水蒸气蒸馏操作方法及意义

实验3　水蒸气蒸馏

一、目的要求

1．了解水蒸气蒸馏的原理及意义

2．通过对松节油的提纯或烟碱的提取，学会水蒸气蒸馏的操作方法。

二、基本原理

当两种互不相溶（或难溶）的液体A与B共存于同一体系时，每种液体都有各自的蒸气压，其蒸气压力的大小与每种液体单独存在时的蒸气压力一样（彼此不相干扰）。根据道尔顿（Dalton）分压定律，混合物的总蒸气压为各组分蒸气压之和。即

P_总＝P_A＋P_B

混合物的沸点是总蒸气压等于外界大气压力时的温度，因此混合物的沸点比其中任一组分的沸点都要低。水蒸气蒸馏就是利用这一原理，将水蒸气通入不溶或难溶于水的有机化合物中，使该有机化合物在100℃以下便能随水蒸气一起蒸馏出来。这种操作方法避免了用常压蒸馏方法进行蒸馏时，因高温而造成被分离或纯化物质分解的可能性。当馏出液冷却后，有机液体通常可从水相中分层析出。

根据气态方程式，在馏出液中，随水蒸气蒸出的有机物与水的物质的量之比（n_A、n_B表示此两种物质在一定容积的气相中的物质的量）等于它们在沸腾时混合物蒸气中的分压之比。即

而n_A＝m_A／M_A，n_B＝m_B／M_B，其中m_A、m_B为各物质在一定容积中蒸气的质量，M_A、M_B为物质A和B的相对分子量。因此这两种物质在馏液中的相对质量可按下式计算：

例如：1－辛醇和水的混合物用水蒸气蒸馏时，该混合物的沸点为99．4℃，我们可以从图2－4查得纯水在99．4℃时的蒸气压为744mmHg，因为P_总必须等于760mmHg，因此1－辛醇在99．4℃时的蒸气压必定等于16mmHg，所以馏出液中1－辛醇与水的质量比等于：

即蒸出1g水能够带出0．155g　1－辛醇。1－辛醇在馏出液中的组分占13．4%。上述关系式只适用于与水互不相溶或难溶的有机物，而实际上很多有机化合物在水中或多或少有些溶解，因此这样的计算仅为近似值，而实际得到的要比理论值低。如果被分离提纯的物质在100℃以下的蒸气压为1～5mmHg，则其在馏液中的含量约占1%，甚至更低。这时就不能用水蒸气蒸馏来分离提纯，而要用过热水蒸气蒸馏，方能提高被分离或提纯物质在馏出液中的含量。

水蒸气蒸馏是分离和纯化有机化合物的重要方法之一，它广泛用于从天然原料中分离出液体和固体产物，特别适用于分离那些在其沸点附近易分解的物质；适用于分离含有不挥发性杂质或大量树脂状杂质的产物；也适用于从较多固体反应混合物中分离被吸附的液体产物。其分离效果较常压蒸馏或重结晶好。使用水蒸气蒸馏法时，被分离或纯化的物质必须具备下列条件：①不溶或难溶于水；②在沸腾下与水长时间共存而不起化学反应；③在100℃左右时应具有一定的蒸气压（一般不小于10mmHg）。

图2－4　溴苯、水及溴苯－水混合物的蒸气压与温度的关系

三、仪器与药品

仪器：水蒸气发生器，长颈圆底烧瓶（250mL），直型冷凝管，接引管，T形管，螺旋夹，玻璃管（80cm），布氏漏斗，吸滤瓶，分液漏斗，玻璃弯管2支，电炉，折光仪，常备仪器。

药品：粗松节油，烟丝，无水氯化钙，酚酞试液，10%HCl，25%NaOH，0．5%KMnO₄，5% Na₂CO₃，10%鞣酸，饱和苦味酸。

四、实验步骤

（一）松节油的提纯

1．仪器安装　水蒸气蒸馏装置如图2－5所示。按图装好仪器。A为水蒸气发生器（也可用大的圆底烧瓶代替），通常盛水量约占容器的2／3。玻管B为液面计，蒸馏过程中可根据其水位高低与升降情况来判断系统是否阻塞，以保证安全操作。C为安全管，长约80cm，内径约0．5cm，几乎插到发生器A的底部。当容器内水蒸气压力太大时，水可沿着玻管上升，以调节内压。D为蒸馏烧瓶，瓶内所盛液体不宜超过其容积的1／3。水蒸气导入管E，通过克氏蒸馏头F进入蒸馏烧瓶底部，混合蒸气的温度由温度计G读出，冷凝管与接受器的装配与常压蒸馏相同。

水蒸气发生器与蒸气导入管E之间必须连接一个T形管，在T形管的下端连一螺旋夹H，以便及时除去冷凝下来的水滴，并可通过调节H以防止蒸馏液倒吸，保护蒸馏顺利进行。(www.xing528.com)

2．水蒸气蒸馏　在水蒸气发生器A中加入约占容器2／3的热水，在蒸馏烧瓶D中加入30mL粗松节油和50mL水，打开螺旋夹H，加热水蒸气发生器至水沸腾，同时通入冷凝水。当有水蒸气从T形管中冲出时，旋紧螺旋夹H，使水蒸气进入蒸馏烧瓶，开始蒸馏。为了避免使水蒸气在蒸馏烧瓶中冷凝而积聚液体过多，可在蒸馏烧瓶下置一石棉网，用小火加热。控制蒸馏速度为每秒钟2～3滴，使蒸气能全部在冷凝管中冷凝下来。蒸馏过程中应随时注意安全管水位是否正常。如发现水位迅速升高，则表示系统内发生了堵塞，应立即打开螺旋夹，停止加热，找出原因排除故障后再继续蒸馏。

图2－5　水蒸气蒸馏装置

一旦馏出液变清，蒸馏即已接近完成，再继续蒸出约10mL馏出液，便可停止蒸馏。欲停止蒸馏时，应先打开螺旋夹，与大气相通，然后移去热源，否则D中的液体会吸入A中。

3．分离及检验　将馏出液倒入分液漏斗中，静置待分层。收集上层松节油于回收瓶中，并放入1～2g烘干的块状无水氯化钙将少量水分吸去，即可得精制的松节油。测定其折光率。

4．实验完毕，拆下蒸馏装置，将仪器洗净放好。

（二）烟碱的提取

烟碱是一种生物碱（即尼古丁），是烟叶中的主要组分，除此还含有少量降烟碱，新烟碱等几种其他生物碱。

烟碱是由两个含氮杂环（吡啶和吡咯烷）组成，这两个杂环胺的官能团均属叔胺型，有明显的碱性。不仅能使红色石蕊试纸变蓝（pH5．0～8．0），还可使酚酞溶液变红（pH8．2～10）；能与氧化剂作用生成烟酸；与生物碱沉淀剂如苦味酸、鞣酸等发生沉淀反应，该反应可用于生物碱的鉴定、精制或提取。

1．烟碱水溶液的制备　取2g烟丝，加20mL10%HCl，加热煮沸20min，经常搅拌，同时注意补充水以保持液面不下降。煮沸后经脱脂棉过滤，滤液用25%NaOH溶液中和至碱性，再转移到250mL长颈蒸馏烧瓶中进行水蒸气蒸馏。操作方法见（一）。收集5mL透明烟碱水溶液便可停止蒸馏^〔1〕。停止蒸馏时一定要先打开T形管下端的螺旋夹，后移去热源。

2．烟碱水溶液的检验

（1）碱性试验　在一试管中加1mL烟碱水溶液，然后滴加1滴酚酞试剂，注意观察有何现象产生，并解释之。

（2）氧化反应　取一支试管加5滴烟碱水溶液，再加1滴0．5%KMnO₄水溶液和3滴5% Na₂CO₃水溶液，摇动试管，注意溶液的颜色变化和有无沉淀产生。

（3）沉淀反应　取两支试管各加5滴烟碱水溶液，在第一支试管里滴加6滴饱和苦味酸溶液，第二支试管里滴加2滴10%鞣酸溶液，边滴边摇动试管，注意观察有何现象产生？

注　释

〔1〕收集的溶液不宜过多，多了浓度太低，影响实验结果。

思考题

1．水蒸气蒸馏的原理是什么？它适用于分离哪些物质？

2．被分离纯化的有机化合物必须具备什么条件才能采用水蒸气蒸馏的方法进行分离提纯？

3．采用水蒸气蒸馏法提纯苯胺时，苯胺和水的混合物在98．4℃时沸腾，试计算在馏出液中苯胺与水的质量比及苯胺在馏出液中的含量。（98．4℃时，水的蒸气压为717．56mmHg）。