Destilace může působit jednoduše: směs zahřejeme, těkavější složka přejde ochotněji do páry a tu pak ochladíme zpět na kapalinu. U směsi ethanolu a vody tento princip funguje, ale jen do určitého bodu. Další obohacování ethanolem začne brzdit vlastnost, které se říká azeotrop.
Co se děje na rozhraní kapaliny a páry
Když se kapalina zahřívá, část jejích molekul přechází do plynné fáze. Zároveň se některé molekuly páry vracejí zpět do kapaliny. Při rovnováze se oba děje vyrovnávají: molekuly se dál vyměňují, ale složení kapaliny a páry se za ustálených podmínek nemění.
Pro destilaci je podstatné, že pára většinou nemá stejné složení jako kapalina. U vodnaté směsi ethanolu bývá pára relativně bohatší na ethanol. Když ji oddělíme a zkondenzujeme, získáme kapalinu s vyšším podílem ethanolu, než měla původní směs. Opakováním odpařování a kondenzace lze směs dál obohacovat.
Nejde tedy jen o to, že ethanol a voda mají rozdílné teploty varu. Rozhoduje také to, jak se jejich molekuly ve směsi chovají a jaké složení má pára, která je s kapalinou v rovnováze. Směs ethanolu a vody se v tomto ohledu nechová jako dokonale jednoduchá, ideální směs.
Azeotrop je hranice, kde se složení vyrovná
Azeotrop je stav, při němž mají kapalina a pára stejné složení. Přestože se kapalina dál odpařuje a pára kondenzuje, jejich poměr složek se při daném tlaku nemění. Pára tak už není bohatší na ethanol než kapalina, ze které vznikla. Destilační krok proto neposune složení směsi dál žádoucím směrem.
Při atmosférickém tlaku tvoří ethanol s vodou minimum-varný azeotrop. Jeho teplota varu je přibližně 78,2 °C a obsah ethanolu zhruba 95,6 % hmotnostně. To poslední je důležité: údaj neznamená automaticky 95,6 % objemových. Jde o různé způsoby vyjádření podílu a nelze je zaměňovat.
Označení „minimum-varný“ říká, že azeotrop vře při nižší teplotě než čistý ethanol i čistá voda. Pro samotnou destilaci je ale nejdůležitější shoda složení obou fází. Když se směs k azeotropu blíží, rozdíl mezi složením kapaliny a páry se zmenšuje; v azeotropním bodě zmizí.
Proč nepomůže jen výkonnější destilační zařízení
Azeotropní mez není známkou toho, že by přístroj zahříval málo nebo že by destilace nebyla dostatečně pečlivá. Jde o rovnovážné chování samotné směsi. Ani opakování běžných rovnovážných destilačních kroků u binární směsi ethanolu a vody nepřekoná při daném tlaku její azeotropní složení.
To ale neznamená, že nelze získat ethanol s nižším obsahem vody. Azeotrop omezuje běžnou destilaci samotné směsi, nikoli všechny způsoby separace. V průmyslu se používají další postupy, například sušení pomocí molekulových sít nebo procesy s další látkou, která změní rovnováhu mezi kapalinou a párou.
Azeotropní složení navíc závisí na tlaku. Hodnoty kolem 95,6 % hmotnostně a 78,2 °C platí orientačně pro atmosférický tlak, ne za všech provozních podmínek. Azeotrop proto není pevná vlastnost ethanolu samotného, ale charakteristický bod konkrétní směsi při určitých podmínkách.
Směs, která se při varu nemění
Azeotrop není nová chemická látka ani čistý ethanol. Je to směs, v níž se při daném tlaku složení kapaliny a páry shoduje. Právě proto představuje pro běžnou destilaci nenápadnou, ale zásadní hranici: metoda funguje díky rozdílu mezi oběma fázemi, zatímco v azeotropu tento rozdíl přestává existovat.