Азеотропная смесь - это смесь двух или более компонентов, которая при определенном соотношении компонентов имеет постоянную температуру кипения. Это происходит из-за равновесия между жидкостью и паром в смеси.
Образование азеотропной смеси
Азеотропная смесь образуется, когда молекулы компонентов смеси сильно отличаются по размерам и форме. Например, при смешивании этанола (формула C2H5OH) и воды. Молекулы воды намного меньше молекул этанола, поэтому они легче улетучиваются, что приводит к изменению состава жидкой и паровой фаз.
Свойства азеотропной смеси
- Постоянная температура кипения при определенном соотношении компонентов
- Невозможность разделения на индивидуальные компоненты простой перегонкой
- Часто обладает экстремальными свойствами по сравнению с исходными компонентами (вязкость, плотность, теплопроводность и т.д.)
Например, азеотропная смесь 96% этанола и 4% воды (спирт "96 градусов") имеет температуру кипения 78,2°C. Это ниже, чем у чистого этанола (78,4°C) и значительно выше, чем у воды (100°C). При перегонке состав смеси не меняется.
Применение
Азеотропные смеси широко используются в промышленности:
- Для очистки веществ от примесей
- В качестве растворителей и реагентов
- Для термостатирования оборудования
- Как рабочие тела в тепловых машинах
Например, азеотропную смесь хладонов используют в качестве хладагента в холодильниках. Смесь пропана и бутана применяют как газовое топливо. А 96% этиловый спирт находит широкое применение в медицине и промышленности.
Азеотропные смеси - удивительный пример того, как свойства смеси существенно отличаются от свойств чистых компонентов. Их изучение важно как для фундаментальной науки, так и для практических приложений.
Методы разделения азеотропов
Несмотря на невозможность разделения азеотропа перегонкой, существуют другие методы, позволяющие выделить чистые компоненты:
- Добавление в смесь другого вещества (разбавителя), меняющего состав пара
- Ректификация с использованием различных насадок в колонне
- Экстракция одного из компонентов селективным растворителем
- Мембранные методы с использованием селективно проницаемых мембран
- Адсорбция на твердых пористых материалах
Например, для выделения безводного этанола из его азеотропа с водой часто используют молекулярные сита, селективно адсорбирующие молекулы воды.
| Компонент 1 | Компонент 2 | Соотношение | T кипения |
| Этанол | Вода | 96:4 по массе | 78,2°C |
| Хладон R125 | Хладон R32 | 60:40 по массе | -48°C |
В таблице приведены примеры известных азеотропных смесей, широко применяемых на практике.
Азеотропная смесь - это равновесие пара и жидкости
Образование азеотропа связано с достижением равновесия между жидкой и паровой фазами смеси. При определенном соотношении компонентов их концентрации в паре и жидкости выравниваются.
Это можно объяснить термодинамическим анализом фазовых равновесий в многокомпонентных системах с учетом взаимодействия между молекулами. Сильно отличающиеся по размерам и форме молекулы ведут себя как квазихимические соединения.
Таким образом, при перегонке азеотропа его состав не меняется, что отличает такие смеси от обычных растворов, не образующих азеотропа.
Уравнение азеотропии
Соотношение компонентов в азеотропной смеси можно рассчитать из уравнения азеотропии:
где:
- x1, x2 - мольные доли компонентов в жидкой фазе
- y1, y2 - мольные доли в паровой фазе
- P - давление пара
- γ1, γ2 - коэффициенты активности компонентов
Для бинарной смеси при азеотропии x1 = y1 и x2 = y2. Зная зависимости коэффициентов активности от состава, можно рассчитать состав азеотропа.
Азеотропная смесь воды и этанола
Характерным примером является азеотропная смесь воды и этилового спирта. При атмосферном давлении она содержит 95,57% спирта по массе (89,8% по объему) и имеет Ткип 78,2°C.
Эту смесь часто называют "спирт 96 градусов". На самом деле в ней 96% этилового спирта по массе. Традиционно крепость спирта измеряется в объемных градусах.
Достичь 100% концентрации этанола простой перегонкой невозможно. Для получения безводного спирта используют специальные методы.
Методы определения состава азеотропных смесей
Для экспериментального определения состава азеотропа используют следующие методы:
- Последовательная перегонка смеси с различными соотношениями компонентов и измерение температуры кипения
- Анализ состава дистиллята при разных степенях истощения кубового остатка методом газовой или жидкостной хроматографии
- Измерение физических свойств (плотности, вязкости, показателя преломления) смесей с различным содержанием компонентов
Затем строят графики зависимости этих величин от состава смеси. Точки экстремума соответствуют составу азеотропа.
Положительные и отрицательные азеотропы
Азеотропные смеси бывают двух типов:
- Положительные - с температурой кипения выше максимальной температуры кипения индивидуальных компонентов
- Отрицательные - с температурой кипения ниже минимальной температуры кипения индивидуальных компонентов
Смесь этанол-вода относится к положительным азеотропам, а многие смеси хладагентов - к отрицательным.
Расчет теплового эффекта разбавления азеотропа
При смешивании компонентов азеотропа выделяется или поглощается теплота. Ее величина определяется из уравнения:
где:
- Q - тепловой эффект смешения
- n1, n2 - количество компонентов 1 и 2
- ΔH1, ΔH2 - молярные теплоты испарения компонентов
Знак Q показывает экзо- или эндотермичность процесса. Учет тепловых эффектов важен при масштабировании технологии.
Азеотропные хладагенты
Широко используются азеотропные смеси хладагентов - веществ для холодильных машин и кондиционеров. Они обладают постоянной температурой конденсации, что упрощает расчет холодильного контура.
Например, хладон R507 - это азеотроп из хладонов R125 (50%) и R143a (50%), кипящий при -46,7°С. Другой распространенный хладагент R404A представляет собой смесь хладонов R125, R143a и R134a в пропорции 44%/52%/4% с Ткип -46,2°С.
