Номер 48, страница 89 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.48. Почему с помощью обычной перегонки водно-спиртовых растворов нельзя получить этанол с концентрацией выше 96%? Как можно получить 100%-й (абсолютный) этанол?

Почему с помощью обычной перегонки водно-спиртовых растворов нельзя получить этанол с концентрацией выше 96%?

Получить этанол с концентрацией выше 95,6% по массе (значение, которое обычно округляют до 96%) с помощью обычной фракционной перегонки при атмосферном давлении невозможно. Причина заключается в образовании азеотропной смеси воды и этанола.

Азеотропная смесь (или азеотроп) — это жидкая смесь двух или более компонентов, которая кипит при постоянной температуре, а образующийся при этом пар имеет тот же состав, что и исходная жидкость. Из-за этого азеотропную смесь нельзя разделить на компоненты путем простой перегонки.

Система вода-этанол образует положительный азеотроп с минимальной температурой кипения. Температура кипения чистого этанола составляет 78,4°C, чистой воды — 100°C. Азеотропная смесь, состоящая из 95,6% этанола и 4,4% воды (по массе), кипит при более низкой температуре — около 78,2°C.

Когда мы начинаем перегонять разбавленный водно-спиртовой раствор, в паровую фазу переходит преимущественно более летучий компонент — азеотроп. По мере отгонки дистиллята его состав приближается к азеотропному. Когда концентрация в кубе и в парах достигает 95,6% этанола, жидкость и пар приобретают одинаковый состав, и дальнейшее разделение становится невозможным. Таким образом, 96% — это предельная концентрация, достижимая при обычной ректификации.

Ответ: С помощью обычной перегонки нельзя получить этанол с концентрацией выше 96%, потому что этанол и вода образуют нераздельнокипящую (азеотропную) смесь с составом примерно 96% этанола и 4% воды, которая кипит при постоянной температуре, более низкой, чем температура кипения чистого этанола.

Как можно получить 100%-й (абсолютный) этанол?

Для получения 100%-го (абсолютного) этанола необходимо "разрушить" азеотропную смесь, удалив оставшуюся воду. Это достигается специальными методами абсолютирования:

1. Химические методы (связывание воды). В 96%-й этанол добавляют вещества-осушители, которые вступают в химическую реакцию с водой или прочно связывают её.
   • Использование негашеной извести ($CaO$): 96%-й спирт кипятят с избытком оксида кальция. Он реагирует с водой, образуя нелетучий гидроксид кальция: $CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2$. После этого безводный этанол отгоняют.
   • Использование других осушителей: в лабораторных условиях для небольших количеств могут применяться безводный сульфат меди(II), сульфат натрия или магния.
2. Азеотропная перегонка. Это промышленный метод, при котором к водно-спиртовой смеси добавляют третий компонент (разделяющий агент), например, бензол, толуол или циклогексан. Этот компонент образует с водой и спиртом новую, трехкомпонентную азеотропную смесь с еще более низкой температурой кипения. Эта тройная смесь отгоняется первой, унося с собой всю воду. После её полной отгонки в перегонной колонне остается чистый (абсолютный) этанол.
3. Физические методы.
   • Использование молекулярных сит: это цеолиты с порами строго определенного размера (для обезвоживания спирта используют сита с диаметром пор 3 Å). Маленькие молекулы воды проникают в поры и задерживаются, в то время как более крупные молекулы этанола проходят свободно.
   • Мембранная сепарация (первапорация): процесс разделения с использованием специальных полимерных мембран, которые избирательно проницаемы для воды, но не для этанола.

Ответ: 100%-й этанол можно получить, удалив оставшуюся воду из 96%-го спирта-ректификата. Для этого используют химические осушители (например, оксид кальция), азеотропную перегонку с добавлением третьего компонента (например, циклогексана) или физические методы, такие как адсорбция воды на молекулярных ситах или мембранное разделение.