Distillation à la vapeur

Distillation à la vapeur

La distillation à la vapeur est une technique de séparation qui exploite la propriété du point d’ébullition bas des mélanges non miscibles. Il est principalement utilisé pour séparer les molécules organiques sensibles à la température d’un contaminant non volatil. La molécule organique doit être non miscible dans l’eau.

Dans la distillation à la vapeur d’eau, le mélange non miscible est chauffé à ébullition, provoquant la distillation de l’eau et des composés organiques volatils. Cela signifie que le mélange gazeux se déplace vers le haut vers un condenseur, qui condense ensuite la vapeur en liquide afin qu’elle puisse être collectée. Contrairement à la distillation simple, la distillation à la vapeur utilise un réservoir d’eau pour reconstituer l’eau du mélange chauffé tout au long du processus. Le composant organique non miscible est distillé lentement avec l’eau, tandis que le composant non volatil reste dans le mélange chauffé. Une fois le composant organique distillé, il peut ensuite être séparé de l’eau par extraction liquide-liquide.

Pression de vapeur d’un mélange

Pour un mélange miscible qui forme une solution homogène, la pression de vapeur de chaque composant dépend de la pression de vapeur du composant pur et de sa fraction molaire dans le mélange liquide selon la loi de Raoult.

p_A = p_A^*x_A

où p_A est la pression de vapeur d’un composant liquide dans un mélange liquide miscible, p_A^* est la pression de vapeur du liquide pur, et x_A est la fraction molaire de ce liquide dans le mélange, qui est égale à n_A/n_t. n_A est le nombre de moles du liquide individuel dans le mélange, et n_t est le nombre total de moles de tous les liquides dans le mélange.

La pression de vapeur totale au-dessus du mélange de liquide miscible est égale à la somme de la pression de vapeur partielle de chaque composant de celui-ci, ce qui est connu sous le nom de loi de Dalton. La pression de vapeur d’un liquide augmente avec la température à mesure que davantage de molécules gagnent de l’énergie cinétique pour échapper de la phase liquide à la phase gazeuse. Dans un mélange miscible contenant deux liquides, la pression totale peut être décrite comme suit :

P = p_A + p_B

où p_A et p_B sont les pressions de vapeur du liquide A liquide B, respectivement, au-dessus du mélange. P est la pression de vapeur totale des deux liquides au-dessus du mélange. La combinaison des équations décrit la relation entre la pression de vapeur totale de la solution et la fraction molaire des composants individuels :

P = p_A^*x_A + p_B^*x_B

Dans un mélange non miscible, où les composants forment un mélange hétérogène, les pressions de vapeur de chaque composant contribuent indépendamment à la pression de vapeur totale. Ainsi, la pression de vapeur totale est égale à la somme des pressions de vapeur pure individuelles. Dans un mélange non miscible composé de deux liquides, la pression totale est définie comme la pression de vapeur du premier liquide plus la pression de vapeur du second liquide.

P = p_A^* + p_B^*

Point d’ébullition d’un mélange non miscible

Lorsqu’un liquide est chauffé, la pression de vapeur augmente. Chaque composant d’un mélange a son propre point d’ébullition. Dans un mélange de liquides miscibles, l’ébullition se produit à une température comprise entre les points d’ébullition des liquides constitutifs.

Pour un mélange non miscible, l’ébullition se produit à une température beaucoup plus basse que les points d’ébullition des composants individuels. Comme chaque composant individuel contribue indépendamment, moins de chaleur est nécessaire pour augmenter la pression de vapeur totale à la pression atmosphérique.

Par exemple, considérez le mélange non miscible de benzène et d’eau. Le point d’ébullition du benzène à pression atmosphérique normale est de 80,1 °C et le point d’ébullition de l’eau à pression atmosphérique normale est de 100 °C. La solution bout lorsque la pression de vapeur totale atteint 760 mm Hg (pression atmosphérique normale). À 69,3 °C, la pression de vapeur de l’eau est de 227 mm Hg et la pression de vapeur du benzène est de 533 mm Hg, ce qui équivaut au total aux 760 mm Hg nécessaires pour faire bouillir. C’est bien en dessous du point d’ébullition de l’un ou l’autre des composants individuels.

références

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Chimie et réactivité chimique. Belmont, Californie : Brooks/Cole, Cengage Learning.
2. Silderberg, M.S. (2009). Chimie : la nature moléculaire de la matière et du changement. Boston, MA : McGraw Hill.