Wat is Reflux?
Veel organische chemische reacties duren erg lang, en om deze reacties te versnellen, wordt warmte toegepast. Organische verbindingen zijn vaak vluchtig met een hoge dampspanning en een laag kookpunt. Wanneer zij tot op zekere hoogte worden verwarmd, worden zij ontvlambaar en ontstaan er explosies. De toepassing van warmte moet dus op een specifieke manier gebeuren om het probleem van het verdampen van te veel oplosmiddel en het uitdrogen van het reactievat te ondervangen.
Reflux houdt in dat de chemische reactie gedurende een bepaalde tijd wordt verhit, terwijl de geproduceerde damp met behulp van een condensor voortdurend wordt afgekoeld tot vloeibare vorm. De dampen die boven de reactie ontstaan, worden voortdurend gecondenseerd en komen als condensaat terug in de kolf. Op deze wijze wordt gewaarborgd dat de temperatuur van de reactie constant blijft.
De reactanten voor reflux-experimenten kunnen vast en vloeibaar zijn, of beide vloeistoffen. De temperatuur waarbij de reactie wordt verwarmd hangt af van de kookpunten van de oplosmiddelen en ook van de refluxring (zie hieronder).
Als de reactanten die aan de rondbodemkolf worden toegevoegd niet te viskeus zijn, kan een magnetische roerstaaf worden gebruikt om hevig stoten van de kokende vloeistof te voorkomen en voor gelijkmatige verwarming te zorgen. Zoals aangegeven in figuur 2 moet bij gebruik van een magneetroerstaaf een verwarmingsplaat worden gebruikt in plaats van een verwarmingsmantel, omdat deze een magneetroerder bevat waarmee de staaf automatisch kan worden rondgedraaid terwijl de reflux plaatsvindt
De condensor is altijd volledig gevuld met water om een efficiënte koeling te waarborgen. De dampen, die uit het vloeibare reactiemengsel vrijkomen, veranderen door warmteverlies van gasfase terug naar vloeistoffase. Hierdoor valt het vloeibare mengsel terug in de rondbodemkolf.
Tijdens de reactie stroomt een deel van het oplosmiddel door de condensorbuis omhoog voordat het weer condenseert in de kolf. Boven dit punt ziet de binnenmantel van de condensor er droog uit. Beneden dit punt stroomt het oplosmiddel terug in de erlenmeyer. De grens tussen deze twee gedeelten is de refluxring. De temperatuur van de reactie moet zo worden ingesteld dat de refluxring zich slechts op een derde tot de helft van de condensor bevindt.
Om te weten of het kookpunt is bereikt, worden in de vloeistof dampbellen gevormd. Als de verwarmingssnelheid wordt opgevoerd, verandert de temperatuur van de reagentia niet, maar de snelheid waarmee de kokende vloeistof overgaat in dampvorm neemt toe. Deze toename wordt veroorzaakt door de verhoogde toevoer van energie die meer vloeistofmoleculen in staat stelt hun intermoleculaire interacties te overwinnen en in de gasfase over te gaan.
Wanneer een mengsel van twee of meer vluchtige verbindingen wordt verwarmd, is de totale dampspanning (PT) van het mengsel gelijk aan de som van de dampspanningen van verbinding 1 en 2 (P1 en P2) in het mengsel. De grootte van de dampspanning die door elke verbinding wordt uitgeoefend, wordt bepaald door de dampspanning van die verbinding (P0) en de molfracties van zowel verbinding 1 als verbinding 2 die in het mengsel aanwezig zijn (X1 en X2).
Voor een ideale twee-verbindingen-oplossing wordt de dampspanning van de oplossing uitgedrukt door de Wet van Raoult, weergegeven in onderstaande vergelijking:
PT = X1P10 + X2P20
Verschillend naar gelang het mengsel, kookt de temperatuur variabel. Homogene mengsels koken bij een temperatuur tussen de kookpunten van de zuivere verbindingen, maar de precieze waarde hangt af van de hoeveelheid (massa of volume) van elk van de verbindingen.
Bij het koken van een vloeibaar mengsel bijvoorbeeld zal een damp ontstaan die een groter percentage van de vluchtiger verbinding zal bevatten. In een mengsel van cyclohexaan en tolueen is cyclohexaan vluchtiger en een vloeistof die voor 50% uit cyclohexaan en voor 50% uit tolueen bestaat, kookt bij 90°C en geeft een damp die voor 70% uit cyclohexaan en voor 30% uit tolueen bestaat.
Wanneer het gaat om het scheiden van verbindingen, is een veelgebruikte methode in de organische chemie destillatie, waarbij verbindingen worden gescheiden op basis van het verschil in kookpunt.
In meer geavanceerde experimenten kunnen reflux en destillatie tegelijkertijd worden uitgevoerd. Terwijl een reactie refluxt, kan bijvoorbeeld een microdistillatie worden uitgevoerd met behulp van gespecialiseerde apparatuur. Micro-schaal distillatie is om de distillatieweg te verkorten om de kans op materiaalverlies in het proces te verminderen.
 |
 |
Tenote: De dampen van de verhitte vloeistof stijgen op en koelen af om te condenseren op de binnenwanden van de Hickman-kop of op de wanden van de condensor.
De vloeistof die naar beneden stroomt, verzamelt zich in de ronde put op de bodem van de distilleerkolf.
1.De conische flacon moet stevig worden bevestigd aan de Hickman distillatiekop en de luchtcondensor met behulp van de compressiekap en de metalen klem. Alle stukken moeten een geslepen glasverbinding hebben en goed op elkaar passen, zodat er geen grote lekken ontstaan.
2.De spinvaan moet in het conische flesje worden geplaatst en naar beneden zijn gericht. Het platte septum en de kleine compressiekap worden gebruikt om de zijpoort van de Hickman kop af te sluiten. De gehele opstelling wordt in het daarvoor bestemde gat in het Al-blok of zandbad geplaatst en op de verwarmingsplaat gecentreerd voordat met roeren wordt begonnen (anders zal de spinvaan omklappen en verkeerd draaien).
3.De Hickman kop en de luchtcondensor moeten worden gekoeld met een nat papieren handdoekje. De warmtebron moet zo worden ingesteld dat de verbinding van belang langzaam overdestilleert.
In de bovenstaande opstelling fungeert de Hickman-distillatiekop zowel als luchtcondensor en als condensaatopvangvat voor enkelvoudige of gefractioneerde destillaties. De Hickman-kop kan worden onderverdeeld in twee typen: gepoort en ongeporteerd.
Het is gemakkelijker fracties op te vangen met de gepoorte Hickman-kop. Daartoe moet de poort worden geopend om de vloeistof in de put te verwijderen met een Pasteur-pipet (zie ‘C’ in figuur 3).
Voor de ongepoorteerde Hickman-kop wordt de Pasteur-pipet gebruikt om de vloeistof uit de top te zuigen. (zie ‘A’).
Als een condensor of een inwendige thermometer wordt gebruikt, moet het distilleerapparaat daarvoor gedeeltelijk worden gedemonteerd. Bij sommige distilleertoestellen is de binnendiameter van de kop zo klein dat het moeilijk is om er met de pipet schuin in te reiken en contact te maken met de vloeistof. Om dit probleem op te lossen, moet de punt van de pipet lichtjes worden gebogen in een vlam.
Als de vloeistof eenmaal is verwijderd, wordt deze overgebracht in een klein flesje en afgesloten met een teflondop.Als er meer dan één vluchtige verbinding in het flesje zit, moet worden begonnen met een laag vuur om de laagst kokende verbinding eerst te destilleren. Op deze manier kunnen verbindingen met een verschil in kookpunt van ten minste 50 oC relatief schoon worden gescheiden.
Tot slot nog een paar woorden van advies:
1. De conische flacon mag niet meer dan voor de helft gevuld zijn, zodat er voldoende ruimte overblijft voor de vloeistof om te koken. Anders zal de oplossing eruit lopen of overlopen wanneer het begint te koken.
2. Een goede afdichting tussen de verbindingen minimaliseert het verlies van de doelverbinding tijdens de destillatie. Het voorkomt ook het druppelen van een verbinding op de kookplaat, en een mogelijk brandongeval.