Содержание
Ценные природные вещества часто встречаются в виде смесей, которые содержат как желательные, так и нежелательные компоненты. Например, сырая нефть включает в себя различные типы углеводородов, которые подходят для различных применений топлива, в океанской воде высокое содержание соли, а в железной руде помимо полезного железа содержатся минеральные примеси. На протяжении веков люди разработали многочисленные способы очистки или очистки природных материалов. Простая перегонка и фракционная перегонка являются двумя вариантами базовой техники разделения различных компонентов жидкости.
Пары и испарение
Соотношение между температурой и испарением важно 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 паров жидкости, которое создается кинетической энергией молекул, испаряющихся с поверхности жидкости. Когда температура жидкости увеличивается, средняя молекулярная кинетическая энергия также увеличивается; больше молекул испаряется, приводя 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
Различные соединения имеют разные температуры кипения. Аналогично, при любой данной температуре разные соединения будут иметь разные давления пара. Если жидкая смесь различных соединений нагревается в закрытом контейнере, состав паров, захваченных 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 практически отсутствовать в паре, и нелетучие растворенные твердые вещества, такие как соль, будут оставаться в виде осадка в нагретом контейнере. Простая дистилляция - это процесс сбора этого пара и его охлаждения, чтобы он снова конденсировался в жидкость. Простая дистилляция разделяет компоненты жидкой смеси, потому что конденсированная жидкость содержит более высокую пропорцию соединений с более высоким давлением паров, а исходная жидкость содержит более высокую пропорцию соединений с более низким давлением паров.
Дистилляция дистилляции
Одна простая перегонка изменяет пропорцию соединений в двух конечных жидкостях, но не обеспечивает полного разделения. Процесс может быть повторен для достижения прогрессивно более высоких степеней разделения, но это также расточительно, потому что во время каждой процедуры дистилляции некоторые молекулы выходят в атмосферу, а некоторые остаются в качестве остатка в дистилляционном оборудовании. Фракционная перегонка решает эту дилемму - улучшение простой перегонки путем достижения более высоких степеней разделения только в одной процедуре перегонки.
Одна колонна, 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 тонкие металлические проволоки или стеклянные шарики, которые способствуют конденсации, потому что они имеют большую площадь поверхности. Когда пары поднимаются через ректификационную колонну, они конденсируются в жидкость на более холодных поверхностях этих материалов. Горячие пары, поднимающиеся снизу, затем вызывают испарение этой жидкости, затем снова конденсируются, затем снова испаряются и так далее. Каждое испарение приводит к образованию пара с более высокой 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.