As principais operações de separação química são a cristalização e a destilação. A cristalização é um processo em que se obtêm cristais puros de uma substância a partir de uma solução. Esse processo envolve a dissolução da substância em um solvente adequado, seguida da evaporação controlada do solvente, permitindo a formação dos cristais. A destilação é um processo de separação baseado na diferença de volatilidade entre os componentes de uma mistura líquida. Nesse processo, a mistura é aquecida até que um dos componentes evapore, sendo então condensado e coletado separadamente. Esse método é muito utilizado na separação de líquidos miscíveis, como a separação de álcool e água. É importante ressaltar que as separações químicas podem provocar alterações estruturais nos compostos, como a quebra de ligações químicas. Além disso, nas separações químicas trabalha-se com as compatibilidades ou diferenças apresentadas pelos meios, como a solubilidade em um solvente específico ou a diferença de volatilidade entre os componentes de uma mistura líquida.
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