[科普中國(guó)]-共沸

概念

共沸(Azeotrope)是指處于平衡狀態(tài)下，氣相和液相組成完全相同時(shí)的混合溶液，對(duì)應(yīng)的溫度稱為共沸溫度或共沸點(diǎn)。共沸物，是指兩組分或多組分的液體混合物，在恒定壓力下沸騰時(shí)，其組分與沸點(diǎn)均保持不變。

并非所有的二元液體混合物都可形成共沸物。這類混合物的溫度--組分相圖有著顯著的特征，即其氣相線(氣液混合物和氣態(tài)的交界)與液相線(液態(tài)和氣液混合物的交界)有著共同的最高點(diǎn)或最低點(diǎn)。如此點(diǎn)為最高點(diǎn)，則稱為正共沸物；如此點(diǎn)為最低點(diǎn)，則稱為負(fù)共沸物。大多數(shù)共沸物都是負(fù)共沸物，即有最低沸點(diǎn)。

有些混合物的共沸溫度低，因?yàn)榭傉魵鈮鹤畲?，沸騰最易。例如乙醇的沸點(diǎn)是78.3℃，水的沸點(diǎn)是100℃，它們的混合物在78.13℃就沸騰。有些混合物的共沸溫度高，因?yàn)榭傉魵鈮鹤钚?，沸騰最難。例如純硝酸的沸點(diǎn)是86℃，水的沸點(diǎn)是100℃，它們的混合物在120.5℃才沸騰。1

任一共沸物都是針對(duì)某一特定外壓而言。對(duì)于不同壓力，其共沸組分和沸點(diǎn)都將有所不同。

實(shí)踐證明，沸點(diǎn)相差大于30K的兩個(gè)組分很難形成共沸物（如水與丙酮就不會(huì)形成共沸物）。

在共沸物達(dá)到其共沸點(diǎn)時(shí)，由于其沸騰所產(chǎn)生的氣體部分之成分比例與液體部分完全相同，因此無(wú)法以蒸餾方法將溶液成份進(jìn)行分離。也就是說(shuō)，共沸物的兩個(gè)組成物，無(wú)法用單純的蒸餾或分餾的方式分離。

精餾在被分離的物系中加入共沸劑（或者稱共沸組分），該共沸劑必須能和物系中一個(gè)或幾個(gè)組分形成具有最低沸點(diǎn)的恒沸物，以至于使需要分離的集中物質(zhì)間的沸點(diǎn)差（或相對(duì)揮發(fā)度）增大。在精餾時(shí)，共沸組分能以共沸物的形式從精餾塔頂蒸出，工業(yè)上把這種操作稱為共沸精餾。2下面以制取無(wú)水酒精為例，說(shuō)明共沸精餾的過(guò)程，水和酒精能形成具有恒沸點(diǎn)的混合物，所以用普通的精餾方法不能獲得純度超過(guò)96%（體積）的乙醇，若在酒精和水的溶液中加入共沸組分--苯，則可構(gòu)成各種恒沸混合物，但以酒精、苯和水所組成的三組分共沸混合物的沸點(diǎn)為最低（64.84℃）。當(dāng)精餾溫度在64.85℃時(shí)，酒精、苯和水的三元混合物首先被蒸出；溫度升至68.25℃時(shí)，蒸出的是酒精與苯的二元共沸混合物；隨著溫度繼續(xù)上升，苯與水的二元共沸混合物和酒精與水的二元共沸混合物也先后蒸出，這些共沸物把水從塔頂帶出，在塔釜可以獲得無(wú)水酒精。工業(yè)上廣泛地用于生產(chǎn)無(wú)水酒精的方法，就是根據(jù)此原理。

共沸精餾的過(guò)程中，所加入的共沸組分必須從塔頂蒸出，而后冷凝分離，循環(huán)使用。因而共沸精餾消耗的能量（包括汽化共沸劑的熱量和輸送物料的電能）較多。3

分類正共沸物當(dāng)該溶液共沸點(diǎn)的沸點(diǎn)溫度低于其所有組成成分的沸點(diǎn)則稱該溶液為正共沸物。較為有名的正共沸物是重量百分濃度為95.63%的乙醇與4.73%的水混合溶液。其中，乙醇的沸點(diǎn)為78.4°C，而水的沸點(diǎn)則為100°C，但共沸點(diǎn)的沸點(diǎn)溫度則為78.2°C，同時(shí)低于其組成成分乙醇與水的沸點(diǎn)。事實(shí)上，在所有組成比例的酒精--水混合液中，沸點(diǎn)78.2°C是最低的。任何正共沸物的沸點(diǎn)都低于該混合溶液其他組成比例的沸點(diǎn)。

負(fù)共沸物當(dāng)該溶液共沸點(diǎn)的沸點(diǎn)溫度高于其所有組成成分的沸點(diǎn)則稱該溶液為負(fù)共沸物。

較為有名的負(fù)共沸物是重量百分濃度為20.2%的鹽酸(氯化氫--水混合溶液)。其中，氯化氫的沸點(diǎn)為-84°C，而水的沸點(diǎn)則為100°C，但共沸點(diǎn)的沸點(diǎn)溫度則為110°C，同時(shí)高于其組成成分氯化氫與水的沸點(diǎn)。事實(shí)上，在所有組成比例的鹽酸中，沸點(diǎn)110°C是最高的。任何負(fù)共沸物的沸點(diǎn)都高于該混合溶液其他組成比例的沸點(diǎn)。

非勻相共沸物當(dāng)兩種物質(zhì)不完全互溶(即該溶液存在兩個(gè)以上的液體相)時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)共沸現(xiàn)象發(fā)生于溶液的互溶間隙之間，則稱該溶液為非勻相共沸物。

用途有些有機(jī)化合物能與水形成共沸混合物，可以利用該特性，在待干燥的有機(jī)物中加入共沸組成中某一有機(jī)物，因共沸混合物的沸點(diǎn)通常低于待干燥的有機(jī)物的沸點(diǎn)，所以蒸餾時(shí)可將水帶出來(lái)，從而達(dá)到干燥的目的。4

與水形成的二元共沸物（水沸點(diǎn)100℃）

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常見(jiàn)有機(jī)溶劑間的共沸混合物

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