Azeótropo

Un azeótropo (o mezcla azeotrópica) es una mezcla líquida de dos o más componentes que posee un único punto de ebullición constante y fijo, y que al pasar al estado vapor (gaseoso) se comporta como un compuesto puro, o sea como si fuese un solo componente.

Un azeótropo, puede hervir a una temperatura superior, intermedia o inferior a la de los constituyentes de la mezcla, permaneciendo el líquido con la misma composición inicial, al igual que el vapor, por lo que no es posible separarlos por destilación simple.

El azeótropo que hierve a una temperatura máxima se llama azeótropo de ebullición máxima y el que lo hace a una temperatura mínima se llama azeótropo de ebullición mínima, los sistemas azeotrópicos de ebullición mínima son más frecuentes que los de ebullición máxima.

Un ejemplo es la mezcla de etanol y agua,^[1] que forma un azeótropo para una concentración del 96% en peso de alcohol, que hierve a una temperatura de 78,2 °C. Con una destilación simple se obtiene un alcohol con esta concentración (título), pero para conseguir un compuesto más puro se necesita utilizar recursos especiales como una destilación azeotrópica.

Tipos

Azeótropos positivos y negativos

Cada azeótropo tiene una temperatura de ebullición característica, el cual puede ser menor o mayor que las temperaturas de ebullición de cualquiera de sus componentes. Los azeotrópos constituidos por 2 componentes son llamados azeótropos binarios, por tres azeótropos ternarios, etc.

Ejemplos conocidos son mezclas de un 95.63% etanol + agua a presión atmosférica (1 atm, o 101.3 kPa). Etanol y agua hierven a 78.4 °C y 100 °C respectivamente, mientras que el azeótropo lo hace a 78.2 °C. De hecho, 78.2 °C es la mínima temperatura a la que una mezcla de etanol + agua puede hervir, a presión atmosférica.^[2] Se trata entonces de un azeótropo de temperatura mínima, también conocido como azeótropo positivo debido a cómo el comportamiento de esta mezcla se desvía de la ley de Raoult.

Un ejemplo de mezcla azeotrópica negativa es el ácido clorhídrico, a una concentración de 20.2% de cloruro de hidrógeno en agua. El cloruro de hidrógeno hierve a -84 °C, mientras que el azeótropo lo hace a 110 °C, la cual es mayor, por lo tanto se trata de un azeótropo de temperatura máxima o negativo debido nuevamente, a su desviación respecto de la ley de Raoult.

Azeótropos homogéneos y heterogéneos

Si los compuestos presentes en la mezcla no son completamente miscibles, es posible encontrar un azeótropo sobre una agujero de miscibilidad. Este tipo de azeótropo es llamado heterogéneo entonces, debido a la presencia de 2 fases líquidas sobre la fase vapor. Por el contrario, si el azeótropo se encuentra fuera de una zona de inmiscibilidad (como los ejemplos anteriores de etanol+agua y cloruro de hidrógeno+agua), se trata de un azeótropo homogéneo.

Destilación de mezclas azeotrópicas

Destilación discontinua de etanol+agua. Datos experimentales: CRC Handbook of Chemistry 44th ed., p2391

Si dos solventes forman un azeótropo positivo, la destilación de una mezcla de estos compuestos con cualquier composición, producirá un destilado con una composición más cercana a la del azeótropo. Retomando el ejemplo etanol+agua, si se someta a una destilación simple una mezcla al 50% de etanol evaporando un 50% de la mezcla se obtendrán dos productos: agua más pura en fondo (~25% etanol), y un destilado con una concentración mayor en etanol (~74%). Si esa mezcla vuelve a destilarse se obtendrá un 2º destilado, con una concentración de etanol de aproximadamente 82%. Una 3ª destilación arrojará dará un destilado de un ~87% de etanol. Como se aprecia en la figura, sucesivas destilaciones aproximan el destilado a una composición del azeótropo (95% de etanol), pero nunca a etanol puro. También es posible partir de una mezcla con una composición de etanol mayor que la del azeótropo, lo que volverá a producir un destilado más cercano al en composición al azeótropo, y un fondo esta vez más rico en etanol en lugar de agua.^{[3] [4]} En teoría, infinitas destilaciones dan como resultado una mezcla de composición azeotrópica. En la práctica esto no es posible, ya que en este ejemplo hemos supuesto que en cada destilación evaporamos solo la mitad por lo tanto, a infinito número de destilaciones, se tiene una cantidad infinitamente pequeña de destilado.

En tanto, si dos componentes forman un azeótropo negativo, no será el destilado sino el residuo el que se acerque en composición al azeótropo. Retomando el ejemplo de cloruro de hidrógeno+agua, conteniendo menos de un 20.2% de cloruro de hidrógeno, una primera destilación simple deja como residuo una mezcla más concentrada en ácido clorhídrico. Si por el contrario, la solución contiene más que un 20.2% de cloruro de hidrógeno el residuo tendrá menos ácido que el original, acercándose a su composición azeotrópica.^[5]

Ejemplos

• Ácido nítrico (68,4 %) / agua, hierve a 122 °C.
• Ácido perclórico (28,4 %) / agua, hierve a 203 °C (azeótropo negativo).
• Ácido fluorhídrico (35,6 %) / agua, hierve a 111,35 °C (azeótropo negativo).
• Etanol (95%) / agua, hierve a 78,2 °C.
• Ácido sulfúrico (98,3%) / agua, hierve a 336 °C.
• Acetona / metanol / cloroformo forma un azeótropo intermedio.
• Cloruro de hidrógeno (20 %) / agua

Referencias

1. ↑ National Institute of Standards and Technology. «Standard Reference Material 1828: Ethanol-Water Solutions».
2. ↑ Rousseau, Ronald W.; James R. Fair (1987). Handbook of separation process technology. Wiley-IEEE. pp. 261–262. ISBN 047189558X. 
3. ↑ Morrison, Robert Thornton; Boyd, Robert Neilson, Organic Chemistry, 2nd ed., Allyn and Bacon, 1972, p 508
4. ↑ http://www.chemguide.co.uk/physical/phaseeqia/nonideal.html
5. ↑ Merck Index of Chemicals and Drugs, 9th ed., monograph 4667

Véase también

• Eutéctico