Ценные природные вещества часто встречаются в виде смесей, содержащих как желательные, так и нежелательные компоненты. Например, сырая нефть включает различные типы углеводородов, которые подходят для разного топлива. применения, океанская вода имеет высокое содержание соли, а железная руда содержит минеральные примеси в дополнение к полезное железо. На протяжении веков люди разработали множество способов очистки природных материалов. Простая перегонка и фракционная перегонка - это два варианта основного метода разделения различных компонентов жидкости.
Пары и испарение
Взаимосвязь между температурой и испарением важна для понимания как простой, так и фракционной перегонки. Когда жидкость находится в открытом контейнере, атмосфера оказывает понижающее давление на поверхность жидкости. Это атмосферное давление противодействует давлению пара жидкости, которое создается кинетической энергией молекул, испаряющихся с поверхности жидкости. По мере увеличения температуры жидкости средняя молекулярная кинетическая энергия также увеличивается; испаряется больше молекул, что приводит к более высокому давлению пара. Кипение происходит, когда молекулы могут свободно испаряться, потому что жидкость достигла температуры, при которой давление пара равно атмосферному давлению.
Простое разделение
У разных соединений разная температура кипения. Точно так же при любой заданной температуре разные соединения будут иметь разное давление пара. Если жидкая смесь различных соединений нагревается в закрытом контейнере, состав пара, улавливаемого над жидкостью, будет отражать эти различия. Пар будет содержать больше молекул соединений с более высоким давлением пара и меньше молекул соединений с более низким давлением пара. Соединение с очень высокой температурой кипения по сравнению с другими соединениями в смеси будет почти отсутствует в паре, и нелетучие растворенные твердые вещества, такие как соль, останутся в виде осадка в нагретом контейнер. Простая перегонка - это процесс сбора этого пара и его охлаждения, чтобы он снова конденсировался в жидкость. Простая перегонка разделяет компоненты жидкой смеси, поскольку конденсированная жидкость содержит более высокую долю соединения с более высоким давлением пара, и исходная жидкость содержит более высокую долю соединений с меньшим паром давление.
Дилемма дистилляции
Одна простая перегонка изменяет пропорцию соединений в двух конечных жидкостях, но не приводит к полному разделению. Процесс можно повторять для достижения все более высоких степеней разделения, но это также расточительно, потому что во время при каждой процедуре перегонки некоторые молекулы улетучиваются в атмосферу, а некоторые остаются в виде остатка при перегонке. оборудование. Фракционная перегонка решает эту дилемму - улучшение простой перегонки за счет достижения более высоких степеней разделения всего за одну процедуру перегонки.
Одна колонка, несколько испарений
Основное различие между фракционной перегонкой и простой перегонкой заключается в добавлении ректификационной колонны между нагретым контейнером и местом конденсации пара. Эта колонка заполнена материалами, такими как тонкая металлическая проволока или стеклянные шарики, которые способствуют конденсации, поскольку имеют большую площадь поверхности. Когда пары поднимаются через фракционирующую колонну, они конденсируются в жидкость на более холодных поверхностях этих материалов. Горячие пары, поднимающиеся снизу, вызывают испарение этой жидкости, затем она снова конденсируется, затем снова испаряется и так далее. Каждое испарение приводит к образованию пара с большей долей молекул с более высоким давлением пара. Таким образом, фракционная перегонка обеспечивает превосходное разделение с меньшими потерями материала, поскольку одна процедура эквивалентна нескольким циклам простой перегонки.