Hỗn hợp đẳng phí (Azeotrope)

Hỗn hợp đẳng phí (hay còn gọi là hỗn hợp azeotropic hoặc hỗn hợp cùng sôi) là hỗn hợp của hai hoặc nhiều chất lỏng mà thành phần của nó trong pha hơi bằng với thành phần trong pha lỏng ở một áp suất nhất định. Điều này có nghĩa là khi đun sôi hỗn hợp đẳng phí, thành phần của hơi tạo ra giống hệt với thành phần của hỗn hợp lỏng ban đầu, do đó không thể tách các chất thành phần bằng phương pháp chưng cất thông thường.

Đặc điểm của hỗn hợp đẳng phí:

Điểm sôi cố định: Hỗn hợp đẳng phí sôi ở một nhiệt độ cố định, không thay đổi trong suốt quá trình chưng cất. Nhiệt độ sôi này có thể cao hơn hoặc thấp hơn nhiệt độ sôi của từng thành phần riêng lẻ. Hỗn hợp đẳng phí có điểm sôi cao hơn nhiệt độ sôi của bất kỳ thành phần nào được gọi là azeotrope điểm sôi tối đa. Ngược lại, hỗn hợp đẳng phí có điểm sôi thấp hơn nhiệt độ sôi của bất kỳ thành phần nào được gọi là azeotrope điểm sôi tối thiểu.
Thành phần không đổi: Thành phần của pha hơi và pha lỏng của hỗn hợp đẳng phí giống nhau ở điểm sôi.
Không thể tách bằng chưng cất phân đoạn: Vì thành phần của pha hơi và pha lỏng giống nhau, nên chưng cất phân đoạn không thể được sử dụng để tách các thành phần của hỗn hợp đẳng phí. Tuy nhiên, có những phương pháp khác có thể được sử dụng để tách các thành phần của hỗn hợp đẳng phí, chẳng hạn như chưng cất áp suất thay đổi hoặc bổ sung một chất entrainer.

Phân loại hỗn hợp đẳng phí

Hỗn hợp đẳng phí được phân loại dựa trên điểm sôi của chúng so với điểm sôi của các thành phần riêng lẻ:

Hỗn hợp đẳng phí âm (hay azeotrope điểm sôi tối thiểu): Hỗn hợp đẳng phí có điểm sôi thấp hơn điểm sôi của bất kỳ thành phần nào trong hỗn hợp. Điều này xảy ra khi các tương tác giữa các phân tử khác nhau yếu hơn so với tương tác giữa các phân tử giống nhau, làm tăng áp suất hơi và giảm điểm sôi. Ví dụ: hỗn hợp ethanol và nước (95.6% ethanol và 4.4% nước theo khối lượng) có điểm sôi 78.1°C, thấp hơn điểm sôi của ethanol tinh khiết (78.4°C) và nước tinh khiết (100°C).
Hỗn hợp đẳng phí dương (hay azeotrope điểm sôi tối đa): Hỗn hợp đẳng phí có điểm sôi cao hơn điểm sôi của bất kỳ thành phần nào trong hỗn hợp. Điều này xảy ra khi các tương tác giữa các phân tử khác nhau mạnh hơn so với tương tác giữa các phân tử giống nhau, làm giảm áp suất hơi và tăng điểm sôi. Ví dụ: hỗn hợp axit clohydric và nước (20.2% HCl và 79.8% nước theo khối lượng) có điểm sôi 108.6°C, cao hơn điểm sôi của HCl tinh khiết (-85°C) và nước tinh khiết (100°C).

Biểu diễn bằng đồ thị

Đồ thị nhiệt độ sôi – thành phần được sử dụng để biểu diễn hỗn hợp đẳng phí. Điểm cực đại hoặc cực tiểu trên đồ thị này tương ứng với điểm sôi của hỗn hợp đẳng phí.

Phương pháp tách hỗn hợp đẳng phí

Mặc dù không thể tách hỗn hợp đẳng phí bằng chưng cất phân đoạn thông thường, nhưng có một số phương pháp khác có thể được sử dụng, bao gồm:

Chưng cất áp suất biến đổi (hay chưng cất chân không): Thay đổi áp suất có thể làm thay đổi thành phần của hỗn hợp đẳng phí, cho phép tách các thành phần. Bằng cách giảm áp suất, điểm sôi của các thành phần giảm, và thành phần của azeotrope có thể thay đổi đủ để cho phép tách bằng chưng cất.
Thêm một chất thứ ba (entrainer): Thêm một chất thứ ba vào hỗn hợp đẳng phí có thể tạo thành một hỗn hợp đẳng phí ba với điểm sôi khác, cho phép tách một trong các thành phần ban đầu. Chất entrainer này được chọn sao cho nó tạo thành một azeotrope với một trong các thành phần ban đầu, nhưng azeotrope này dễ tách hơn azeotrope ban đầu.
Chưng cất lôi cuốn hơi nước: Phương pháp này thường được sử dụng để tách các hợp chất hữu cơ không tan trong nước và tạo hỗn hợp đẳng phí dương với nước. Hơi nước được dẫn qua hỗn hợp, làm giảm áp suất riêng phần của hợp chất hữu cơ và cho phép nó sôi ở nhiệt độ thấp hơn.
Sử dụng màng thẩm thấu: Màng thẩm thấu có thể được sử dụng để tách các thành phần của hỗn hợp đẳng phí dựa trên kích thước phân tử hoặc các tính chất khác.
Phương pháp hấp phụ: Sử dụng chất hấp phụ chọn lọc để hấp phụ một thành phần trong hỗn hợp. Chất hấp phụ được chọn sao cho nó hấp phụ ưu tiên một trong các thành phần, cho phép tách nó khỏi hỗn hợp.

Ứng dụng

Hỗn hợp đẳng phí có nhiều ứng dụng trong công nghiệp, ví dụ như:

Trong quá trình sản xuất ethanol, hỗn hợp đẳng phí ethanol-nước được tạo ra và cần được xử lý để thu được ethanol khan (ethanol tuyệt đối). Các phương pháp tách azeotrope được sử dụng để loại bỏ nước và đạt được nồng độ ethanol mong muốn.
Trong sản xuất axit axetic, hỗn hợp đẳng phí axit axetic-nước được tạo ra trong quá trình chưng cất. Việc tách azeotrope này là cần thiết để thu được axit axetic đậm đặc.

Hỗn hợp đẳng phí là một hiện tượng quan trọng trong hóa học và kỹ thuật hóa học. Việc hiểu rõ tính chất và phương pháp tách của hỗn hợp đẳng phí là cần thiết cho nhiều ứng dụng công nghiệp.

Ví dụ về các hỗn hợp đẳng phí thường gặp

Ngoài ethanol-nước và axit clohydric-nước đã đề cập ở trên, một số ví dụ khác về hỗn hợp đẳng phí bao gồm:

Acetone-methanol: Hỗn hợp đẳng phí dương.
Chloroform-methanol: Hỗn hợp đẳng phí dương.
Benzen-ethanol: Hỗn hợp đẳng phí âm.
Carbon disulfide-acetone: Hỗn hợp đẳng phí âm.

Ý nghĩa thực tiễn

Sự tồn tại của hỗn hợp đẳng phí có ý nghĩa quan trọng trong nhiều lĩnh vực:

Chưng cất: Như đã đề cập, hỗn hợp đẳng phí làm giới hạn khả năng tách các chất lỏng bằng phương pháp chưng cất phân đoạn.
Công nghiệp hóa chất: Việc hình thành hỗn hợp đẳng phí cần được xem xét trong quá trình thiết kế và vận hành các quy trình hóa học.
Sản xuất dung môi: Hỗn hợp đẳng phí có thể được sử dụng làm dung môi trong một số ứng dụng cụ thể.

Tính toán thành phần của hỗn hợp đẳng phí

Thành phần của hỗn hợp đẳng phí có thể được dự đoán bằng các mô hình nhiệt động lực học, chẳng hạn như phương trình Wilson hoặc NRTL (Non-Random Two-Liquid). Các phương trình này liên hệ hoạt độ của các thành phần trong hỗn hợp với thành phần và các thông số tương tác giữa các phân tử. Tuy nhiên, việc tính toán chính xác thường yêu cầu dữ liệu thực nghiệm.

Đồ thị nhiệt độ – thành phần – áp suất

Đối với hệ nhiều cấu tử, đồ thị ba chiều (nhiệt độ – thành phần – áp suất) có thể được sử dụng để mô tả toàn diện hơn về trạng thái cân bằng pha, bao gồm cả các hỗn hợp đẳng phí. Đồ thị này cho thấy sự phụ thuộc của điểm sôi và thành phần của azeotrope vào áp suất.

Hỗn hợp đẳng phí ba cấu tử

Ngoài hỗn hợp đẳng phí hai cấu tử, cũng tồn tại hỗn hợp đẳng phí ba cấu tử, tức là hỗn hợp của ba chất lỏng có thành phần pha hơi bằng thành phần pha lỏng. Việc tách các hỗn hợp này thường phức tạp hơn.

Tóm tắt về Hỗn hợp đẳng phí

Hỗn hợp đẳng phí là hỗn hợp của các chất lỏng mà thành phần của pha hơi và pha lỏng bằng nhau ở một áp suất nhất định. Điều này có nghĩa là chúng ta không thể tách hoàn toàn các thành phần của hỗn hợp đẳng phí bằng phương pháp chưng cất phân đoạn thông thường. Điểm sôi của hỗn hợp đẳng phí là cố định và có thể cao hơn hoặc thấp hơn điểm sôi của từng thành phần riêng lẻ, tùy thuộc vào loại hỗn hợp đẳng phí.

Có hai loại hỗn hợp đẳng phí chính: hỗn hợp đẳng phí dương, có điểm sôi cao hơn điểm sôi của tất cả các thành phần, và hỗn hợp đẳng phí âm, có điểm sôi thấp hơn điểm sôi của tất cả các thành phần. Sự khác biệt này xuất phát từ sự tương tác giữa các phân tử trong hỗn hợp. Hỗn hợp đẳng phí dương hình thành khi tương tác giữa các phân tử khác loại mạnh hơn tương tác giữa các phân tử cùng loại, trong khi hỗn hợp đẳng phí âm hình thành khi tương tác giữa các phân tử khác loại yếu hơn.

Mặc dù chưng cất phân đoạn thông thường không hiệu quả, vẫn có một số phương pháp khác để tách các thành phần của hỗn hợp đẳng phí. Các phương pháp này bao gồm chưng cất áp suất thay đổi, thêm một chất thứ ba để tạo thành hỗn hợp đẳng phí ba cấu tử, chưng cất lôi cuốn hơi nước, sử dụng màng thẩm thấu, và hấp phụ chọn lọc. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào tính chất cụ thể của hỗn hợp đẳng phí và các thành phần của nó.

Hiểu rõ về hỗn hợp đẳng phí là rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong công nghiệp hóa chất và các quy trình chưng cất. Việc xác định và xử lý hỗn hợp đẳng phí là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất của các quá trình này và đạt được sản phẩm mong muốn.

Tài liệu tham khảo:

Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
Treybal, R. E. (1980). Mass-Transfer Operations. McGraw-Hill.
Perry, R. H., & Green, D. W. (Eds.). (1997). Perry’s Chemical Engineers’ Handbook. McGraw-Hill.
Smith, J. M., Van Ness, H. C., & Abbott, M. M. (2005). Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics. McGraw-Hill.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao không thể tách hoàn toàn hỗn hợp đẳng phí bằng chưng cất phân đoạn?

Trả lời: Chưng cất phân đoạn dựa trên sự khác biệt về điểm sôi của các chất. Trong hỗn hợp đẳng phí, thành phần của pha hơi và pha lỏng giống nhau tại điểm sôi. Vì vậy, khi đun sôi hỗn hợp đẳng phí, hơi tạo ra có cùng thành phần với hỗn hợp lỏng, và do đó không thể tách các thành phần bằng cách ngưng tụ hơi này.

Làm thế nào để xác định một hỗn hợp có phải là hỗn hợp đẳng phí hay không?

Trả lời: Có thể xác định bằng thực nghiệm thông qua việc đo điểm sôi và thành phần của pha hơi và pha lỏng. Nếu thành phần của pha hơi và pha lỏng giống nhau ở một điểm sôi nhất định, thì đó là hỗn hợp đẳng phí. Ngoài ra, có thể sử dụng các mô hình nhiệt động lực học để dự đoán sự hình thành hỗn hợp đẳng phí.

Ngoài chưng cất áp suất biến đổi và thêm chất thứ ba, còn phương pháp nào khác để tách hỗn hợp đẳng phí?

Trả lời: Một số phương pháp khác bao gồm: thẩm thấu màng (sử dụng màng bán thấm để tách các thành phần dựa trên kích thước phân tử), hấp phụ (sử dụng chất hấp phụ chọn lọc để giữ lại một thành phần), và chưng cất lôi cuốn hơi nước (đặc biệt hữu ích cho các hợp chất hữu cơ nhạy cảm với nhiệt).

Ảnh hưởng của áp suất lên thành phần của hỗn hợp đẳng phí là gì?

Trả lời: Thay đổi áp suất có thể làm thay đổi thành phần của hỗn hợp đẳng phí. Trong một số trường hợp, việc tăng hoặc giảm áp suất có thể làm mất đi tính chất đẳng phí của hỗn hợp, cho phép tách các thành phần bằng chưng cất.

Làm thế nào để dự đoán sự hình thành hỗn hợp đẳng phí một cách lý thuyết?

Trả lời: Có thể sử dụng các mô hình nhiệt động lực học như phương trình Wilson, NRTL, hoặc UNIQUAC để dự đoán sự hình thành hỗn hợp đẳng phí. Các mô hình này dựa trên các thông số tương tác giữa các phân tử và có thể dự đoán hoạt độ của các thành phần trong hỗn hợp, từ đó xác định điểm sôi và thành phần của hỗn hợp đẳng phí. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng các mô hình này chỉ là xấp xỉ và độ chính xác phụ thuộc vào chất lượng của dữ liệu đầu vào.

Một số điều thú vị về Hỗn hợp đẳng phí

Cồn tuyệt đối (ethanol khan) không thể thu được bằng chưng cất đơn giản: Hỗn hợp đẳng phí của ethanol và nước (khoảng 95.6% ethanol theo khối lượng) có điểm sôi thấp hơn cả ethanol và nước tinh khiết. Do đó, chưng cất hỗn hợp ethanol-nước chỉ có thể tạo ra cồn với nồng độ tối đa khoảng 95.6%. Để thu được cồn tuyệt đối, cần phải sử dụng các phương pháp khác như chưng cất lôi cuốn bằng benzen hoặc sử dụng các chất hút ẩm như canxi oxit.
Một số hỗn hợp đẳng phí có thể thay đổi thành phần khi áp suất thay đổi: Điều này mở ra khả năng tách các thành phần bằng cách chưng cất ở các áp suất khác nhau. Ví dụ, hỗn hợp đẳng phí của ethanol và nước có thể bị phá vỡ bằng cách chưng cất ở áp suất giảm.
Hỗn hợp đẳng phí không phải lúc nào cũng chứa hai chất: Mặc dù phổ biến nhất là hỗn hợp đẳng phí hai cấu tử, nhưng cũng tồn tại hỗn hợp đẳng phí ba, bốn, hoặc thậm chí nhiều cấu tử hơn. Ví dụ, hỗn hợp benzen, nước và ethanol tạo thành một hỗn hợp đẳng phí ba cấu tử.
Từ “azeotrope” có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp: Từ này được ghép từ “a-” (không), “zein” (sôi) và “tropos” (thay đổi), nghĩa là “sôi không thay đổi”.
Hỗn hợp đẳng phí được sử dụng trong nhiều ứng dụng thực tiễn: Ngoài việc là một thách thức trong quá trình chưng cất, hỗn hợp đẳng phí cũng có những ứng dụng hữu ích. Ví dụ, chúng được sử dụng làm dung môi trong một số quá trình công nghiệp, và trong việc tạo ra các hỗn hợp làm lạnh.
Việc hình thành hỗn hợp đẳng phí phụ thuộc vào tương tác giữa các phân tử: Sức mạnh của các liên kết hydro, lực van der Waals, và các tương tác phân tử khác đóng vai trò quan trọng trong việc xác định xem một hỗn hợp có tạo thành hỗn hợp đẳng phí hay không, và nếu có thì là loại hỗn hợp đẳng phí nào.
Đồ thị nhiệt độ-thành phần là công cụ hữu ích để hiểu về hỗn hợp đẳng phí: Đồ thị này cho thấy rõ ràng điểm sôi của hỗn hợp thay đổi như thế nào theo thành phần, và điểm cực đại hoặc cực tiểu trên đồ thị biểu thị điểm sôi của hỗn hợp đẳng phí.