ERİME VE KAYNAMA NOKTASI TAYİNİ DENEYİ

Transkript

1 1 1 ERİME VE KAYNAMA NOKTASI TAYİNİ DENEYİ TEORİK BİLGİ: Organik kimyada, bileşikleri tanımak için bazı fiziksel özelliklerin bilinmesi gerekir. Bu bilgiler o maddenin saflığı hakkında da bilgi verir. En çok kullanılan fiziksel sabitler, erime noktası, kaynama noktası ve kırılma indisidir. Katı maddelerin tanınmasında erime noktalarının belirlenmesi çoğu zaman gerekir. Bir maddenin erime noktası, atmosfer basıncında sıvı ve katı fazlarının dengede olduğu sıcaklık olarak tanımlanır. Saf bir katının erime noktası genellikle keskindir ve basınçtaki değişimlerden pek fazla etkilenmez. Bu nedenle erime noktası, katılarının tanınmasında kullanılabilecek uygun bir sabittir. Bunun yanı sıra safsızlık içeren katıların erime noktası keskin değildir ve saf haldeki erime noktasından daha düşüktür. Bu da bize o maddenin saflığı hakkında önemli bilgiler verir. Bir organik kristal katıda moleküller düzenli bir şekilde dizilmişlerdir. Kristaller ısıtıldığında moleküllerin kinetik enerjisi artar ve daha büyük frekansta titreşirler. Sonuçta belli bir sıcaklıkta, molekülleri bir arada tutan kuvvetler yenilir ve kristal yapı bozulur, yani katı erir. Kristallerin eridiği bu sıcaklık o katı için karakteristiktir. Ancak erime noktası bir bileşiği tanımada tek başına yeterli değildir, çünkü aynı erime noktasına sahip birden çok madde bulunabilir. Kristal içerisine yabancı bir madde girdiğinde düzenli istiflenmeyi bozar ve kristal örgüsünü zayıflatır. Bu nedenle saf olmayan bileşiğin erime noktası her zaman saf bileşiğin erime noktasından daha düşüktür. Aynı zamanda kesin bir erime noktasına yerine bir erime sıcaklığı aralığı gözlenir. Safsızlık arttıkça erime noktası düşer ve aralık genişler. Bir sıvının buhar basıncının dış basınca eşit olduğu sıcaklığa o sıvının kaynama noktası adı verilir. Bir sıvının kaynama noktası dış basınca bağlıdır. Dış basınç düşürülürse kaynama noktası da düşer. Genellikle kaynama noktasını gösterirken basınç da belirtilmelidir. Ayrıca bir bileşiğin kaynama noktası bileşiğin molekül ağırlığına ve moleküller arası çekim kuvvetlerine de bağlıdır. Kaynama noktasında olan saf bir sıvıya daha fazla ısı verilirse sıvının sıcaklığı artmaz, ancak verilen ısı sıvının buhar haline dönüşmesini sağlar ve sıcaklık sıvının tamamen buhar halinde uzaklaşmasına kadar sabit kalır. Kaynama noktası sıvıların saflık kontrolü için kullanılabilen karakteristik bir fiziksel özelliktir. DAMITMA Sıvıların ısı yardımı ile buhar haline dönüşmesi ve buharın da tekrar yoğunlaşarak sıvı haline dönüştürülmesine damıtma denir. Damıtma, sıvıların saflaştırılması için kullanılan en önemli yöntemlerden biridir. Bu şekilde, uçuculukları farklı olan sıvıların oluşturduğu karışımlar ya da uçucu olmayan bileşenlerden ayırmak mümkündür. 1. Basit Damıtma Basit damıtma (normal damıtma) yöntemi; Saf sıvının kaynama noktasının belirlenmesinde, Kaynama sıcaklığına yakın sıcaklıklarda bozunmayan maddelerin ayrılmasında, Kaynama noktaları arasında en az 80 C fark olan iki bileşenli karışımların ayrılmasında, Katı bir bileşiğin sıvı bir madde içinde çözünmüş olduğu karışımların ayrılmasında kullanılır.

2 2 2. Ayrımsal (Fraksiyonlu) Damıtma Basit damıtma düzeneğindeki damıtma başlığı ile balon arasına ayrımsal damıtma başlığı (kolonu) veya fraksiyon başlığı (kolonu) yerleştirilerek ayrımsal (fraksiyonlu) damıtma düzeneği hazırlanmış olur.

3 3 Ayrımsal (fraksiyonlu) damıtma yöntemi; En az iki veya daha fazla bileşenli karışımların, Kaynama sıcaklığına yakın sıcaklıklarda bozunmayan maddelerin, Maddelerin kaynama noktaları arasındaki fark 80 C den az olan sıvı karışımların ayrılmasında sıklıkla uygulanmaktadır. Ayrımsal damıtma kolonunda damıtma süreci aşağıda belirtilen şekilde ilerler. Isıtma sırasında balondan buharlaşan madde kolonda ilerlerken soğuk yüzeye geldiğinde yoğunlaşır. Yoğunlaşan madde sıcaklığın artması ile tekrar buharlaşır ve tekrar soğuk yüzeyde yoğunlaşır. Karışımdaki madde kolonda defalarca buharlaşıp-yoğunlaşarak kaynama noktası en düşük maddece zenginleşir. Kaynama noktası en düşük madde kolonda belli bir yüksekliğe geldiğinde artık saf haldedir. Damıtma başlığına gelen saf madde buharları soğutucuda yoğunlaşır ve toplama kabında biriktirilir. Damıtma sırasında sıcaklık sabit kalır ve ilk bileşen tamamen damıtılıncaya kadar değişmez. Eğer termometrenin sıcaklığı artmaya başlarsa, ilk bileşenin damıtılmasının bittiği anlaşılır. Sıcaklık artışı ikinci bileşen damıtma balonuna gelinceye kadar devam eder. İkinci bileşen damıtma balonuna gelmeye başlayınca sıcaklık sabit kalır. Bu sırada toplama balonu değiştirilerek ikinci bileşenin damıtılması için bir süre beklenir. Bu işlem bileşenlerin tümü ayrılıncaya kadar belirtilen şekilde devam eder. 3. Vakumda Damıtma Vakumda damıtma düzeneğinin, basit damıtma düzeneğinden farkı, toplama balonu ile soğutucu arasına vakum adaptörü takılmasıdır. Vakumda damıtma yöntemi; Kaynama noktası çok yüksek (buhar basıncı çok düşük) olan maddelerin, Kaynama sıcaklığına yakın sıcaklıklarda bozunan maddelerin, Mol kütlesi yüksek olan maddelerin ayrılmasında sıklıkla kullanılır.

4 4 Vakumda damıtma sürecinde, vakum uygulamanın damıtma sürecini nasıl etkilediğini aşağıda belirtildiği şekilde açıklayabiliriz. Kaynama noktasının, saf maddenin buhar basıncının atmosfer basıncına eşit olduğu nokta olduğuna daha önce değinmiştik. Maddenin buhar basıncı çok düşükse, atmosfer basıncına ulaşmak ve maddeyi buharlaştırmak için çok yüksek sıcaklık gerekir. Saf haldeki maddenin kaynama noktasını düşürmek için atmosfer basıncı değiştirilmelidir. Damıtmanın yapıldığı ortamdaki atmosfer basıncı düşürülürse, maddenin buhar basıncı atmosfer basıncına daha kolay ulaşır. Bu durum kaynamanın dolayısıyla buharlaşmanın oldukça düşük sıcaklıklarda gerçekleşmesine neden olur. Bu yöntemde vakum, damıtma balonundaki atmosfer basıncını istenilen seviyeye düşürmek için kullanılmaktadır. Vakum uygulandığında damıtma balonundaki değişen atmosfer basıncı maddenin daha düşük sıcaklıklarda kaynamasını sağlar. 4. Su Buharı Damıtması Düzenek, basit damıtma düzeneğine benzerdir. Su buharı; buhar üreten başka bir damıtma düzeneğinden gelebildiği gibi, saflaştırılacak karışım ile su aynı balona konularak da üretilebilir. Su buharı damıtma yöntemi; Kaynama noktası çok yüksek (buhar basıncı çok düşük) olan suda karışmayan maddelerin, Kaynama sıcaklığına yakın sıcaklıklarda bozunan suda karışmayan maddelerin, Mol kütlesi yüksek olan suda karışmayan maddelerin ayrılmasında sıklıkla uygulanır. Su buharı damıtma sürecinde, su buharının damıtma sürecini nasıl etkilediğini aşağıda gibi açıklayabiliriz. Vakumda damıtma yönteminde olduğu gibi atmosfer basıncı düşürülmez. Su buharı damıtma yönteminde, damıtılacak karışımın buhar basıncı arttırılır. Karışımın buhar basıncının artması karışımın heterojen olması durumunda gerçekleşir. Heterojen karışım su ile oluşturulur.

5 5 Saflaştırılacak maddenin kaynama noktası ne olursa olsun kaynama daima suyun kaynama noktasının (100 C nin) altında gerçekleşir. Damıtmada karışımı oluşturan maddelerin kısmi basıncı, toplam basınca eşit olduğunda kaynama başlar. Heterojen karışımlarda saflaştırılacak bileşenin kısmi basıncı ile suyun buhar basınçları toplamı atmosfer basıncına eşit olduğunda kaynama gerçekleşir. Heterojen karışımlardaki her bir bileşenin (su ve saflaştırılacak madde) ısıtma ile kendi buhar basıncı oranında basıncı artar, heterojen karışımın toplam basıncı atmosfer basıncına eşit olduğunda karışım kaynamaya yani damıtılmaya başlar. Damıtma işlemi, basit damıtma yönteminde belirtildiği gibi uygulanır, fakat damıtılan karışım saf değildir ve su ile karışmış haldedir. Su ile karışmış haldeki bileşen, sıvı-sıvı heterojen karışımların ayrılmasında kullanılan yöntem ile (ayırma hunisi ile) ayrılır. DENEYSEL KISIM ERİME NOKTASI TAYİNİ Katıların erime noktalarını belirlemek için çeşitli yöntemler kullanılabilir. Bu laboratuar kapsamında aşağıda görülen erime noktası ölçüm cihazı kullanılacaktır. KAYNAMA NOKTASI TAYİNİ Kaynama noktası tayini için genellikle basit damıtma işleminde olduğu gibi bir düzenek kurmak yeterlidir ve burada da basit damıtmada bahsedilen önemli noktaları göz önünde tutmak gerekir. Kaynama noktasının bulunması aşağıdaki gibi yapılır. Balon içine kaynama noktası bulunacak sıvı konur. Balonun boynuna termometre rodajlı veya mantar tıpa yardımıyla sıkıca oturtturulur. Balon alttan bir alev ile ısıtılır, verilen ısı ile birlikte termometrenin gösterdiği sıcaklığında gittikçe arttığı kolayca gözlenebilir. Ancak bu sıcaklık artışı, sıvının kaynama noktasına gelindiğinde durur ve bundan sonra sıvı tamamen damıtılıncaya dek termometrede bir sıcaklık artışı olmaz. Ancak damıtma sonuna doğru aşırı ısınmadan ileri gelen 1-2 ºC lik bir artış olabilirse de gözlemci bunu dikkate almayacaktır. Damıtma esnasında termometrede değişmeyen bu sıcaklık o maddenin kaynama noktasını verir. 1) Termometre, haznesi şekildeki gibi yan borunun hizasına gelecek şekilde yerleştirilir.

6 6 2) Cam balon içine muntazam bir kaynama sağlayabilmek için kaynama taşları konur. Kaynama taşı bulunamadığında cam kırıkları da kullanılabilir 3) Isıtma mümkün olduğu kadar yavaş ve muntazam olmalıdır. (Dakikada 2,3 damla düşecek şekilde) 4) Isıtma için bek alevi veya bir su banyosu kullanılabilir. Bunzen beki kullanırken amyant da kullanmaya dikkat edilmelidir. Laboratuarda en uygun ısıtma banyolarından biri hava banyosudur. Hava banyosu kullanıldığında amyant tel kullanılmayabilir. Kaynama sıcaklığına göre su banyosu veya yağ banyosu da seçilebilir. 5) Damıtılacak sıvı balona, balon hacminin yaklaşık 2/3 ü kadar konur.. 6) Soğutucunun su girişi alttan, çıkışı üstten olmalıdır. 7) ºC den yüksek kaynayan bir sıvının damıtılmasında soğutucudan su geçirmeye gerek yoktur, düz bir soğutucu kullanılabilir. 8) Kolay nem kapan sıvıların damıtılmasında toplama kabına kalsiyum klorür lü kurutma borusu takılır. NOT: Yukarıda bahsedilen konuların farklı kaynaklardan araştırılmasında fayda vardır. Bunların yanı sıra, Su ve diğer maddelerin üçlü faz diyagramları (Sıcaklık-Basınç diyagramları) Katı ve sıvılarda moleküller arasında görülen fiziksel etkileşimler, Farklı maddelerin erime ve kaynama noktaların kıyaslanması konuları da araştırılmalıdır.