2つの溶媒が負の共沸を形成できる場合、それらの成分の任意の混合物の蒸留は、残留物が元の混合物よりも共沸点での組成に近くなることになります。 例えば、塩酸溶液が20.2%未満の塩化水素を含む場合、その混合物を煮沸すると、元の混合物よりも塩化水素が豊富な溶液が残ることになる。 一方、塩化水素の含有量が20.2%より多い場合は、沸騰させると塩化水素の含有量が少ない溶液が残ります。 どのような塩酸溶液でも、十分に沸騰させると、残された溶液は共沸比に近づきます。 一方、2つの溶媒が正の共沸を形成できる場合、それらの成分の任意の混合物を蒸留すると、元の混合物よりも共沸点での組成から離れたところに残留することになる。 例えば、エタノールと水の50/50混合物を1回蒸留すると、蒸留液はエタノール80％、水20％となり、元の混合物よりも共沸混合物に近くなるので、残った溶液はエタノールの含有量が乏しくなることになる。 80/20%の混合物を蒸留すると、87%のエタノールと13%の水の蒸留液が得られる。 さらに蒸留を繰り返すと、徐々に共沸比95.5/4.5%に近い混合液が得られる。 何度蒸留しても共沸比を超える蒸留液は得られない。
蒸留は、化学者や化学技術者が混合物を構成成分に分離するために用いる主要なツールの 1 つです。
蒸留は、化学者や化学技術者が混合物をその成分に分離するために用いる主要な手段の一つである。蒸留では共沸混合物の成分を分離できないため、共沸混合物の分離（共沸分解ともいう）は非常に興味深いトピックである。 このため、初期の研究者の中には、共沸混合物は実際には成分の化合物であると考える人もいた。 しかし、そうではないと考える理由は2つある。 一つは、共沸化合物の構成成分のモル比は、一般に小さな整数の比ではないことである。 例えば、水とアセトニトリルの共沸化合物は、水1モルに対してアセトニトリルが2.253モル（9/4、相対誤差わずか2％）含まれている。 共沸化合物が化合物でないと考えるより説得力のある理由は、前節で述べたように、共沸化合物の組成が圧力によって影響を受けうることである。 例えば二酸化炭素は、どのような圧力下でも炭素1モルに対して酸素2モルであり、真の化合物である。
圧力スイング蒸留の編集
成分 X と Y の仮想的な共沸化合物を次の図に示しています。 相図にある 2 組の曲線は、1 つは任意に選択した低圧で、もう 1 つは任意に選択したより高い圧力で表示されます。 共沸液の組成は高圧側と低圧側で大きく異なり、高圧側ではXが多くなっている。 A 点からできるだけ高濃度の X を分離すること が目標である。低圧では漸増蒸留により、A 点と同じ共沸点側 の B 点に蒸留物が到達することができる。 この留出液を今度は高圧にかけると C 点で沸騰する。C 点から順次蒸留して C と同じ高圧共沸側にある D 点の留出液に到達する。この留出液を再び低圧にかけると A と反対側の低 圧共沸側にある E 点で沸騰するので、圧力振幅によって低圧共沸を越 えることが可能である。
E点で溶液を煮沸すると、蒸留液はE点での残渣よりもXに富んでいることになる。 Indeed, progressive distillation can produce a residue as rich in X as is required.
In summary:
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1. Low-pressure rectification (A to B) |
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Note that both azeotropes above are of the positive, or minimum boiling type; care must be taken to ensure that the correct component of the separation step is retained, i.e.
水 5% とテトラヒドロフラン 95% の混合物は、圧力変動 (この場合は 1 atm と 8 atm 間の変動) を使用して経済的に分離できる共沸物の一例です。 その代わりに、共沸組成を変化させ、成分の1つと混ざり合わないようにするエントレーナーを加えるか、抽出蒸留を行う。
共沸蒸留の編集
他の分離方法には、共沸成分の1つの揮発性に他のものより影響を与える、エントレーナーと呼ばれる追加の薬剤を導入することが含まれます。 二元共沸化合物にエントレーナーを加えて三元共沸化合物とし、その混合物を蒸留する方法を共沸蒸留という。 水とエタノールの共沸物にベンゼンやシクロヘキサンを加えるのが最もよく知られている例である。 シクロヘキサンをエントレーナーとして用いた場合、水7%、エタノール17%、シクロヘキサン76%の3元共沸となり、沸点は62.1℃となる。 水とエタノールの共沸液にシクロヘキサンを十分に加え、水をすべて3元共沸液に巻き込みます。
化学反応による分離
別のタイプのエントレーナーは、成分の 1 つに対して強い化学的親和性を持つものです。 水とエタノールの共沸の例をもう一度挙げると、液体を酸化カルシウムと一緒に振ると、水と強く反応して不揮発性の化合物である水酸化カルシウムを形成します。
より極端な例として、1.2%の水と98.8%のジエチルエーテルとの共沸がある。
無水塩化カルシウムは安価で、ほとんどの非水系溶媒と反応しないため、さまざまな溶媒を乾燥するための乾燥剤として使用されます。 クロロホルムなどは塩化カルシウムで効果的に乾燥できる溶剤の一例です。
溶解塩を用いた蒸留
塩を溶媒に溶かすと、必ずその溶媒の沸点が上がる、つまり溶媒の揮発性が下がるという効果がある。 塩がある成分には溶けやすく、別の成分には溶けにくい場合、塩が溶けた成分の揮発度は下がり、別の成分には影響がない。
抽出蒸留
抽出蒸留は共沸蒸留と似ているが、この場合、共沸物のどの成分よりも媒染剤の揮発性が低いことが特徴である。 例えば、20%アセトンと80%クロロホルムの共沸は、水を加えて蒸留することで分解することができる。 このとき、水はアセトンを優先的に溶解させる別の層を形成する。
Pervaporation and other membrane methodsEdit
パーベーパレーション法は、共沸化合物が液相から気相に移る際に、ある成分に対して他の成分よりも高い透過性を持つ膜を用いて成分を分離する方法である。 膜は液相と気相の間に挟まれるように設置される。 もう一つの膜法は蒸気透過法であり、成分は完全に蒸気相で膜を通過する。 どの膜法でも、膜は通過する液体を透過液と滞留液に分離する。 膜は、ある成分に対して他の成分よりも高い透過性を持つように選択されると、透過液は保持液よりもその最初の成分を多く含むことになる。