾管连接两个或三个梨形或圆底烧瓶，在接收不同馏分时，只需转动接液管即可。在减压蒸馏系统中，切勿使用有裂缝或薄壁的玻璃仪器，尤其不能用不耐压的平底瓶（如锥形瓶等），以防止内向爆炸。抽气部分用减压泵，最常用的减压泵有水泵和油泵两种。安全保护部分一般有安全瓶，若使用油泵，还必须有冷阱，分别装有粒状氢氧化钠、块状石蜡及活性炭或硅胶、无水氯化钙等吸收干燥塔，以避免低沸点溶剂，特别是酸和水汽进入油泵而降低泵的真空效能。所以在用油泵减压蒸馏前必须在常压或水泵减压下蒸除所有低沸点液体和水以及酸、碱性气体。测压部分采用测压计，常用的测压计有水银压力计、莫氏真空规、真空压力表，如图2-29所示。为使整个体系中仪器安排得十分紧凑，可将油泵及其保护装置安装在一台油泵小推车上，车上的装配方式可参考图2-30。
图2-28 减压蒸馏装置
A—克氏蒸馏烧瓶；B—燕尾式接收器；C—毛玻璃管；D—螺旋夹；E—缓冲瓶；G—二通活塞
图2-29 测压计
图2-30 减压蒸馏小推车
半微量、微量的减压蒸馏装置由圆底烧瓶、微型蒸馏头、温度计、真空冷指及减压蒸馏毛细管组成，装置见图2-31（a）。因微型实验物的量很小，也可以通过电磁搅拌来达到防止暴沸的目的。若仅需减压蒸去溶剂而不需测定沸点进行减压蒸馏时，用微型蒸馏头配以真空冷指即可，装置见图2-31（b）。减压蒸馏时，在真空冷指的抽气指处应接有安全瓶，安全瓶分别与测压计、真空泵连接并带有活塞，以调节体系真空度及通大气。
图2-31 微量减压蒸馏装置
3.减压蒸馏操作
如图2-28安装好仪器（注意安装顺序），检查蒸馏系统是否漏气。方法是旋紧毛细管上的螺旋夹，打开安全瓶上的二通活塞，旋开水银压力计的活塞，然后开泵抽气（如用水泵，这时应开至最大流量）。逐渐关闭安全瓶上的二通活塞，从压力计上观察系统所能达到的压力，若压力降不下来或变动不大，应检查装置中各部分的塞子和橡皮管的连接是否紧密，必要时可用熔融的石蜡密封。磨口仪器可在磨口接头的上部涂少量真空油脂进行密封（密封应在解除真空后才能进行）。检查完毕，缓慢打开安全瓶的二通活塞，使系统与大气相通，压力计缓慢复原，关闭油泵停止抽气。
将待蒸馏液装入蒸馏烧瓶中，以不超过其容积的1/2为宜。若被蒸馏物质中含有低沸点物质时，在进行减压蒸馏前，应先进行常压蒸馏。然后用水泵减压，尽可能除去低沸点物质。按上述操作方法开泵减压，小心调节安全瓶上的二通活塞达到实验所需的真空度。调节螺旋夹，使液体中有连续平稳的小气泡通过。若在现有条件下仍达不到所需真空度，可按原理中所述方法，从图2-27中查出在所能达到的压力条件下，读物质的近似沸点，进行减压蒸馏。
当调节到所需真空度时，通入冷凝水，将蒸馏烧瓶浸入水浴或油浴中，开始加热蒸馏。加热时，蒸馏烧瓶的圆球部分至少应有2/3 浸入热浴中。待液体开始沸腾时，调节热源的温度，控制馏出速度为每秒1～2滴。
在整个蒸馏过程中都要密切注意温度和压力的读数，并及时记录。纯物质的沸点范围一般不超过1～2℃，但有时因压力有所变化，沸程会稍大一点。
蒸馏完毕，应先移去热源，待稍冷后，稍稍旋松螺旋夹，缓慢打开安全瓶上的二通活塞解除真空，待系统内外压力平衡后方可关闭减压泵。
4.注意事项
①减压蒸馏装置中与减压系统连接的橡皮管应都用耐压橡皮管，否则在减压时会抽瘪而堵塞。
②一定要缓慢旋开安全瓶上的活塞，使压力计中的汞柱缓慢地恢复原状，否则，汞柱急速上升，有冲破压力计的危险。