Des substances naturelles précieuses se présentent souvent sous forme de mélanges contenant à la fois des composants souhaitables et indésirables. Par exemple, le pétrole brut comprend divers types d'hydrocarbures qui conviennent à différents carburants applications, l'eau de mer a une teneur élevée en sel et le minerai de fer contient des impuretés minérales en plus de fer utilisable. Au fil des siècles, les hommes ont développé de nombreuses façons d'affiner ou de purifier les matériaux naturels. La distillation simple et la distillation fractionnée sont deux variantes d'une technique de base pour séparer les différents composants d'un liquide.
Vapeurs et évaporation
La relation entre la température et l'évaporation est essentielle pour comprendre à la fois la distillation simple et fractionnée. Lorsqu'un liquide se trouve dans un récipient ouvert, l'atmosphère exerce une pression descendante sur la surface du liquide. Cette pression atmosphérique contrecarre la pression de vapeur du liquide, qui est créée par l'énergie cinétique des molécules qui s'évaporent de la surface du liquide. Lorsque la température du liquide augmente, l'énergie cinétique moléculaire moyenne augmente également; plus de molécules s'évaporent, ce qui entraîne une pression de vapeur plus élevée. L'ébullition se produit lorsque les molécules peuvent s'évaporer librement parce que le liquide a atteint une température à laquelle la pression de vapeur est égale à la pression atmosphérique.
Séparation simple
Différents composés ont des températures d'ébullition différentes. De même, à n'importe quelle température donnée, différents composés auront des pressions de vapeur différentes. Si un mélange liquide de différents composés est chauffé dans un récipient fermé, la composition de la vapeur piégée au-dessus du liquide reflétera ces différences. La vapeur contiendra plus de molécules de composés avec une pression de vapeur plus élevée et moins de molécules de composés avec une pression de vapeur plus faible. Un composé avec une température d'ébullition très élevée par rapport aux autres composés du mélange sera presque absent de la vapeur, et les solides dissous non volatils, tels que le sel, resteront sous forme de sédiment dans le récipient. La distillation simple consiste à collecter cette vapeur et à la refroidir afin qu'elle se condense en un liquide. La distillation simple sépare les composants d'un mélange liquide car le liquide condensé contient une proportion plus élevée de composés avec une pression de vapeur plus élevée et le liquide d'origine contient une proportion plus élevée de composés avec une vapeur plus faible pression.
Dilemme de la distillation
Une simple distillation modifie la proportion de composés dans les deux liquides finaux, mais elle n'obtient pas une séparation complète. Le processus peut être répété pour atteindre des degrés de séparation progressivement plus élevés, mais c'est aussi un gaspillage car pendant chaque procédure de distillation, certaines molécules s'échappent dans l'atmosphère et certaines restent sous forme de résidus dans la distillation équipement. La distillation fractionnée résout ce dilemme: améliorer la distillation simple en atteignant des degrés de séparation plus élevés en une seule procédure de distillation.
Une colonne, plusieurs évaporations
La principale différence entre la distillation fractionnée et la distillation simple est l'ajout d'une colonne de fractionnement entre le récipient chauffé et l'endroit où la vapeur se condense. Cette colonne est remplie de matériaux, tels que des fils métalliques minces ou des billes de verre, qui favorisent la condensation car ils ont une grande surface spécifique. Au fur et à mesure que les vapeurs montent à travers la colonne de fractionnement, elles se condensent en liquide sur les surfaces plus froides de ces matériaux. Des vapeurs chaudes s'élevant d'en bas font alors s'évaporer ce liquide, puis il se condense à nouveau, puis il s'évapore à nouveau et ainsi de suite. Chaque évaporation produit de la vapeur avec une proportion plus élevée de molécules avec une pression de vapeur plus élevée. Ainsi, la distillation fractionnée permet d'obtenir une séparation supérieure avec moins de perte de matière, car une procédure équivaut à plusieurs cycles de distillation simple.