Cenné prírodné látky sa často vyskytujú ako zmesi, ktoré obsahujú žiaduce aj nežiaduce zložky. Napríklad ropa obsahuje rôzne druhy uhľovodíkov, ktoré sú vhodné pre rôzne palivá oceánska voda má vysoký obsah solí a železná ruda obsahuje okrem toho minerálne nečistoty použiteľné železo. V priebehu storočí ľudia vyvinuli množstvo spôsobov rafinácie alebo čistenia prírodných materiálov. Jednoduchá destilácia a frakčná destilácia sú dve variácie základnej techniky na oddeľovanie rôznych zložiek kvapaliny.
Výpary a odparovanie
Vzťah medzi teplotou a odparovaním je nevyhnutný pre pochopenie jednoduchej aj frakčnej destilácie. Keď je kvapalina v otvorenej nádobe, atmosféra vyvíja tlak smerom dole na povrch kvapaliny. Tento atmosférický tlak pôsobí proti tlaku pár kvapaliny, ktorý je tvorený kinetickou energiou molekúl, ktoré sa odparujú z povrchu kvapaliny. So zvyšovaním teploty kvapaliny sa zvyšuje aj priemerná molekulárna kinetická energia; viac molekúl sa odparí, čo vedie k vyššiemu tlaku pár. K varu dochádza, keď sa molekuly môžu voľne odparovať, pretože kvapalina dosiahla teplotu, pri ktorej sa tlak pár rovná atmosférickému tlaku.
Jednoduché oddelenie
Rôzne zlúčeniny majú rôzne teploty varu. Podobne pri každej danej teplote budú mať rôzne zlúčeniny rôzne tlaky pár. Ak sa kvapalná zmes rôznych zlúčenín zahrieva v uzavretej nádobe, zloženie pary zachytenej nad kvapalinou bude odrážať tieto rozdiely. Para bude obsahovať viac molekúl zlúčenín s vyšším tlakom pár a menej molekúl zlúčenín s nižším tlakom pár. Zlúčenina s veľmi vysokou teplotou varu v porovnaní s ostatnými zlúčeninami v zmesi bude takmer neprítomný vo výparoch a neprchavé rozpustené tuhé látky, ako je soľ, zostanú vo vyhriatom stave ako sediment kontajner. Jednoduchá destilácia je proces zhromažďovania tejto pary a jej ochladzovania tak, aby kondenzovala späť do kvapaliny. Jednoduchá destilácia oddeľuje zložky kvapalnej zmesi, pretože kondenzovaná kvapalina obsahuje vyšší podiel zlúčeniny s vyšším tlakom pár a pôvodná kvapalina obsahuje vyšší podiel zlúčenín s nižším výparom tlak.
Destilačná dilema
Jedna jednoduchá destilácia zmení podiel zlúčenín v dvoch konečných kvapalinách, ale nedosiahne úplné oddelenie. Proces je možné opakovať, aby sa dosiahli postupne vyššie stupne separácie, čo je však tiež zbytočné, pretože počas pri každej destilačnej procedúre niektoré molekuly uniknú do atmosféry a niektoré zostanú ako zvyšky v destilácii vybavenie. Frakčná destilácia sa zaoberá touto dilemou - vylepšením jednoduchej destilácie dosiahnutím vyšších stupňov separácie iba v jednom destilačnom postupe.
Jeden stĺpec, viac odparení
Hlavným rozdielom medzi frakčnou destiláciou a jednoduchou destiláciou je pridanie frakčnej kolóny medzi ohriatu nádobu a miesto, kde kondenzuje para. Táto kolóna je naplnená materiálmi, ako sú tenké kovové drôty alebo sklenené guľôčky, ktoré napomáhajú kondenzácii, pretože majú veľkú plochu. Keď páry stúpajú cez frakčnú kolónu, kondenzujú na kvapaline na chladnejších povrchoch týchto materiálov. Horúce pary stúpajúce zdola spôsobujú, že sa táto kvapalina odparí, potom opäť kondenzuje, potom sa odparuje atď. Výsledkom každého odparovania je para s vyšším podielom molekúl s vyšším tlakom pár. Frakčnou destiláciou sa teda dosahuje vynikajúca separácia s menšími stratami materiálu, pretože jeden postup je ekvivalentný niekoľkým cyklom jednoduchej destilácie.