Cenné přírodní látky se často vyskytují jako směsi, které obsahují žádoucí i nežádoucí složky. Například ropa zahrnuje různé typy uhlovodíků, které jsou vhodné pro různá paliva oceánská voda má vysoký obsah solí a železná ruda kromě toho obsahuje minerální nečistoty použitelné železo. V průběhu staletí lidé vyvinuli řadu způsobů rafinace nebo čištění přírodních materiálů. Jednoduchá destilace a frakční destilace jsou dvě varianty základní techniky pro oddělování různých složek kapaliny.
Páry a odpařování
Vztah mezi teplotou a odpařováním je nezbytný pro pochopení jednoduché i frakční destilace. Když je kapalina v otevřené nádobě, atmosféra vyvíjí tlak směrem dolů na povrch kapaliny. Tento atmosférický tlak působí proti tlaku par kapaliny, který je vytvářen kinetickou energií molekul, které se odpařují z povrchu kapaliny. Jak se zvyšuje teplota kapaliny, zvyšuje se také průměrná molekulární kinetická energie; více molekul se odpaří, což vede k vyššímu tlaku par. K varu dochází, když se molekuly mohou volně odpařovat, protože kapalina dosáhla teploty, při které se tlak par rovná atmosférickému tlaku.
Jednoduché oddělení
Různé sloučeniny mají různé teploty varu. Podobně budou mít různé sloučeniny při jakékoli teplotě různé tlaky par. Pokud se v uzavřené nádobě zahřívá kapalná směs různých sloučenin, složení páry zachycené nad kapalinou bude tyto rozdíly odrážet. Pára bude obsahovat více molekul sloučenin s vyšším tlakem par a méně molekul sloučenin s nižším tlakem par. Sloučenina s velmi vysokou teplotou varu ve srovnání s ostatními sloučeninami ve směsi bude téměř chybí-li v páře a netěkavé rozpuštěné pevné látky, jako je sůl, zůstanou ve vyhřátém stavu jako sediment kontejner. Jednoduchá destilace je proces shromažďování této páry a její ochlazení tak, aby kondenzovala zpět do kapaliny. Jednoduchá destilace odděluje složky kapalné směsi, protože kondenzovaná kapalina obsahuje vyšší podíl sloučeniny s vyšším tlakem par a původní kapalina obsahuje vyšší podíl sloučenin s nižším obsahem par tlak.
Destilační dilema
Jedna jednoduchá destilace mění podíl sloučenin ve dvou konečných kapalinách, ale nedosahuje úplné separace. Proces lze opakovat, aby se dosáhlo postupně vyšších stupňů separace, ale to je také zbytečné, protože během při každém postupu destilace některé molekuly uniknou do atmosféry a některé zůstanou jako zbytky v destilaci zařízení. Frakční destilace řeší toto dilema - vylepšení jednoduché destilace dosažením vyšších stupňů separace pouze v jednom destilačním postupu.
Jeden sloupec, několik odpařování
Primárním rozdílem mezi frakční destilací a jednoduchou destilací je přidání frakční kolony mezi ohřátou nádobu a místo, kde kondenzuje pára. Tato kolona je naplněna materiály, jako jsou tenké kovové dráty nebo skleněné kuličky, které podporují kondenzaci, protože mají velkou plochu. Jak páry stoupají frakční kolonou, kondenzují na kapalinu na chladnějších površích těchto materiálů. Horké páry stoupající zespodu způsobují odpařování této kapaliny, poté znovu kondenzuje, poté se znovu odpařuje atd. Výsledkem každého odpařování je pára s vyšším podílem molekul s vyšším tlakem par. Frakční destilací se tedy dosahuje vynikající separace s menšími ztrátami materiálu, protože jeden postup je ekvivalentní několika cyklům jednoduché destilace.