Τι είναι ένα αζεότροπο; Ορισμός και Παραδείγματα

Ένααζεότροπο είναι ένα μείγμα δύο ή περισσότερων υγρών με σταθερό σημείο βρασμού. Η σύνθεση ατμού και η υγρή σύνθεση είναι πανομοιότυπες, επομένως τα συστατικά του μείγματος δεν μπορούν να διαχωριστούν με απλή απόσταξη. Οι αναλογίες του μείγματος που σχηματίζουν ένα αζεοτροπικό ονομάζονται αζεοτροπική σύνθεση . Η θερμοκρασία που βράζει το υγρό (σε μια δεδομένη πίεση) είναι η αζεοτροπική θερμοκρασία . Η αζεοτροπική θερμοκρασία μπορεί να είναι είτε υψηλότερη είτε χαμηλότερη από τα σημεία βρασμού των συστατικών του μείγματος.

Οι χημικοί John Wade και Richard William Merriman επινόησαν τη λέξη «αζεότροπο» σε ένα έγγραφο του 1911 που περιγράφει τη συμπεριφορά των μιγμάτων αιθανόλης και νερού. Ο όρος προέρχεται από τα ελληνικά έργα για «βράζω» και «γυρίζω», με το πρόθεμα α- (όχι), που σημαίνει «καμία αλλαγή από το βράσιμο». Αντίθετα, έναζεότροπο είναι ένα μείγμα υγρών που έχουν διαφορετικά σημεία βρασμού και μπορούν να διαχωριστούν με απόσταξη.

Ένα αζεότροπο είναι ένα μείγμα που βράζει σε σταθερή θερμοκρασία και έχει την ίδια σύσταση στη φάση του υγρού και του ατμού.

Τύποι Αζεοτρόπων

Τα αζεότροπα ταξινομούνται ανάλογα με τον αριθμό των συστατικών, είτε είναι ομοιογενή είτε ετερογενή και εάν το σημείο βρασμού τους είναι υψηλότερο ή χαμηλότερο από αυτό των συστατικών.

• Δυαδικά και Τριαδικά Αζεότροπα :Ένα δυαδικό αζεότροπο είναι ένα αζεότροπο που αποτελείται από δύο συστατικά. Ένα τριμερές αζεότροπο αποτελείται από τρία στοιχεία. Υπάρχουν επίσης αζεότροπα που αποτελούνται από περισσότερα από τρία συστατικά.
• Ομογενή και Ετερογενή Αζεότροπα :Ένα ομογενές αζεότροπο αποτελείται από αναμίξιμα υγρά. Η αιθανόλη και το νερό σχηματίζουν ένα ομοιογενές αζεότροπο. Ένα ετερογενές αζεότροπο αποτελείται από μη αναμίξιμα υγρά που χωρίζονται σε δύο φάσεις. Το χλωροφόρμιο και το νερό σχηματίζουν ένα ετερογενές αζεοτροπικό μείγμα. Το ανώτερο στρώμα είναι κυρίως νερό με μικρή ποσότητα διαλυμένου χλωροφορμίου, ενώ το κάτω στρώμα είναι κυρίως χλωροφόρμιο με μικρή ποσότητα διαλυμένου νερού. Όταν τα δύο στρώματα βράσουν μαζί, ο ατμός που προκύπτει αποτελείται από 97% χλωροφόρμιο και 3% νερό, ανεξάρτητα από την αναλογία υγρών.
• Θετικά και αρνητικά αζεότροπα :Ένα θετικό αζεότροπο ή αζεοτρόπιο ελάχιστου σημείου βρασμού έχει χαμηλότερο σημείο βρασμού από τα συστατικά του. Για παράδειγμα, ένα ζεοτροπικό μείγμα αιθανόλης και νερού (περίπου 96% αιθανόλη και 4% νερό) βράζει στους 78,174 °C, ενώ η καθαρή αιθανόλη βράζει στους 78,3 °C και το καθαρό νερό βράζει στους 100 °C. Ένα αρνητικό αζεότροπο ή αζεότροπο μέγιστου σημείου βρασμού έχει υψηλότερο σημείο βρασμού από τα συστατικά του. Το υδροχλώριο και το νερό σχηματίζουν αρνητικό αζεότροπο. Το αζεοτροπικό μείγμα βράζει στους 110 °C, ενώ το νερό στους 100 °C και το HCl βράζει στους -85 °C.

Γιατί δεν μπορείτε να αποστάξετε 100% αιθανόλη

Για παράδειγμα, δεν μπορείτε να αποστάξετε ένα μείγμα αιθανόλης (αλκοόλης κόκκων) και νερού για να πάρετε καθαρό οινόπνευμα επειδή οι δύο ενώσεις σχηματίζουν ένα αζεοτροπικό μείγμα. Το καλύτερο που μπορείτε να πάρετε είναι περίπου 95,6% αιθανόλη.

Ας υποθέσουμε ότι ξεκινάτε με ένα μείγμα που περιέχει λίγο αλκοόλ στο νερό. Εάν το αποστάξετε, συλλέξετε τον ατμό και το συμπυκνώσετε ως υγρό, θα έχετε ένα μείγμα εμπλουτισμένο σε αλκοόλ. Μπορείτε να επαναλάβετε τη διαδικασία μέχρι να φτάσετε σε ένα μείγμα που αποτελείται από 95,6% αιθανόλη και 0,4% νερό. Στη συνέχεια, χτυπάτε έναν τοίχο επειδή ο ατμός του αζεοτροπικού είναι πανομοιότυπος με τη υγρή του σύνθεση. Ουσιαστικά, ένα αζεοτροπικό μείγμα βράζει σαν να είναι καθαρό υγρό.

Χρήσεις αζεοτρόπων

Μια χρήση των αζεοτρόπων είναι ο ευκολότερος διαχωρισμός των ζεοτροπικών μιγμάτων. Για παράδειγμα, το οξικό οξύ και το νερό σχηματίζουν ένα ζεοτροπικό μείγμα. Όμως, το οξικό οξύ έχει σημείο βρασμού (118,1 °C) πολύ κοντά σε αυτό του νερού για αποτελεσματική απόσταξη. Η προσθήκη οξικού αιθυλεστέρα σχηματίζει ένα αζεότροπο με νερό με αζεοτροπικό σημείο βρασμού 70,4 °C. Ο οξικός αιθυλεστέρας δρα ως συμπαρασυρόμενος, έτσι το νερό και ο οξικός αιθυλεστέρας βράζουν, αφήνοντας σχεδόν καθαρό οξικό οξύ.

Τα αζεότροπα βρίσκουν επίσης χρήση ως πρότυπα για τη δοκιμή ανιχνευτών και αέριων χρωματογράφων.

Πώς να διαχωρίσετε τα αζεότροπα

Αν και η απλή απόσταξη δεν μπορεί να διαχωρίσει τα συστατικά ενός αζεοτροπικού μείγματος, υπάρχουν και άλλες μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την απομόνωση των συστατικών.

• Η απόσταξη εναλλαγής πίεσης χρησιμοποιεί αλλαγές πίεσης για να αλλάξει τη σύνθεση ενός μείγματος, εμπλουτίζοντας το απόσταγμα με το επιθυμητό συστατικό.
• Ένας συμπαρασυρόμενος παράγοντας μεταβάλλει την πτητότητα ενός από τα αζεοτροπικά συστατικά. Μερικές φορές, το συλλέκτη αντιδρά με ένα συστατικό για να σχηματίσει μια μη πτητική ένωση. Η απόσταξη με χρήση τροφοδοτικού ονομάζεται αζεοτροπική απόσταξη.
• Η διαπερατότητα διαχωρίζει τα συστατικά χρησιμοποιώντας μια μεμβράνη που είναι πιο διαπερατή στο ένα συστατικό από το άλλο. Η διαπερατότητα ατμών είναι μια σχετική τεχνική, η οποία χρησιμοποιεί μια μεμβράνη πιο διαπερατή στη φάση ατμού ενός συστατικού από ένα άλλο.

Αναφορές

• Μόρισον, Ρόμπερτ Θόρντον; Boyd, Robert Neilson (1972). Οργανική Χημεία (2η έκδ.). Άλιν και Μπέικον.
• Petrucci, Harwood; Ρέγγα, Madura (2007). Γενική Χημεία:Αρχές &Σύγχρονες Εφαρμογές (9η έκδ.). Upper Saddle River, NJ:Pearson Education, Inc.
• Rousseau, Ronald W.; James R. Fair (1987). Εγχειρίδιο τεχνολογίας διαδικασίας διαχωρισμού . Wiley-IEEE. ISBN 978-0-471-89558-9.
• Γουέιντ, Τζον; Merriman, Richard William (1911). «CIV.—Επίδραση του νερού στο σημείο βρασμού της αιθυλικής αλκοόλης σε πιέσεις πάνω και κάτω από την ατμοσφαιρική πίεση». Journal of the Chemical Society, Transactions 99:997–1011. doi:10.1039/CT9119900997