Was ist Rückfluss?
Viele organisch-chemische Reaktionen brauchen sehr lange, um abgeschlossen zu werden, und um diese Reaktionen zu beschleunigen, wird Wärme angewendet. Organische Verbindungen sind oft flüchtig mit hohen Dampfdrücken und niedrigen Siedepunkten. Wenn sie bis zu einem gewissen Grad erhitzt werden, werden sie brennbar und führen zu Explosionen. Daher muss die Wärmezufuhr auf eine bestimmte Art und Weise erfolgen, um das Problem des Verdampfens von zu viel Lösungsmittel und des Austrocknens des Reaktionsgefäßes zu umgehen.
Beim Rückfluss wird die chemische Reaktion für eine bestimmte Zeit erhitzt, während der entstehende Dampf mit Hilfe eines Kondensators kontinuierlich in die flüssige Form zurückgekühlt wird. Die über der Reaktion entstehenden Dämpfe werden kontinuierlich kondensiert und kehren als Kondensat in den Kolben zurück. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die Temperatur der Reaktion konstant bleibt.
Die Reaktanten für Rückflussexperimente können fest und flüssig oder beides sein. Die Temperatur, bei der die Reaktion aufgeheizt wird, hängt von den Siedepunkten der Lösungsmittel und auch vom Rückflussring ab (siehe unten).
Wenn die in den Rundkolben gegebenen Reaktanten nicht zu zähflüssig sind, kann ein Magnetrührer eingesetzt werden, um ein heftiges Anstoßen der siedenden Flüssigkeit zu verhindern und eine gleichmäßige Aufheizung zu gewährleisten. Wie in Abbildung 2 gezeigt, sollte bei Verwendung eines Magnetrührstabs eine Heizplatte anstelle eines Heizmantels verwendet werden, da diese einen Magnetrührer enthält, der es ermöglicht, den Stab während des Rückflusses automatisch zu drehen
Der Kühler ist immer vollständig mit Wasser gefüllt, um eine effiziente Kühlung zu gewährleisten. Die Dämpfe, die aus dem flüssigen Reaktionsgemisch austreten, wechseln durch Wärmeverluste von der Gasphase zurück in die flüssige Phase. Dadurch fällt das flüssige Gemisch zurück in den Rundkolben.
Während der Reaktion wandert ein Teil des Lösungsmittels das Kondensatorrohr hinauf und kondensiert dann zurück in den Kolben. Oberhalb dieses Punktes erscheint der Innenmantel des Kondensators trocken. Unterhalb dieses Punktes fließt das Lösungsmittel zurück in den Kolben. Die Grenze zwischen diesen beiden Bereichen ist der Rückflussring. Die Temperatur der Reaktion muss so eingestellt werden, dass sich der Rückflussring nur zu einem Drittel bis zur Hälfte im Kühler befinden sollte.
Dass der Siedepunkt erreicht ist, erkennt man daran, dass sich in der Flüssigkeit Dampfblasen bilden. Wird die Heizrate erhöht, ändert sich die Temperatur der Reaktanden nicht, aber die Geschwindigkeit, mit der die siedende Flüssigkeit in den Dampfzustand übergeht, nimmt zu. Dieser Anstieg wird durch die erhöhte Energiezufuhr verursacht, die es mehr Flüssigkeitsmolekülen ermöglicht, ihre intermolekularen Wechselwirkungen zu überwinden und in die Gasphase überzugehen.
Wenn ein Gemisch aus zwei oder mehr flüchtigen Verbindungen erhitzt wird, ist der Gesamtdampfdruck (PT) des Gemisches gleich der Summe der Dampfdrücke von Verbindung 1 und 2 (P1 und P2) im Gemisch. Die Größe des Dampfdrucks, der von jeder Verbindung ausgeübt wird, wird durch den Dampfdruck dieser Verbindung (P0) und die Molanteile der beiden im Gemisch vorhandenen Verbindungen 1 und 2 (X1 und X2) bestimmt.
Für eine ideale Zweistofflösung wird der Dampfdruck der Lösung durch das Raoultsche Gesetz ausgedrückt, das in der folgenden Gleichung dargestellt ist:
PT = X1P10 + X2P20
Abhängig von der Mischung ist die Siedetemperatur unterschiedlich. Homogene Gemische sieden bei einer Temperatur zwischen den Siedepunkten der reinen Verbindungen, der genaue Wert hängt jedoch von der Menge (Masse oder Volumen) der einzelnen Verbindungen ab.
Beim Sieden einer flüssigen Mischung entsteht beispielsweise ein Dampf, der einen größeren Anteil der flüchtigeren Verbindung enthält. In einem Gemisch aus Cyclohexan und Toluol ist Cyclohexan flüchtiger und eine Flüssigkeit, die zu 50 Prozent aus Cyclohexan und zu 50 Prozent aus Toluol besteht, würde bei 90 °C sieden und einen Dampf ergeben, der zu 70 Prozent aus Cyclohexan und zu 30 Prozent aus Toluol besteht.
Wenn es darum geht, Verbindungen zu trennen, ist eine gängige Methode, die in der organischen Chemie verwendet wird, die Destillation, die Verbindungen aufgrund der unterschiedlichen Siedepunkte trennt.
In anspruchsvolleren Experimenten können Rückfluss und Destillation gleichzeitig durchgeführt werden. Während eine Reaktion refluxiert, kann zum Beispiel mit speziellen Geräten eine Destillation im Mikrobereich durchgeführt werden. Die mikroskalige Destillation dient dazu, den Destillationsweg zu verkürzen, um die Wahrscheinlichkeit von Materialverlusten während des Prozesses zu verringern.
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Sidenote: Die Dämpfe der erhitzten Flüssigkeit steigen nach oben und kühlen ab, um entweder an den Innenwänden des Hickman-Kopfes oder an den Wänden des Kondensators zu kondensieren.
Die Flüssigkeit, die nach unten abläuft, sammelt sich im runden Schacht am Boden des Destillierapparates.
1.Das konische Fläschchen sollte mit der Kompressionskappe und der Metallklammer sicher am Hickman-Destillationskopf und dem Luftkondensator befestigt werden. Alle Teile sollten eine Glasschliffverbindung haben und gut zusammenpassen, so dass keine größeren Undichtigkeiten auftreten.
2.Der Drehflügel sollte in das konische Gefäß eingesetzt werden und nach unten zeigen. Das flache Septum und die kleine Kompressionskappe werden zum Verschließen der seitlichen Öffnung des Hickman-Kopfes verwendet. Der gesamte Aufbau wird in das entsprechende Loch im Al-Block oder Sandbad gesetzt und auf der Heizplatte zentriert, bevor mit dem Rühren begonnen wird (andernfalls kippt der Drehflügel um und dreht sich unsachgemäß).
3.Der Hickman-Kopf und der Luftkondensator müssen mit einem feuchten Papiertuch gekühlt werden. Die Wärmequelle sollte so eingestellt werden, dass die interessierende Verbindung langsam überdestilliert.
In der obigen Anordnung dient der Hickman-Destillationskopf sowohl als Luftkondensator als auch als Kondensatsammelgefäß für einfache oder fraktionierte Destillationen. Der Hickman-Kopf kann in zwei Typen unterschieden werden: mit und ohne Portierung.
Mit dem portierten Hickman-Kopf ist es einfacher, Fraktionen zu sammeln. Dazu wird der Port geöffnet, um die Flüssigkeit in der Vertiefung mit einer Pasteurpipette zu entfernen (siehe ‚C‘ in Abbildung 3).
Beim unportierten Hickman-Kopf wird die Pasteurpipette verwendet, um die Flüssigkeit von oben herauszuziehen. (siehe ‚A‘).
Wenn ein Kühler oder ein internes Thermometer verwendet wird, muss die Destillationsapparatur dafür teilweise zerlegt werden. Bei einigen Destillierapparaten ist der Innendurchmesser des Kopfes so klein, dass es schwierig ist, mit der Pipette schräg hineinzugreifen und Kontakt mit der Flüssigkeit herzustellen. Um dieses Problem zu lösen, sollte die Spitze der Pipette in einer Flamme leicht gebogen werden.
Nach der Entnahme wird die Flüssigkeit in ein kleines Fläschchen umgefüllt und mit einer teflondichten Kappe verschlossen.
Wenn sich mehr als eine flüchtige Verbindung im Fläschchen befindet, ist es notwendig, mit geringer Hitze zu beginnen, um die niedriger siedende Verbindung zuerst zu destillieren. Auf diese Weise können Verbindungen mit einem Siedepunktunterschied von mindestens 50 oC relativ sauber getrennt werden.
Zum Schluss noch ein paar Ratschläge:
1. Die konische Küvette sollte nicht mehr als zur Hälfte gefüllt sein, damit genügend Platz für die siedende Flüssigkeit bleibt. Andernfalls schwappt die Lösung heraus oder über, wenn sie zu kochen beginnt.
2. Eine gute Abdichtung zwischen den Fugen minimiert den Verlust der Zielverbindung während der Destillation. Sie verhindert auch das Abtropfen einer Verbindung auf die Heizplatte und einen möglichen Brandunfall.