Qu’est ce que : Définition de Azeotropes

Les azéotropes sont des mélanges de composés chimiques, de composition définie, qui bouillent à des températures données. La caractéristique fondamentale est que le mélange se comporte comme s’il s’agissait d’une seule substance pure, en conservant ses propriétés et en offrant une facilité de manipulation. Candela Rocío Barbisan | Avr. 2022Ingénieur chimisteLe mélange peut être donné par deux ou plusieurs composants et sa composition est la même en phase liquide et gazeuse, ce qui génère des similitudes avec les substances pures. Il est facile d’en déduire que ce mélange ne peut pas être séparé en ses composants par des procédés tels que la distillation fractionnée car, comme nous l’avons mentionné plus haut, il conservera ses proportions, se comportant comme s’il était un seul composant.
Une autre caractéristique est que le point d’ébullition de ce mélange peut être supérieur, inférieur ou même égal à celui d’un de ses composants. Lorsque l’azéotrope bout à une température d’ébullition maximale, on parle d’azéotrope maximal, et lorsqu’il bout à la température la plus basse possible, on parle d’azéotrope minimal. Cela signifie que l’azéotrope minimal a un point d’ébullition inférieur à celui de ses composants purs et vice versa avec l’azéotrope maximal. Par exemple, dans le mélange méthanol – benzène, l’azéotrope est un azéotrope minimum (0,61 benzène – 0,39 méthanol en fractions molaires) dont le point d’ébullition est de 58 °C, alors que le point d’ébullition du benzène est de 80 °C et celui du méthanol de 65 °C.

Azéotropes minimum et maximum

Alors… d’où vient un azéotrope ? Lorsqu’il y a un écart par rapport à la loi de Raoult, c’est-à-dire que la pression de vapeur du mélange azéotrope n’est pas directement corrélée à sa fraction molaire, le concept de mélange azéotrope apparaît. Ces écarts se produisent lorsque les composants s’attirent ou se repoussent de manière significative, c’est-à-dire que les forces intermoléculaires sont très différentes dans les différents composés ; lorsque l’écart est positif, nous avons l’azéotrope du minimum, tandis que, si l’écart est négatif, nous avons l’azéotrope du maximum. Pour mieux comprendre ce concept, examinons quelques graphiques :
Nous observons ici que, si le mélange était idéal, selon la loi de Raoult, les pressions de vapeur des composants purs devraient être unies par une ligne droite, or, il existe une déviation de cette loi qui provoque la formation d’azéotropes minimums et maximums, selon qu’il y a plus ou moins d’affinité entre les composants. Lorsque l’écart par rapport à la loi de Raoult est négatif, comme dans la figure de gauche, il s’agit d’un minimum dans le diagramme de pression, mais d’un maximum dans le diagramme de température (donc d’un azéotrope maximum). D’autre part, si la déviation est positive à la loi de Raoult, elle sera un maximum dans le diagramme de la pression en fonction de la composition, mais un minimum dans le diagramme de la température en fonction de la composition (on a ici un azéotrope de minimum). Ne pas confondre les diagrammes pression/composition et température/composition.
Dans le cas du mélange éthanol-eau on a un azéotrope de minimum dont la composition est de 95,6 % d’éthanol et 4,4 % d’eau. La température d’ébullition du mélange azéotropique est inférieure de 78,2 °C à celle des composants purs. Supposons donc la distillation d’un mélange eau-éthanol à forte teneur en eau (près de 100 %). Il ne sera pas possible d’obtenir de l’alcool pur, car des fractions plus élevées d’éthanol seront obtenues à chaque étape de la distillation, sans jamais atteindre 100 %, mais en se rapprochant de la composition du mélange azéotropique (le point le plus bas). C’est pourquoi, l’eau ayant tendance à former des azéotropes minimaux avec les composés organiques (étant donné le type de forces intermoléculaires qui interagissent), il est nécessaire d’éliminer au préalable l’eau du mélange afin d’obtenir le composé pur. Ou bien, une fois l’azéotrope obtenu, des méthodes d’extraction d’eau supplémentaires sont nécessaires.
Compte tenu de ce qui précède, ce n’est pas une coïncidence si l’alcool à 95 % (dans les supermarchés et les pharmacies) est le produit le moins cher que l’on puisse obtenir. Pour obtenir de l’alcool pur, il est nécessaire de ‘casser’ l’azéotrope avec des techniques supplémentaires, comme l’utilisation d’agents de séchage ou la distillation azéotropique. La distillation azéotropique consiste à ajouter au mélange un composant supplémentaire qui agit par entraînement et qui, par interaction avec l’un des composants du mélange (affinité plus élevée), peut être éliminé du mélange.