前回まで
1. 設定温度と系内の実温度のお話
2. 温度値をどう判断するか
3. 反応操作をしなくても、化合物は変化する
4. わざと失敗する実験
5. 水分はどこにあるのか
蒸留操作で水はどう動くか
前記事で書いた水に関して少し踏み込んで話します。
多くの反応では水は除くべき対象であり、その脱水操作はさまざまな種類があります。
例えば
- 硫酸マグネシウムなどを水和させて吸水する
- モレキュラーシーブスなどで水を吸着させる
- 蒸留により水を系外に排出する
です。
なかでも蒸留による脱水は蒸留装置があれば、何回でもでき、脱水剤を不要とする場合も多いため、工業的にも一般的に行われる手法です。
蒸留操作での脱水は例として
- 脱水剤(NaやCaH2)で水を不可逆的に捕捉し、留出側で脱水溶剤を取得する方法
メリット ：不可逆的で、理論的には完全な無水状態まで水除去が可能
デメリット：発火リスクがある - 蒸留の分離能を上げて留出側で脱水溶剤を取得する方法
メリット ：脱水剤が不要のため、廃棄物が少ない
デメリット：溶剤の沸点が水よりも低く、水との共沸点を持たない溶剤のみ有効 - 共沸現象を応用し、共沸成分と水を留去し釜側で脱水溶剤を取得する方法
メリット ：工業化もしやすい簡便さ
デメリット：溶剤自身の沸点よりも低い水との共沸点をもつ溶剤のみ有効
があり、一言に蒸留脱水と言っても水を除去する場所が異なります。
釜に残すか、留分に抜き出すか、試薬と反応させるか。
水と溶媒の関係性で適切な操作が変わります。
蒸留は系内視点では水を除去していますが、系外も含めると水の居場所を変えている、
いわば水を系内外に再分配している操作と捉えることができます。
蒸留で「乾いた」と言えるか
除去工程以上に、除去できたかが重要で、それは測定しなければ分かりません。
前記事「水分が把握できず推論になる例」で話した蒸留は以下のような状況でした。
①現象
長時間蒸留すると反応収率が上がった。
②前提
留分が系外に抜ける一般的な蒸留においては蒸留時間だけを長くするという動作はできない。
全還流状態を長くしたり、還流比を増やしたり、上昇蒸気量を減らすために熱源温度を下げたりすることで始めて蒸留時間が長くなる。
③今回のケース
装置が特殊な蒸留になります。
以下の図の様に
- 留分受器の容量を超えると液が釜へ戻り続ける（エバポレーターのトラップのような器具）
- 充填材なしの単蒸留
- 断熱なしの空冷
図１ オーバーフロー型の溶媒精製蒸留装置
④推測
本装置において以下の状態と考えられます。
- 留分が蒸留時間を長くする
=全還流状態を長時間保持すること。 - 単蒸留では理論段数がほぼない
＝還流比を上げても分離性能の向上は限定的。 - 蒸留塔が断熱されず空冷
＝塔内の壁部ではガスが凝縮し液滴が生じていた。壁で凝縮気化を繰り返し若干の理論段数（分離能力）が発生したと推測。
この条件下では分離能がある状態で全還流状態になったため、限りなく分離性能の高い蒸留操作になったと考えられます。
その上で水との共沸する成分でなかったため、初留分に当たる受器には水分がほとんどなかったと推測しています。
⑤問題点
肝心の水分測っていないので、△△wt%から〇〇ppmに減少したのかは不明であり、
この推測は定量的な裏付けを持たないままとなります。
まとめ
蒸留は系内水を除去できる操作ですが、
系外も視野に入れると蒸留は“水を再分配する操作”と言えます。
以下のポイントが脱水能力に影響します。
- 水が留出するか（共沸 or 沸点差）
- 分離能（理論段数）
- 還流状態
しかし、どこまで除去できたかは操作条件と装置に依存します。
そして何より、測定しなければ、どれほど脱水できたかは分かりません。
蒸留によって「乾いた」と判断するためには、操作ではなく、測定による裏付けが不可欠です。
