共沸

共沸：蒸留では分離できない混合物

共沸とは、2種類以上の液体が混合した状態において、蒸留によってその組成比を変えることができない混合物を指します。沸騰させた際に、蒸気の組成が液体の組成と全く同じになるため、蒸留による分離が不可能となります。この性質は、化学工学や化学において、物質の分離精製を行う上で非常に重要な概念です。

共沸の種類と特性

共沸には、沸点の挙動によって以下の種類があります。

正の共沸（最小沸点共沸）: 構成成分のいずれよりも沸点が低い共沸混合物です。エタノールと水の混合物が代表例で、95.63%のエタノールと4.37%の水からなり、78.2℃で沸騰します。これは、エタノール（78.4℃）や水（100℃）の沸点よりも低い温度です。正の共沸は、構成成分間の分子間相互作用が弱く、理想溶液から正の偏差を示す場合に形成されます。
負の共沸（最大沸点共沸）: 構成成分のいずれよりも沸点が⾼い共沸混合物です。硝酸と水の混合物が代表例で、約68%の硝酸と32%の水からなり、120.2℃で沸騰します。負の共沸は、構成成分間の分子間相互作用が強く、理想溶液から負の偏差を示す場合に形成されます。代表的な例として、塩酸（110℃）、フッ化水素酸（111.35℃）、過塩素酸（203℃）、硫酸（338℃）などがあります。
二重共沸: 最小沸点と最大沸点の両方の共沸点を有する複雑な共沸混合物です。水とN-メチルエチレンジアミン、ベンゼンとヘキサフルオロベンゼンなどが該当します。
三重共沸: 3種類以上の成分からなる共沸混合物で、アセトン、クロロホルム、メタノールからなる共沸混合物がよく知られています。この混合物は57.5℃で沸騰し、正の共沸や負の共沸に分類されない複雑な挙動を示します。

共沸の形成条件

共沸は、ラウールの法則（理想溶液の蒸気圧に関する法則）とドルトンの法則（全圧が部分圧の合計に等しいという法則）から混合物が大きく逸脱する場合に形成されます。成分間の分子間相互作用が理想溶液からずれるほど、共沸形成の傾向が高まります。正の共沸は、分子間相互作用が弱く、蒸気圧が理想溶液よりも高くなる場合に、負の共沸は、分子間相互作用が強く、蒸気圧が理想溶液よりも低くなる場合に形成されます。

共沸混合物の分離

共沸混合物の分離は、化学工学における重要な課題です。蒸留だけでは分離できないため、以下の様な様々な手法が用いられます。

圧力スイング蒸留: 圧力を変化させることで共沸組成を変化させ、分離を可能にする方法です。圧力によって共沸組成が大きく変化する系に有効です。
共沸蒸留: 別の物質（共沸剤）を添加することで、新しい共沸点を形成し、蒸留によって分離する方法です。水とエタノールの共沸分離にベンゼンやシクロヘキサンが用いられます。
化学作用による分離: 共沸混合物の一方の成分と強く反応する物質を加えることで、目的成分を分離する方法です。水とエタノールの共沸では、酸化カルシウムを用いて水を除去することで純粋なエタノールを得ます。
溶解塩を用いた蒸留: 塩を溶解させることで、溶媒の沸点を変化させ、共沸点を破壊する方法です。
抽出蒸留: 揮発性の低い溶剤（抽出剤）を加えることで、共沸成分を選択的に溶解させ、分離する方法です。
浸透気化法: 特定の成分に対して透過性の高い膜を用いて、共沸成分を分離する方法です。

混和性と非共沸

共沸混合物は、全ての割合で完全に混和する均一共沸と、部分的にしか混和しない不均一共沸に分けられます。非共沸混合物は、どのような比率で混合しても共沸を形成しない混合物です。

共沸の応用

共沸は、物質の分離精製だけでなく、特定の組成の混合物を得るための手段としても利用されます。例えば、麻酔薬として使われるジエチルエーテルとハロタンの共沸混合物などは、その組成比が一定に保たれていることで、安定した効果が期待できます。

まとめ

共沸は、蒸留による分離が不可能な特殊な混合物です。その性質や種類、分離技術に関する深い理解は、化学工学や化学における物質分離・精製プロセスにおいて不可欠です。様々な分離方法が開発され、実用化されていますが、それぞれの方法の特性を理解し、適切な手法を選択することが重要です。

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