الأزيوتروب

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 12 صور
الموسوعة الحرة
يُظهر توازن البخار والسائل لـ 2-بروبانول /الماء سلوكًا أزيوتروبيًا موجبًا

المزيج الأيزوتروبي ( يُلفظ : / əˈziːəˌtroʊp / ) [ 1 ] أو مزيج ذو نقطة تسخين ثابتة هو مزيج من سائلين أو أكثر لا يمكن تغيير نسب مكوناته بالتقطير البسيط . [ 2 ] يحدث هذا لأنه عند غلي المزيج الأيزوتروبي ، يكون للبخار نفس نسب المكونات الموجودة في المزيج غير المغلي. معرفة سلوك المزيج الأيزوتروبي أمر بالغ الأهمية في عملية التقطير.

لكل مزيج أزيوتروبي درجة غليان مميزة . تكون درجة غليان المزيج الأزيوتروبي إما أقل من درجة غليان أي من مكوناته (مزيج أزيوتروبي موجب)، أو أعلى من درجة غليان أي من مكوناته (مزيج أزيوتروبي سالب). في كلتا الحالتين، لا يمكن فصل مكونات المزيج الأزيوتروبي بالتقطير التجزيئي ، ولذلك يُستخدم التقطير الأزيوتروبي عادةً.

في التطبيقات التقنية، يُعد سلوك الخليط من حيث الضغط ودرجة الحرارة والتركيب هو الأهم، ولكن هناك خصائص فيزيائية حرارية أخرى مهمة تتأثر بشدة بالتركيب الأيزوتروبي، بما في ذلك التوتر السطحي [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] وخصائص النقل. [ 6 ] [ 7 ]

أصل الكلمة

يُشتق مصطلح "الأيزوتروب" من الكلمتين اليونانيتين ζέειν (يغلي) وτρόπος (يتحول) مع إضافة البادئة α- (لا) ليعطي المعنى العام "لا تغيير عند الغليان". وقد صاغ هذا المصطلح الكيميائيان الإنجليزيان جون ويد [ 8 ] وريتشارد ويليام ميريمان [ 9 ] عام 1911. ولأن تركيبها لا يتغير بالتقطير، تُسمى الأيزوتروبات أيضاً (خاصة في النصوص القديمة) مخاليط ذات نقطة غليان ثابتة .

الأنواع

الأزيوتروب الموجب

مزيج أزيوتروبي موجب – خليط من الكلوروفورم والميثانول
مخطط طوري لمزيج أزيوتروبي موجب. المحور الرأسي يمثل درجة الحرارة، والمحور الأفقي يمثل التركيب.

يُشكّل المحلول الذي يُظهر انحرافًا إيجابيًا أكبر عن قانون راؤول مزيجًا أزيوتروبيًا أدنى درجة غليان عند تركيبة محددة. وبشكل عام، يغلي المزيج الأزيوتروبي الموجب عند درجة حرارة أقل من أي نسبة أخرى من مكوناته. تُسمى المزيجات الأزيوتروبية الموجبة أيضًا بمخاليط أدنى درجة غليان أو مزيجات أزيوتروبية ذات ضغط أقصى . ومن الأمثلة المعروفة على المزيج الأزيوتروبي الموجب مزيج الإيثانول والماء (المُستخلص من تخمير السكريات) الذي يتكون من 95.63% إيثانول و4.37% ماء (بالكتلة)، والذي يغلي عند 78.2  درجة مئوية. [ 10 ] يغلي الإيثانول عند 78.4  درجة مئوية، ويغلي الماء عند 100  درجة مئوية، لكن المزيج الأزيوتروبي يغلي عند 78.2  درجة مئوية، وهي أقل من درجة غليان أي من مكوناته. [ 11 ] في الواقع، 78.2  درجة مئوية هي أدنى درجة حرارة يمكن أن يغلي عندها أي محلول من الإيثانول والماء عند الضغط الجوي. بمجرد تحقيق هذا التركيب، يصبح للسائل والبخار نفس التركيب، ولا يحدث أي فصل إضافي.

يُعدّ غليان وتكثيف خليط من مذيبين تغيرات في الحالة الفيزيائية ؛ ولذلك، يُوضّح ذلك بشكل أفضل باستخدام مخطط الطور . إذا ثُبّت الضغط، فإنّ المتغيرين هما درجة الحرارة والتركيب.

يُظهر الرسم البياني المجاور مزيجًا أزيوتروبيًا موجبًا لمكونين افتراضيين، X وY. يوضح المنحنى السفلي درجة غليان تراكيب مختلفة. أسفل هذا المنحنى، تكون المرحلة السائلة فقط في حالة توازن. يوضح المنحنى العلوي تركيبة البخار فوق السائل عند درجة حرارة معينة. أعلى هذا المنحنى، يكون البخار فقط في حالة توازن. بين المنحنيين، توجد المرحلتان السائلة والبخارية في حالة توازن في آن واحد: على سبيل المثال، تسخين  خليط بنسبة 25% X : 75% Y إلى درجة الحرارة AB سيُنتج بخارًا بتركيبة B فوق سائل بتركيبة A. الأزيوتروب هو النقطة على الرسم البياني التي يتقاطع عندها المنحنيان. تُظهر الخطوات الأفقية والرأسية مسار عمليات التقطير المتكررة. النقطة A هي درجة غليان خليط غير أزيوتروبي. يتكون البخار المنفصل عند تلك الدرجة من الحرارة من التركيب B. يتطلب شكل المنحنيات أن يكون البخار عند النقطة B أغنى بالمكون X من السائل عند النقطة A. [ 2 ] يُفصل البخار فعليًا عن نظام التوازن بين البخار والسائل (VLE) ويُبرد إلى النقطة C، حيث يتكثف. يصبح السائل الناتج (عند النقطة C) الآن أغنى بالمكون X مما كان عليه عند النقطة A. إذا غُلي السائل المُجمّع مرة أخرى، فإنه ينتقل إلى النقطة D، وهكذا. يُظهر هذا التدرج التدريجي كيف أن التقطير المتكرر لا يُمكن أن يُنتج مُقطّرًا أغنى بالمكون X من المزيج الأيزوتروبي. لاحظ أن البدء من يمين نقطة المزيج الأيزوتروبي يُؤدي إلى نفس العملية التدريجية التي تقترب من نقطة المزيج الأيزوتروبي من الاتجاه الآخر.

الأزيوتروب السالب

الأزيوتروب السالب – خليط من حمض الفورميك والماء
مخطط طوري لمزيج أزيوتروبي سالب. المحور الرأسي يمثل درجة الحرارة، والمحور الأفقي يمثل التركيب.

يُشكّل المحلول الذي يُظهر انحرافًا سلبيًا كبيرًا عن قانون راؤول مزيجًا أزيوتروبيًا عند درجة غليان قصوى عند تركيب مُحدد. يُعدّ حمض النيتريك والماء مثالًا على هذا النوع من المزيجات الأيزوتروبية. يتكون هذا المزيج الأيزوتروبي تقريبًا من 68% حمض نيتريك و32% ماء بالكتلة ، وتبلغ درجة غليانه 393.5 كلفن (120.4 درجة مئوية) . عمومًا، يغلي المزيج الأيزوتروبي السالب عند درجة حرارة أعلى من أي نسبة أخرى من مكوناته. تُسمى المزيجات الأيزوتروبية السالبة أيضًا بمزيجات الغليان القصوى أو مزيجات الضغط الأدنى . مثال على المزيج الأيزوتروبي السالب هو حمض الهيدروكلوريك بتركيز 20.2% وماء بتركيز 79.8% (بالكتلة). يغلي كلوريد الهيدروجين عند -85 درجة مئوية والماء عند 100 درجة مئوية، لكن المزيج الأيزوتروبي يغلي عند 110 درجة مئوية، وهي درجة غليان أعلى من درجة غليان أيٍّ من مكوناته. تبلغ أعلى درجة غليان لأي محلول من حمض الهيدروكلوريك 110 درجة مئوية. أمثلة أخرى:      

يُظهر الرسم البياني المجاور مزيجًا أزيوتروبيًا سالبًا للمكونين المثاليين X وY. يوضح المنحنى السفلي درجة الغليان عند تراكيب مختلفة، ومرة ​​أخرى، أسفل هذا المنحنى، يكون المزيج سائلًا بالكامل. يوضح المنحنى العلوي درجة تكثيف تراكيب مختلفة، ومرة ​​أخرى، أعلى هذا المنحنى، يكون المزيج بخاريًا بالكامل. النقطة A الموضحة هنا هي نقطة غليان بتركيبة مختارة قريبة جدًا من المزيج الأزيوتروبي. يُجمع البخار عند نفس درجة الحرارة عند النقطة B. يُبرد هذا البخار ويُكثف ويُجمع عند النقطة C. ولأن هذا المثال يُمثل مزيجًا أزيوتروبيًا سالبًا وليس موجبًا، فإن المُقطر أبعد عن المزيج الأزيوتروبي من المزيج السائل الأصلي عند النقطة A. لذا، يكون المُقطر أفقر بالمكون X وأغنى بالمكون Y من المزيج الأصلي. لأن هذه العملية قد أزالت نسبة أكبر من Y من السائل مقارنة بما كانت عليه في الأصل، فإن البقايا يجب أن تكون أفقر في Y وأغنى في X بعد التقطير مقارنة بما كانت عليه من قبل.

لو تم اختيار النقطة A على يمين الأيزوتروب بدلاً من يساره، لكان المقطر عند النقطة C أبعد إلى اليمين من A، أي أن المقطر سيكون أغنى بـ X وأفقر بـ Y من الخليط الأصلي. لذا، في هذه الحالة أيضاً، يتحرك المقطر بعيداً عن الأيزوتروب بينما يتحرك المتبقي نحوه. هذه خاصية مميزة للأيزوتروب السالب. مع ذلك، مهما بلغت كمية التقطير، لا يمكن للمقطر أو المتبقي أن يصل إلى الجانب المقابل للأيزوتروب من الخليط الأصلي. هذه خاصية مميزة لجميع الأيزوتروب.

الأزيوتروب المزدوج

مزيج أزيوتروبي مزدوج من البنزين وسداسي فلورو البنزين. النسب بالوزن

توجد أيضًا أزيوتروبات أكثر تعقيدًا، تتضمن كلًا من نقطة غليان دنيا ونقطة غليان قصوى. يُطلق على هذا النظام اسم أزيوتروب مزدوج، وله تركيبان أزيوتروبيان ونقطتا غليان. ومن الأمثلة على ذلك الماء و N- ميثيل إيثيلين ديامين [ 12 ] ، وكذلك البنزين وسداسي فلورو البنزين .

الأنظمة المعقدة

نظام أزيوتروبي سرجي من الميثانول/الأسيتون/الكلوروفورم محسوب باستخدام نموذج UNIFAC المعدل

بعض الأيزوتروبات لا تندرج ضمن فئتي الأيزوتروب الموجب أو السالب. أشهرها الأيزوتروب الثلاثي المكون من 30% أسيتون ، و47% كلوروفورم ، و23% ميثانول ، والذي يغلي عند 57.5  درجة مئوية. يشكل كل زوج من هذه المكونات أيزوتروبًا ثنائيًا، لكن الكلوروفورم/ميثانول والأسيتون/ميثانول يشكلان أيزوتروبًا موجبًا، بينما يشكل الكلوروفورم/أسيتون أيزوتروبًا سالبًا. الأيزوتروب الثلاثي الناتج ليس موجبًا ولا سالبًا. تقع درجة غليانه بين درجتي غليان الأسيتون والكلوروفورم، لذا فهي ليست درجة غليان عظمى ولا صغرى. يُسمى هذا النوع من الأنظمة بالأيزوتروب السرج . [ 13 ] لا يمكن تكوين الأيزوتروب السرج إلا في الأنظمة المكونة من ثلاثة مكونات أو أكثر.

قابلية الامتزاج والزيوتروب

مخطط طوري يوضح العلاقة بين الأطوار المختلفة لمزيج غير متجانس. [ 2 ] [ 13 ] المحور الرأسي يمثل درجة الحرارة، والمحور الأفقي يمثل التركيب. يشير الخط الرأسي المنقط إلى تركيب الطبقات المدمجة للمقطر عندما تكون كلتا الطبقتين موجودتين في المزيج الأصلي.

إذا كانت مكونات الخليط قابلة للامتزاج التام بجميع النسب، يُطلق على هذا النوع من الأيزوتروب اسم الأيزوتروب المتجانس . ويمكن أن تكون الأيزوتروبات المتجانسة من النوع ذي درجة الغليان المنخفضة أو النوع ذي درجة الغليان العالية. على سبيل المثال، يمكن مزج أي كمية من الإيثانول مع أي كمية من الماء لتكوين محلول متجانس.

إذا لم تكن مكونات الخليط قابلة للامتزاج التام، يُمكن إيجاد مزيج أزيوتروبي داخل فجوة الامتزاج . يُسمى هذا النوع من المزيج الأزيوتروبي بالمزيج الأزيوتروبي غير المتجانس . ينتج عن التقطير الأزيوتروبي غير المتجانس طوران سائلان. لا يُعرف وجود المزيج الأزيوتروبي غير المتجانس إلا في حالة سلوكه الأزيوتروبي عند درجة حرارة دنيا. على سبيل المثال، إذا تم خلط حجمين متساويين من الكلوروفورم (ذوبانيته في الماء 0.8 غ/100 مل عند 20 درجة مئوية) والماء معًا ثم تُركا، سينفصل السائل إلى طبقتين. يُظهر تحليل الطبقتين أن الطبقة العلوية تتكون في الغالب من الماء مع كمية قليلة من الكلوروفورم المذاب فيه، بينما تتكون الطبقة السفلية في الغالب من الكلوروفورم مع كمية قليلة من الماء المذاب فيه. إذا سُخّنت الطبقتان معًا، فإن نظام الطبقات سيغلي عند 53.3 درجة مئوية، وهي أقل من درجة غليان الكلوروفورم (61.2 درجة مئوية) أو درجة غليان الماء (100 درجة مئوية). سيتكون البخار من 97.0% كلوروفورم و3.0% ماء بغض النظر عن كمية كل طبقة سائلة موجودة، شريطة وجود الطبقتين معًا. إذا أُعيد تكثيف البخار، ستتشكل الطبقات من جديد في المكثف، بنسبة ثابتة، وهي في هذه الحالة 4.4% من الحجم في الطبقة العلوية و95.6% في الطبقة السفلية. [ 14 ]    

تُعرف مخاليط المذيبات التي لا تُشكّل مزيجًا أزيوتروبيًا عند مزجها بأي نسبة بأنها مخاليط زيتروبية . تُستخدم المخاليط الأزيوتروبية في فصل المخاليط الزيتروبية. ومن الأمثلة على ذلك حمض الأسيتيك والماء. من الصعب جدًا فصل حمض الأسيتيك النقي (نقطة غليانه: 118.1  درجة مئوية): فالتقطير المتكرر يُنتج محاليل أكثر جفافًا، ولكن كل عملية تقطير إضافية تُقلل من فعالية إزالة الماء المتبقي. لذلك، يُعد تقطير المحلول للحصول على حمض أسيتيك جاف غير عملي من الناحية الاقتصادية. ولكن يُشكّل أسيتات الإيثيل مزيجًا أزيوتروبيًا مع الماء يغلي عند 70.4  درجة مئوية. بإضافة أسيتات الإيثيل كمُساعد تقطير، يُمكن تقطير المزيج الأزيوتروبي والحصول على حمض أسيتيك نقي تقريبًا كمتبقي.

عدد المكونات

إنشاء مخطط pvx المناسب لمزيج أزيوتروبي [ 15 ]

تُسمى الأيزوتروبات المكونة من عنصرين بالأيزوتروبات الثنائية ، مثل ثنائي إيثيل الإيثر (33%) / هالوثان (66%)، وهو مزيج كان شائع الاستخدام في التخدير . أما الأيزوتروبات المكونة من ثلاثة عناصر فتُسمى بالأيزوتروبات الثلاثية ، مثل الأسيتون / الميثانول / الكلوروفورم . كما تُعرف أيضًا الأيزوتروبات التي تحتوي على أكثر من ثلاثة عناصر.

حالة الوجود

الضغط البخاري الكلي للمخاليط كدالة للتركيب عند درجة حرارة ثابتة مختارة

يربط هذا الشرط معاملات النشاط في الطور السائل بالضغط الكلي وضغوط بخار المكونات النقية.

لا يمكن أن تتشكل الأيزوتروب إلا عندما ينحرف الخليط عن قانون راؤول ، وهو تساوي التركيبات في الطور السائل والطور البخاري ، في حالة توازن البخار والسائل ، وقانون دالتون الذي ينص على تساوي الضغوط بحيث يكون الضغط الكلي مساوياً لمجموع الضغوط الجزئية في الخلائط الحقيقية.

بمعنى آخر: يتنبأ قانون راؤول بضغوط بخار المخاليط المثالية كدالة لنسبة تركيبها. ببساطة: وفقًا لقانون راؤول، تلتصق جزيئات المكونات ببعضها البعض بنفس درجة التصاقها ببعضها. على سبيل المثال، إذا كانت المكونات هي X وY، فإن X يلتصق بـY بطاقة متساوية تقريبًا مع طاقة التصاق X بـX وY بـY. ينتج انحراف موجب عن قانون راؤول عندما يكون للمكونات تنافر فيما بينها - أي أن X يلتصق بـX وY بـY بشكل أفضل من التصاق X بـY. ولأن هذا يؤدي إلى انخفاض إجمالي ألفة جزيئات الخليط مقارنةً بالمكونات النقية، فإنها تتسرب بسهولة أكبر من الحالة المتماسكة، أي الحالة السائلة، إلى الحالة البخارية. عندما يلتصق X بـY بقوة أكبر من التصاق X بـX وY بـY، تكون النتيجة انحرافًا سالبًا عن قانون راؤول. في هذه الحالة، ولأن الجزيئات في الخليط تلتصق ببعضها البعض أكثر من المكونات النقية، فإنها تكون أكثر مقاومة للهروب من الطور السائل الملتصق. [ 2 ]

عندما يكون الانحراف كبيرًا بما يكفي للتسبب في ظهور قيم عظمى أو صغرى محلية في الرسم البياني لضغط البخار مقابل الكسر المولي (أيدPدχX=0{\displaystyle {\frac {dP}{d{\chi }_{X}}}=0}(لجزء مولي معين من X في المحلول)، ومن النتائج الرياضية لمعادلة جيبس-دوهيم أنه عند تلك النقطة، سيكون للبخار فوق المحلول نفس تركيب السائل، مما يؤدي إلى تكوين مزيج أزيوتروبي. [ 16 ]

يوضح الرسم البياني المجاور الضغط البخاري الكلي لثلاثة مخاليط افتراضية من المكونات X وY. يُفترض ثبات درجة الحرارة في جميع أنحاء الرسم البياني. يمثل الخط الأوسط خطًا مستقيمًا، وهو ما يتنبأ به قانون راؤول للمخاليط المثالية. بشكل عام، تُشكل مخاليط المذيبات المتشابهة كيميائيًا فقط، مثل الهكسان العادي مع الهبتان العادي ، مخاليط شبه مثالية تقترب من الامتثال لقانون راؤول. يوضح الخط العلوي خليطًا غير مثالي ينحرف انحرافًا موجبًا عن قانون راؤول، حيث يكون الضغط البخاري الكلي للمكونين X وY أكبر مما يتنبأ به القانون. ينحرف الخط العلوي انحرافًا كافيًا بحيث توجد نقطة على المنحنى يكون عندها المماس أفقيًا. عندما يكون للخليط انحراف موجب ونقطة يكون عندها المماس أفقيًا، يكون التركيب عند تلك النقطة مزيجًا أزيوتروبيًا موجبًا. [ 17 ] عند تلك النقطة، يكون الضغط البخاري الكلي في أعلى قيمة له. وبالمثل، يوضح الرسم البياني السفلي خليطًا غير مثالي ينحرف انحرافًا سلبيًا عن قانون راؤول، وعند التركيب الذي يكون فيه المماس للرسم البياني أفقيًا، توجد نقطة أزيوتروب سالبة. وهذه هي أيضًا النقطة التي يكون عندها ضغط البخار الكلي في أدنى مستوياته. [ 17 ]

الانفصال

إذا كان بإمكان المذيبين تكوين مزيج أزيوتروبي سالب، فإن تقطير أي خليط من هذين المكونين سيؤدي إلى أن يكون المتبقي أقرب إلى التركيب عند نقطة الأزيوتروبي من الخليط الأصلي. على سبيل المثال، إذا كان محلول حمض الهيدروكلوريك يحتوي على أقل من 20.2% من كلوريد الهيدروجين ، فإن غلي الخليط سيترك محلولًا أغنى بكلوريد الهيدروجين من المحلول الأصلي. أما إذا كان المحلول يحتوي في البداية على أكثر من 20.2% من كلوريد الهيدروجين، فإن الغلي سيترك محلولًا أفقر بكلوريد الهيدروجين من المحلول الأصلي. سيؤدي غلي أي محلول من حمض الهيدروكلوريك لفترة كافية إلى اقتراب المحلول المتبقي من نسبة الأزيوتروبي. [ 18 ] من ناحية أخرى، إذا كان بإمكان المذيبين تكوين مزيج أزيوتروبي موجب، فإن تقطير أي خليط من هذين المكونين سيؤدي إلى أن يكون المتبقي أبعد عن التركيب عند نقطة الأزيوتروبي من الخليط الأصلي. على سبيل المثال، إذا تم تقطير خليط بنسبة 50/50 من الإيثانول والماء مرة واحدة، فسيكون الناتج المقطر 80% إيثانول و20% ماء، وهو أقرب إلى المزيج الأيزوتروبي من الخليط الأصلي، مما يعني أن المحلول المتبقي سيكون أقل تركيزًا بالإيثانول. [ 19 ] ينتج عن تقطير الخليط بنسبة 80/20% ناتج مقطر بنسبة 87% إيثانول و13% ماء. وتؤدي عمليات التقطير المتكررة إلى إنتاج مخاليط تقترب تدريجيًا من النسبة الأيزوتروبية 95.5/4.5%. ولن ينتج عن أي عدد من عمليات التقطير ناتج مقطر يتجاوز النسبة الأيزوتروبية. وبالمثل، عند تقطير خليط من الإيثانول والماء أغنى بالإيثانول من الأيزوتروب، سيكون الناتج المقطر (على عكس المتوقع) أقل تركيزًا بالإيثانول من الخليط الأصلي، ولكنه سيظل أغنى من الأيزوتروب. [ 20 ]

يُعدّ التقطير من الأدوات الأساسية التي يستخدمها الكيميائيون ومهندسو الكيمياء لفصل المخاليط إلى مكوناتها. ولأن التقطير لا يفصل مكونات المزيج الأيزوتروبي، فإن فصل هذه المخاليط (المعروف أيضًا بكسر الأيزوتروب ) يُعدّ موضوعًا ذا أهمية بالغة. [ 13 ] في الواقع، دفعت هذه الصعوبة بعض الباحثين الأوائل إلى الاعتقاد بأن الأيزوتروبات هي في الحقيقة مركبات لمكوناتها. [ 2 ] ولكن هناك سببان يدعوان إلى الاعتقاد بأن هذا ليس صحيحًا. أولهما أن النسبة المولية لمكونات المزيج الأيزوتروبي لا تكون عادةً نسبة أعداد صحيحة صغيرة. على سبيل المثال، يحتوي المزيج الأيزوتروبي المتكون من الماء والأسيتونيتريل على 2.253 مول (أو 9/4 مع هامش خطأ نسبي لا يتجاوز 2%) من الأسيتونيتريل لكل مول من الماء. [ 21 ] ثمة سببٌ أقوى للاعتقاد بأن الأيزوتروبات ليست مركبات، كما نوقش في القسم السابق، وهو أن تركيب الأيزوتروب يتأثر بالضغط. قارن ذلك بالمركب الحقيقي، ثاني أكسيد الكربون على سبيل المثال، الذي يتكون من مولين من الأكسجين لكل مول من الكربون بغض النظر عن الضغط الذي يُرصد عنده الغاز. إن تأثر تركيب الأيزوتروب بالضغط يُشير إلى وسيلةٍ لفصل هذا المزيج.

التقطير بتأرجح الضغط

تغير تركيبة الأيزوتروب نتيجة لتغير الضغط

يُظهر الرسم التخطيطي المجاور مزيجًا أزيوتروبيًا افتراضيًا للمكونين X وY. يُمثل الرسم مجموعتين من المنحنيات على مخطط الطور، إحداهما عند ضغط منخفض مُختار عشوائيًا، والأخرى عند ضغط أعلى مُختار عشوائيًا أيضًا. يختلف تركيب المزيج الأزيوتروبي اختلافًا كبيرًا بين الرسمين عند الضغطين العالي والمنخفض: حيث يكون تركيز X أعلى في نظام الضغط العالي. الهدف هو فصل X بأعلى تركيز ممكن بدءًا من النقطة A. عند الضغط المنخفض، يُمكن، من خلال التقطير التدريجي، الوصول إلى مُقطّر عند النقطة B، التي تقع على نفس جانب المزيج الأزيوتروبي مثل النقطة A. تُظهر خطوات التقطير المتتالية بالقرب من تركيب المزيج الأزيوتروبي اختلافًا طفيفًا جدًا في درجة الغليان. إذا تعرض هذا المقطر الآن لضغط عالٍ، فإنه يغلي عند النقطة C. ومن C، من خلال التقطير التدريجي، يمكن الوصول إلى مقطر عند النقطة D، والتي تقع على نفس جانب خط الأيزوتروب ذي الضغط العالي مثل C. وإذا تعرض هذا المقطر مرة أخرى لضغط منخفض، فإنه يغلي عند النقطة E، والتي تقع على الجانب المقابل لخط الأيزوتروب ذي الضغط المنخفض مثل A. لذا، من خلال تغيير الضغط، يمكن عبور خط الأيزوتروب ذي الضغط المنخفض.

عند غلي المحلول عند النقطة E، يكون المقطر أفقر بـ X من البقايا عند النقطة E. وهذا يعني أن البقايا أغنى بـ X من المقطر عند النقطة E. في الواقع، يمكن للتقطير التدريجي أن ينتج بقايا غنية بـ X بالقدر المطلوب.

في ملخص:

  1. تقويم الضغط المنخفض (من أ إلى ب)
  2. عملية التقطير بالضغط العالي (من C إلى D)
  3. عملية التجريد بالضغط المنخفض (من E إلى درجة النقاء المستهدفة)
  • التقطير: يتم الاحتفاظ بالمقطر، أو "القمة"، ويظهر نقطة غليان أقل بشكل متزايد.
  • التجريد: يتم الاحتفاظ بالبقايا، أو "القاع"، وتظهر نقطة غليان أعلى بشكل متزايد.

يُعدّ مزيج 5% ماء مع 95% رباعي هيدروفوران مثالًا على مزيج أزيوتروبي يُمكن فصله اقتصاديًا باستخدام تغيير الضغط: تغيير الضغط في هذه الحالة بين 1 ضغط جوي و8 ضغط جوي . في المقابل، لا يتأثر تركيب مزيج الماء إلى الإيثانول الأزيوتروبي المذكور سابقًا بالضغط بدرجة كافية لفصله بسهولة باستخدام تغيير الضغط [ 13 ] ، وبدلًا من ذلك، يُمكن إضافة مُحسِّن إما لتعديل تركيب المزيج الأزيوتروبي ويُظهر عدم امتزاج مع أحد المكونات، أو يُمكن استخدام التقطير الاستخلاصي . [ 22 ]

التقطير الأيزوتروبي

تتضمن طرق الفصل الأخرى إضافة عامل إضافي، يُسمى المُحسِّن ، يؤثر على تطاير أحد مكونات المزيج الأيزوتروبي أكثر من الآخر. عند إضافة المُحسِّن إلى مزيج أيزوتروب ثنائي لتكوين مزيج أيزوتروب ثلاثي، ثم تقطير المزيج الناتج، تُسمى هذه الطريقة بالتقطير الأيزوتروبي. المثال الأكثر شيوعًا هو إضافة البنزين أو سيكلوهكسان إلى مزيج الماء/الإيثانول الأيزوتروبي. باستخدام السيكلوهكسان كمُحسِّن، يتكون المزيج الأيزوتروبي الثلاثي من 7% ماء، و17% إيثانول، و76% سيكلوهكسان، ويغلي عند 62.1  درجة مئوية. [ 23 ] تُضاف كمية كافية من السيكلوهكسان إلى مزيج الماء/الإيثانول الأيزوتروبي لإدخال كل الماء في المزيج الأيزوتروبي الثلاثي. عند غلي الخليط، يتبخر المزيج الأيزوتروبي تاركاً بقايا تتكون بالكامل تقريباً من الإيثانول الزائد. [ 13 ]

الفصل بالتفاعل الكيميائي

نوع آخر من المواد المساعدة هو مادة ذات ألفة كيميائية قوية لأحد مكونات المذيب. بالعودة إلى مثال مزيج الماء/الإيثانول الأيزوتروبي، يمكن رجّ السائل مع أكسيد الكالسيوم ، الذي يتفاعل بقوة مع الماء لتكوين مركب هيدروكسيد الكالسيوم غير المتطاير . يمكن فصل معظم هيدروكسيد الكالسيوم بالترشيح ، ثم إعادة تقطير الراشح للحصول على إيثانول نقي بنسبة 100%. مثال أكثر تطرفًا هو مزيج الماء بنسبة 1.2% مع ثنائي إيثيل الإيثر بنسبة 98.8% . يحتفظ الإيثر بآخر قطرات الماء بقوة شديدة، بحيث لا يمكن الحصول على إيثر جاف تمامًا إلا بإضافة مادة مجففة قوية جدًا ، مثل فلز الصوديوم ، إلى الطور السائل. [ 24 ] يُستخدم كلوريد الكالسيوم اللامائي كمادة مجففة لتجفيف مجموعة واسعة من المذيبات نظرًا لانخفاض تكلفته وعدم تفاعله مع معظم المذيبات غير المائية باستثناء الكحولات الأولية البسيطة. يُعد الكلوروفورم مثالاً على المذيبات التي يمكن تجفيفها بفعالية باستخدام كلوريد الكالسيوم. [ 24 ]

التقطير باستخدام ملح مذاب

عند إذابة ملح في مذيب، فإنه يؤدي دائمًا إلى رفع درجة غليان ذلك المذيب، أي أنه يقلل من تطايره. عندما يكون الملح سهل الذوبان في أحد مكونات الخليط دون الآخر، تقل تطايرية المكون الذي يذوب فيه الملح، بينما يبقى المكون الآخر دون تغيير. بهذه الطريقة، على سبيل المثال، يمكن فصل مزيج الماء/الإيثانول الأيزوتروبي بإذابة أسيتات البوتاسيوم فيه وتقطير الناتج. [ 13 ]

التقطير الاستخلاصي

التقطير الاستخلاصي مشابه للتقطير الأيزوتروبي، إلا أن المادة المساعدة في هذه الحالة أقل تطايرًا من أي من مكونات الأيزوتروب. على سبيل المثال، يمكن فصل الأيزوتروب المكون من 20% أسيتون و80% كلوروفورم بإضافة الماء وتقطير الناتج. يشكل الماء طبقة منفصلة يذوب فيها الأسيتون بشكل تفضيلي. والنتيجة هي أن المقطر يكون أغنى بالكلوروفورم من الأيزوتروب الأصلي. [ 13 ]

التبخير عبر الغشاء وطرق الأغشية الأخرى

تستخدم طريقة التبخير عبر الغشاء غشاءً ذا نفاذية أعلى لأحد المكونات مقارنةً بغيره لفصل مكونات المزيج الأيزوتروبي أثناء انتقاله من الحالة السائلة إلى الحالة البخارية. يُثبّت الغشاء بين الطورين السائل والبخاري. وهناك طريقة أخرى تعتمد على الأغشية، وهي نفاذية البخار ، حيث تمر المكونات عبر الغشاء بالكامل في الحالة البخارية. في جميع طرق الأغشية، يفصل الغشاء السائل المار عبره إلى مُرشّح (السائل الذي يمر عبر الغشاء) ومُركّز ( السائل الذي يبقى). عند اختيار الغشاء بحيث يكون أكثر نفاذية لأحد المكونات من غيره، يكون المُرشّح أغنى بهذا المكون الأول من المُركّز. [ 13 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ " تعريف ومعنى الأيزوتروب - قاموس كولينز الإنجليزي" . www.collinsdictionary.com
  2. 1 2 3 4 5 مور، والتر ج. الكيمياء الفيزيائية ، الطبعة الثالثة، برنتيس هول 1962، الصفحات 140-142
  3. ↑ شتاوباخ، ينس؛ ستيفان، سيمون (28 سبتمبر 2022). "الخواص البينية للخلائط الأيزوتروبية الثنائية للسوائل البسيطة: محاكاة الديناميكا الجزيئية ونظرية تدرج الكثافة" . مجلة الفيزياء الكيميائية . 157 (12): 124702. doi : 10.1063/5.0100728 . ISSN 0021-9606 . 
  4. ↑ ماكلور، آي إيه؛ إدموندز، بي؛ لال، إم. (1973). "القيم القصوى للتوتر السطحي لخلائط الفلوروكربون والهيدروكربون" . مجلة نيتشر للعلوم الفيزيائية . 241 (107): 71-71 . doi : 10.1038/physci241071a0 . ISSN 0300-8746 . 
  5. ↑ شيفر، إليزابيث؛ سادوفسكي، غابرييل؛ إندرز، سابين (يناير 2014). "التوتر السطحي للخلائط الثنائية التي تُظهر سلوكًا أزيوتروبيًا: القياس والنمذجة باستخدام PCP-SAFT مع نظرية تدرج الكثافة". توازن الطور السائل . 362 : 151-162 . doi : 10.1016/j.fluid.2013.09.042 . ISSN 0378-3812 . 
  6. ↑ "95/05209 خصائص النقل للخلائط الثلاثية شبه الأيزوتروبية". ملخصات الوقود والطاقة . 36 (5): 365. سبتمبر 2009. doi : 10.1016/0140-6701(95)96948-c . ISSN 0140-6701 . 
  7. ↑ فيرتيغ، ديفيد؛ هاس، هانز؛ ستيفان، سيمون (ديسمبر 2002). "خصائص النقل لخلائط لينارد-جونز الثنائية: رؤى من قياس الإنتروبيا ونظرية المحلول المطابق". مجلة السوائل الجزيئية . 367 120401. doi : 10.1016/j.molliq.2022.120401 . ISSN 0167-7322 . 
  8. ↑ F. Gowland Hopkins (1913) "إعلانات الوفاة: جون ويد"، مجلة معاملات الجمعية الكيميائية ، 103  : 767-774.
  9. ↑ ويد، جون؛ ميريمان، ريتشارد ويليام (1911). "تأثير الماء على درجة غليان الإيثانول عند ضغوط أعلى وأقل من الضغط الجوي" . مجلة الجمعية الكيميائية، المعاملات . 99 : 997-1011 . doi : 10.1039/CT9119900997 .من الصفحة 1004: "... يُقترح، لتجنب العبارة المطولة "المخاليط ذات الحد الأدنى (أو الحد الأقصى) لنقطة الغليان"، تسميتها بالمخاليط الأيزوتروبية (α، نفي؛ ζέω، للغليان)."
  10. ↑ المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا. "المادة المرجعية القياسية 1828: محاليل الإيثانول والماء" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 8 يونيو 2011.
  11. ↑ روسو، رونالد دبليو؛ جيمس آر. فير (1987). دليل تكنولوجيا عمليات الفصل . وايلي-IEEE. الصفحات 261-262 . ISBN  978-0-471-89558-9.
  12. ↑ أولسون، جون د. "الديناميكا الحرارية لخلائط الروابط الهيدروجينية 4" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 16 سبتمبر 2008. تم الاطلاع عليه في 27 يناير 2008 .
  13. 1 2 3 4 5 6 7 8 هيلمن، إيفا-كاترين (نوفمبر 2000). "فصل المخاليط الأيزوتروبية: أدوات التحليل ودراسات حول عملية التقطير الدفعي" (ملف PDF) . الجامعة النرويجية للعلوم والتكنولوجيا، قسم الهندسة الكيميائية. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 15 يونيو 2007. تم الاطلاع عليه في 24 مارس 2007 .
  14. ↑ دليل CRC للكيمياء والفيزياء ، الطبعة 44، ص 2156.
  15. ↑ ديفيد، سي دبليو، https://opencommons.uconn.edu/chem_educ/107
  16. ↑ كوغا، يوشيكاتا (2017). "الفصل الثاني - الديناميكا الحرارية للمحاليل - استخدام المشتقات الثانية والثالثة لـ G". الديناميكا الحرارية للمحاليل وتطبيقاتها على المحاليل المائية ( الطبعة الثانية). إلسيفير. الصفحات 52-53 . ISBN   978-0-444-63629-4.
  17. 1 2 جيم كلارك. "مخاليط السوائل غير المثالية" . Chemguide.co.uk. مؤرشف من الأصل في 20 فبراير 2008. تم الاطلاع عليه في 5 مارس 2008 .
  18. ↑ فهرس ميرك للمواد الكيميائية والأدوية ، الطبعة التاسعة، دراسة رقم 4667
  19. ↑ كلارك، جيم (فبراير 2014). "مخاليط السوائل غير المثالية" . chemguide.co.uk .
  20. ↑ موريسون، روبرت ثورنتون؛ بويد، روبرت نيلسون، الكيمياء العضوية ، الطبعة الثانية، ألين وبيكون، 1972، ص 508
  21. ↑ بونتون، جاك (سبتمبر 2001). "قاعدة بيانات الأيزوتروب" . مجموعة إدنبرة للبرمجيات المفتوحة للمحاكاة والتعليم، جامعة إدنبرة. مؤرشف من الأصل (قاعدة بيانات قابلة للاستعلام) في 24 أبريل 2007. تم الاطلاع عليه في 14 أبريل 2007 .
  22. ↑ دليل بيري لمهندس الكيمياء، الطبعة السابعة، 1997
  23. ↑ دليل CRC للكيمياء والفيزياء ، الطبعة 44، ص 2181
  24. 1 2 كوهين، جوليوس ب. الكيمياء العضوية العملية ماكميلان 1930