Destylacja z parą wodną – destylacja z użyciem strumienia nasyconej lub przegrzanej pary wodnej, prowadząca do otrzymywania kondensatów dwufazowych (faza wodna i organiczna), odbieranych w temperaturze niższej od temperatury wrzenia najniżej wrzącego składnika mieszaniny (zobacz heteroazeotrop).

Strumień pary wodnej jest doprowadzany do destylowanej mieszaniny z zewnątrz lub wytwarzany wewnątrz urządzenia do destylacji, np. przez intensywne ogrzewanie wodnego roztworu rozdzielanej mieszaniny związków chemicznych. Destylację z parą wodną stosuje się do wyodrębniania związków w niewielkim stopniu mieszających się z wodą (hydrofobowych), których destylacja prosta nie jest wskazana, np. ze względu na możliwość termolizy. Metodą destylacji z parą wodną wyodrębnia się m.in. składniki surowców roślinnych, np. leków ziołowych lub olejków eterycznych, stosowanych w aromaterapii, produkcji kosmetyków lub przypraw.

Metoda ta jest również stosowana w preparatyce chemicznej do wyodrębniania produktów łatwo rozkładających się podczas syntezy z roztworów reakcyjnych oraz do rozdzielania składników mieszanin przy założeniu, że co najmniej jeden składnik destyluje z parą wodną.

Podstawy fizykochemiczne

Prawo Raoulta i odchylenia

Prężność par A i B nad roztworem doskonałym

Siły oddziaływań międzycząsteczkowych

Niewielkie dodatnie odchylenia od prawa Raoulta

Azeotrop dodatni aceton–CS2

Odchylenia od prawa Raoulta i ograniczona mieszalność cieczy

Heteroazeotrop

 

Prężność par nad nie mieszającymi się cieczami

Zgodnie z prawem Daltona całkowita prężność pary p nad cieczą dwuskładnikową jest sumą cząstkowych prężności par składników:

które oblicza się na podstawie molowych udziałów (y) obu składników w parze: pA = p · yA pB = p · yB.

W przypadku roztworów doskonałych wartości pA i pB oblicza się na podstawie prawa Raoulta: pA = pA° · xA pB = pB° · xB

W przypadku roztworów niedoskonałych obserwowane są odchylenia od prawa Raoulta, których kierunek i wielkość zależą od wielkości sił oddziaływania między cząsteczkami A–A, B–B i A–B w cieczy (decydujących o wartościach współczynników aktywności). W przypadkach, gdy odchylenia od doskonałości są duże, w układach AB występują ekstremalne wartości prężności pary – maksymalne (azeotrop dodatni) lub minimalne (azeotrop ujemny). W przypadkach bardzo dużych odchyleń w układach występują obszary ograniczonej mieszalności cieczy (zobacz: heteroazeotropia, heterozeotropia, ekstrakcja).

W przypadkach skrajnych dwie ciecze A i B, mieszające się w minimalnym stopniu, mogą być traktowane jak prawie niezależne układy ciecz-para. W każdym z nich w stałej temperaturze utrzymuje się taka sama prężność pary, niezależna od ilości obu cieczy. Ogrzewane w odrębnych naczyniach zaczynają wrzeć w różnych temperaturach – takich, w których prężności par są równe wartości ciśnienia zewnętrznego. Jeżeli nie mieszające się ciecze A i B znajdują się w jednym naczyniu, zależność prężności pary każdej z nich od temperatury nie zmienia się, ale cząsteczki cieczy dwufazowej prędzej ją opuszczają. Wrzenie rozpoczyna się w niższej temperaturze – wtedy, gdy wartość ciśnienia zewnętrznego jest osiągana przez sumę prężności A i B.

W tak uproszczonym przypadku w stałej temperaturze skład pary nad roztworem jest niezależny od składu cieczy. Stosunek ilości moli A i B (nA i nB) w jednostce objętości pary jest równy stosunkowi odpowiednich prężności par (pA i pB) czystych składników w danej temperaturze. Stosunek mas obu składników (wA i wB) w parze jest zależny od prężności par czystych składników i ich ciężarów cząsteczkowych (A i B).

nA : nB = pA : pB

wA : wB = MA pA : MB pB

Efektywność odzyskiwania wysokowrzących związków chemicznych z ich mieszanin ze związkami nielotnymi z parą wodną można zwiększyć, stosując destylację z użyciem pary przegrzanej. Warunkiem ograniczającym są prawdopodobne reakcje rozkładu termicznego.

Przykład

Benzaldehyd (tw. 178 °C przy 760 mmHg) destyluje z równowagową parą wodną (100 °C) w temperaturze 97,9 °C. Destylat zawiera 32,1% wag. benzaldehydu. Stosując parę wodną przegrzaną do 133 °C otrzymuje się kondensat zawierający 70,6% wag. benzaldehydu.