通过蒸馏进行分离
关键概念
物理
沸点
冷凝
蒸馏
介绍
你喜欢烹饪吗？如果你曾在家里厨房帮忙，或者看过其他人烹饪，你可能看到过许多液体——例如水、牛奶和汤——被加热。你是否注意到，一旦这些液体沸腾，就会产生许多蒸汽？你是否想过，这些蒸汽是由什么组成的？而溶解在你煮的溶液中的物质，如糖和盐，会发生什么变化？它们是一同被蒸发出来，还是留在溶液中？在这次活动中，你将建造一个蒸馏设备来模仿你在煮果汁时产生的蒸汽！你认为它会是什么味道呢？
背景
你需要什么来配出一份溶液呢？首先，你需要水或者其他溶剂，然后你需要一种物质，如糖或者盐，来溶解，我们称为溶质。溶剂和溶质变为一份溶液——一种均匀的混合物——你无法看出它们之间的任何区别。但如果你想要从溶液中分离出单独一种化合物呢？有一种称为蒸馏的方法可以让你达到这个目的。它有许多现实的应用，如制造药物、香水和一些食物产品。
蒸馏利用了溶剂中物质挥发度的差异，即每一种物质都有不同的沸点，即开始蒸发（从液态变为气态）的温度不同。蒸馏时，你加热溶剂，使得最低沸点的组分首先被蒸发，留下其他溶质在里面。气态的蒸发出来的物质（我们称之为馏出物）可以通过冷凝在另一个容器中被收集。这意味着蒸汽被冷凝，因此气体重新变成液体。通过改变蒸馏温度，你可以根据挥发度从的差别分离许多不同的物质。但是，如果你的溶液包含了不挥发的溶质，该溶质总是会留在溶液中的。
知道了蒸馏是如何起效的，你认为加热果汁后会发生什么呢？建造你自己的蒸馏设备并找到答案！
材料
电炉（记住大人在时才能使用电炉）
配有弯盖的深锅（最好是透明的盖子）
陶瓷碗
小陶瓷盘或者陶瓷咖啡杯
三个玻璃杯
苹果汁或越橘汁（约半升）
液体量杯
冰
烤箱手套
高汤（可选）
厨房用温度计（可选）
醋（可选）
准备工作
确保你所有的材料都是干净的（这样最后你就能品尝果汁和产品）
把小陶瓷盘放在锅的中央。你也可以放一个陶瓷咖啡杯在锅中央，这取决于你锅的深度。
把陶瓷碗放在小盘或咖啡杯的上面
把你的锅放在电炉上
过程
量取一杯果汁并倒入玻璃杯中。看看它的颜色，喝一小口尝尝它的味道。它十分甜吗？颜色看起来怎么样；很深吗？把剩下的果汁留下来以便最后的对比。
另外倒一杯有颜色的果汁在锅底。（你的小陶瓷盘或者陶瓷咖啡杯现在应该在果汁中）
和你旁边的大人一起，打开电炉到中档并把果汁煮沸。它应该是温和地而不是翻滚地沸腾。你能看到当你的果汁开始沸腾时，蒸汽就出来了吗？
现在把盖子反过来放在锅上，这样弯盖的尖端就对着锅里的碗了。当你盖上盖子后，蒸汽怎么样了？
把冰放在锅盖上。你可能需要更换一些冰，因为它们会融化。如果你用的是透明的盖子，你能看见盖子面向锅内的那一面上有小液滴形成吗？它们从哪里来？又将到哪里去？
让果汁沸腾20至30分钟，确保锅底一直留有一些果汁。你看到锅里的果汁有什么数量上的变化吗？
之后关火，让锅冷却一会儿。
戴上烤箱手套并小心地把锅盖移开。你在盖子下的空碗中发现了什么？
戴着手套，把碗从小陶瓷盘或者咖啡杯上拿开，并放在一个耐热的桌面上。
拿走小盘或咖啡杯，看看锅里剩下的果汁，比起你倒进去时是多了还是少了？
冷却后，把锅里剩余的果汁倒进一个玻璃杯中？果汁在煮的过程中发生变化了吗？什么不同了？
把冷却了的馏出物（冷凝了的蒸汽），即现在小碗里的液体倒出在玻璃杯中。馏出物看起来是怎么样的？
现在把最初装有果汁的玻璃杯放到剩余果汁和馏出物的旁边。比较它们的外观。它们有什么不同？你猜到了这个结果吗？你认为果汁为什么会发生这样的变化？比起你倒进锅里的果汁，现在剩下了多少？
让果汁冷却到室温。因为你在实验中使用了清洁的厨房用具和可饮用的果汁，现在对每个溶液都尝一小口。这三种不同的液体尝起来有什么区别？哪一个最甜？哪一个最不甜？冷却的蒸汽尝起来如何？你认为为什么有这样的区别？
最后，把馏出物倒进剩余果汁里以把两者混合。加起来的体积和你最开始倒进锅里的一样吗？它的外观和味道和原始的果汁比起来怎么样？
额外：对一个含盐的溶液，如高汤，替代甜的果汁重复这个实验。你认为结果会类似吗？汤里的盐在煮沸时会怎么样？
额外：尝试用家里的醋重复这个实验。醋是大约4：6的醋酸和水的混合物。你可以通过蒸馏分离这两种液体吗？这次的馏出物尝起来是什么味道？
额外：也许你知道纯水在常压下的沸点是100°C℃（212°F℉）。在水中加入一种溶质，如糖、盐、或者其他物质，会改变所得溶液的沸点。尝试加热你的三种液体（原始果汁，馏出物和剩余的果汁）并用温度计测量它们的沸点。它们有不同吗？沸点随着溶质浓度的升高如何改变？
观察与结论
果汁通常是非常甜的。这是因为水果包含了许多称之为果糖的水果糖分。但是大部分水果中的80%是水，因此基本上苹果汁或者越橘汁是水和糖的混合物。一旦达到了果汁的沸点，它会开始挥发，你会看到有蒸汽从锅中冒出来。如果你盖上锅盖，蒸汽上升到锅盖处，因为锅盖比蒸汽冷得多（特别是在你放上冰之后），蒸汽迅速受冷并冷凝，重新变回液体，形成你所看到的锅盖里的小液滴。这些小液滴掉落并收集在你之前放在锅里的碗中。由于果汁沸腾了，你可能注意到碗里的水增加了而锅里的果汁减少了。这是因为曾是果汁一部分的蒸汽在另一个容器中被收集了。如果把两者合在一起，馏出物和剩余的果汁加起来应该和你最初的果汁体积差不多。
当你在最后比较这三种不同的溶液（原始果汁，馏出物和剩余的果汁），你首先看到的可能是剩余的果汁的颜色，因为它变得深多了，而馏出物则完全没有颜色，看起来像纯水。而它确实是纯水；当你尝的时候它不应该有任何甜度，而剩余的果汁应该尝起来比原始的果汁甜多了。这是因为糖是不挥发的物质，这意味着当你煮任何含糖的液体，糖会留在溶液中而不会转变为气态。但是，混合物的组分水在100°C℃开始挥发，因此蒸汽是由纯水组成的。盐也是一种不挥发的物质，如果你用高汤重复这个是由，你蒸馏出来的依然是纯水。如果你最后比较这三种溶液的沸点，你应该注意到你可以通过加入溶质来提高水的沸点——溶质越多，沸点越高。
另一方面，醋——或者说4：6的醋酸和水的混合物——是不易通过蒸馏分离的。这是因为水的沸点（100°C℃）和醋的沸点（约100.6°C℃）过于接近而难以分离。你应该注意到馏出物尝起来仍然像醋。
翻译/陈璟仪
审校/张哲
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