Distillazione: Principi, Tecniche e Applicazioni, Dispense di Farmacia

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DISTILLAZIONEDISTILLAZIONE

Generalità La distillazione è un processo che consente di separare due o più liquidi caratterizzati da punti di ebollizione diversi. Perché avvenga la separazione è necessario portare all’ebollizione la miscela, ottenere l’evaporazione di una parte e ricondensare i vapori prodotti. La frazione evaporata contiene le stesse sostanze della miscela di partenza, ma risulta arricchita dei componenti più volatili, cioè di quelli che presentano punti di ebollizione più bassi. La frazione che rimane allo stato liquido è più ricca dei componenti meno volatili, cioè di quelli a più alto punto di ebollizione. E’ importante sottolineare la differenza fra distillazione ed evaporazione, che indica propriamente la separazione, sotto forma di vapore, di un solvente da una soluzione contenente un soluto non volatile. Per rendere più chiara la differenza fra le due operazioni vengono sotto riportati due esempi; il primo relativo a una distillazione, il secondo a una evaporazione. Se si somministra calore a una miscela di acqua ed etanolo, il vapore che da essa si sprigiona presenta una concentrazione di alcol, che è il componente più volatile, maggiore di quella del liquido di partenza. Condensando il vapore si ottiene una miscela liquida più ricca di alcol rispetto a quella di partenza. Se si somministra calore a una soluzione di acqua e zucchero, da essa evapora la sola acqua. La soluzione non evaporata è più concentrata di zucchero rispetto a quella di partenza.

Le miscele formate da liquidi con punti di ebollizione vicini possono, comunque,

essere separati con una particolare tecnica di distillazione che sarà trattata più

avanti. Per poter comprendere i problemi riguardanti la distillazione e necessario

conoscere le leggi che regolano gli equilibri liquido - vapore nelle miscele, ed e

proprio da esse che si inizierà la trattazione. Nelle spiegazioni che seguono si

prenderanno in esame miscele formate da due soli liquidi completamente

miscibili fra loro in tutte le proporzioni. E’ necessario comunque sottolineare che

la distillazione può essere applicata anche a miscele costituite da un elevato

numero di componenti e a miscele formate da componenti non miscibili fra loro

in tutte le proporzioni, come verrà evidenziato in seguito. Al fine di rendere più

chiare le spiegazioni successive si ritiene opportuno ricordare il concetto di

tensione di vapore di un liquido.

Tensione di vapore

La tensione di vapore di un liquido puro è la pressione del vapore saturo

presente sopra lo stesso liquido contenuto in un recipiente chiuso. Un vapore si

dice saturo quando è in presenza del liquido che lo ha generato e si trova nella

condizione in cui il numero delle molecole che evaporano dal liquido è uguale al

numero delle molecole che condensano. La tensione di vapore e direttamente

proporzionale alla temperatura.

Apparecchio per la distillazione: L’apparecchio per la distillazione semplice consiste in un pallone a smeriglio (A), munito di termometro (E), nel quale è posto il liquido da distillare, da un refrigerante (B) e da un recipiente di raccolta del distillato (D)

E’ molto importante valutare la composizione del liquido e del vapore all’equilibrio, dividiamo le miscele liquide in più classi: Miscele binarie a) completamente immiscibili b) miscibili (miscele ideali e non ideali) c) parzialmente miscibili

b) Miscibili, miscele ideali (seguono la legge di Raoult) Quando i liquidi sono completamente miscibili uno nell’altro, la tensione di vapore di ciascun componente dipende sia dalla composizione del liquido sia dalla temperatura , ogni componente interferisce con la tensione di vapore dell’altro Raoult dimostrò che in una soluzione ideale di due o più liquidi ad una certa temperatura la tensione di vapore parziale di ciascuno di essi è data dal prodotto della tensione di vapore del liquido puro a quella temperatura per il valore della sua frazione molare nella soluzione.

Legge di Raoult

In una miscela di più liquidi perfettamente miscibili fra loro, la tensione di vapore

di ciascun liquido è influenzata dalla presenza degli altri in accordo con la legge di

Raoult.

La legge di Raoult (formulata nel 1886 da François-Marie Raoult) descrive la variazione della pressione di vapore di un solvente all'aggiunta di un soluto in soluzione. Essa stabilisce che la pressione parziale pi di un componente in una soluzione ad n componenti, ad una determinata temperatura T è funzione lineare della sua tensione di vapore Pi° e della frazione molare Xi del componente liquido secondo l'equazione: _Pi = XiPi°_*

dove Pi° è la tensione di vapore del componente puro alla stessa temperatura T.

Raoult elaborò tale legge dopo aver misurato, ad una determinata temperatura, la tensione di vapore totale di un sistema binario formato da due liquidi volatili, completamente miscibili, e ricavando le relative pressioni parziali in fase vapore, nota la composizione quantitativa della fase aeriforme, con l'ausilio della legge di Dalton , che afferma che: Pi = Yi * P dove Yi è la frazione molare del componente i in fase gassosa, pi la sua pressione parziale e p la pressione totale della miscela gassosa.

Legge di dalton

Legge di Raoult

La retta che unisce i punti P°A e P°B è descritta dalla legge di Dalton

Legge di Henry In un limitato numero di casi la pressione parziale di un componente nella miscela può essere correlata solo alla composizione del liquido: PA= K xA In cui xA è la frazione molare del componente nella fase liquida e K è la costante di Henry per la miscela. Questa legge si applica solo per componenti che sono presenti nella miscela in bassa concentrazione. Legge di Raoult è un caso speciale della legge di Henry in cui K è sostituita dal valore della tensione di vapore del componente puro. Le due leggi sono maggiormente valide se applicate agli estremi delle concentrazioni: la legge di Henry per componenti che hanno la frazione molare vicino allo zero e la legge di Raoult per componenti che hanno la frazione molare vicino a 1

Regola di Konowaloff

Il vapore in equilibrio con una miscela binaria di due liquidi a diversa volatilità, è

più ricca del componente più volatile

Diagrammi della composizione liquido-vapore all’equilibrio: Questi diagrammi comportano l’uso di curve doppie, ricavate empiricamente, che mettono in relazione la composizione di una miscela binaria liquida con i punti di ebollizione e con la composizione del vapore. La figura è costruita a pressione costante (isobara) e considera A liquido più volatile di B per cui la sua temperatura di ebollizione ta è minore di quella di B La curva inferiore indica, alla temperatura di ebollizione considerata, la frazione molare della fase liquida. La curva superiore dà la composizione del vapore in equilibrio con il liquido Notare l’ analogia con le curve liquido / solido viene nel punto di fusione.