Theoretische Grundlagen

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Die Wasserdampfdestillation ist ein wichtiges, im Labor und in der chemischen Großindustrie häufig angewandtes Reinigungsverfahren. Es ermöglicht die Trennung von Schmieren und Isomeren, wenn andere Methoden, wie Extraktion bzw. normale Destillation versagen. Das Prinzip der Wasserdampfdestillation beruht darauf, daß hochsiedene, mit Wasser nur wenig oder nicht mischbare bzw. nicht in Wasser lösliche Stoffe von eingeblasenem Wasserdampf verflüchtigt werden können. Die Dampfdrücke zweier solcher Substanzen beeinflussen sich nicht, im Gegensatz zu ineinander löslichen Stoffen. Der Totaldampfdruck p ist demnach gleich der Summe der Einzeldrücke $p_{A}$ und $p_{B}$ der reinen Komponenten. Er ist unabhängig vom Mischungsverhältnis der Partner. Der Siedepunkt des heterogenen Gemisches, der dann erreicht ist, wenn die Summe der Einzeldampfdrücke gleich dem Atmosphärendruck geworden ist, liegt demnach stets tiefer als der Siedepunkt der niedrigst siedenden Komponente und bleibt konstant, solange die beiden Phasen koexistieren. Die Zusammensetzung des Dampfes und damit des Destillats ergibt sich aus dem Gesetz von AVOGADRO. Die Komponenten A und B werden bei der Siedetemperatur im molekularen Verhältnis ihrer Dampfdrücke $p_{A}$ und $p_{B}$ übergehen. Das absolute Verhältnis wird durch Einsetzen der Molzahlen $n_{A}$ , und $n_{B}$ gewonnen:

$\begin{displaymath} p=p_{A}*p_{B}\end{displaymath}$

$\begin{displaymath} \frac{n_{A}}{n_{B}}=\frac{p_{A}}{p_{B}}\Rightarrow \frac{m_{... ...B}}*\frac{n_{A}}{n_{B}}=\frac{M_{A}}{M_{B}}*\frac{p_{A}}{p_{B}}\end{displaymath}$

Das Gleichgewichtsverhältnis $m_{A}/m_{B}$ ergibt sich dann aus obengenannter Gleichung, wobei $M_{A}$ bzw. $M_{B}$ die Molekulargewichte der Komponenten bedeuten. Die Anwendung dieser Gleichung erlaubt z.B. die Berechnung der Zusammensetzung des Destillats Anilin / Wasser. Der Siedepunkt dieses Gemisches beträgt bei Atmosphärendruck 98.5 $\ensuremath{°}$ C. Der Dampfdruck von Anilin beträgt bei dieser Temperatur 43 Torr, der von Wasser 717 Torr. Es ergibt sich für das Gleichgewichtsverhältnis:

$\begin{displaymath} \frac{m_{Anilin}}{m_{Wasser}}=\frac{93g/Mol*43Torr}{18g/Mol*717Torr}=0.31\end{displaymath}$

Das Destillat steht also im Gewichtsverhältnis Anilin:Wasser wie 0,31:1. Die Wasserdampfflüchtigkeit eines Stoffes hängt oft mit seiner Struktur zusammen. So ist z.B. o-Nitrophenol, daß eine intramolekulare Wasserstoffbrücke zwischen den beiden o-ständigen Substituenten ausbilden kann, im Gegensatz zu seinem m- und p-Isomeren mit Wasserdampf flüchtig.

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Kai Jung
2000-11-16

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