Contenu
- Vapeurs et évaporation
- Séparation simple
- Dilemme de la distillation
- Une colonne, évaporations multiples
Les substances naturelles précieuses se présentent souvent sous forme de mélanges contenant des composants souhaitables et indésirables. Par exemple, le pétrole brut comprend divers types d'hydrocarbures qui conviennent à différentes applications de combustibles, l'eau de mer contient beaucoup de sel et le minerai de fer contient des impuretés minérales en plus du fer utilisable. Au fil des siècles, les gens ont développé de nombreux moyens d'affiner ou de purifier des matériaux naturels. La distillation simple et la distillation fractionnée sont deux variantes d’une technique de base permettant de séparer différents composants d’un liquide.
Vapeurs et évaporation
La relation entre la température et l'évaporation est essentielle à la compréhension de la distillation simple et fractionnée. Lorsqu'un liquide est dans un récipient ouvert, l'atmosphère exerce une pression vers le bas sur la surface du liquide. Cette pression atmosphérique neutralise la pression de vapeur des liquides, qui est créée par l'énergie cinétique des molécules qui s'évaporent de la surface du liquide. À mesure que la température du liquide augmente, l'énergie cinétique moléculaire moyenne augmente également; plus de molécules s'évaporent, entraînant une pression de vapeur plus élevée. L'ébullition survient lorsque les molécules peuvent s'évaporer librement car le liquide a atteint une température à laquelle la pression de vapeur est égale à la pression atmosphérique.
Séparation simple
Différents composés ont différentes températures d'ébullition. De même, à une température donnée, différents composés auront des pressions de vapeur différentes. Si un mélange liquide de différents composés est chauffé dans un récipient fermé, la composition de la vapeur piégée au-dessus du liquide reflétera ces différences. La vapeur contiendra plus de molécules de composés avec une pression de vapeur plus élevée et moins de molécules de composés avec une pression de vapeur inférieure. Un composé ayant une température d'ébullition très élevée par rapport aux autres composés du mélange sera pratiquement absent de la vapeur et les solides dissous non volatils, tels que le sel, resteront sous forme de sédiment dans le récipient chauffé. La distillation simple consiste à collecter cette vapeur et à la refroidir afin qu'elle se condense dans un liquide. La distillation simple sépare les composants d'un mélange liquide car le liquide condensé contient une proportion plus élevée de composés avec une pression de vapeur plus élevée et le liquide d'origine contient une proportion plus élevée de composés avec une pression de vapeur plus basse.
Dilemme de la distillation
Une simple distillation modifie la proportion de composés dans les deux liquides finaux, mais ne permet pas une séparation complète. Le processus peut être répété pour atteindre des degrés de séparation de plus en plus élevés, mais cela constitue également un gaspillage, car lors de chaque procédure de distillation, certaines molécules s'échappent dans l'atmosphère et d'autres restent sous forme de résidus dans l'équipement de distillation. La distillation fractionnée répond à ce dilemme: améliorer la distillation simple en atteignant des degrés de séparation plus élevés en une seule procédure de distillation.
Une colonne, évaporations multiples
La principale différence entre la distillation fractionnée et la distillation simple réside dans l'ajout d'une colonne de fractionnement entre le récipient chauffé et le lieu où la vapeur se condense. Cette colonne est remplie de matériaux, tels que des fils métalliques minces ou des billes de verre, qui favorisent la condensation car ils ont une grande surface. Lorsque les vapeurs montent à travers la colonne de fractionnement, elles se condensent en un liquide sur les surfaces plus froides de ces matériaux. Les vapeurs chaudes qui remontent d’en bas provoquent l’évaporation de ce liquide, puis il se condense à nouveau, s’évapore à nouveau, etc. Chaque évaporation produit de la vapeur avec une proportion plus élevée de molécules avec une pression de vapeur plus élevée. Ainsi, la distillation fractionnée permet une séparation supérieure avec moins de perte de matière, car une procédure équivaut à plusieurs tours de distillation simple.