溶液的蒸氣壓與分餾（Fractional Distillation）

溶液的蒸氣壓與分餾（Fractional Distillation）
國立台灣大學化學系陳光彥/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

混合物可以用物理方式如過濾、結晶、蒸餾等方式將純物質分離出來。其中利用液體純物質的沸點不同做分離的方法就是蒸餾（Distillation）或分餾（Fractional Distillation）。何謂分餾？分餾是分離各種不同沸點的揮發性混合物的一種分離技術，一般來說，有機化學家要分離和純化沸點相差在25℃內的液體混合物會使用分餾的方法；而要純化沸點相差在25℃上的液體混合物則使用簡單蒸餾就可以。

圖一 蒸餾裝置（出自http://www.btinternet.com/~melee3d/revision/chemistry/alcohols.html）

圖二 分餾裝置（出自http://www.chemguide.co.uk/physical/phaseeqia/idealfract.html）

裝置說明
圓底瓶：裝混合揮發性物質
熱源：使用加熱板並利用油浴鍋加熱是比較常見的作法
分餾管：使加熱後的蒸汽進行多次的簡單蒸餾
冷凝管：將氣態的蒸餾液凝結成液態
圓底瓶、燒杯或錐形瓶：收集蒸餾液
溫度計：幫助我們瞭解蒸汽的溫度

分餾與簡單蒸餾的裝置（圖一與圖二）差別只有一個差別，就是液體蒸發後在到達冷凝管之前會先經過一個分餾管（fractional column），而分餾管中通常塞滿了玻璃球，作用是當蒸汽通過填滿許多玻璃球的分餾管時會先凝結，凝結的蒸餾液會沿著分餾管下降，而部分的凝結液會再度蒸發而上升，在經過數次蒸發及冷凝的過程後都會使冷凝中沸點較低的成分便多，故分餾管的作用等於對一揮發性混和物做了數次的簡單蒸餾。最後，到達分餾管頂部的蒸汽多為低沸點的揮發性物質，而留在圓底瓶裡的冷凝液則為較難揮發的混合液。

如果分餾管的長度越長且管內填充物的表面積越大則可達到較高的分離效率；值得我們討論的是，有些混合物不可能以簡單蒸餾或分餾來加以分離，這種混合形成共沸物（Azeotrope），如95%的乙醇水溶液其共沸點為78.2℃，共沸物在固定的壓力下沸騰時所產生的蒸汽與液體本身有著完全相同的組成，因此不能分離。

因為溶液的蒸氣壓大小決定了液體沸點的高低，溶液基本上遵循拉午耳定律（Raoult’s law），溶液分餾的原理可以以拉午耳定律來解釋。下圖為A-B混合溶液的沸點-莫耳分率圖（圖三），圖中A有較低的蒸汽壓，也就是說A有較高的沸點，反之B有較高的蒸汽壓，B沸點較低。對於A和B的液體混合物的沸點可得一藍色的曲線，因B有最低的沸點，故藍色沸點曲線介於A與B的沸點之間。

圖三 A-B混合溶液的沸點-莫耳分率圖

我們要在圖上加讓另一可以表示蒸汽組成的曲線，如果加熱此A-B混合物，有較高蒸汽壓的分子B將會較易變成蒸汽，這表示蒸汽中B的比例將會高於溶液中B的比例，依照拉午耳定律得知從藍點蒸發的液體其蒸汽壓的組成成分為粉紅色的點。（圖四）

圖四

如果我們重複以此方法從不同的AB組成開始做圖將可得到第二個粉紅色曲線-表示蒸汽中AB的組成。（圖五）

圖五

我們可以利用此沸點-莫耳分率圖來解釋分餾的過程，以下圖舉例來說，當我們加熱有C1組成的液體到沸點T1而沸騰時，在液面上的蒸汽將會有C2的組成。（圖六）

圖六

假設我們又凝結了C2的蒸汽使其變成液體，然後再加熱使其變成蒸汽，如下圖
我們又可得到一有C3組成的蒸汽，我們發現C1的組成在經過兩次的蒸發和一次的凝結後成了更向左靠近100％ B的C3組成。（圖七）

圖七

我們前面提過分餾就是在分餾管裡進行多次的簡單蒸餾，而藉由沸點-莫耳分率圖我們可以得知進行多次的簡單蒸餾後最後蒸汽的組成將會越接近100%B，而最後得到100%的B。這就是分餾的原理。

參考文獻
1. 陳竹亭，化學上，泰宇出版社，第16頁，2008.
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Fractional_distillation
3. http://www.chemguide.co.uk/physical/pha … ealpd.html