Destillation und azeotrope Gemische
Warum sich Flüssigkeitsgemische durch Destillieren trennen lassen, wann das nur mehrstufig gelingt und warum beim Ethanol-Wasser-Azeotrop Schluss ist.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Destillation trennt flüchtige Flüssigkeiten, weil der Dampf bei der Siedetemperatur anders zusammengesetzt ist als die Flüssigkeit; das Siedediagramm zeigt dies mit Siede- und Taukurve.
- Der Dampf über einer idealen Mischung enthält beide Komponenten und ist am Leichtsieder angereichert, über äquimolarem Ethanol-Wasser also an Ethanol.
- Eine einfache Destillation trennt nicht vollständig, erst die fraktionierte Destillation mit vielen theoretischen Böden liefert nahezu reine Komponenten; Vakuum senkt die Siedetemperatur.
- Äquimolares Ethanol-Wasser siedet zwischen 78,3 °C und 100 °C, beim Mischen tritt Volumenkontraktion auf.
- Beim Azeotrop sind Dampf und Flüssigkeit gleich zusammengesetzt, es siedet konstant und ist bei konstantem Druck destillativ nicht trennbar; Ethanol-Wasser bildet es bei 95,6 % (m/m) und 78,2 °C.
Dieses Kapitel ist für Supporter
Relaxed ins Stex ist ein kleines, unabhängiges Projekt. Mit einem Zugang unterstützt du uns und schaltest das ganze 1. Staatsexamen frei. ❤️
Bitte bestätige zuerst deine E-Mail-Adresse
Wir haben dir einen Link geschickt. Erst mit bestätigter E-Mail-Adresse kannst du einen Zugang freischalten und nutzen.
Worum es geht
Eine Mischung lässt sich nur destillativ trennen, wenn ihr Dampf anders zusammengesetzt ist als die Flüssigkeit. Diese Einheit erklärt dieses Prinzip am Siedediagramm und zeigt seine Grenze beim Azeotrop. In der Pharmazie begegnet dir das bei der Reinigung von Lösungsmitteln und bei Ethanol, das sich nicht beliebig hoch konzentrieren lässt.
Dampf- und Flüssigkeitszusammensetzung
Über einer siedenden Mischung zweier flüchtiger Flüssigkeiten stehen beide Komponenten im Dampf. Ihr Anteil im Dampf hängt von ihren Partialdrücken ab, wie das Raoult’sche Gesetz beschreibt. Die Komponente mit dem höheren Dampfdruck, also der Leichtsieder, liefert mehr Teilchen in die Gasphase. Der Dampf ist deshalb an ihr angereichert.
Am übersichtlichsten zeigt das ein Siedediagramm. Es trägt bei konstantem Druck die Temperatur gegen die Zusammensetzung auf.
Temperatur-Zusammensetzungs-Diagramm einer Zweistoffmischung bei konstantem Druck. Die untere Siedekurve gibt die Zusammensetzung der siedenden Flüssigkeit an, die obere Taukurve die des Dampfes im Gleichgewicht.
Zwischen beiden Kurven liegt das Zweiphasengebiet, bei idealen Mischungen in Form einer Linse. Eine waagerechte Linie, die Konode, verbindet Flüssigkeit und Dampf derselben Temperatur. Ihr rechtes Ende auf der Taukurve liegt näher am Leichtsieder. Genau dieser Abstand zwischen den beiden Enden macht Trennung möglich.
Destillative Trennung
Aus dem Siedediagramm folgt die Grundbedingung jeder Destillation: Flüssigkeit und Dampf müssen bei der Siedetemperatur der Mischung unterschiedlich zusammengesetzt sein. Nur dann trägt der Dampf mehr vom Leichtsieder fort, als in der Flüssigkeit zurückbleibt. Dafür müssen die reinen Komponenten unterschiedliche Siedetemperaturen haben. Das allein reicht aber nicht immer, wie die Azeotrope zeigen.
Wird im Examen gerne gefragt: Entscheidend ist die unterschiedliche Zusammensetzung von Flüssigkeit und Dampf bei der Siedetemperatur. Der Dampf über einer idealen Mischung enthält beide Komponenten, er ist nur am Leichtsieder angereichert und besteht nie aus ihm allein.
Ein Beispiel: Über einer äquimolaren Ethanol-Wasser-Mischung ist der Dampf im Gleichgewicht reicher an Ethanol. Zu Beginn der Destillation ist daher auch das Kondensat am niedriger siedenden Ethanol angereichert. Im Kolben bleibt mehr Wasser zurück, die Siedetemperatur steigt im Lauf der Destillation.
Einfach oder fraktioniert
Eine einfache Destillation ist nur ein Schritt entlang einer Konode. Sie liefert ein angereichertes, aber kein reines Destillat. Auch bei deutlich verschiedenen Siedepunkten trennt ein einmaliges Destillieren also nicht vollständig.
Die fraktionierte Destillation wiederholt Verdampfen und Kondensieren viele Male hintereinander. In einer Kolonne steigt der Dampf auf, kondensiert teilweise und verdampft erneut. Jeder dieser Gleichgewichtsschritte heißt theoretischer Boden. Im Siedediagramm entspricht er einer Treppenstufe zwischen Siede- und Taukurve. Mit genügend Böden nähert sich das Kopfprodukt dem reinen Leichtsieder. Eine vollständige Trennung zweier flüchtiger Komponenten gelingt nur auf diese mehrstufige Weise.
Vakuumdestillation
Eine Flüssigkeit siedet, wenn ihr Dampfdruck den äußeren Druck erreicht (Siedebedingung). Senkt man den Druck, sinkt deshalb die Siedetemperatur des Gemisches. So lassen sich hochsiedende oder hitzeempfindliche Stoffe schonend destillieren. Die Destillation als technische Grundoperation behandelt Lösen und Mischen von Flüssigkeiten.
Ethanol-Wasser
Reines Ethanol siedet bei Normdruck bei 78,3 °C, Wasser bei 100 °C. Eine äquimolare Mischung siedet zwischen diesen Werten, bei etwa 80 °C. Das Ethanol trägt seinen hohen Dampfdruck bei, und beide Partialdrücke erreichen zusammen schon unterhalb von 100 °C den Außendruck. Das Mischen mit Ethanol erhöht die Siedetemperatur von Wasser also nicht. Die Mischung siedet nie oberhalb von 100 °C.
Ethanol-Wasser verhält sich nicht ideal. Das zeigt sich schon beim Volumen: Mischt man 50 mL Ethanol mit 50 mL Wasser, erhält man deutlich weniger als 100 mL. Diese Volumenkontraktion entsteht, weil Ethanol und Wasser starke Wasserstoffbrücken miteinander bilden und sich dichter packen als jeweils allein. Man kann sich das wie Erbsen vorstellen, die in die Lücken zwischen Murmeln rutschen.
Azeotrope
Bei manchen Mischungen berühren sich Siede- und Taukurve in einem Punkt. Dort haben Flüssigkeit und Dampf dieselbe Zusammensetzung. Ein solches Gemisch heißt Azeotrop.
Flüssigkeitsgemisch, dessen Dampf bei gegebenem Druck genauso zusammengesetzt ist wie die Flüssigkeit. Das Verhältnis der Partialdrücke im Dampf entspricht dann dem Stoffmengenverhältnis in der Flüssigkeit: \(p_A/p_B = x_A/x_B\).
Daraus folgen die Grenzen der Destillation. Weil der Dampf nichts anreichert, ändert sich beim Verdampfen die Zusammensetzung der Flüssigkeit nicht. Das Azeotrop siedet daher während der Destillation bei konstanter Temperatur, ähnlich einem Reinstoff. Bei azeotroper Zusammensetzung und konstantem Druck lässt sich ein binäres Azeotrop destillativ nicht trennen, auch nicht fraktioniert. Jede Kolonne endet mit ihrer Treppe am Berührungspunkt.
Das Ethanol-Wasser-Azeotrop
Ethanol-Wasser weicht positiv vom Raoult’schen Gesetz ab. Der Gesamtdampfdruck ist höher als bei idealem Verhalten, und das Siedediagramm zeigt ein Siedeminimum. Es liegt bei 95,6 % (m/m) Ethanol und 78,2 °C, knapp unter dem Siedepunkt von reinem Ethanol. Das Azeotrop siedet also deutlich unterhalb von 100 °C, sein Dampfdruck ist höher als der von reinem Wasser bei derselben Temperatur.
Startet man mit verdünntem Ethanol, reichert die fraktionierte Destillation den Dampf bis zum Azeotrop an, aber nicht weiter. Höher konzentriertes Ethanol erfordert andere Verfahren, etwa Wasserentzug mit Molekularsieb oder ein Schleppmittel.
Azeotrop heißt: Dampf gleich Flüssigkeit. Ohne Unterschied in der Zusammensetzung gibt es nichts anzureichern.
Quiz
Aussage 1
Der Dampf über einer siedenden äquimolaren Ethanol-Wasser-Mischung enthält einen höheren Ethanolanteil als die Flüssigkeit.
Ethanol ist der Leichtsieder mit höherem Dampfdruck, deshalb ist der Dampf an Ethanol angereichert.
Aussage 2
Eine äquimolare Mischung aus Ethanol und Wasser siedet bei Normdruck oberhalb von 100 °C.
Die Mischung siedet zwischen den Siedetemperaturen von Ethanol (78,3 °C) und Wasser (100 °C), bei etwa 80 °C.
Aussage 3
Das Ethanol-Wasser-Azeotrop siedet während der Destillation bei konstanter Temperatur unterhalb von 100 °C.
Weil sich seine Zusammensetzung beim Verdampfen nicht ändert, siedet es konstant, und zwar bei 78,2 °C.
Aussage 4
Bei einem azeotropen Gemisch entspricht das Verhältnis der Partialdrücke im Dampf dem Stoffmengenverhältnis in der flüssigen Phase.
Dampf und Flüssigkeit sind beim Azeotrop gleich zusammengesetzt, daher gilt \(p_A/p_B = x_A/x_B\).
Aussage 5
Bei der Vakuumdestillation steigt die Siedetemperatur des Gemisches, weil weniger Druck auf der Flüssigkeit lastet.
Verminderter Druck senkt die Siedetemperatur, da der Dampfdruck den Außendruck schon bei niedrigerer Temperatur erreicht.
Aussage 6
Unterscheiden sich die Siedepunkte zweier Flüssigkeiten deutlich, trennt schon eine einmalige einfache Destillation sie vollständig.
Eine einfache Destillation entspricht nur einer Gleichgewichtsstufe und liefert ein angereichertes Destillat. Vollständig trennt erst die fraktionierte Destillation.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.