蒸留

I

プロローグ

沸点のことなる液体の混合物や、溶媒に固体が溶解している溶液に熱をくわえ、揮発しやすい成分をとりだす方法。とりだそうとする液体は気化させてから、冷却してふたたび液化させて液体成分の精製分離や固体の除去をおこなう。

液体の混合物から成分を分離する蒸留をとくに分留、あるいは分別蒸留という。さらに石炭や木材のような固体を密閉容器にいれて熱し、熱分解による生成物を回収する操作は乾留とよばれる。

蒸発や乾燥の場合の目的は、固体など沸点の高い成分をえることにあり、より低沸点の成分(水であることが多い)がとりのぞかれる。これに対して蒸留の主目的は、気化する成分を高純度にすることにある。

II

蒸留による成分の分離

2つの成分に大きな沸点の差があれば、1回の蒸留で完全に分離することができる。たとえば、4%の固体成分(ほとんどが塩化ナトリウムである)がとけている海水の場合には、これを加熱して沸騰させ水を水蒸気にし、液化して回収すれば、容易に蒸留水がえられる。この蒸留水は、ふつうの目的に使用する場合には、ほぼ純粋な水(→ 超純水)とみなしてかまわないが、厳密には、溶解した気体や蒸留につかった装置からの成分などの不純物をふくんでいる。さらに蒸留水は吸着力(→ 吸着)があるので、二酸化炭素などを空気から吸着する。

液体混合物の各成分の沸点の差が小さい場合には、1回の蒸留では完全に分離することができない。このよい例が、沸点が100°Cの水と、沸点が78.3°Cのエタノール(エチルアルコール)の分離である。この2つの液体成分からなる混合物を沸騰させると、その蒸気にふくまれるエタノールの濃度は、液体の場合よりも大きくなり、水の濃度は小さくなる。しかし、エタノールはまだ純粋にはなっていない。

10%エタノール溶液(発酵でえられるアルコール濃度に相当する)を濃縮して50%エタノール溶液(ひじょうに強いウィスキーのアルコール濃度に相当する)にするためには、さらに1～2回蒸留をくりかえさなければならない。濃度95%の工業用アルコールをえるためには、さらに多く蒸留をくりかえす必要がある。

III

蒸留の原理

2つの成分からなる溶液を加熱、沸騰させて生じる蒸気が液相と平衡状態にあるとき、その組成は、液相の組成よりも低沸点成分に富んでいる。したがって、この蒸気を凝縮させると、もとの液よりも低沸点成分に富んだ液がえられる。これが蒸留の基本的な原理である。

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共沸混合物

蒸留がすすむとともに液相の組成がかわり、沸点が連続的に変化する。しかし、ある種の溶液では、液相の組成と平衡状態にある蒸気相の組成がある時点で同じになることがある。このような組成の溶液では、蒸留操作をおこなっても同じ組成の蒸気しかえられないため、それぞれの成分に完全に分離することができない。このような組成の溶液を共沸混合物という。エタノールの水溶液は、1気圧のもとでは濃度が96%になると共沸混合物になる。このときの沸点は78.15°Cである。したがって、ふつうの蒸留操作を何度くりかえしても、エタノールをこれ以上の濃度にすることはできない。100%の(無水の)エタノールをえるには、共沸蒸留(→ 分留)によるか、アルコールと化学反応しない石灰や無水硫酸銅(→ 硫酸銅)などの脱水剤を利用して、結晶の中に水分子を吸着して除去する。