Obsah
Hodnotné prírodné látky sa často vyskytujú ako zmesi, ktoré obsahujú žiaduce aj nežiaduce zložky. Napríklad ropa zahŕňa rôzne typy uhľovodíkov, ktoré sú vhodné pre rôzne aplikácie palív, morská voda má vysoký obsah soli a železná ruda obsahuje okrem použiteľného železa minerálne nečistoty. V priebehu storočí ľudia vyvinuli početné spôsoby rafinácie alebo čistenia prírodných materiálov. Jednoduchá destilácia a frakčná destilácia sú dve variácie základnej techniky separácie rôznych zložiek kvapaliny.
Výpary a odparovanie
Vzťah medzi teplotou a odparovaním je nevyhnutný na pochopenie jednoduchej aj frakčnej destilácie. Ak je kvapalina v otvorenej nádobe, atmosféra vyvíja tlak na hladinu kvapaliny smerom nadol. Tento atmosférický tlak pôsobí proti tlaku pár kvapalín, ktorý je tvorený kinetickou energiou molekúl, ktoré sa odparujú z povrchu kvapaliny. Keď teplota kvapaliny stúpa, zvyšuje sa aj priemerná molekulárna kinetická energia; vyparuje sa viac molekúl, čo vedie k vyššiemu tlaku pár. K varu dochádza, keď sa molekuly môžu voľne odparovať, pretože kvapalina dosiahla teplotu, pri ktorej sa tlak pary 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 chýbať v pare a neprchavé rozpustené pevné látky, ako napríklad soľ, zostanú vo vyhrievanej nádobe ako sediment. Jednoduchá destilácia je proces zhromažďovania tejto pary a jej ochladzovania tak, že kondenzuje späť do kvapaliny. Jednoduchá destilácia oddeľuje zložky kvapalnej zmesi, pretože kondenzovaná kvapalina obsahuje vyšší podiel zlúčenín s vyšším tlakom pár a pôvodná kvapalina obsahuje vyšší podiel zlúčenín s nižším tlakom pár.
Destilačná dilema
Jedna jednoduchá destilácia mení podiel zlúčenín v dvoch konečných kvapalinách, ale nedosahuje úplnú separáciu. Proces sa môže opakovať, aby sa dosiahol postupne vyšší stupeň separácie, ale je to tiež zbytočné, pretože počas každého destilačného postupu niektoré molekuly unikajú do atmosféry a niektoré zostávajú ako zvyšky v destilačnom zariadení. Frakčnou destiláciou sa rieši toto dilema - zlepšenie jednoduchej destilácie dosiahnutím vyšších stupňov separácie iba v jednom destilačnom postupe.
Jeden stĺpec, viac výparov
Primárny rozdiel medzi frakčnou destiláciou a jednoduchou destiláciou je pridanie frakcionačnej kolóny medzi zahrievanú nádobu a miesto, kde kondenzuje para. Tento stĺpec je vyplnený materiálmi, ako sú tenké kovové drôty alebo sklenené guľôčky, ktoré podporujú kondenzáciu, pretože majú vysoký povrch. Keď pary stúpajú cez frakcionačnú kolónu, kondenzujú na chladnejších povrchoch týchto materiálov do kvapaliny. Horúce pary stúpajúce zdola spôsobujú, že sa táto kvapalina odparuje, potom znova kondenzuje, potom sa znova odparuje a tak ďalej. Každé odparenie vedie k pare s vyšším podielom molekúl s vyšším tlakom pary. Frakčná destilácia tak dosahuje vynikajúce oddelenie s menšou stratou materiálu, pretože jeden postup je ekvivalentný niekoľkým kolám jednoduchej destilácie.