Azeotropie und Zeotropie sind Begriffe die besonders bei der "Destillation" mit vor allem organischen, flüssigen Gemischen eine sehr wichtige Rolle spielen.
Was passiert beim Sieden?
Ein Tropfen organische Flüssigkeit hat schier unendlich viele Moleküle. An der Grenzfläche hat jedes Molekül im Schnitt weniger Nachbarn als im Inneren des Tropfens. Dadurch folgt ein "Mangel" an Wechselwirkungskräfte, die letzten Endes die Moleküle als Kollektiv zusammenhält.
Was passiert, wenn ein Elektron in eine tiefere Schale springt?
Richtig: Energie wird frei durch Emission von elektromagnetischer Strahlung. Wieso passiert das? Es gilt: Wenn ein Objekt sich innerhalb eines Kraftfeldes dem Kraftmittelpunkt annähert, dann wird Energie abgegeben. Voraussetzung ist, dass dieses Objekt jener Kraft auch unterliegt. Die Energie die im Objekt steckt ermöglicht erst die Entfernung von jenem Mittelpunkt. Es ist also Energie nötig, um das Objekt komplett aus der näheren Umgebung des Kraftfeldes zu entfernen.
Moleküle in der Grenzfläche unterliegen genau gleichem Verhalten. Die sog. schwachen Bindungen, gehörend zu den physikalischen Wechselwirkungen, entscheiden in ihrer Summe komplett über die physikalischen Eigenschaften, darunter auch Siede- und Schmelzverhalten. Genau jene Wechselwirkungen sind an den Grenzflächen geringer, wodurch Moleküle dort leichter dem Kollektiv entschwinden können, als im Inneren des Tropfens: Es ist schlichtweg weniger Energie notwendig um den Kraftmittelpunkt zu entkommen und gasförmig zu werden, nahezu "frei" von Nachbarn und ohne Wechselwirkung.
Jede Substanz hat unterschiedlich starke Wechselwirkungen mit sich selbst. Im Falle von Ethanol und Wasser werden beide an und für sich komplett unterschiedlich starke Wechselwirkungen mit sich selbst eingehen.
Daher resultiert auch der unterschiedliche Siedepunkt!
Kippt man nun jene zwei Flüssigkeiten ineinander, so erhält man ein Ethanol-Wasser-Gemisch. Jetzt existieren nicht nur Wechselwirkungen zwischen Wasser und umgebende Wassermoleküle, sondern evtl. auch benachbarte Ethanol-Moleküle und umgekehrt. Die Wechselwirkungen sind daher verändert. Jedoch besitzt Ethanol sowie Wasser an und für sich in diesem Gemisch immer noch andere Wechselwirkungen, sodass deren Siedepunkte im Gemisch noch unterschiedlich sind. Ethanol wird früher sieden (sog. Leichtsieder) und Wasser später (Schwersieder).
Es gilt: Destilliert man ein Gemisch, wobei beide Komponenten eine unterschiedliche Siedetemperatur haben, dann siedet zuerst der Leichtsieder und dann der Schwersieder. Praktisch gesehen bedeutet dies, dass der Dampf eine veränderte Konzentration haben wird, als das Gemisch, dass gerade noch siedet.
Fängt man nun den Dampf auf und lässt es kondensieren, so wird man erkennen, dass das neu erhaltene Gemisch eine höhere Konzentration von Ethanol aufweist. Wiederholt man diesen Prozess, so reichert sich zunehmend Ethanol an.
Die Theorie besagt, dass man irgendwann komplett reines Ethanol hat. Die Praxis sagt etwas anderes: Mit jedem Schritt des Verdampfes und Auffangens (Destillieren), verändern sich die Wechselwirkungskräfte immer und immer wieder in eine klar gezielte Richtung. Es kann vorkommen, dass beide Komponenten irgendwann rel. zu sich selbst die gleichen Siedetemperaturen durch Wechselwirkungen erreichen.
Das dabei entstehende Dampf beim Sieden hat dann die gleiche Konzentration wie das Gemisch was unten noch siedet.
Eine weitere Trennung wäre hier nicht möglich. Jenen Punkt, dass eine weitere Trennung durch Destillation nicht möglich ist, nennt man azeotropen Punkt.
Azeotropen Punkt kann man übrigens durch verändern des Drucks umgehen. Man destilliert bis nahe dem azeotropen Punkt und führt dann z.B. eine Minderdruck-Destillation durch. Hierdruch überspringt man diesen Punkt und kann weiter Destillieren. Aber dann ist es umgekehrt: Der vorangegangene Leichtsieder ist nun der Schwersieder und siedet später (also: Ethanol). Wasser wird dementsprechend zum Leichtsieder.
Das Annähern an den azeotropen Punkt führt dazu, dass die Konzentrationsveränderung pro Verdampfen und Auffangen immer geringer wird. Dies bedeutet, dass je höher man kommen möchte, umso mehr Destillationsschritte muss man durchführen. Bis zum azeotropen Punkt wären es dann unendlich viele Schritte.
