Цінні природні речовини часто трапляються як суміші, що містять як бажані, так і небажані компоненти. Наприклад, сира нафта включає різні типи вуглеводнів, які підходять для різних видів палива Океанічна вода має високий вміст солі, а залізна руда містить крім мінеральних домішок корисне залізо. Протягом століть люди розробили численні способи переробки або очищення природних матеріалів. Проста дистиляція та фракційна дистиляція - два варіанти базової техніки розділення різних компонентів рідини.
Пари та випаровування
Співвідношення між температурою та випаровуванням є важливим для розуміння як простої, так і дробової дистиляції. Коли рідина знаходиться у відкритому посуді, атмосфера здійснює тиск вниз на поверхню рідини. Цей атмосферний тиск протидіє тиску парів рідини, який створюється кінетичною енергією молекул, які випаровуються з поверхні рідини. Зі збільшенням температури рідини зростає і середня молекулярна кінетична енергія; більше молекул випаровується, що призводить до вищого тиску пари. Кипіння відбувається, коли молекули можуть вільно випаровуватися, оскільки рідина досягла температури, при якій тиск пари дорівнює атмосферному.
Просте розділення
Різні сполуки мають різну температуру кипіння. Подібним чином, при будь-якій заданій температурі різні сполуки матимуть різний тиск пари. Якщо рідку суміш різних сполук нагріти у закритому контейнері, склад пари, що потрапляє над рідиною, відображатиме ці відмінності. Пара буде містити більше молекул сполук з вищим тиском пари і менше молекул сполук з нижчим тиском пари. З'єднання з дуже високою температурою кипіння щодо інших сполук у суміші буде майже відсутні у парі, а нелеткі розчинені тверді речовини, такі як сіль, залишаться у вигляді осаду в нагрітому контейнер. Проста дистиляція - це процес збору цієї пари та її охолодження, щоб вона знову конденсувалась у рідину. Проста дистиляція відокремлює компоненти рідкої суміші, оскільки конденсована рідина містить більшу частку сполуки з більш високим тиском пари і вихідна рідина містить більшу частку сполук з меншим паром тиску.
Дилема дистиляції
Одна проста дистиляція змінює частку сполук у двох кінцевих рідинах, але не досягає повного розділення. Процес можна повторити для досягнення поступово вищих ступенів поділу, але це також марнотратно, оскільки під час під час кожної процедури дистиляції частина молекул виходить в атмосферу, а частина залишається залишком при перегонці обладнання. Фракційна дистиляція вирішує цю дилему - вдосконалення простої дистиляції шляхом досягнення вищих ступенів поділу лише за одну процедуру дистиляції.
Одна колонка, багаторазове випаровування
Основною відмінністю фракційної дистиляції від простої дистиляції є додавання фракціонуючої колони між нагрітим контейнером і місцем конденсації пари. Ця колонка заповнена матеріалами, такими як тонкі металеві дроти або скляні намистини, що сприяють конденсації, оскільки вони мають велику площу поверхні. Коли пари піднімаються через фракціонуючу колону, вони конденсуються в рідину на більш холодних поверхнях цих матеріалів. Гарячі пари, що піднімаються знизу, змушують цю рідину випаровуватися, потім вона знову конденсується, потім знову випаровується і так далі. Кожне випаровування призводить до пари з більшою часткою молекул з вищим тиском пари. Таким чином, фракційна дистиляція досягає чудового розділення з меншими втратами матеріалу, оскільки одна процедура еквівалентна декільком раундам простої дистиляції.
