Per ottenere una separazione completa di due liquidi presenti in una soluzione tramite distillazione il vapore che condensa per primo deve contenere esclusivamente il componente che presenta la temperatura di ebollizione minore.
Tale condizione può essere soddisfatta solo se le temperature di ebollizione dei due componenti sono molto diverse tra loro; secondo una regola empirica la differenza tra le due temperature di ebollizione deve essere almeno di 25°C. Tuttavia, anche se tale condizione viene verificata, il distillato contiene particelle del componente meno volatile e la separazione non è completa.
Distillazione frazionata
Si ricorre pertanto alla tecnica della distillazione frazionata che permette di ottenere risultati migliori anche nella separazione di miscele di liquidi la cui differenza nelle temperature di ebollizione sia minore di 25°C. Questa tecnica non dà comunque una perfetta separazione tra i due liquidi.
Una separazione migliore può essere ottenuta con la colonna di Vigreux
è una colonna di rettifica costituita da un tubo di vetro a due innesti. Essa presenta sulla superficie interna delle digitazioni sulle quali condensa il vapore che ricade nel pallone di distillazione.
Man mano che la distillazione prosegue, la condensazione del vapore avviene su digitazioni posizionate più in alto, fino al tubo di Claisen.
Esso è un tubo a gomito ascendente dotato di due innesti “maschi” uno verticale per l’attacco alla colonna di rettifica e un innesto diagonale per il collegamento al condensatore e due innesti “femmine” posti superiormente: uno che normalmente è chiuso, che può essere eventualmente utilizzato per inserire un ulteriore refrigerante in verticale e un altro, la continuazione del gomito per l’alloggiamento del termometro.
Questo espediente consente di ottenere vapore ricco del componente più basso bollente migliorando notevolmente le caratteristiche di purezza del distillato.
Quest’ultimo giunge al condensatore di Liebig che è uno scambiatore di calore a doppio tubo; questo apparecchio è infatti costituito da due tubi coassiali in vetro: ognuno di tali tubi è provvisto di uno sbocco e un imbocco, che in genere vengono collegati al resto dell’attrezzatura . Uno dei due tubi si collega alla rete idrica del laboratorio, per cui all’interno scorre il fluido refrigerante (acqua), mentre nell’altro tubo passa il fluido da condensare.
Pressione di vapore
Se i componenti che costituiscono la soluzione seguono la legge di Raoult allora la pressione di vapore totale sulla soluzione vale:
ptot = poAXA + poBXB
dove poA e poB sono rispettivamente le tensioni di vapore dei liquidi A e B puri e XA e XB la frazione molare del componente A e del componente B.
Il contributo di ogni componente alla pressione totale è direttamente proporzionale alla sua frazione molare X e alla tensione di vapore del liquido allo stato puro.
L’efficienza della separazione aumenta all’aumentare della differenza tra i punti di ebollizione, la figura:
mostra la variazione della composizione di una miscela che obbedisce alla legge di Raoult.
Diagramma di fase
Sull’asse delle ordinate sono riportate le temperature di ebollizione dei due componenti puri. Sull’asse delle ascisse è riportata la composizione della miscela in termini di frazione molare: si ottiene un diagramma di fase che consente di ottenere informazioni sul sistema.
Supponiamo che la miscela di due liquidi abbia una frazione molare di 0.8; tracciamo una linea verticale corrispondente al valore di C3 fino all’intersezione con la curva in basso corrispondente alla fase liquida. Da questo punto di intersezione tracciamo una linea orizzontale fino all’intersezione con la curva in alto corrispondente alla fase di vapore.
Da questo punto tracciamo due linee: una perpendicolare all’asse delle ascisse e leggiamo il valore della frazione molare corrispondente
Leggiamo il valore della temperatura del vapore corrispondente. Nel diagramma riportato B ha una temperatura di ebollizione maggiore di A ed è quindi più volatile.
Per prevedere il comportamento di una miscela si esaminano i limiti dei cambiamenti di fase che, nel caso di passaggio di fase liquido-gas, sono detti:
- punto di rugiada ( ramo della curva superiore)
- punto di bolla (ramo della curva inferiore).
Il passaggio di fase liquido-gas avviene attraversando la zona bifase liquido-gas delimitata dai due rami. Il punto di rugiada si trova a cavallo tra la zona di esistenza del vapore e la zona di esistenza della miscela gas-liquido. Il punto di bolla si trova a cavallo tra la zona di esistenza del liquido e la zona di esistenza della miscela gas-liquido.
Principio
Vediamo ora come su quale principio si basa la separazione di due liquidi. Supponiamo di avere una soluzione avente composizione x. Riscaldiamo la soluzione fino a raggiungere la temperatura Tx alla quale la soluzione inizia a bollire.
A tale temperatura il vapore ha composizione x1 ed è più ricco nel componente B. La composizione del liquido diventa più ricca in A.
Sia y la nuova composizione: il liquido avente composizione y non raggiunge la temperatura di ebollizione alla temperatura Tx ma è necessaria una temperatura maggiore Ty. Il vapore che si forma alla temperatura Ty è più ricco in B ed ha composizione y1 quindi la composizione del liquido residuo è ancora più ricca in A. Reiterando il processo fino a raggiungere le temperatura di ebollizione di A la soluzione diviene via via sempre più ricca in A e il vapore diviene via via sempre più ricco in B fino ad ottenere A puro.