Distillati

(a)lambicco=distillatore

=ACQUAVITE (EAU-DE-VIE IN FR)

Distillazione

Distillazione Operazione che consiste nel separare le varie componenti di una miscela liquida. Si attua riscaldando il liquido fino al punto di ebollizione, in modo che evaporino le componenti più volatili – quelle dotate di punto di ebollizione più basso – che vengono poi recuperate per condensazione. Lo scopo della distillazione può essere il recupero di un solvente da una soluzione in cui siano disciolte sostanze non volatili oppure, più comunemente, il frazionamento di una miscela complessa nelle componenti di diversa volatilità.

Operazioni per certi versi complementari alla distillazione sono l'evaporazione e l'essiccamento, impiegati per allontanare il solvente da una soluzione allo scopo di recuperarne il soluto. La distinzione tra i processi di distillazione e quelli di evaporazione è però solo formale, poiché in entrambi i casi vengono usate le medesime apparecchiature.

La distillazione si basa sul fatto che il vapore ottenuto per ebollizione di una miscela di più liquidi contiene una percentuale maggiore dell'elemento più volatile rispetto alla miscela di partenza. La relazione tra la composizione di una miscela di liquidi e la composizione del vapore con essa in equilibrio fu ricavata dal chimico francese François-Marie Raoult (1830-1901) ed è oggi nota con il nome dello scopritore. Secondo la legge di Raoult, in una miscela di liquidi perfettamente miscibili (soluzione ideale) ogni componente ha pressione di vapore pari a quella che avrebbe se fosse puro moltiplicata per la propria frazione molare nella soluzione. Il punto di ebollizione di una miscela ideale viene raggiunto quando la somma delle pressioni parziali dei singoli componenti eguaglia la pressione esterna, che in condizioni normali è pari a una atmosfera. Quindi una soluzione ideale di due liquidi in quantità equimolare bolle a una temperatura che è data esattamente dalla media dei punti di ebollizione delle due sostanze pure.

Il grado di separazione ottenuto con un singolo stadio di distillazione dipende esclusivamente dalla differenza tra le pressioni di vapore dei componenti puri, perciò, in ultima analisi, dalla differenza tra i loro punti di ebollizione. In particolare, minore è la differenza tra i punti di ebollizione delle sostanze pure, minore è la separazione ottenibile con un singolo stadio. Distillando una soluzione di una sostanza non volatile (ad esempio un sale) per recuperare il solvente, è possibile ottenere una separazione completa con un unico stadio; al contrario se la differenza tra i punti d'ebollizione è minima, è impossibile separare i componenti della miscela con una sola distillazione. Ad esempio, se si scalda una miscela di acqua (che bolle a 100 °C) e di alcol (che bolle a 78,5 °C), si ottengono vapori arricchiti in alcol, ma comunque contenenti acqua. Per ottenere una soluzione di alcol al 50% partendo da una al 10%, è necessario distillare ancora una o due volte i vapori raccolti nella prima distillazione; per avere una soluzione di alcol al 95% è necessario ripetere il processo un gran numero di volte.

La relazione di Raoult si applica correttamente solo a miscele di liquidi molto simili per struttura chimica, come ad esempio il benzene e il toluene, mentre nella maggior parte dei casi si osservano forti deviazioni dal comportamento ideale (soluzioni reali). Infatti, se un componente è poco solubile negli altri della miscela, la sua volatilità aumenta notevolmente. Ad esempio, la volatilità dell'alcol in soluzioni acquose diluite è sensibilmente maggiore di quella che si può prevedere applicando la legge di Raoult. Al contrario, l'ebollizione di una soluzione al 99% di alcol determina la formazione di vapori contenenti una percentuale minore di questo componente; come conseguenza di ciò l'alcol non può essere concentrato tramite distillazione oltre al 97%, anche ripetendo il processo per un numero idealmente infinito di volte.

Tecnicamente il termine alambicco si riferisce solamente al contenitore in cui si portano a ebollizione i liquidi da distillare; nella maggior parte dei casi, però, viene usato per indicare l'intero apparato, costituito dalla colonna di frazionamento, dal condensatore e dal contenitore in cui viene raccolto il distillato. Gli alambicchi utilizzati in laboratorio sono in genere di vetro, mentre quelli adibiti a impieghi industriali sono di ferro o d'acciaio; in alcuni casi, per evitare che il ferro contamini il prodotto di distillazione, vengono preferibilmente usati apparecchi di rame.

La distillazione viene detta frazionata quando viene realizzata in più stadi, sottoponendo le frazioni che si formano nelle prime fasi del processo a più distillazioni successive.

Consideriamo nuovamente la soluzione di alcol al 10%. In un impianto di rettifica, il liquido da distillare viene immesso alla base di una lunga colonna (detta di rettifica o di frazionamento) dotata di una serie di piatti. Una parte del distillato, prodotto dalla condensazione dei vapori che si formano in testa alla colonna, viene prelevata dal condensatore e viene fatta gocciolare nuovamente nella stessa, costituendo il cosiddetto riflusso. Il vapore che sale verso il condensatore gorgoglierà attraverso il liquido, arricchendosi in alcol e perdendo parte dell'acqua per condensazione. Ogni piatto della colonna di frazionamento corrisponde quindi a uno stadio di distillazione; in questo modo, usando una colonna con un numero sufficiente di piatti, è possibile ad esempio ottenere alcol al 95% in un unico passaggio. Inoltre, se la soluzione iniziale di alcol viene introdotta progressivamente circa a metà colonna, l'alcol può essere separato dall'acqua mentre scende verso il piatto inferiore, e può essere recuperato senza perdite.

Questo metodo, noto generalmente come rettificazione o distillazione frazionata, viene usato industrialmente non solo per semplici miscele di due sostanze, ma anche per soluzioni più complesse, quali ad esempio quelle presenti nella pece o nel petrolio. La colonna di frazionamento più usata è la torre di gorgogliamento, in cui i piatti sono disposti orizzontalmente a pochi centimetri l'uno dall'altro: il vapore che risale lungo la colonna è costretto a passare attraverso le campane di gorgogliamento disposte su ogni piatto; contemporaneamente il liquido scende da un piatto all'altro. Se il contatto tra liquido e vapore non è completo oppure si forma della schiuma, per cui il vapore trascina con sé una parte di liquido nel piatto superiore, l'efficienza del processo di distillazione diminuisce e bisogna quindi aumentare il numero di piatti presenti rispetto al numero previsto in base a considerazioni teoriche, in fase di progetto. L'equivalente meno costoso, ma anche molto meno efficiente, della torre di gorgogliamento è la colonna a impaccamento, in cui il liquido scorre su strati di anelli di terraglia o su pezzi di vetro.

L'unico svantaggio della distillazione frazionata consiste nel fatto che circa la metà del distillato deve essere reintrodotta nella colonna e nuovamente riscaldata, con nuovo dispendio di calore. D'altra parte però il ciclo continuo del sistema permette di impiegare il distillato prodotto per preriscaldare la nuova miscela, contribuendo a un notevole risparmio di energia.

Se la miscela è composta da più sostanze, è possibile spillarle a diverse altezze della colonna di frazionamento; le torri di distillazione industriale del petrolio hanno più di 100 piatti e 10 punti in cui è possibile estrarre le diverse frazioni. Per la separazione di isotopi mediante distillazione vengono generalmente impiegate torri con oltre 500 piatti.

Quando si riscalda una miscela di due liquidi non miscibili, le relative tensioni di vapore non subiscono alcuna variazione e, finché i due liquidi non si stratificano uno sull'altro, la temperatura di ebollizione della miscela rimane inferiore a quella del componente più volatile. La composizione del vapore in equilibrio con la miscela dipende solo dal rapporto tra le tensioni di vapore dei due liquidi a quella determinata temperatura. In particolare, se uno dei due liquidi è l'acqua, si realizza una distillazione in corrente di vapore, che viene usata soprattutto per composti altobollenti che potrebbero decomporsi nelle normali condizioni di distillazione. Un limite di questa tecnica è la richiesta che il composto non sia solubile in acqua né reagisca con essa.

A temperatura atmosferica molti liquidi bollono a temperature estremamente alte, alle quali può aver luogo un processo di decomposizione totale o parziale della miscela. In questi casi, è necessario ricorrere a metodi diversi, tra i quali la distillazione a pressione ridotta, che consente di distillare qualunque miscela a una temperatura inferiore al suo normale punto d'ebollizione; maggiore è il vuoto che si riesce a ottenere, minore sarà la temperatura di ebollizione. Ad esempio, operando a 0,07 atmosfere, l'anilina può essere distillata a 100 °C. La distillazione a pressione ridotta è efficace quanto il processo in corrente di vapore e non presenta limiti di applicabilità, ma è decisamente più costosa; spesso quindi essa viene usata solo quando quest'ultima tecnica non è applicabile. La distillazione condotta con un vuoto quasi completo, chiamata distillazione molecolare, viene spesso usata per purificare vitamine e altri prodotti instabili. La sostanza viene posta su una piastra, in un ambiente sotto vuoto, e riscaldata: un'altra piastra raffreddata, e collocata il più vicino possibile alla prima, funge da condensatore. La maggior parte del composto passa da una piastra all'altra con perdite minime.

Se un'alta colonna viene riempita con una miscela di gas, chiusa ermeticamente e posta in verticale, per effetto della forza di gravità al suo interno si verifica una parziale separazione dei gas, in base alla densità relativa. Utilizzando una centrifuga, le forze in grado di separare i componenti meno densi da quelli più densi vengono amplificate migliaia di volte, e permettono di separare in modo molto efficace composti quasi del tutto identici. Questo metodo viene ad esempio impiegato per separare le molecole di esafluoruro d'uranio, UF₆, che contengono uranio 235, da quelle che contengono uranio 238.

Il passaggio di una sostanza direttamente dallo stato solido a quello gassoso, per poi tornare nella fase solida, senza formazione di liquido, viene detto sublimazione. L'operazione viene condotta in modo analogo alla distillazione, ponendo attenzione al fatto che il vapore, solidificando, non ostruisca l'apparecchio. Non è possibile condurre sublimazioni frazionate, perciò in genere questo metodo viene usato solo per purificare solidi volatili (come lo iodio) da impurezze solide non volatili.

Questo processo, in un'unica operazione, provoca il riscaldamento ad alte temperature di una sostanza, ottenendone la decomposizione in diversi prodotti e successivamente separandoli per frazionamento. Esempi importanti di distillazione distruttiva sono quella del carbone per produrre coke, pece, metano e ammoniaca, e quella del legno per ottenere carbone, acido acetico, acetone e metanolo. L'ultimo processo però è stato ampiamente sostituito dai metodi sintetici. Un processo affine alla distillazione distruttiva è il cracking del petrolio.

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