Uma importante forma de separação na química é a cromatografia. Esta é o processo de separação de compostos em uma mistura e a determinação da identidade e quantidade de cada um. A amostra que será analisada é movida sobre uma superfície sólida, e, dependendo da afinidade de cada elemento com essa superfície, seus componentes químicos levam diferentes quantidades de tempo para atravessar o sólido, sendo assim separadas. As formas mais comuns deste método são a cromatografia líquida e a gasosa, um componente essencial para qualquer laboratório de análises químicas.
A separação de líquidos é também vital para vários campos da química. Um bom exemplo é o do processamento do petróleo, onde várias frações de óleo bruto devem ser separados para produzir gasolina e ouros produtos. O método primário de separação de líquidos é a destilação. Para destilar uma mistura de líquidos, um químico esquenta a mistura até que o mais volátil dos componentes se vaporize. Esse vapor então viaja por um tubo resfriado, onde se condensa de volta até um líquido puro.
As separações também são úteis na purificação de substâncias sólidas. As reações químicas raramente produzem produtos completamente puros, de modo que os químicos normalmente precisam purificar várias substâncias depois que elas são sintetizadas. Isso acontece tanto em pequena escala, numa pesquisa em laboratório, quanto em larga escala, por exemplo, durante a fabricação de produtos farmacêuticos. Um método de separação comum para separar sólidos é a recristalização. Nesse processo, os produtos de uma reação são dissolvidos em solvente quente, e os contaminantes insolúveis são filtrados. O produto puro é então recristalizado da solução, por resfriamento.
Em alguns casos, os químicos querem extrair um composto de um material natural, como uma planta. O composto pode ser útil, nesse caso ele é retirado e usado, ou pode ser nocivo, e então é removido por essa razão. Esse processo é comumente realizado usando uma forma de separação conhecida por extração de solvente. O material é ensopado em um solvente que dissolve os produtos químicos e os remove. Um exemplo disso é a remoção da cafeína dos grãos de café para fazer café descafeinado.

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