Wasserdampfdestillation

Wasserdampfdestillation

Die Wasserdampfdestillation ist eine Trenntechnik, die sich die Eigenschaft des niedrigen Siedepunkts nicht mischbarer Mischungen zunutze macht. Es wird hauptsächlich verwendet, um temperaturempfindliche organische Moleküle von einer nichtflüchtigen Verunreinigung zu trennen. Das organische Molekül muss in Wasser nicht mischbar sein.

Bei der Wasserdampfdestillation wird das nicht mischbare Gemisch bis zum Sieden erhitzt, wodurch sowohl das Wasser als auch die flüchtigen organischen Verbindungen destilliert werden. Das bedeutet, dass das gasförmige Gemisch nach oben zu einem Kondensator gelangt, der den Dampf dann zu Flüssigkeit kondensiert, damit er aufgefangen werden kann. Im Gegensatz zur einfachen Destillation wird bei der Wasserdampfdestillation ein Wasserreservoir verwendet, um das Wasser in der erhitzten Mischung während des gesamten Prozesses wieder aufzufüllen. Die nicht mischbare organische Komponente wird langsam zusammen mit dem Wasser destilliert, während die nichtflüchtige Komponente in der erhitzten Mischung verbleibt. Sobald die organische Komponente destilliert ist, kann sie durch Flüssig-Flüssig-Extraktion vom Wasser getrennt werden.

Dampfdruck eines Gemisches

Bei einem mischbaren Gemisch, das eine homogene Lösung bildet, ist der Dampfdruck jeder Komponente nach dem Raoult'schen Gesetz abhängig vom Dampfdruck der reinen Komponente und ihrem Molenbruch in der flüssigen Mischung.

p_A = p_A^*x_A

wobei p_A der Dampfdruck einer flüssigen Komponente in einem mischbaren Flüssigkeitsgemisch ist, p_A^* der Dampfdruck der reinen Flüssigkeit und x_A der Molenbruch dieser Flüssigkeit in dem Gemisch ist, der gleich n_A/n_t ist. n_A die Anzahl der Mole der einzelnen Flüssigkeit in dem Gemisch ist, und n_t ist die Gesamtzahl der Mole aller Flüssigkeiten in der Mischung.

Der Gesamtdampfdruck über dem mischbaren Flüssigkeitsgemisch ist gleich der Summe des Dampfpartialdrucks jeder Komponente darin, was als Daltonsches Gesetz bekannt ist. Der Dampfdruck einer Flüssigkeit steigt mit der Temperatur, da mehr Moleküle kinetische Energie gewinnen, um aus der flüssigen Phase in die Gasphase zu entweichen. In einem mischbaren Gemisch, das zwei Flüssigkeiten enthält, kann der Gesamtdruck wie folgt beschrieben werden:

P = p_A + p_B

wobei p_A und p_B die Dampfdrücke der Flüssigkeit A bzw. der Flüssigkeit B über dem Gemisch sind. P ist der Gesamtdampfdruck beider Flüssigkeiten über dem Gemisch. Die Kombination der Gleichungen beschreibt das Verhältnis zwischen dem Gesamtdampfdruck der Lösung und dem Molenbruch der einzelnen Komponenten:

P = p_A^*x_A + p_B^*x_B

In einem nicht mischbaren Gemisch, bei dem die Komponenten ein heterogenes Gemisch bilden, tragen die Dampfdrücke jeder Komponente unabhängig voneinander zum Gesamtdampfdruck bei. Somit ist der Gesamtdampfdruck gleich der Summe der einzelnen reinen Dampfdrücke. In einem nicht mischbaren Gemisch, das aus zwei Flüssigkeiten besteht, ist der Gesamtdruck definiert als der Dampfdruck der ersten Flüssigkeit plus der Dampfdruck der zweiten Flüssigkeit.

P = p_A^* + p_B^*

Siedepunkt eines nicht mischbaren Gemisches

Wenn eine Flüssigkeit erhitzt wird, steigt der Dampfdruck. Jede Komponente in einem Gemisch hat ihren eigenen Siedepunkt. In einem Gemisch von mischbaren Flüssigkeiten erfolgt das Sieden bei einer Temperatur zwischen den Siedepunkten der konstituierenden Flüssigkeiten.

Bei einem nicht mischbaren Gemisch erfolgt das Sieden bei einer viel niedrigeren Temperatur als die Siedepunkte der einzelnen Komponenten. Da jede einzelne Komponente unabhängig voneinander einen Beitrag leistet, wird weniger Wärme benötigt, um den Gesamtdampfdruck auf den Atmosphärendruck zu erhöhen.

Betrachten Sie zum Beispiel das nicht mischbare Gemisch aus Benzol und Wasser. Der Siedepunkt von Benzol bei normalem Atmosphärendruck liegt bei 80,1 °C und der Siedepunkt von Wasser bei normalem Atmosphärendruck bei 100 °C. Die Lösung siedet, wenn der Gesamtdampfdruck 760 mm Hg (normaler atmosphärischer Druck) erreicht. Bei 69,3 °C beträgt der Dampfdruck von Wasser 227 mm Hg und der Benzoldampfdruck 533 mm Hg, was in Summe den zum Kochen erforderlichen 760 mm Hg entspricht. Dies liegt deutlich unter dem Siedepunkt der einzelnen Komponenten.

Referenzen

1. Kotz, J.C., Treichel Jr., P.M., Townsend, J.R. (2012). Chemie und chemische Reaktivität. Belmont, Kalifornien: Brooks/Cole, Cengage Lernen.
2. Silderberg, M.S. (2009). Chemie: Die molekulare Natur von Materie und Veränderung. Boston, MA: McGraw Hill.