Le preziose sostanze naturali si trovano spesso come miscele che contengono componenti desiderabili e indesiderabili. Ad esempio, il petrolio greggio include vari tipi di idrocarburi adatti a diversi combustibili applicazioni, l'acqua dell'oceano ha un alto contenuto di sale e il minerale di ferro contiene impurità minerali oltre a ferro utilizzabile. Nel corso dei secoli, le persone hanno sviluppato numerosi modi per raffinare o purificare i materiali naturali. La distillazione semplice e la distillazione frazionata sono due varianti di una tecnica di base per separare i diversi componenti di un liquido.
Vapori ed evaporazione
La relazione tra temperatura ed evaporazione è essenziale per comprendere sia la distillazione semplice che quella frazionata. Quando un liquido si trova in un contenitore aperto, l'atmosfera esercita una pressione verso il basso sulla superficie del liquido. Questa pressione atmosferica contrasta la pressione di vapore del liquido, che è creata dall'energia cinetica delle molecole che evaporano dalla superficie del liquido. All'aumentare della temperatura del liquido, aumenta anche l'energia cinetica molecolare media; più molecole evaporano, portando a una maggiore pressione di vapore. L'ebollizione si verifica quando le molecole possono evaporare liberamente perché il liquido ha raggiunto una temperatura alla quale la pressione di vapore è uguale alla pressione atmosferica.
Separazione semplice
Composti diversi hanno temperature di ebollizione diverse. Allo stesso modo, a qualsiasi data temperatura, diversi composti avranno diverse pressioni di vapore. Se una miscela liquida di diversi composti viene riscaldata in un contenitore chiuso, la composizione del vapore intrappolato sopra il liquido rifletterà queste differenze. Il vapore conterrà più molecole di composti con una pressione di vapore più elevata e meno molecole di composti con una pressione di vapore più bassa. Un composto con una temperatura di ebollizione molto elevata rispetto agli altri composti nella miscela sarà quasi assente dal vapore e i solidi disciolti non volatili, come il sale, rimarranno come sedimenti nell'ambiente riscaldato contenitore. La semplice distillazione è il processo di raccolta di questo vapore e raffreddamento in modo che si condensi nuovamente in un liquido. La semplice distillazione separa i componenti di una miscela liquida perché il liquido condensato contiene una proporzione maggiore di composti con maggiore tensione di vapore e il liquido originale contiene una proporzione maggiore di composti con minore vapore pressione.
Il dilemma della distillazione
Una semplice distillazione cambia la proporzione dei composti nei due liquidi finali, ma non raggiunge la separazione completa. Il processo può essere ripetuto per ottenere gradi di separazione progressivamente più elevati, ma anche questo è dispendioso perché durante ad ogni procedura di distillazione, alcune molecole sfuggono nell'atmosfera e alcune rimangono come residuo nella distillazione attrezzatura. La distillazione frazionata risolve questo dilemma: migliorare la distillazione semplice raggiungendo gradi di separazione più elevati in una sola procedura di distillazione.
Una colonna, più evaporazioni
La differenza principale tra la distillazione frazionata e la distillazione semplice è l'aggiunta di una colonna di frazionamento tra il contenitore riscaldato e il luogo in cui il vapore si condensa. Questa colonna è riempita con materiali, come fili metallici sottili o perle di vetro, che favoriscono la condensa perché hanno un'area superficiale elevata. Quando i vapori salgono attraverso la colonna di frazionamento, si condensano in liquido sulle superfici più fredde di questi materiali. I vapori caldi che salgono dal basso fanno poi evaporare questo liquido, poi si condensa di nuovo, poi evapora di nuovo e così via. Ogni evaporazione produce vapore con una proporzione maggiore di molecole con una maggiore pressione di vapore. Pertanto, la distillazione frazionata raggiunge una separazione superiore con una minore perdita di materiale perché una procedura è equivalente a più cicli di distillazione semplice.
