"גירושים" בין חומרים: שיטות הפרדה

כשרוצים לדבר על שני דברים שלא הולכים ביחד נהוג להשתמש בביטוי "כמו שמן ומים", וזה באמת הגיוני – שמן ומים אכן אינם מתערבבים, בגלל תכונותיהם הכימיות שאינן מאפשרות את זה. אולם במקרים לפעמים הפרדה היא בדיוק מה שנחוץ לנו: להפריד בין חומרים שנמצאים בתוך תערובת ומשתלבים ביחד היטב.

אחת הדוגמאות הטובות ביותר לזה היא הנפט. נפט הוא תערובת של פחמימנים רבים – תרכובות של פחמן ומימן – ואנחנו מעוניינים להשתמש באחדים מהם כדלק למנועים ומאחרים לייצר פלסטיק או תרכובות אחרות. את ההפרדה ביניהם עושים בזיקוק. לצד הזיקוק יש עוד שיטות הפרדה רבות, חלקן פיזיקליות וחלקן כימיות. שיטות הפרדה פיזיקליות מתבססות על תכונות פיזיקליות של החומר, כלומר, כאלו שניתן לראות או למדוד מבלי לשנות את זהות החומר (למשל, מצב צבירה) ואילו שיטות הפרדה כימיות מבוססות על תכונות כימיות - כאלו שקובעות את זהות החומר.

שיטות הפרדה פיזיקליות

שיטות הפרדה פיזיקליות, כמו סינון וזיקוק, מתבססות על הבדלים בגודל החלקיקים ובנקודות הרתיחה של החומרים שבתערובת, בהתאמה. אלו תכונות שאפשר למדוד אותן או לצפות בהן בלי לשנות את החומר עצמו.

סינון

סינון הוא תהליך ההפרדה הפשוט ביותר, עד כדי כך שאפשר לבצע אותו אפילו בציוד ביתי פשוט. בחיי היומיום אנו משתמשים בו בדרך כלל כדי להפריד מוצקים מהמים שהם התבשלו בהם – למשל פסטה.

הסינון מבוסס על כך שחלקיקי המים הקטנים מסוגלים לעבור דרך חורי המסננת בעוד המוצקים גדולים מדי ולכן נשארים בתוכה. במקרה של הפסטה אנחנו מעוניינים במוצקים, אולם במקרים אחרים דווקא הנוזל מעניין אותנו יותר ואנחנו רוצים לנקות אותו ממוצקים גדולים ולהשאיר אותם על המסננת. גודל החורים הוא מה שקובע אילו חומרים מהתערובת יישארו במסנן ואילו יעברו הלאה.

דוגמה לשימוש תעשייתי בסינון הוא העיקור (סטריליזציה). בתהליך הזה אנו מעוניינים לנקות תמיסה מזיהום חיידקי ולשם כך מעבירים אותה במסנן. החיידקים בתמיסה נעצרים במסנן ואילו מולקולות התמיסה הקטנות עוברות הלאה. התהליך הזה נקרא גם מיקרו-סינון, מכיוון שמדובר במולקולות קטנות יחסית. השיטה הזו משמשת לעיקור למשל כשאי אפשר לעקר חומר בדרכים אחרות כמו חימום או קרינה על-סגולה מחשש שיהרסו את מולקולות התמיסה.

בחלקיקים עוד יותר קטנים, שגודלם אינו עולה על 100 ננומטר, כלומר פחות מאלפית המילימטר, משתמשים בתהליך שנקרא ננו-סינון. בתהליך הזה העיקר אינו גודל החורים אלא הכוחות חשמליים בין המולקולות, שחשיבותם עולה ככל שגודל החלקיקים קטן. דוגמה לננו-סינון הוא תהליך של אוסמוזה הפוכה שמשמש להתפלת מים. במקרה הזה משתמשים בקרום בררני (ממברנה) שמאפשר מעבר של מים, אך לא של החלקיקים המומסים בהם.

זיקוק

בתהליך הזיקוק מפרידים את המרכיבים בתערובת של נוזלים על סמך ההבדלים בטמפרטורת הרתיחה שלהם. בזיקוק הפשוט ביותר מרתיחים את התערובת ואוספים את האדים במכל עיבוי שבו הם חוזרים למצב צבירה נוזלי. האדים הראשונים שמופיעים הם של החומר שטמפרטורת הרתיחה שלו היא הנמוכה ביותר. לאחר מכן ממשיכים את ההרתחה ואוספים במכל עיבוי אחר את האדים של החומר הבא וכן הלאה.

הדרך לדעת מתי חומר אחד מפסיק לרתוח ומתי אחר מתחיל היא במדידה קבועה של טמפרטורת התערובת, שכן במהלך הרתיחה של חומר מסוים טמפרטורת התערובת "נתקעת" על טמפרטורת הרתיחה של החומר הזה, ולאחר מכן היא חוזרת לעלות בקצב מהיר.

זיקוק נפט מתבסס על העיקרון הזה, אבל שם ההפרדה על פי הבדלים בנקודות רתיחה היא רק התהליך הראשוני, שמפריד את הנפט לפרקציות – קבוצות חומרים בעלי טווחים שונים של נקודות רתיחה. לאחר מכן מוסיפים כימיים שמטרתם לשפר את איכות התזקיקים.

הפרקציות העיקריות שמתקבלות בזיקוק הראשוני של נפט הן נפטא, שמשמשת לייצור בנזין למנועי מכוניות וכחומר גלם לתעשיית הפלסטיק; קרוסין שמשמש לייצור דלק למנועי סילון; סולר שמשמש כדלק למנועי דיזל; ומזוט שמשמש כחומר דלק בתחנות כוח.

בתי הזיקוק בחיפה בתחילת שנות ה-50 | צילום: ויקיפדיה, נחלת הכלל

שיטות הפרדה כימיות

שיטות הפרדה כימיות, כמו מיצוי וכרומטוגרפיה, מתבססות על אינטראקציות כימיות בין מרכיבי התערובת, וליתר דיוק הבדלים בין עוצמת האינטראקציות של מרכיבים שונים בתערובת עם חומר אחר כלשהו שאינו חלק מהתערובת. מטבע הדברים האינטראקציות האלה מבוססות על התכונות הכימיות של החומרים שרוצים להפריד.

מיצוי

מיצוי הוא תהליך כימי שבו מפיקים חומר מומס מהממס שלו. במיצוי נוזלי משתמשים בשתי שכבות נוזליות (או "פאזות") שאינן מתערבבות. חומר אורגני (כלומר, תרכובות פחמנית) שמומס בפאזה מימית עובר ממנה לפאזה אורגנית ואחר כך מפיקים אותו מתוך הפאזה האורגנית הזו, או להיפך – החומר עובר מפאזה אורגנית לפאזה מימית ומופק משם.

דוגמה לתהליך של מיצוי הוא הפרדה של דנ"א מחלבונים שנמצאים בדוגמה ביולוגית. בתהליך ההפקה, דוגמה ביולוגית מימית מעורבבת בתערובת של שני חומרים אורגניים – פנול וכלורופורם, ולאחר מכן התערובת כולה עוברת לצנטריפוגה שמפריד בין הפאזה המימית לאורגנית. הדנ"א נמצא בפאזה המימית הקלה יותר והחלבונים נמצאים בפאזה האורגנית הכבדה.

כרומטוגרפיה

כרומטוגרפיה היא שיטה בכימיה אנליטית שמאפשרת לא רק להפריד חומרים, אלא גם לזהות אותם ולקבוע את כמותם. לפיכך מרבים להשתמש בה במחקר מדעי, בתעשיית תרופות ובזיהוי פלילי. מקור המונח הוא במילים "כרומו" (צבע) ו"גרפיה" (רישום), כיוון שמי שפיתח אותה במקור היה בוטנאי רוסי שחקר את הכלורופיל שמקנה לעלים את צבעם הירוק. כשבודד את הכלורופיל התקבלה שורה של צבעים שאופייניים לכל אחד ממרכיביו. כיוםמשתמשים בשיטה הזאת להפרדת חומרים בלי קשר לצבעם.

יש כמה סוגים של כרומטוגרפיה אולם לכולם יש עיקרון משותף אחד: הפרדה בין חומרים בתערובת שמומסת בנוזל או בגז, או שהיא עצמה נוזל או גז, על בסיס האינטראקציות הכימיות שלהם עם המשטח או הצינור שבו משתמשים לכרומטוגרפיה. המשטח הזה מכונה "פאזה נייחת" ואילו הגז או הנוזל שבו מומסת התערובת שאת מרכיביה רוצים להפריד נקרא "פאזה נעה". כיוון שעוצמת האינטראקציות בין המרכיבים השונים בפאזה הנעה לפאזה הנייחת אינו זהה, הם ינדדו עליה במהירויות שונות ויגיעו למרחקים שונים וכך נוכל להפריד ביניהם.

התרשים מתאר הפרדה כרומטוגרפית בין חומרים - כל "שיא" בגרף מייצג חומר אחר | מקור: ויקיפדיה, Klaas1978

שני סוגים נפוצים של כרומטוגרפיה על גבי משטח הם כרומטוגרפיית נייר וכרומטוגרפיית רובד דק (TLC– ראשי תיבות של Thin Layer Chromatography). בכרומטוגרפיית נייר, הפאזה הנייחת היא רצועת נייר דקה שעשויה מתאית, שעליה מטפטפים טיפה קטנה של התערובת. את הנייר טובלים בנוזל כמו מים או אתנול, ש"מטפס" במעלה הנייר בגלל כוח הנימיות. כשהוא פוגש בתערובת הוא "גורר" איתו את מרכיביה. המרכיבים שיוצרים אינטראקציות חזקות עם הנייר מטפסים לאט ואלה שיוצרים אינטראקציות חלשות יותר מטפסים מהר יותר. התוצאה הסופית היא רצף של נקודות שכל אחת מהן מייצגת מרכיב אחר בתערובת.

כרומטוגרפיית רובד דק מבוססת על עקרון דומה, אבל כאן הפאזה נייחת היא משטח מזכוכית, נייר אלומיניום או פלסטיק שמצופה בחומר סופג כמו סיליקה או אלומינה. השיטה מהירה יותר ומדויקת יותר מכרומטוגרפיית נייר, ומרבית להשתמש בה בכימיה אורגנית לבדיקת דרגת הניקיון של החומר ולבדיקה ראשונית של כמות המרכיבים בתערובת.