5.5C: Teoría de la Separación

Aunque la destilación al vapor parece casi idéntica a la destilación “regular”, los principios detrás de la separación de componentes son bastante diferentes. En una destilación “regular”, se intenta separar una mezcla de componentes que se disuelven entre sí. El vapor producido a partir de estas mezclas puede describirse mediante una combinación de la ley de Raoult y la ley de Dalton, como se muestra en la Ecuación\ ref {14} para una mezcla de dos componentes.

\[\text{Miscible components:} \: \: \: \: \: P_\text{solution} =P_A + P_B = P_A^o \chi_A + P_B^o \chi_B \label{14}\]

Cuando los componentes en el matraz de destilación no se disuelven entre sí, como cuando están presentes agua y compuestos orgánicos no polares, el vapor producido a partir de estas mezclas es diferente. Los componentes actúan independientemente entre sí (lo cual tiene sentido considerando que no se mezclan), y la presión parcial de cada componente ya no está determinada por su fracción molar. La presión parcial de cada componente es simplemente su presión de vapor, y la composición de vapor para una mezcla de dos componentes se describe mediante la Ecuación\ ref {15}. Aunque los componentes no se mezclan en la fase líquida, lo hacen en la fase gaseosa, lo que permite la codestilación de “componentes incompatibles”.

\[\text{Immiscible components:} \: \: \: \: \: P_\text{solution} = P_A^o + P_B^o \label{15}\]

Las implicaciones de la Ecuación\ ref {15} son varias. Primero, dado que la fracción molar no es un factor, es posible que un componente menor en el matraz de destilación pueda ser un componente principal en el destilado si tiene una presión de vapor apreciable. En la destilación al vapor de materiales vegetales volátiles, esto significa que la composición del destilado es independiente de la cantidad de agua o vapor utilizado en el matraz de destilación.

En segundo lugar, dado que las presiones de vapor de cada componente se suman, la mezcla siempre hervirá a una temperatura menor que el punto de ebullición del componente de menor ebullición. Por ejemplo, en el\(100^\text{o} \text{C}\) agua tiene una presión de vapor de\(760 \: \text{torr}\) ya que se encuentra en su punto de ebullición normal. Si otro componente volátil, no soluble en agua estuviera presente con el agua en un matraz de destilación a\(100^\text{o} \text{C}\) (por ejemplo tolueno, que tiene un punto de ebullición de\(111^\text{o} \text{C}\)), también produciría vapores que contribuyeron a la presión total. Como la ebullición ocurre cuando la presión combinada coincide con la presión atmosférica (digamos\(760 \: \text{torr}\) por el bien de este cálculo), la ebullición ocurriría por debajo\(100^\text{o} \text{C}\). Por ejemplo, una mezcla de tolueno y agua hierve a\(85^\text{o} \text{C}\), como se muestra en la Ecuación (16).

\[\text{Water/toluene mix at } 85^\text{o} \text{C}: \: \: \: \: \: \begin{align} P_\text{solution} &= P_\text{water}^o + P_\text{toluene}^o \\ &= \left( 434 \: \text{torr} \right) + \left( 326 \: \text{torr} \right) = 760 \: \text{torr} \end{align} \label{16}\]

La temperatura de destilación en la destilación al vapor siempre está por debajo\(100^\text{o} \text{C}\) (el punto de ebullición del agua), aunque en muchos casos la temperatura de destilación está muy cerca o justo por debajo\(100^\text{o} \text{C}\). Esta característica permite que los aceites esenciales vegetales (mezclas complejas que a menudo incluyen componentes con puntos de ebullición muy altos\(> 250^\text{o} \text{C}\)), se extraen a temperaturas más bajas que sus puntos de ebullición normales, y por lo tanto sin descomposición.