Het azeotroop gedrag van een ethanol-watermengsel

Een ethanol-watermengsel kan door middel van een destillatie nooit volledig worden gescheiden in zuivere ethanol en zuiver water. Herhaaldelijk destilleren levert hoogstens een mengsel met 96% ethanol op, de azeotrope samenstelling. Het azeotroop mengsel heeft een kookpunt dat lager is dan dat van water maar dat ook lager is dan dat van zuivere ethanol. Bij de azeotrope samenstelling heeft de dampfase bovendien dezelfde samenstelling als de vloeistoffase. Dit verklaart deze onmogelijke scheiding.

• Destilleren
• Damp- en kooklijn van een mengsel zonder azeotroop gedrag
• Kooklijn
• Damplijn
• Scheiding van de componenten
• Kook- en damplijn bij niet-ideale mengsels
• Mengsels met een minimum azeotroop
• Mengsels met een maximum azeotroop
• Scheiding van ethanol-water
• Absolute ethanol

Destilleren

Destillatie is een thermische scheidingstechniek gebaseerd op het verschil in vluchtigheid van de bestanddelen van een mengsel. Tijdens het proces worden de vluchtige bestanddelen door verdampen en terug condenseren uit het mengsel verwijderd.
Het te scheiden mengsel wordt in een kolf gebracht en verwarmt. De stof met het laagste kookpunt zal als eerste verdampen. Het gas stijgt en zal zo de liebigkoeler bereiken, waar het weer afkoelt en condenseert. Dit condensaat kan dan worden opgevangen in bijvoorbeeld een maatcilinder. Op de figuur staat een gefractioneerde destillatie-opstelling afgebeeld. In de toegevoegde fractioneerkolom wordt een aantal keer het verdampen afgewisseld met het condenseren. Dit aantal hangt af van het aantal uitstulpingen in de fractioneerkolom. Dit zorgt voor een betere scheiding van mengsels waarvan de samenstellende componenten een klein verschil in kookpunt hebben.

Damp- en kooklijn van een mengsel zonder azeotroop gedrag

Kooklijn

Veronderstel een homogeen mengsel samengesteld uit vloeistoffen a en b met respectievelijke kookpunten T_a en T_b. Vloeistof a heeft een lager kookpunt dan vloeistof b en is dus vluchtiger dan vloeistof b. Het kookpunt van het mengsel is afhankelijk van de samenstelling van dit mengsel. De kooklijn geeft het kookpunt van het mengsel in functie van de samenstelling. Bij x_a1 is het kookpunt van het mengsel T₁ en bij x_a2 is dit T₂. T₁ is hoger dan T₂ omdat x_a1 kleiner is dan x_a2, en bij x_a1 het mengsel dus minder van de minst vluchtige component bevat.

Damplijn

Omdat in het voorbeeld vloeistof a een lager kookpunt heeft dan vloeistof b, is de damp die bij het koken wordt gevormd rijker aan vloeistof a. De moleculen van de vluchtigste stof hebben immers een grotere neiging het vloeistofoppervlak te verlaten dan de moleculen van de minder vluchtige stof. Wanneer de gevormde damp condenseert, wordt er dus een mengsel verkregen dan rijker is aan de meest vluchtige component (y_a). De damplijn geeft de temperatuur van de damp in functie van de samenstelling van deze damp.

De kookcurve en dampcurve van een mengsel zonder azeotroop gedrag raken elkaar in hun uitersten, namelijk als de vloeistof uit zuiver a of zuiver b bestaat. In dit geval is de samenstelling van de damp gelijk aan die van de vloeistof.

Scheiding van de componenten

De damp van een kokend mengsel is dus rijker aan de vluchtigste component van het mengsel. Indien deze damp opnieuw condenseert, is het verkregen mengsel dus rijker aan de vluchtigste component (stap 1). Indien dit nieuwe mengsel opnieuw aan de kook wordt gebracht, zal zijn damp nog rijker zijn aan de vluchtigste component (stap 2). Deze handeling kan worden herhaald tot de verkregen condens 100% uit de vluchtigste component bestaat (stap 3). Via gefractioneerde destillatie kan dus een volledige scheiding van de samenstellende componenten worden verkregen.

Kook- en damplijn bij niet-ideale mengsels

Sommige mengsels vertonen afwijkende kook- en dampcurves. De curves kunnen een minimum of een maximum vertonen. Bij dit minimum of maximum raken kook- en dampcurves elkaar. Bij deze samenstelling van het mengsel heeft de damp dus dezelfde samenstelling als de vloeistof. In dit geval spreekt men van een azeotroop mengsel.

Mengsels met een minimum azeotroop

Voor deze mengsels is de damp links van dit punt in de curve rijker aan de vluchtigste component. Rechts echter is de damp van het mengsel rijker aan de minder vluchtige component. Een voorbeeld van een mengsel met een minimum is water-ethanol.

Mengsels met een maximum azeotroop

Voor deze mengsels is de damp links van dit punt in de curve rijker aan de vluchtigste component. Rechts echter is de damp rijker aan de minder vluchtige component. Een voorbeeld van een mengsel met een maximum is aceton-chloroform.


Dit afwijkend gedrag is het gevolg van een verschil in intermoleculaire krachten in de zuivere vloeistoffen en in de mengsels. Bij mengsels met een minimum azeotroop zijn de interacties in het mengsel zwakker dan in de zuivere vloeistoffen. De damplijn ligt hier lager. Er is dus meer koeling nodig om de dampen te condenseren. Moleculen in een mengsel met een maximum azeotroop zijn sterker tot elkaar aangetrokken dan in de zuivere stoffen. Ze zijn minder geneigd om de vloeistof te verlaten, waardoor de kooklijn hoger ligt.

Scheiding van ethanol-water

De samenstelling van het azeotroop mengsel bedraagt 96% ethanol en 4% water. Wanneer de oplossing met een concentratie lager dan de azeotrope samenstelling wordt gescheiden, zal de de samenstelling van het destillaat steeds rijker aan ethanol worden. De hoogste concentratie die kan worden verkregen is 96%.

Indien een oplossing met een concentratie boven de 96% wordt gedestilleerd, zal het destillaat rijker zijn aan water en zal na herhaaldelijke destillatie ook het azeotropisch mengsel worden verkregen.

Absolute ethanol

Absolute ethanol is zuivere en dus watervrije ethanol. Dit kan worden verkregen door toevoeging van benzeen aan het ethanol-watermengsel. Water en benzeen vormen samen ook een azeotroop met een kooktemperatuur lager dan het kookpunt van de ethanol-water azeotroop. Water en benzeen kunnen dus samen worden afgedestilleerd. Na deze destillatie blijft dan zuivere ethanol over.