ディーン・スターク装置

マーカソン装置、ディーン・スターク装置、ディーン・スターク受器、蒸留トラップ、またはディーン・スタークヘッドは、合成化学において反応器から水^{[1] [2]} (または場合によっては他の液体)を集めるために使用される実験用ガラス器具である。これは、還流冷却器および蒸留フラスコと組み合わせて使用​​され、液体から水を分離する。これは、エステル化反応などの還流温度で行われる化学反応中に生成される水を連続的に除去するものである場合がある。ジュリアス・マーカソンによる最初の装置 (1905 年に発明) は、1920 年にアメリカの化学者アーネスト・ウッドワード・ディーン (1888–1959) とデビッド・デューイ・スターク (1893–1979) によって石油中の水分含有量の測定のために改良された。^{[3] [4]}

ディーン・スタークトラップには 2 種類あります。1 つは水よりも密度が低い溶媒用、もう 1 つは水よりも 密度が高い溶媒用です。

ディーン・スターク装置は、通常、垂直の円筒形のガラス管で構成され、その全長にわたって容量目盛りが付いており、下端には精密コックが付いており、ビュレットによく似ています。微量の水を除去または測定するように設計されたトラップは、蛇口なしで閉じられる場合があります。還流コンデンサーの下端は、シリンダーの上部に収まります。コンデンサーとシリンダーのジョイントのすぐ下には、シリンダーを反応フラスコに接続する傾斜したサイドアームがあります。サイドアームの下端は下向きに急激に曲がっており、サイドアームは垂直のチューブによって反応フラスコに接続されています。

反応フラスコは加熱されます。 フラスコ内の沸騰チップは、反応溶媒と除去する成分を含む蒸気の泡を静かに形成するのに役立ちます。この蒸気は反応フラスコからコンデンサーまで移動し、そこで循環している水によって冷却され、蒸留トラップに滴り落ちます。ここで、混ざらない液体は層に分離します (下が水、上が溶媒)。それらの合計容量がサイドアームのレベルに達すると、上部の密度の低い層がリアクターに逆流し始め、水層はトラップ内に残ります。トラップ内の水位がサイドアームのレベルに達すると、トラップは最終的に容量に達します。この時点で、トラップから受液フラスコに水を排出する必要があります。蒸発、凝縮、収集のプロセスは、それ以上の水が生成されなくなるまで継続できます。

より稀なのは、水よりも密度が高い溶媒用のモデルです。このタイプでは、収集容器の底にチューブがあり、底にある有機溶媒を反応容器に戻すことができます。反応中に生成された水は、有機相の上に浮かびます。水を除去するには、容器全体を排水する必要があり、有機層を分離してシステムに戻すことができます。

この装置は通常、共沸蒸留に使用されます。一般的な例は、沸騰トルエンの反応中に生成された水の除去です。トルエンと水の共沸混合物が反応から蒸留されますが、トラップに集まる 水 (密度 0.998 g/ml) の上に浮くため 、トルエン (密度 0.865 g/ml) のみが戻ります。水と共沸する一部の高沸点液体は、トルエンまたは他の共沸混合物破壊溶媒を加えて水を抽出することにより乾燥できます。ディーン・スターク法は、食品業界でパンなどの水分含有量を測定するために一般的に使用されます。

この装置は、単に水を除去する以外にも使用できます。一例として、硫酸触媒による酢酸によるブタノールのエステル化があります。還流温度での蒸気にはエステル63%、水29%、アルコール8%が含まれ、トラップ内の有機層にはエステル86%、アルコール11%、再導入された水3%が含まれます。水層の純度は97%です。^[5]

もう 1 つの例は、安息香酸とn-ブタノールのエステル化です。この反応では、エステル生成物が捕捉され、水と混ざらないブタノールが反応器に戻ります。これらのエステル化の過程で水を除去すると、ルシャトリエの原理に従って、化学平衡がエステル形成に有利な方向にシフトします。