Διαχωρισμός ομογενών μιγμάτων

Όταν ρίχνουμε λίγο αλάτι σε ένα ποτήρι νερό και ανακατεύουμε, το αλάτι σιγά-σιγά «εξαφανίζεται». Το νερό μένει διαυγές και δεν ξεχωρίζουμε πια πού βρίσκεται το αλάτι. Έχουμε φτιάξει ένα ομογενές μίγμα, δηλαδή ένα διάλυμα. Το ίδιο συμβαίνει με τη ζάχαρη στο νερό ή με το οινόπνευμα στο νερό.

Στα ετερογενή μίγματα (όπως τα χαλίκια μέσα στο νερό ή η θολή σκόνη κιμωλίας) βλέπουμε ξεκάθαρα τα συστατικά, οπότε μπορούμε να τα χωρίσουμε εύκολα, π.χ. αδειάζοντας το νερό ή περνώντας το μίγμα από ένα φίλτρο. Στα διαλύματα όμως το πράγμα δυσκολεύει: πώς να ξεχωρίσεις κάτι που δεν φαίνεται καν;

Σε αυτή την ενότητα θα γνωρίσουμε τις μεθόδους που μας βοηθούν να διαχωρίσουμε τα ομογενή μίγματα στα συστατικά τους: την εξάτμιση, τον βρασμό και την απόσταξη.

Τι θυμόμαστε για τα διαλύματα

Κάθε διάλυμα αποτελείται από δύο μέρη:

• τον διαλύτη, που είναι συνήθως το υγρό (πολύ συχνά το νερό),
• και τη διαλυμένη ουσία, που μπορεί να είναι μια στερεή ουσία (π.χ. αλάτι, ζάχαρη) ή ακόμη και ένα άλλο υγρό (π.χ. οινόπνευμα).

Το είδος της διαλυμένης ουσίας (στερεή ή υγρή) και το τι θέλουμε να κρατήσουμε στο τέλος καθορίζουν ποια μέθοδο θα διαλέξουμε.

Η εξάτμιση και ο βρασμός: κρατάμε το στερεό

Ας ξεκινήσουμε από την πιο απλή περίπτωση: ένα διάλυμα που έχει έναν υγρό διαλύτη και μια στερεή διαλυμένη ουσία, όπως το αλατόνερο. Θέλουμε να πάρουμε πίσω το αλάτι.

Η ιδέα είναι απλή. Θερμαίνουμε το διάλυμα. Το νερό, καθώς ζεσταίνεται, μετατρέπεται σε αέριο (ατμό) και φεύγει στον αέρα. Το αλάτι όμως δεν φεύγει, γιατί χρειάζεται πάρα πολύ μεγαλύτερη θερμοκρασία για να «εξαερωθεί». Έτσι, όταν όλο το νερό φύγει, μένει πίσω το στεγνό αλάτι. 🧂

Εδώ πρέπει να ξεχωρίσουμε δύο συγγενικά φαινόμενα:

• Η εξάτμιση γίνεται αργά, μόνο στην επιφάνεια του υγρού και σε οποιαδήποτε θερμοκρασία. Το υγρό απορροφά θερμότητα από το περιβάλλον (ακόμη και από τον ήλιο) και σιγά-σιγά μετατρέπεται σε αέριο. Έτσι στεγνώνει η μπουγάδα ή στεγνώνει μια λακκούβα μετά τη βροχή.
• Ο βρασμός γίνεται γρήγορα, σε όλη τη μάζα του υγρού και μόνο σε μία συγκεκριμένη θερμοκρασία, το σημείο βρασμού (ή σημείο ζέσεως). Το νερό, για παράδειγμα, βράζει στους $100\ ^\circ C$.

Και τα δύο όμως καταλήγουν στο ίδιο αποτέλεσμα για τον διαχωρισμό: το υγρό φεύγει ως αέριο και μένει πίσω η στερεή διαλυμένη ουσία.

Ο διαχωρισμός αυτός είναι φυσικό φαινόμενο: δεν φτιάχνεται καμία καινούρια ουσία. Παίρνουμε πίσω το ίδιο ακριβώς αλάτι που είχαμε ρίξει από την αρχή στο νερό.

Η απόσταξη: κρατάμε (και) το καθαρό υγρό

Ας φανταστούμε τώρα ότι θέλουμε το καθαρό νερό και όχι το αλάτι. Ίσως, όπως το πλήρωμα ενός πλοίου που ξέμεινε από πόσιμο νερό, θέλουμε να πάρουμε πόσιμο νερό από το θαλασσινό νερό. Η εξάτμιση δεν μας κάνει, γιατί εκεί το νερό χάνεται στον αέρα.

Η λύση είναι η απόσταξη. Η βασική ιδέα είναι απλή αλλά έξυπνη: αντί να αφήσουμε τον ατμό να χαθεί, τον ξαναγυρίζουμε σε υγρό και τον μαζεύουμε.

Η διαδρομή που ακολουθεί το νερό είναι η εξής:

1. Βρασμός. Θερμαίνουμε το διάλυμα μέχρι να βράσει. Το νερό μετατρέπεται σε ατμό (υγρό → αέριο, φαινόμενο που λέγεται εξαέρωση) και ανεβαίνει. Το αλάτι μένει πίσω, γιατί δεν βράζει μαζί με το νερό.
2. Ψύξη. Ο θερμός ατμός περνάει μέσα από έναν ψυκτήρα, γύρω από τον οποίο κυκλοφορεί κρύο νερό. Εκεί ο ατμός κρυώνει και ξαναγίνεται υγρό (αέριο → υγρό, φαινόμενο που λέγεται υγροποίηση).
3. Συλλογή. Το υγρό που προκύπτει στάζει σταγόνα-σταγόνα και μαζεύεται καθαρό σε ένα δοχείο. Αυτό το καθαρό υγρό ονομάζεται απόσταγμα.

Στην περίπτωση του αλατόνερου, το απόσταγμα είναι καθαρό νερό, χωρίς αλάτι, ενώ το αλάτι μένει πίσω στο δοχείο όπου έγινε ο βρασμός. 💧

Ένα σημαντικό σημείο: κατά τη διάρκεια της απόσταξης η παροχή του κρύου νερού στον ψυκτήρα πρέπει να μένει ανοιχτή. Το κρύο νερό είναι που παίρνει τη θερμότητα από τον ατμό και τον κάνει να υγροποιηθεί. Αν κλείσουμε το κρύο νερό, ο ατμός δεν θα ψυχθεί, δεν θα γίνει ξανά υγρό και δεν θα μαζέψουμε καθαρό νερό.

Ο ρόλος του σημείου ζέσεως

Γιατί στην απόσταξη του αλατόνερου φεύγει μόνο το νερό και μένει πίσω το αλάτι; Η απάντηση κρύβεται σε μια ιδιότητα που λέγεται σημείο ζέσεως (ή σημείο βρασμού).

Το σημείο ζέσεως είναι η θερμοκρασία στην οποία μια ουσία βράζει. Κάθε ουσία έχει το δικό της σημείο ζέσεως:

• Το νερό βράζει στους $100\ ^\circ C$.
• Το αλάτι χρειάζεται πάρα πολύ μεγαλύτερη θερμοκρασία για να «εξαερωθεί».

Έτσι, όταν θερμαίνουμε το αλατόνερο και φτάσουμε τους $100\ ^\circ C$, το νερό αρχίζει να βράζει και να μετατρέπεται σε ατμό, ενώ το αλάτι είναι πολύ «μακριά» από τη δική του θερμοκρασία και μένει ήσυχο στον πάτο. Γι' αυτό ο ατμός που μπαίνει στον ψυκτήρα είναι καθαρό νερό.

Η ίδια ιδέα μας επιτρέπει να χωρίσουμε ακόμη και δύο διαφορετικά υγρά μεταξύ τους, αρκεί να έχουν διαφορετικά σημεία ζέσεως. Όταν θερμαίνουμε το μίγμα, βράζει και φεύγει πρώτο το υγρό με το χαμηλότερο σημείο ζέσεως. Το μαζεύουμε ξεχωριστά, και στο δοχείο μένει το υγρό που βράζει σε υψηλότερη θερμοκρασία.

Πότε διαλέγουμε την κάθε μέθοδο

Και οι τρεις μέθοδοι διαχωρίζουν ομογενή μίγματα, αλλά δεν είναι ισοδύναμες. Η επιλογή εξαρτάται κυρίως από δύο ερωτήματα: Τι θέλουμε να κρατήσουμε στο τέλος; και Τι είδους είναι τα συστατικά (στερεά ή υγρά);

Λίγα λόγια για την κάθε περίπτωση:

• Εξάτμιση / βρασμός: τη διαλέγουμε όταν θέλουμε μόνο τη στερεή διαλυμένη ουσία. Είναι η πιο απλή μέθοδος, και η εξάτμιση με τη βοήθεια του ήλιου μπορεί να γίνει και χωρίς να καταναλώσουμε ενέργεια. Το τίμημα είναι ότι χάνουμε το υγρό.
• Απόσταξη: τη διαλέγουμε όταν θέλουμε το καθαρό υγρό, ή και τα δύο συστατικά, ή όταν πρέπει να χωρίσουμε δύο υγρά που διαφέρουν στο σημείο ζέσεως. Είναι πιο σύνθετη διάταξη και απαιτεί ενέργεια, αλλά μας δίνει πίσω τον καθαρό διαλύτη.