Iii қисм. Моддаларни асосий тозалаш усуллари

5. ДИСТИЛЛАШ

Дистиллаш деганда, одатда, суюқ аралашмаларни қисман буғлатиш ва ҳосил бўлган буғларни конденсасиялаш йўли билан турли таркибдаги фракцияларга ажратиш жараёнлари тушинилади. Лекин бу таъриф унча тўлиқ эмас, чунки модданинг қандайдир қисми суюқланмасдан газсимон ҳолатга утиш қобилиятини намоён этиши мумкин (сублиматланиш жараёни). Шу каби жараёнларни ҳам дистиллашга киритса бўлади, чунки қандай мувозанат (суюқлик–буғ ёки қаттиқ модда–буғ) юзага келишидан қатъий назар, дистиллаш жараёни асосида бир хил кўринишдаги тенглама ётади.

Соддалаштириш учун бир компонентли системани кўриб чиқамиз. Фазалар қоидасига мувофиқ, бундай системада ҳароратнинг ўзгариши билан фақат иккита фаза мавжуд бўлади. Фазалар орасидаги мувозанат шартлари Клаузиус-Клапейрон тенгламаси билан аниқланади.

бунда R ва T – мувозанатдаги системанинг босими ва ҳарорати; Q_1-2 – T ҳароратда 1-фазанинг 2-фазага ўтишда ажраладиган иссиқлик; V₁ ва V₂ – биргаликда мавжуд бўладиган фазаларнинг моляр ҳажмлари.
Қуйидаги тахминларни киритганимизда бу тенгламани соддлаштириш мумкин;
а) тўйинмаган буғ идеал газ каби бўлади;
б) конденсирланган фазанинг ҳажми инобатга олинмаслиги мумкин;
в) фазали ўтиш иссиқлиги ҳароратга боғлиқ эмас. Бу ҳол учун V₂–V₁=V₂ (V₂ – буғ фазанинг ҳажми) ва V₂ = RT/P бўлади. Демак,

бунда ∆N – буғланиш ёки сублиматланишда 1 мол газнинг ҳосил бўлиш ис-сиқлиги.
Тенгламани қуйидаги кўринишга келтириш.

ва интеграллаш мумкин:

Интеграллаш константасининг физикавий маъноси T = T_qayn ва R = 1 атм шароитда аниқ намоён бўлади:

бу ерда ∆S – бир мол буғ фазасининг ҳосил бўлишида энтропиянинг ўзгариши, унда
.
Ўнли логарифмга ўтган ҳолда ва R = 8,325 Ж/мол∙К қийматни киритиб, қуйидагини оламиз:

Бу тенглама кўринишда тўйинган буғ босимининг ҳароратга боғлиқлигини ифодлаш учун кенг қўлланилади.
Клаузиус-Клапейрон тенгламасини келтириб чиқаришда битта шартдан фойдаланилди, чунончи: босим фақат ҳароратнинг функцияси ҳисобланади. Бинобарин, босимнинг ҳароратга боғликлиги Клаузиус-Клапейрон тенгламасига ўхшаш тенглама билан ифодаланади.
Бундай пайтда барча конденсирланган фазалари муайян таркибга эга бўлган системаларни ҳамда эритмалар иштирокидаги системаларни бир-биридан фарқлаш керак.
Олдин умумий буғ билан мувозанатда турган мустақил конденсирланган фазаларни ҳосил қилувчи иккита компонентли системани кўриб чиқамиз.
Қаттиқ қўшимчани қаттиқ реакция маҳсулотидан ажратиш талаб этадиган ҳолларда бундай кўринишдаги системалар анча кўп учрайди.
Агар R = p₁ + p₂ шарт бажарилса, учта фазанинг биргаликда мавжуд бўлиш имконияти вужудга келиб, бунда R – умумий босим, p_i – 1 ва 2 компонентлар тўйинган буғларининг парциал босимини англатади. Системанинг умумий босими ҳароратга боғлиқ бўлиб, биргаликда мавжуд бўладиган фазаларнинг массасига боғлиқ эмас. Фазалар қоидасига мувофиқ, икки комонентли уч фазали системалар моновариантли ҳисобланади. Бинобарин, конденсирланган фазанинг буғ билан мувозанатини ифодалаш учун қуйидаги тенгламани қўллаш мумкин:
,
бунда Q_1-2 – бир мол икки компонентли газнинг ҳосил бўлиш иссиқлиги; V₂ – 1 мол шу газнинг ҳажми; V₁ – конденсирланган фазанинг ўртача моляр ҳажми.
Тенгламанинг интегралланиши қуйидагини беради:

бунда ∆H* ва ∆S* катталиклар буғ ҳосил бўлишининг брутто-характеристикаси ҳисобланади, яъни улар бир мол икки компонентли буғнинг ҳосил бўлиш иссиқлигини ва энтропияни характерловчи катталиклардир.
Бу катталиклар ва буғ ҳосил бўлишининг ҳақиқий характерисикалари орасида қандай боғлиқлик бўлиши мумкин? Бу саволга жавоб бериш учун иккита ҳолни кўриб чиқамиз.
1. ∆H₁ = ∆H₂, бунда ∆H_i – 1 мол i-компонент буғининг ҳосил бўлиш иссиқлиги. Бу вақтда ∆S₁ ≈ ∆S₂, чунки буғланиш энтропиясининг ва субли-матланиш энтропиясининг ўзгариши (∆S) кўпгина жараёнлар учун доимий катталик ҳисобланади. Бундай шароитда r₁ ≈ r₂ бўлади ва ҳароратнинг қандайдир оралиғида r₁ = δr₂ билан ифодаланиши мумкин (бунда δ – тахминан 1 га тенг бўлган коэффициент). Яъни учувчанлиги тахминан бир хил (r₁  r₂) бўлган ўзаро қаттиқ фазада аралашмайдиган компонентлар аралашмаси буғларининг брутто-характерисикалари алоҳида олинган ҳар бир компонентларнинг тегишли характерисикаларига яқин бўлади.
Бундан тескари хулоса ҳам чиқариш мумкин: агар ∆H₁ қиймати ∆H₂ дан кам фарқ қилса, унда бундай аралашмани ажратиш анча қийин ҳисобланади, яъни ажратилиши талаб этиладиган икки модда буғларининг ҳосил бўлиш ∆H қийматларини билган ҳолда, уларни дистиллаш ёрдамида ажратиш имкониятларини ҳам олдиндан аниқлаш мумкин.
2. ∆H₁ < ∆H₂. Бу ҳолатга r₁ > r₂ мос келади. Унда R = r₁, ∆H* = ∆H, ∆S* = ∆S деб ҳисоблаш мумкин. Бошқача айтганда, ўзаро таъсирлашмайдиган ҳамда учувчанлиги кескин фарқ қиладиган (r₁ > r₂) иккита компонентлар аралашмасининг брутто-характерисикалари учувчанлиги юқори бўлган компонентнинг тегишли характерисикаларига яқин бўлади.
Демак, агар ∆H₁ < ∆H₂ бўлса, унда берилган ҳолатда моддаларни бемалол ажратиш мумкин, бунда 1-компонент 2-компонентга нисбатан конденсаторнинг совуқроқ қисмида чўка бошлайди.
Ҳар қандай моновариантли буғланиш жараёни учун конденсирланган фазаларнинг сонидан қатъий назар, lgP = f(1/T) боғлиқлик ҳарорат ва босимнинг унча кенг бўлмаган соҳасида тўғри чизиқни ҳосил қилади. Шундай қилиб, ажратиладиган компонентларнинг буғ босимини аниқлаган ҳолда, дистиллашнинг сумлибасион методи ёрдамида аралашмани ажратиш имкониятлари ҳақида хулоса чиқариш мумкин.
Суюқлик–буғ мувозанатига асосланган дистиллаш методларини кўриб чиқишдан олдин шуни таъкидлаш жоизки, бундай методларда суюқлик ва унинг сиртидан буғланадиган буғнинг таркибларидаги фарқлардан фойдаланилади. Миқдорий жиҳатдан бундай фарқ нисбий учувчанлик катталиги билан характерланиши мумкин. Бу катталик берилган шароитда ажралиш коэффисиенти β га мос келади. Суюқлик–буғ системаси учун қуйидаги ифода ўринлидир:

бунда ва – тегишлича суюқ ва буғ фазалардаги қўшимчаларнинг мо-ляр улушлари.
Ажралиш коэффициенти β катталиги бир каррали ажратиш жараёнининг муҳим характерисикаси ҳисобланади. Агар β = 1 бўлса, унда аралашманинг ажралиши содир бўлмайди, чунки иккала фазанинг таркиби бир хил бўлади, β 1 дан қанча кўп фарқ қилса, ажралиш шунча самарали ўтади. Ажралиш коэффициенти ҳарорат, ажратиладиган аралашма таркиби ва компонентлар табиатига боғлиқ бўлади. Тозалашнинг ҳар бир аниқ ҳолати учун қўлланиладиган методнинг самарадорлигини баҳолашда, қулай схема ва жараён режимини танлашда ажралиш коэффистенти қийматларини билиш зарур.
Одатда эритмаларни дистиллаш турлари 3 га бўлинади: оддий ҳайдаш, ректификация ва молекуляр дистиллаш.