一個物理化學問題,透過精餾只能把酒精提純到 95%,原因是什麼?怎麼才能獲得更高的純度?
首先我們要提到
共沸混合物
這個概念。共沸混合物像純物質一樣,具有恆定的沸點;並且在沸騰時,其液相和氣相的組成完全一致
[1]
。因此,一旦形成了共沸混合物,就沒辦法透過單純精餾的方式進行分離。形成共沸混合物是因為這些物質之間具有較強的相互作用力。一些比較經典的共沸混合物的例子如下(其中加粗的例子很重要):
95.63% 乙醇 + 4.37% 水 (沸點 78.2 °C)
[1]
32.4% 乙醇 + 67.6% 苯 (沸點 68.3 °C)
[2]
18.5% 乙醇 + 74% 苯 + 7.5% 水 (沸點 64.9 °C)
[2]
98。3% 硫酸 + 1。7% 水 (沸點 330 °C)
[3]
68。4% 硝酸 + 31。6% 水 (沸點 122 °C)
[3]
也就是說,如果你有初始濃度低於95。63%的乙醇,透過精餾後你將得到純水和乙醇-水共沸混合物。
那麼,如何才能得到無水乙醇呢?有實驗室方法和工業方法。
實驗室方法(化學方法):
往95。63%乙醇中加入生石灰,並煮沸迴流。生石灰將與水反應生成氫氧化鈣,此時乙醇的濃度可達到99。5%;之後可以加入金屬鎂或者鈉進行處理,進一步反應掉剩餘的水得到無水乙醇。
[4]
工業方法:
上述方法雖然可行,但是成本較高不適合大規模生產,而且會產生很多固體廢料。在工業上是透過共沸混合物的原理來除去剩餘的水的——正所謂以彼之道還施彼身。我們之前提到了乙醇-苯-水會形成三元共沸混合物,乙醇-苯會形成二元共沸混合物,乙醇-水也會形成二元共沸混合物。而這三種共沸混合物中,乙醇-苯-水的沸點最低(64。9 °C),乙醇-苯次之(68。3 °C),乙醇-水最高(78。2 °C)。那麼透過往乙醇-水中加入稍微多於計算量的苯(計算量 苯:水=74 : 7。5),然後開始逐漸升溫。當溫度達到64。9 °C時,乙醇-苯-水形成了共沸混合物,而因為苯的量足夠,所以到最終水將完全被除去!此時體系中還會殘留有苯。這時將溫度升高至68。3 °C,過量的苯也會逐漸被完全除去,那麼此時剩下的就只是無水乙醇了
[2]
。