Вода и мел способ разделения. Способы разделения неоднородных смесей
Теоретический блок.
Определение понятия «смесь» было дано в XVII в. английским ученым Робертом Бойлем : «Смесь – целостная система, состоящая из разнородных компонентов».
Сравнительная характеристика смеси и чистого вещества
Признаки сравнения | Чистое вещество | Смесь |
Постоянный | Непостоянный |
|
Вещества | Одно и то же | Различные |
Физические свойства | Постоянные | Непостоянные |
Изменение энергии при образовании | Происходит | Не происходит |
Разделение | С помощью химических реакций | Физическими методами |
Смеси отличаются друг от друга по внешнему виду.
Классификация смесей показана в таблице:
Приведём примеры суспензий (речной песок + вода), эмульсий (растительное масло + вода) и растворов (воздух в колбе, поваренная соль + вода, разменная монета: алюминий + медь или никель + медь).
Способы разделения смесей
В природе вещества существуют в виде смесей. Для лабораторных исследований, промышленных производств, для нужд фармакологии и медицины нужны чистые вещества.
Для очистки веществ применяются различные способы разделения смесей
Выпаривание - выделение растворенных в жидкости твердых веществ способом ее превращения в пар.
Дистилляция- перегонка, разделение содержащихся в жидких смесях веществ по температурам кипения с последующим охлаждением пара.
В природе вода в чистом виде (без солей) не встречается. Океаническая, морская, речная, колодезная и родниковая вода – это разновидности растворов солей в воде. Однако часто людям необходима чистая вода, не содержащая солей (используется в двигателях автомобилей; в химическом производстве для получения различных растворов и веществ; при изготовлении фотографий). Такую воду называют дистиллированной, а способ ее получения – дистилляцией.
Фильтрование- процеживание жидкостей (газов) через фильтр с целью их очистки от твердых примесей.
Эти способы основаны на различиях в физических свойствах компонентов смеси.
Рассмотрим способы разделения гетерогенных и гомогенных смесей .
Пример смеси | Способ разделения |
Суспензия – смесь речного песка с водой | Отстаивание Разделение отстаиванием основано на различных плотностях веществ. Более тяжелый песок оседает на дно. Так же можно разделить и эмульсию: отделить нефть или растительное масло от воды. В лаборатории это можно сделать с помощью делительной воронки. Нефть или растительное масло образует верхний, более легкий слой. В результате отстаивания выпадает роса из тумана, осаждается сажа из дыма, отстаиваются сливки в молоке. Разделение смеси воды и растительного масла отстаиванием |
Смесь песка и поваренной соли в воде | Фильтрование На чем основано разделение гетерогенных смесей с помощью фильтрования ?На различной растворимости веществ в воде и на различных размерах частиц. Через поры фильтра проходят лишь соизмеримые с ними частицы веществ, в то время как более крупные частицы задерживаются на фильтре. Так можно разделить гетерогенную смесь поваренной соли и речного песка. В качестве фильтров можно использовать различные пористые вещества: вату, уголь, обожженную глину, прессованное стекло и другие. Способ фильтрования – это основа работы бытовой техники , например пылесосов. Его используют хирурги – марлевые повязки; буровики и рабочие элеваторов – респираторные маски. С помощью чайного ситечка для фильтрования чаинок Остапу Бендеру – герою произведения Ильфа и Петрова – удалось забрать один из стульев у Эллочки Людоедки («Двенадцать стульев»). Разделение смеси крахмала и воды фильтрованием |
Смесь порошка железа и серы | Действие магнитом или водой Порошок железа притягивался магнитом, а порошок серы – нет. Несмачивающийся порошок серы всплывал на поверхность воды, а тяжелый смачивающийся порошок железа оседал на дно. Разделение смеси серы и железа с помощью магнита и воды
|
Раствор соли в воде – гомогенная смесь | Выпаривание или кристаллизация Вода испаряется, а в фарфоровой чашке остаются кристаллы соли. При выпаривании воды из озер Эльтон и Баскунчак получают поваренную соль. Этот способ разделения основан на различии в температурах кипения растворителя и растворенного вещества. Если вещество, например сахар, разлагается при нагревании, то воду испаряют неполностью – упаривают раствор, а затем из насыщенного раствора осаждают кристаллы сахара. Иногда требуется очистить от примесей растворители с меньшей температурой кипения, например воду от соли. В этом случае пары вещества необходимо собрать и затем сконденсировать при охлаждении. Такой способ разделения гомогенной смеси называется дистилляцией, или перегонкой . В специальных приборах – дистилляторах получают дистиллированную воду, которую используют для нужд фармакологии, лабораторий, систем охлаждения автомобилей. В домашних условиях можно сконструировать такой дистиллятор: Если же разделять смесь спирта и воды, то первым будет отгоняться (собираться в пробирке-приемнике) спирт с tкип = 78 °С, а в пробирке останется вода. Перегонка используется для получения бензина, керосина, газойля из нефти. Разделение однородных смесей |
Особым методом разделения компонентов, основанным на различной поглощаемости их определенным веществом, является хроматография .
С помощью хроматографии русский ботаник впервые выделил хлорофилл из зеленых частей растений. В промышленности и лабораториях вместо фильтровальной бумаги для хроматографии используют крахмал, уголь, известняк, оксид алюминия. А всегда ли требуются вещества с одинаковой степенью очистки?
Для различных целей необходимы вещества с различной степенью очистки. Воду для приготовления пищи достаточно отстоять для удаления примесей и хлора, используемого для ее обеззараживания. Воду для питья нужно предварительно прокипятить. А в химических лабораториях для приготовления растворов и проведения опытов, в медицине необходима дистиллированная вода, максимально очищенная от растворенных в ней веществ. Особо чистые вещества, содержание примесей в которых не превышает одной миллионной процента, применяются в электронике, в полупроводниковой, ядерной технике и других точных отраслях промышленности.
Способы выражения состава смесей.
· Массовая доля компонента в смеси - отношение массы компонента к массе всей смеси. Обычно массовую долю выражают в %, но не обязательно.
ω [«омега»] = mкомпонента / mсмеси
· Мольная доля компонента в смеси - отношение числа моль (количества вещества) компонента к суммарному числу моль всех веществ в смеси. Например, если в смесь входят вещества А, В и С, то:
χ [«хи»] компонента А = nкомпонента А / (n(A) + n(B) + n(С))
· Мольное соотношение компонентов. Иногда в задачах для смеси указывается мольное соотношение её составляющих. Например:
nкомпонента А: nкомпонента В = 2: 3
· Объёмная доля компонента в смеси (только для газов) - отношение объёма вещества А к общему объёму всей газовой смеси.
φ [«фи»] = Vкомпонента / Vсмеси
Практический блок.
Рассмотрим три примера задач, в которых смеси металлов реагируют с соляной кислотой:
Пример 1. При действии на смесь меди и железа массой 20 г избытком соляной кислоты выделилось 5,6 л газа (н. у.). Определить массовые доли металлов в смеси.
В первом примере медь не реагирует с соляной кислотой, то есть водород выделяется при реакции кислоты с железом. Таким образом, зная объём водорода, мы сразу сможем найти количество и массу железа. И, соответственно, массовые доли веществ в смеси.
Решение примера 1.
n = V / Vm = 5,6 / 22,4 = 0,25 моль.
2. По уравнению реакции:
3. Количество железа тоже 0,25 моль. Можно найти его массу:
mFe = 0,25 56 = 14 г.
Ответ: 70% железа, 30% меди.
Пример 2. При действии на смесь алюминия и железа массой 11 г избытком соляной кислоты выделилось 8,96 л газа (н. у.). Определить массовые доли металлов в смеси.
Во втором примере в реакцию вступают оба металла. Здесь уже водород из кислоты выделяется в обеих реакциях. Поэтому прямым расчётом здесь нельзя воспользоваться. В таких случаях удобно решать с помощью очень простой системы уравнений, приняв за х - число моль одного из металлов, а за у - количество вещества второго.
Решение примера 2.
1. Находим количество водорода:
n = V / Vm = 8,96 / 22,4 = 0,4 моль.
2. Пусть количество алюминия - х моль, а железа у моль. Тогда можно выразить через х и у количество выделившегося водорода:
2HCl = FeCl2 + |
4. Нам известно общее количество водорода: 0,4 моль. Значит,
1,5х + у = 0,4 (это первое уравнение в системе).
5. Для смеси металлов нужно выразить массы
через количества веществ.
m = M n
Значит, масса алюминия
mAl = 27x,
масса железа
mFe = 56у,
а масса всей смеси
27х + 56у = 11 (это второе уравнение в системе).
6. Итак, мы имеем систему из двух уравнений:
7. Решать такие системы гораздо удобнее методом вычитания, домножив первое уравнение на 18:
27х + 18у = 7,2
и вычитая первое уравнение из второго:
8. (56 − 18)у = 11 − 7,2
у = 3,8 / 38 = 0,1 моль (Fe)
х = 0,2 моль (Al)
mFe = n M = 0,1 56 = 5,6 г
mAl = 0,2 27 = 5,4 г
ωFe = mFe / mсмеси = 5,6 / 11 = 0,50,91%),
соответственно,
ωAl = 100% − 50,91% = 49,09%
Ответ: 50,91% железа, 49,09% алюминия.
Пример 3. 16 г смеси цинка, алюминия и меди обработали избытком раствора соляной кислоты. При этом выделилось 5,6 л газа (н. у.) и не растворилось 5 г вещества. Определить массовые доли металлов в смеси.
В третьем примере два металла реагируют, а третий металл (медь) не вступает в реакцию. Поэтому остаток 5 г - это масса меди. Количества остальных двух металлов - цинка и алюминия (учтите, что их общая масса 16 − 5 = 11 г) можно найти с помощью системы уравнений, как в примере №2.
Ответ к Примеру 3: 56,25% цинка, 12,5% алюминия, 31,25% меди.
Пример 4. На смесь железа, алюминия и меди подействовали избытком холодной концентрированной серной кислоты. При этом часть смеси растворилась, и выделилось 5,6 л газа (н. у.). Оставшуюся смесь обработали избытком раствора едкого натра. Выделилось 3,36 л газа и осталось 3 г не растворившегося остатка. Определить массу и состав исходной смеси металлов.
В этом примере надо помнить, что холодная концентрированная
серная кислота не реагирует с железом и алюминием (пассивация), но реагирует с медью. При этом выделяется оксид серы (IV).
Со щелочью
реагирует только алюминий
- амфотерный металл (кроме алюминия, в щелочах растворяются ещё цинк и олово, в горячей концентрированной щелочи - ещё можно растворить бериллий).
Решение примера 4.
1. С концентрированной серной кислотой реагирует только медь, число моль газа:
nSO2 = V / Vm = 5,6 / 22,4 = 0,25 моль
2H2SO4 (конц.) = CuSO4 + |
2. (не забудьте, что такие реакции надо обязательно уравнивать с помощью электронного баланса)
3. Так как мольное соотношение меди и сернистого газа 1:1, то меди тоже 0,25 моль. Можно найти массу меди:
mCu = n M = 0,25 64 = 16 г.
4. В реакцию с раствором щелочи вступает алюминий, при этом образуется гидроксокомплекс алюминия и водород:
2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na + 3H2
Al0 − 3e = Al3+ | ||
5. Число моль водорода:
nH2 = 3,36 / 22,4 = 0,15 моль,
мольное соотношение алюминия и водорода 2:3 и, следовательно,
nAl = 0,15 / 1,5 = 0,1 моль.
Масса алюминия:
mAl = n M = 0,1 27= 2,7 г
6. Остаток - это железо, массой 3 г. Можно найти массу смеси:
mсмеси = 16 + 2,7 + 3 = 21,7 г.
7. Массовые доли металлов:
ωCu = mCu / mсмеси = 16 / 21,7 = 0,7,73%)
ωAl = 2,7 / 21,7 = 0,1,44%)
ωFe = 13,83%
Ответ: 73,73% меди, 12,44% алюминия, 13,83% железа.
Пример 5. 21,1 г смеси цинка и алюминия растворили в 565 мл раствора азотной кислоты, содержащего 20 мас. % НNО3 и имеющего плотность 1,115 г/мл. Объем выделившегося газа, являющегося простым веществом и единственным продуктом восстановления азотной кислоты, составил 2,912 л (н. у.). Определите состав полученного раствора в массовых процентах. (РХТУ)
В тексте этой задачи чётко указан продукт восстановления азота - «простое вещество». Так как азотная кислота с металлами не даёт водорода, то это - азот. Оба металла растворились в кислоте.
В задаче спрашивается не состав исходной смеси металлов, а состав получившегося после реакций раствора. Это делает задачу более сложной.
Решение примера 5.
1. Определяем количество вещества газа:
nN2 = V / Vm = 2,912 / 22,4 = 0,13 моль.
2. Определяем массу раствора азотной кислоты, массу и количество вещества растворенной HNO3:
mраствора = ρ V = 1,115 565 = 630,3 г
mHNO3 = ω mраствора = 0,2 630,3 = 126,06 г
nHNO3 = m / M = 126,06 / 63 = 2 моль
Обратите внимание, что так как металлы полностью растворились, значит - кислоты точно хватило (с водой эти металлы не реагируют). Соответственно, надо будет проверить, не оказалась ли кислота в избытке , и сколько ее осталось после реакции в полученном растворе.
3. Составляем уравнения реакций (не забудьте про электронный баланс ) и, для удобства расчетов, принимаем за 5х - количество цинка, а за 10у - количество алюминия. Тогда, в соответствии с коэффициентами в уравнениях, азота в первой реакции получится х моль, а во второй - 3у моль:
12HNO3 = 5Zn(NO3)2 + |
Zn0 − 2e = Zn2+ | ||
36HNO3 = 10Al(NO3)3 + |
Al0 − 3e = Al3+ | ||
5. Тогда, учитывая, что масса смеси металлов 21,1 г, их молярные массы - 65 г/моль у цинка и 27 г/моль у алюминия, получим следующую систему уравнений:
6. Решать эту систему удобно, домножив первое уравнение на 90 и вычитая первое уравнение их второго.
7. х = 0,04, значит, nZn = 0,04 5 = 0,2 моль
у = 0,03, значит, nAl = 0,03 10 = 0,3 моль
8. Проверим массу смеси:
0,2 65 + 0,3 27 = 21,1 г.
9. Теперь переходим к составу раствора. Удобно будет переписать реакции ещё раз и записать над реакциями количества всех прореагировавших и образовавшихся веществ (кроме воды):
10. Следующий вопрос: осталась ли в растворе азотная кислота и сколько её осталось?
По уравнениям реакций, количество кислоты, вступившей в реакцию:
nHNO3 = 0,48 + 1,08 = 1,56 моль,
т. е. кислота была в избытке и можно вычислить её остаток в растворе:
nHNO3ост. = 2 − 1,56 = 0,44 моль.
11. Итак, в итоговом растворе содержатся:
нитрат цинка в количестве 0,2 моль:
mZn(NO3)2 = n M = 0,2 189 = 37,8 г
нитрат алюминия в количестве 0,3 моль:
mAl(NO3)3 = n M = 0,3 213 = 63,9 г
избыток азотной кислоты в количестве 0,44 моль:
mHNO3ост. = n M = 0,44 63 = 27,72 г
12. Какова масса итогового раствора?
Вспомним, что масса итогового раствора складывается из тех компонентов, которые мы смешивали (растворы и вещества) минус те продукты реакции, которые ушли из раствора (осадки и газы):
13.
Тогда для нашей задачи:
14. mнов. раствора = масса раствора кислоты + масса сплава металлов - масса азота
mN2 = n M = 28 (0,03 + 0,09) = 3,36 г
mнов. раствора = 630,3 + 21,1 − 3,36 = 648,04 г
ωZn(NO3)2 = mв-ва / mр-ра = 37,8 / 648,04 = 0,0583
ωAl(NO3)3 = mв-ва / mр-ра = 63,9 / 648,04 = 0,0986
ωHNO3ост. = mв-ва / mр-ра = 27,72 / 648,04 = 0,0428
Ответ: 5,83% нитрата цинка, 9,86% нитрата алюминия, 4,28% азотной кислоты.
Пример 6. При обработке 17,4 г смеси меди, железа и алюминия избытком концентрированной азотной кислоты выделилось 4,48 л газа (н. у.), а при действии на эту смесь такой же массы избытка хлороводородной кислоты - 8,96 л газа (н. у.). Определите состав исходной смеси. (РХТУ)
При решении этой задачи надо вспомнить, во-первых, что концентрированная азотная кислота с неактивным металлом (медь) даёт NO2, а железо и алюминий с ней не реагируют. Соляная кислота, напротив, не реагирует с медью.
Ответ к примеру 6: 36,8% меди, 32,2% железа, 31% алюминия.
Задачи для самостоятельного решения.
1. Несложные задачи с двумя компонентами смеси.
1-1. Смесь меди и алюминия массой 20 г обработали 96 %-ным раствором азотной кислоты, при этом выделилось 8,96 л газа (н. у.). Определить массовую долю алюминия в смеси.
1-2. Смесь меди и цинка массой 10 г обработали концентрированным раствором щелочи. При этом выделилось 2,24 л газа (н. y.). Вычислите массовую долю цинка в исходной смеси.
1-3. Смесь магния и оксида магния массой 6,4 г обработали достаточным количеством разбавленной серной кислоты. При этом выделилось 2,24 л газа (н. у.). Найти массовую долю магния в смеси.
1-4. Смесь цинка и оксида цинка массой 3,08 г растворили в разбавленной серной кислоте. Получили сульфат цинка массой 6,44 г. Вычислите массовую долю цинка в исходной смеси.
1-5. При действии смеси порошков железа и цинка массой 9,3 г на избыток раствора хлорида меди (II) образовалось 9,6 г меди. Определите состав исходной смеси.
1-6. Какая масса 20%-ного раствора соляной кислоты потребуется для полного растворения 20 г смеси цинка с оксидом цинка, если при этом выделился водород объемом 4,48 л (н. у.)?
1-7. При растворении в разбавленной азотной кислоте 3,04 г смеси железа и меди выделяется оксид азота (II) объемом 0,896 л (н. у.). Определите состав исходной смеси.
1-8. При растворении 1,11 г смеси железных и алюминиевых опилок в 16%-ном растворе соляной кислоты (ρ = 1,09 г/мл) выделилось 0,672 л водорода (н. у.). Найдите массовые доли металлов в смеси и определите объем израсходованной соляной кислоты.
2. Задачи более сложные.
2-1. Смесь кальция и алюминия массой 18,8 г прокалили без доступа воздуха с избытком порошка графита. Продукт реакции обработали разбавленной соляной кислотой, при этом выделилось 11,2 л газа (н. у.). Определите массовые доли металлов в смеси.
2-2. Для растворения 1,26 г сплава магния с алюминием использовано 35 мл 19,6%-ного раствора серной кислоты (ρ = 1,1 г/мл). Избыток кислоты вступил в реакцию с 28,6 мл раствора гидрокарбоната калия с концентрацией 1,4 моль/л. Определите массовые доли металлов в сплаве и объем газа (н. у.), выделившегося при растворения сплава.
С пособы разделения смесей (и гетерогенных, и гомогенных) основаны на том факте, что вещества, входящие в состав смеси, сохраняют свои индивидуальные свойства. Гетерогенные смеси могут различаться по составу и фазовому состоянию, например: газ+жидкость; твердое вещество+жидкость; две несмешивающиеся жидкости и др. Основные способы разделения смесей представлены на схеме ниже. Рассмотрим каждый способ отдельно.
Разделение гетерогенных смесей
Для разделения гетерогенных смесей, представляющих собой системы твердое тело- жидкость или твердое тело - газ, выделяют три основных способа:
- фильтрование,
- отстаивание (декантирование,
- магнитная сепарацияю
ФИЛЬТРОВАНИЕ
метод основанный на различной растворимости веществ и разных размерах частиц компонентов смеси. Фильтрование позволяет отделить твердое вещество от жидкости или газа.
Для фильтрования жидкостей можно использовать фильтровальную бумагу, которую обычно складывают в четверо и вставляют в стеклянную воронку. Воронку помещают в стакана, в который скапливается фильтрат - жидкость, прошедшая через фильтр.
Размер пор в фильтровальной бумаге таков, что позволяет молекулам воды и молекулам растворенного вещества беспрепятственно просачиваться. Частицы размером больше 0,01мм задерживаются на фильтре и не проходят сквозь него, таким образом формируется слой осадка.
Запомни! С помощью фильтрования нельзя разделить истинные растворы веществ, то есть растворы, в которых растворение произошло на уровне молекул или ионов.
Кроме фильтровальной бумаги в химических лабораториях используют специальные фильтры с
разным размером пор.
Фильтрование газовых смесей принципиально не отличается от фильтрования жидкостей. Разница заключается только в том, что при фильтровании газов от твердых взвешенных частиц (ТВЧ) используются фильтры специальных конструкций (бумажный, угольный) и насосы для принудительного прокачивания газовой смеси через фильтр, например фильтрация воздуха в салоне автомобиля или вытяжка над плитой.
Фильтрованием можно разделить :
- крупы и воду,
- мел и воду,
- песок и воду и т.д.
- пыль и воздух (различные конструкции пылесосов)
ОТСТАИВАНИЕ
Метод основан на различной скорости оседания твердых частиц с разным весом (плотностью) в жидкой или воздушной среде. Метод используют для разделения двух и более твердых нерастворимых веществ в воде (или другом растворителе). Смесь нерастворимых веществ помещают в воду, тщательно перемешивают. Спустя некоторое время вещества с плотностью больше единицы оседают на дно сосуда, а вещества с плотностью меньше единицы - всплывают. Если в смеси находится несколько веществ с разной силой тяжести, то в нижнем слое будут отстаиваться более тяжелые вещества, а затем более легкие. Такие слои тоже можно разделить. Раньше так выделяли крупинки золота из измельченной золотоносной породы. Золотоносный песок помещали на наклонный желоб, по которому пускали струю воды. Поток воды подхватывал и уносил пустую породу, а тяжелые крупинки золота оседали на дне желоба. В случае газовых смесей также происходит оседание твердых частиц на твердых поверхностях, например оседание пыли на мебели или листьях растений.
Данным методом можно разделять и несмешивающиеся жидкости. Для этого используют делительную воронку.
Например для разделения бензина и воды, смесь помещают в делительную воронку, ждут момента, пока не появится четкая граница раздела фаз. После чего аккуратно открывают краник и в стакан стекает вода.
Отстаиванием можно разделить смеси :
- речного песка и глины,
- тяжелого кристаллического осадка от раствора
- нефти и воды
- растительного масла и воды и т.д.
МАГНИТНАЯ СЕПАРАЦИЯ
Метод основан на разных магнитных свойствах твердых компонентов смеси. Данный метод используют при наличии в смеси веществ-ферромагнетиков, то есть веществ, обладающих магнитными свойствами, например железа.
Все вещества, по отношению к магнитному полю, условно можно разделить на три большие группы:
- феромагнетики : притягиваются магнитом-Fe, Co, Ni, Gd, Dy
- парамагнетики : слабо притягиваются-Al, Cr, Ti, V, W, Mo
- диамагнетики : оттлакиваются от магнита-Cu, Ag, Au, Bi, Sn, латунь
Магнитной сепарацией можно разделит ь:
- порошок серы и железа
- сажу и железо и т.д.
Разделение гомогенных смесей
Для разделения жидких гомогенных смесей (истинных растворов) используют следующие методы:
- выпаривание (кристаллизация),
- дистилляция (перегонка),
- хроматография.
ВЫПАРИВАНИЕ. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ.
Метод основан на различных температурах кипения растворителя и растворенного вещества. Используется для выделения растворимых твердых веществ из растворов. Выпаривание обычно проводят следующим образом: раствор наливают в фарфоровую чашку и нагревают ее, постоянно перемешивая раствор. Вода постепенно испаряется и на дне чашки остается твердое вещество.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Кристаллизация - фазовый переход вещества из газообразного (парообразного), жидкого или твердого аморфного состояния в кристаллическое.
При этом испаренное вещество (воду или растворитель) можно собрать методом конденсирования на более холодной поверхности. Например, если поместить холодное предметное стекло над выпаривательной чашкой, то на его поверхности образуются капли воды. На этом же принципе основан метод дистилляции.
ДИСТИЛЛЯЦИЯ. ПЕРЕГОНКА.
Если вещество, например сахар, разлагается при нагревании, то воду испаряют не полностью – упаривают раствор, а затем из насыщенного раствора осаждают кристаллы сахара. Иногда требуется очистить растворители от примесей, например воду от соли. В этом случае растворитель следует испарить, а затем его пары необходимо собрать и сконденсировать при охлаждении. Такой способ разделения гомогенной смеси называется дистилляцией, или перегонкой.
В природе вода в чистом виде (без солей) не встречается. Океаническая, морская, речная, колодезная и родниковая вода – это разновидности растворов солей в воде. Однако часто людям необходима чистая вода, не содержащая солей (используется в двигателях автомобилей; в химическом производстве для получения различных растворов и веществ; при изготовлении фотографий). Такую воду называют дистиллированной, именно ее применяют в лаборатории для проведения химических опытов.
Перегонкой можно разделить:
- воду и спирт
- нефть (на различные фракции)
- ацетон и воду и т.д.
ХРОМАТОГРАФИЯ
Метод разделения и анализа смесей веществ. Основан на разных скоростях распределения исследуемого вещества между двумя фазами - неподвижной и подвижной (элюент ). Неподвижная фаза, как правило, представляет собой сорбент (мелкодисперсный порошок, например оксид алюминия или оксид цинка или фильтровальная бумага) с развитой поверхностью, а подвижная - поток газа или жидкости. Поток подвижной фазы фильтруется через слой сорбента или перемещается вдоль слоя сорбента, например по поверхности фильтровальной бумаги.
Можно самостоятельно получить хроматограмму и увидеть сущность метода на практике. Нужно смешать несколько чернил и каплю полученной смеси нанести на фильтровальную бумагу. Затем точно в середину цветного пятнышка начнем по каплям приливать чистую воду. Каждую каплю нужно вносить только после того, как впитается предыдущая. Вода играет роль элюэнта, переносящего исследуемое вещество по сорбенту - пористой бумаге. Вещества, входящие в состав смеси, задерживаются бумагой по-разному: одни хорошо удерживаются ею, а другие впитываются медленнее и продолжают некоторое время растекаться вместе с водой. Вскоре по листу бумаги начнет расползаться настоящая красочная хроматограмма: пятно одного цвета в центре, окруженное разноцветными концентрическими кольцами.
Особенно большое распространение получила тонкослойная хроматография, в органическом анализе. Достоинства тонкослойной хроматографии в том, что можно использовать простейший и очень чувствительный метод детектирования – визуальный контроль. Проявлять невидимые глазу пятна можно различными реактивами, а также используя ультрафиолетовый свет или авторадиографию.
В анализе органических и неорганических веществ применяют хроматографию на бумаге. Разработаны многочисленные методы разделения сложных смесей ионов, например смесей редкоземельных элементов, продуктов деления урана, элементов группы платины
СПОСОБЫ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ.
Способы разделения смесей, используемые в промышленности немногим отличаются от лабораторных способов, описанных выше.
Для разделения нефти чаще всего используют ректификацию (перегонку). Более подробно этот процесс описан в теме "Переработка нефти".
Самыми распространенными методами очистки и разделения веществ в промышленности являются отстаивание, фильтрация, сорбция и экстракция. Методы фильтрации и отстаивания проводятся аналогично лабораторным метода, с той разницей, что используются отстойники и фильтры больших объемов. Чаще всего, эти методы используются для очистки сточных вод. Поэтому рассмотрим подробнее методы экстракции и сорбции.
Термин «экстракция» приложим к различным фазовым равновесиям (жидкость – жидкость, газ – жидкость, жидкость – твердое тело и т.д.), но чаще его применяют к системам жидкость – жидкость, поэтому чаще всего можно встретить такое определение:
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Экстракци я -метод разделения, очистки и выделения веществ, основанный на процессе распределения вещества между двумя несмешивающимися растворителями.
Одним из несмешивающихся растворителей обычно является вода, вторым – органический растворитель, однако это не обязательно. Экстракционный метод отличается универсальностью, он пригоден для выделения почти всех элементов в различных концентрациях. Экстракция позволяет разделять сложные многокомпонентные смеси зачастую эффективнее и быстрее, чем другие методы. Выполнение экстракционного отделения или разделения не требует сложного и дорогостоящего оборудования. Процесс может быть автоматизирован, при необходимости им можно управлять на расстоянии.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Сорбция - метод выделения и очистки веществ, основанный на поглощении твердым телом (адсорбция) или жидкостью-сорбентом (абсорбция) различных веществ (сорбатов) из газовых или жидких смесей.
Чаще всего в промышленности методы абсорбции используют для очистки газовоздушных выбросов от частиц пыли или дыма, а также токсичных газообразных веществ. В случае поглощения газообразных веществ, между сорбентом и растворенным веществом может протекать химическая реакция. Например, при поглощении газообразного аммиака NH 3 раствором азотной кислоты HNO 3 образуется нитрат аммония NH 4 NO 3 (аммиачная селитра), который можно использовать в качестве высокоэффективного азотного удобрения.
В случае если дисперсные частицы выделяются медленно из среды или необходимо предварительно осветлить неоднородную систему, используются такие методы как флокуляция, флотация, классификация, коагуляция и т.д.
Коагуляция - процесс слипания частиц в коллоидных системах (эмульсиях или суспензиях) с образованием агрегатов. Слипание происходит вследствие столкновения частиц при броуновском движении. Коагуляция относится к самопроизвольному процессу, который стремиться перейти в состояние, имеющее более низкую свободную энергию. Порог коагуляции - это минимальная концентрация введенного вещества, которое вызывает коагуляцию. Искусственно коагуляция может быть ускорена при добавлении в коллоидную систему специальных веществ - коагуляторов, а также приложением к системе электрического поля (электрокоагуляция), механическим воздействием (вибрация, перемешивание) и т.д.
При коагуляции достаточно часто добавляют в разделяемую неоднородную смесь химические вещества-коагулянты, которые разрушают сольватированные оболочки, уменьшая при этом диффузионную часть двойного электрического слоя, расположенного у поверхности частиц. Благодаря этому облегчается агломерация частиц и образование агрегатов. Таким образом, за счет образования более крупных фракций дисперсной фазы, происходит ускорение осаждения частиц. В качестве коагулянтов применяют соли железа, алюминия или соли других поливалентных металлов.
Пептизация - это процесс обратный коагуляции, представляющий собой распад агрегатов на первичные частицы. Пептизация осуществляется при помощи добавления веществ-пептизаторов в дисперсионную среду. Данный процесс способствует дезагрегированию веществ на первичные частицы. Веществами-пептизаторами могут быть поверхностно-активные вещеста (ПАВ) или электролиты, например, гуминовые кислоты или хлорное железо. Процесс пептизации используется для получения жидких дисперсных систем из паст или порошков.
В свою очередь флокуляция является разновидностью коагуляции. При данном процессе мелкие частицы, которые находятся во взвешенном состоянии в газовых или жидких средах, образуют хлопьевидные агрегаты, которые называются флокулами. В качестве флокулянтов применяются растворимые полимеры, например, полиэлектролиты. Вещества, образующие хлопья при флокуляции, могут быть легко удалены при помощи фильтрования или отстаивания. Флокуляция используется для подготовки воды и выделения ценных веществ из сточных вод, а также при обогащении полезных ископаемых. В случае водоочистки флокулянты используются в небольшой концентрации (от 0,1 до 5 мг/л).
Для того чтобы разрушить агрегаты в жидких системах, используются добавки, наводящие заряды на частицы, которые препятствуют их сближениям. Данного эффекта можно достигнуть и при изменении рН среды. Данный метод называется дефлокуляцией.
Флотация - процесс отделения твердых гидрофобных частиц от жидкой сплошой фазы путем их избирательного закрепления на границе раздела раздела жидкой и газообразной фаз (поверхность соприкосновения жидкости и газа или поверхность пузырьков в жидкой фазе) Образующаяся система из твердых частиц и газовых вклюцений удаляется с поверхности жидкой фазы. Данный процесс применяется не только для того, чтобы удалять частицы дисперсной фазы, но также и для раздения разных частиц вследствие различия их смачиваемости. При данном процессе гидрофобные частицы закрепляются на границе раздела фаз и отделяются от гидрофильных частиц, оседающих на дно. Наилучшие результаты флотации возникают в том случае, когда размер частиц составляет от 0,1 до 0,04 мм.
Флотация бывает нескольких видов: пенная, масляная, пленочная и т.д. Наиболее распространенной является пенная флотация. Данный процесс позволяет выносить частицы, обработанные реагентами, на поверхность воды при помощи пузырьков воздуха. Это позволяет образовывать пенный слой, устойчивость которого регулируется при помощи пенообразователя.
Классификация используется в аппаратах переменного сечения. С ее помщью возможно отделение определенного количества мелких частиц от основного продукта, состоящего из крупных частиц. Классификация выполняется при помощи центрифуг и гидроциклонов благодаря воздействию центробежной силы.
Разделение суспензий при помощи магнитной обработки системы является очень перспективным методом. Вода, которая обработана в магнитном поле, длительное время сохраняет измененные свойства, например, пониженную смачивающую способность. Данный процесс позволяет интенсифицировать разделение суспензий.
Изучая химию, я узнала, что чистых веществ в природе, технике, быту очень мало. Гораздо чаще встречаются смеси – сочетания двух или более компонентов, химически друг с другом не связанных. Смеси различаются величиной входящих в их состав частиц веществ, а также агрегатным состоянием компонентов. Для химических исследований необходимы чистые вещества. А как же их получить или выделить из смеси? На этот вопрос я и пыталась ответить в своей работе.
В повседневной жизни нас окружают смеси веществ. Воздух, которым мы дышим, пища, которую потребляем, вода – которую пьём, и даже мы сами – всё это с точки зрения химии смеси, содержащие от 2-3 до многих тысяч веществ.
Смеси – это системы, состоящие из нескольких компонентов, химически друг с другом не связанных. Смеси различают величиной входящих в их состав частиц веществ. Иногда эти частицы настолько велики, что их можно видеть невооружённым глазом. К подобным смесям, например, можно отнести стиральный порошок, кулинарные смеси для выпечки, строительные смеси. Порой частицы компонентов в смесях более мелкие, неразличимые глазом. Например, в состав муки входят крупицы крахмала и белка, которые невозможно различить невооружённым глазом. Молоко – это тоже водная смесь, в которой содержатся маленькие капельки жира, белок, лактоза и другие вещества. Увидеть капельки жира в молоке можно, если рассмотреть каплю молока под микроскопом. Агрегатное состояние веществ в смесях может быть различным. Зубная паста, например, - это смесь твёрдых и жидких составляющих. Есть смеси, при образовании которых вещества настолько «проникают друг в друга», что разбиваются на мельчайшие частицы, не различимые даже под микроскопом. Как бы мы не всматривались в воздух, различить составляющие его газы нам не удастся.
Таким образом, смеси классифицируются:
Смеси, в которых частички веществ, составляющие смесь, видны невооружённым глазом или под микроскопом, называются неоднородными или гетерогенными.
Смеси, в которых даже с помощью микроскопа нельзя увидеть частицы веществ, составляющих смесь, называются однородными или гомогенными.
Однородные смеси по агрегатному состоянию делятся: на газообразные, жидкие и твёрдые. Смесь любых газов гомогенна. Например, чистый воздух – это гомогенная смесь азота, кислорода, углекислого и благородных газов. А вот пыльный воздух – это уже гетерогенная смесь тех же газов, только содержащая ещё и частицы пыли. К жидким природным смесям относится нефть. В её состав входят сотни различных компонентов. Безусловно, самой распространённой жидкой смесью, а точнее раствором, является вода морей и океанов. В 1 литре морской воды содержится в среднем 35 грамм различных солей. С жидкими смесями в повседневной жизни мы встречаемся постоянно. Шампуни и напитки, микстуры и препараты бытовой химии – всё это смеси веществ. Даже воду из-под крана нельзя считать чистым веществом: в ней содержатся растворённые соли, мельчайшие нерастворимые примеси, а также микроорганизмы, которые обеззараживают хлорированием. Широко распространены и твёрдые смеси. Горные породы представляют собой смесь нескольких веществ. Почва, песок, глина – это твёрдые смеси. К твёрдым смесям можно отнести стекло, керамику, сплавы.
Химики составляют смеси простым перемешиванием различных веществ – составных частей, свойства которых могут быть различны. Важно, что в смесях сохраняются свойства их составных частей. Так, например, серая краска получается при смешивании чёрной и белой. Хотя мы и видим серый цвет, это не означает, что все частицы такой серой краски имеют серый цвет. Под микроскопом обязательно обнаружатся частицы чёрного и белого цветов, из которых состояли чёрная и белая краски.
Разделение смесей на составные части (индивидуальные вещества) – задача более сложная, чем приготовление смесей, но не менее важная. Важнейшие способы разделения смесей могут быть отражены схемой:
Применяя различные способы разделения смесей (отстаивание, фильтрование, перегонку, вымораживание и другие), получают масло из молока, золото – из речного песка, спирт – из браги, очищают воду от нерастворимых и растворимых примесей.
Для химических лабораторий и промышленности часто требуются чистые вещества. Чистыми называют вещества, которые обладают постоянными физическими свойствами, например дистиллированная вода. (Практически абсолютно чистые вещества не получены.)
Существуют различные способы разделения смесей. Ознакомимся более подробно с этими способами.
Выделение из неоднородной смеси.
1. Отстаивание.
а) Выделение веществ неоднородной смеси, образованной нерастворимыми в воде веществами с различной плотностью. Например, железные опилки от древесных можно отделить, взбалтывая эту смесь с водой, а затем отстаивая. Железные опилки опускаются на дно сосуда, а древесные всплывают, и их вместе с водой можно слить.
б) Некоторые вещества осаждаются в воде с различной скоростью. Если взболтать с водой глину с примесью песка, то песок оседает значительно быстрее. Этот способ используется в керамическом производстве для отделения песка от глины (производство красных кирпичей, глиняной посуды и др.) в) Разделение смеси малорастворимых друг в друге жидкостей с различной плотностью. Смеси бензина с водой, нефти с водой, растительного масла с водой быстро расслаиваются, поэтому их можно разделить с помощью делительной воронки или колонки. Иногда жидкости с различной плотностью отделяют центрифугированием, например сливки от молока.
2. Фильтрование.
Выделение веществ из неоднородной смеси, образованной растворимыми в воде веществами.
Для выделения поваренной соли смесь её с песком взбалтывают в воде. Поваренная соль растворяется, а песок оседает.
Чтобы ускорить отделение нерастворимых частиц из раствора, смесь фильтруют. Песок остается на фильтровальной бумаге, а прозрачный раствор поваренной соли проходит через фильтр.
3. Действие магнитом.
Выделение из неоднородной смеси веществ, способных к намагничиванию. Если имеется, например, смесь порошков железы и серы, то их можно разделить при помощи магнита.
Выделение веществ из однородной смеси.
4. Выпаривание. Кристаллизация.
Чтобы растворенное вещество, например, поваренную соль, выделить из раствора, последний выпаривают. Вода испаряется, а в фарфоровой чашке остается поваренная соль. Иногда применяют упаривание, т. е. частичное испарение воды. В результате образуется более концентрированный раствор, при охлаждении которого растворенное вещество выделяется в виде кристаллов. Этот способ очистки веществ называют кристаллизацией.
5. Дистилляция.
Это способ разделения смесей основан на различии в температурах кипения растворимых друг в друге компонентов.
Дистилляция (перегонка) – прием разделения однородных смесей путем испарения летучих жидкостей с последующей конденсацией их паров. Например, получение дистиллированной воды.
Для этого воду с растворенными в ней веществами кипятят в одном сосуде. Образующиеся водяные пары конденсируются в другом сосуде в виде дистиллированной воды.
6. Хроматография.
Этот способ основан на том, что отдельные вещества с различной скоростью поглощаются (связываются) поверхностью другого вещества.
С сущностью этого способа можно познакомиться на следующем опыте.
Если полоску из фильтровальной бумаги подвесить над сосудом с красными чернилами и погрузить в них лишь конец полоски, то можно заметить, что раствор будет впитываться бумагой и подниматься по ней. Однако граница подъема краски будет отставать от границы подъема воды. Таким образом, происходит разделение двух веществ: воды и красящего вещества, придающего раствору красный цвет.
Экспериментальная часть.
Правила техники безопасности в домашней лаборатории.
Представить себе химию без химических опытов невозможно. Поэтому изучить эту науку, понять её законы и, конечно, полюбить её можно только через эксперимент. Сложилось мнение, что химический эксперимент – это сложное оборудование и недоступные реактивы, ядовитые соединения и страшные взрывы и для занятий химией необходимы особые условия. Тем не менее, более 300 химических опытов с самыми различными веществами можно выполнить в домашних условиях. В связи с тем, что в домашней лаборатории нет вытяжного шкафа и других специальных устройств, необходимо строго соблюдать правила техники безопасности:
2. Нельзя накапливать и хранить дома большие количества реактивов.
3. Химические реактивы и вещества должны иметь этикетки с названиями, концентрацией и сроком изготовления.
4. Химические вещества нельзя пробовать на вкус.
5. Для определения запаха нельзя сосуд с веществом близко подносить к лицу. Нужно ладонью руки сделать несколько плавных взмахов от отверстия сосуда к носу.
6. Если пролилась кислота или щелочь, то вещество предварительно нейтрализуют или засыпают песком и удаляют тряпкой или собирают в совок.
7. Перед проведением эксперимента, каким бы простым он ни казался, нужно внимательно прочесть описание опыта и понять свойства применяемых веществ. Для этого есть учебники, справочники и другая литература.
Опыт №1. Разделение гетерогенных смесей.
А) Приготовить гетерогенную смесь песка и железного порошка.
Цель эксперимента: научиться разделять гетерогенные смеси разными способами.
Оборудование: речной песок, железный порошок, магнит, два химических стакана.
В химический стакан внести по одной столовой ложке железного порошка и речного песка, осторожно перемешать смесь до равномерно окрашенного продукта. Отметить его цвет и испытать его магнитные свойства, поднося магнит к внешней стороне стакана. Определить какие вещества придают смеси цвет и магнитные свойства. Разделим приготовленную гетерогенную смесь с помощью магнита. Для этого поднесём к внешней стенке стакана магнит, и слегка постукивая магнитом по внешней стенке, соберём железный порошок на внутренней стенке стакана. Удерживая железо магнитом на внутренней стенке стакана, пересыпаем песок в другой стакан. Данные опыта заносим в таблицу.
Б) Приготовить смесь поваренной соли, земли и стружек, образующихся после заточки карандаша.
Оборудование: поваренная соль, земля, стружки после заточки карандаша, стакан, вода, фильтр, ложка, сковорода.
Методика проведения эксперимента:
Приготовьте смесь, перемешав по одной чайной ложке поваренной соли, земли и карандашных стружек. Растворите полученную смесь в стакане воды, всплывшие стружки удалите шумовкой и положите для сушки на лист бумаги. Изготовьте фильтр из бинта или марли, сложив 3-4 слоя, и не туго натяните его на другой стакан. Профильтруйте смесь. Фильтр с оставшейся землёй высушите, затем счистите её с фильтра. Отфильтрованную жидкость (фильтрат) перелейте из стакана в эмалированную миску или сковороду и выпарьте. Выделившиеся кристаллики соли соберите. Сравните количества веществ до и после проделанных опытов.
Опыт №2. Разделение гомогенных смесей методом бумажной хроматографии.
А) Разделить гомогенную смесь красного и зелёного красителя.
Оборудование: полоска фильтровальной бумаги, химический стакан, пробка на стакан, фломастеры красный и зелёный, спирт (70% водный раствор).
Методика проведения эксперимента:
Взять полоску фильтровальной бумаги, длина которой на 2-3 см больше высоты химического стакана. На середине этой полоски отметить простым карандашом точку, отступив от края 1. 5 см. В отмеченную точку нанести фломастерами пятна красителей диаметром не более 5 мм. Сначала сделать точку размером 1-2 мм красным фломастером, а затем поверх красного пятнышка нанести зелёное так, чтобы зелёное пятнышко выступало за границу красного примерно на 1 мм. Дать пятну смеси просохнуть (1-2 минуты) и затем осторожно, чтобы не повредить бумагу, обвести его простым карандашом по контуру.
В химический стакан налить спирт слоем 0,5-1 см. Поместить вертикально бумажную полоску с пятном смеси красителей в стакан и отогнуть выступающую часть полоски к наружной поверхности стакана. Пятно красителей должно быть над жидкостью на расстоянии 0,5 см. Накрыть стакан перевёрнутой пробкой. Наблюдать смачивание полоски бумаги и движение окрашенного пятна вверх с разделением его на два пятна. Для полного разделения смеси красителей потребуется около 20 минут. После того, как бумага полностью пропитается спиртом, вынуть её и дать просохнуть 5-10 минут. Отметить цвета разделения пятен. Результаты наблюдений занести в таблицу.
Б) Разделите методом хроматографии на бумаге следующие смеси: спиртовой раствор «зелёнки»; водный раствор чёрной туши для чертёжных работ.
Цель эксперимента: освоить метод бумажной хроматографии, научиться определять разницу между чистыми веществами и смесями.
Оборудование: химический стакан, полоска фильтровальной или промокательной бумаги, спиртовой раствор «зелёнки», водный раствор туши для чертёжных работ.
Методика проведения эксперимента:
Полоску из фильтровальной бумаги необходимо подвесить над сосудом с раствором «зелёнки» и чёрной туши так, чтобы бумага только касалась раствора.
Граница подъёма «зелёнки» и красящего вещества будут отставать от границы подъёма спирта и воды соответственно. Таким образом, происходит разделение двух веществ в составе однородных смесей: а) спирта и бриллиантового зелёного, б) воды и красящего вещества.
Опыт №3. Диффузия.
Цель эксперимента: изучить на практике процесс диффузии.
Оборудование: желатин пищевой, марганцовка, медный купорос, вода, кастрюля, ложечка из нержавеющей стали для перемешивания, электрическая или газовая плитка, пинцет, два прозрачных пузырька.
Методика проведения эксперимента:
Чайную ложечку желатина опустите в стакан с холодной водой и оставьте на час-другой, чтобы порошок успел набухнуть. Перелейте смесь в маленькую кастрюльку. Нагревайте смесь на слабом огне; следите, чтобы она ни в коем случае не закипела! Размешивайте содержимое кастрюльки до тех пор, пока желатин полностью не растворится. Горячий раствор перелейте в два пузырька. Когда он остынет, в середину одного из пузырьков быстрым и осторожным движением введите пинцет, в котором зажат кристаллик марганцовки. Слегка разожмите пинцет и быстро выньте его. В другой пузырёк внесите кристаллик медного купороса. Желатин замедляет процесс диффузии, и несколько часов подряд вы сможете наблюдать очень интересную картину: вокруг кристалликов будет расти окрашенный шар.
Опыт №4. Разделение гомогенных смесей методом кристаллизации.
Вырастить кристалл или кристаллы из насыщенного раствора поваренной соли, медного купороса или алюмокалиевых квасцов.
Цель эксперимента: научиться приготавливать насыщенный раствор поваренной соли или других веществ, выращивать кристаллы различных размеров, закрепить умения и навыки при работе с веществами и химическим оборудованием.
Оборудование: стакан и литровая банка для приготовления раствора, деревянная ложка или палочка для перемешивания, соль для эксперимента – поваренная соль, медный купорос или квасцы, горячая вода, затравка – кристаллик соли, подвешенный на нитке, воронка и фильтровальная бумага.
Методика проведения эксперимента:
Приготовьте насыщенный раствор соли. Для этого сначала налейте в банку горячей воды до половины её объёма, затем порциями добавляйте соответствующую соль, постоянно перемешивая. Добавляйте соли до тех пор, пока она не перестанет растворяться. Отфильтруйте полученный раствор в стакан через воронку с фильтровальной бумагой или ватой и оставьте раствор остывать на 2-3 часа. Внесите в остывший раствор затравку – кристаллик соли, подвешенный на нити, осторожно накройте раствор крышкой и оставьте на продолжительное время (2-3 дня и более).
Результаты работы и выводы:
Изучите свой кристалл и ответьте на вопросы:
Сколько дней вы выращивали кристалл?
Какова его форма?
Какого цвета кристалл?
Прозрачный он или нет?
Каковы размеры кристалла: высота, ширина, толщина?
Какова масса кристалла?
Зарисуйте или сфотографируйте свой кристалл.
Опыт №5. Разделение гомогенных смесей методом дистилляции.
Получить в домашних условиях 50 мл дистиллированной воды.
Цель эксперимента: научиться разделять однородные смеси методом дистилляции.
Оборудование: эмалированный чайник, две стеклянные банки.
Методика проведения эксперимента:
Налейте в эмалированный чайник на 1/3 объёма воды и поставьте на газовую плиту так, чтобы носик чайника выступал за край плиты. Когда вода закипит, нацепите на носик чайника стеклянную банку-холодильник, под которую приспособьте вторую банку для сбора конденсата. Для того чтобы банка-холодильник не перегревалась, на неё можно класть смоченную холодной водой салфетку.
Результаты работы и выводы:
Ответьте на поставленные вопросы:
Что представляет собой водопроводная вода?
Какими способами разделяют однородные смеси?
Что представляет собой дистиллированная вода? Где и в каких целях она используется?
Зарисуйте проделанный вами опыт.
Опыт №6. Извлечение крахмала из картофеля.
Получить в домашних условиях небольшое количество крахмала.
Оборудование: 2-3 картофелины, тёрка, марля, небольшая кастрюлька, вода.
Методика проведения эксперимента:
Очищенный картофель натрите на мелкой тёрке и полученную массу размешайте в воде. Затем профильтруйте её через марлю и отожмите. Остаток массы в марле вновь перемешайте с водой. Дайте жидкости отстояться. Крахмал осядет на дно посуды. Слейте жидкость, а осевший крахмал вновь размешайте. Повторите операцию несколько раз, пока крахмал не станет совершенно чистым и белым. Профильтруйте и просушите получившийся крахмал.
Как вы думаете, из какого картофеля больше получится крахмала: из молодого (который недавно выкопали) или старого (который всю зиму находился в овощехранилище)?
Опыт №7. Извлечение сахара из сахарной свёклы.
Получить в домашних условиях небольшое количество сахара.
Цель эксперимента: научиться извлекать вещества из растительного сырья.
Оборудование: большая сахарная свёкла, активированный уголь, речной песок, кастрюлька, две банки, вата, ложка, воронка, марля.
Методика проведения эксперимента:
Разрежьте на небольшие кусочки свёклу, положите их в кастрюльку, налейте в неё стакан воды и кипятите 15-20 минут. Ломтики сваренной свёклы тщательно разотрите ложкой или пестиком. Эту массу тёмного цвета профильтруйте через воронку, в которой находится вата. Затем полученный раствор отфильтруйте через воронку, подготовленную специальным образом. В неё положите кусочек марли, на марлю – тонкий слой ваты, потом измельчённый активированный уголь (4-5 таблеток) и тонкий слой (1 см) чистого речного песка (речной песок заранее промыть и высушить). Полученный раствор (фильтрат) поместите в кастрюльку. Нужно выпарить его часть до появления прозрачных кристаллов. Это и есть сахар. Попробуйте его на вкус!
Как вы думаете, зачем нужна фильтрация жидкости через слой активированного угля?
Опыт №8. Извлечение творога из молока.
Получите несколько грамм творога в домашних условиях.
Цель эксперимента: научиться изготавливать творог в домашних условиях.
Оборудование: молоко, уксус, кастрюлька, марля, газовая плита.
Методика проведения эксперимента:
В молоке есть белок. Если молоко закипает, «убегает» через край, то при этом сразу же распространяется характерный для жжёного белка запах. Появление характерного запаха жжёного молока свидетельствует о том, что произошло явление денатурации (сворачивание белка и переход его в нерастворимую форму). Денатурация белка происходит не только из-за нагревания.
Проведём следующий опыт. Подогреем полстакана молока так, чтобы оно стало чуть тёплым, и добавим уксус. Молоко тот час же свернётся, образуя большие хлопья. (Если молоко оставить в тёплом месте, то белок тоже сворачивается, но уже по другой причине – это «работают» молочно-кислые бактерии). Содержимое кастрюльки отфильтровывают через марлю, придерживая её за края. Если потом соединить края марли, приподнять над стаканом и отжать, то на ней останется густая масса – творог.
Опыт №9. Получение сливочного масла.
Получить в домашних условиях небольшое количество сливочного масла.
Цель эксперимента: научиться в домашних условиях извлекать сливочное масло из молока.
Оборудование: молоко, стеклянная банка, небольшой прозрачный пузырёк с пробкой или плотно закрывающейся крышкой.
Методика проведения эксперимента:
Налейте в стеклянную банку свежего молока, поставьте её в холодильник. Через несколько часов, а лучше на следующий день посмотрите внимательно: что произошло с молоком? Объясните наблюдаемое.
Маленькой ложечкой осторожно соберите сливки (верхний слой молока) и перенесите их в пузырёк. Если необходимо сделать масло из сливок, то придётся долго и терпеливо встряхивать их в течение хотя бы получаса в пузырьке, закрытом крышкой, пока не образуется масляный комочек.
Опыт №10. Экстракция.
Провести на практике процесс экстракции.
Цель эксперимента: осуществить практически процесс экстракции.
А) Оборудование: семечки подсолнуха, бензин, пробирка, блюдце, ступка с пестиком.
Методика проведения эксперимента:
Измельчите в ступке несколько штук семечек подсолнуха. Измельчённые семечки переложите в пробирку, и залейте небольшим количеством бензина, хорошо встряхните несколько раз. Дадим пробирке постоять часа два (подальше от огня), не забывая время от времени её встряхивать. Слейте бензин на блюдце и выставьте на балкон. Когда бензин испарится, на дне останется немного масла, которое растворилось в бензине.
Б) Оборудование: йодная настойка, вода, бензин, пробирка.
Методика проведения эксперимента:
Бензином можно извлечь также йод из аптечной йодной настойки. Для этого налейте в пробирку воды на треть, добавьте примерно 1мл йодной настойки и к образовавшемуся буроватому раствору прилейте столько же бензина. Встряхните пробирку и оставьте её в покое. Когда смесь расслоится, то верхний бензиновый слой станет тёмно-бурым, а нижний, водный, - почти бесцветным: ведь йод в воде растворяется плохо, а в бензине – хорошо.
Что такое – экстракция? Процесс разделения смеси жидких или твёрдых веществ с помощью экстрагирования – избирательного растворения в определённых жидкостях (экстрагентах) того или иного компонента смеси. Чаще всего экстрагируют вещества из водных растворов органическими растворителями, обычно не смешивающимися с водой. Главные требования к экстрагентам: селективность (избирательность действия), нетоксичность, возможно малая летучесть, химическая инертность и низкая стоимость. Экстракцией пользуются в химической промышленности, нефтепереработке, производстве лекарств и особенно широко в цветной металлургии
Заключение.
Выводы по работе.
При выполнении этой работы я научилась готовить гетерогенные и гомогенные смеси, проводила исследование свойств веществ и выяснила, что при простом составлении смеси из двух компонентов эти вещества не передают своих свойств друг другу, а сохраняют их при себе. На свойствах исходных компонентов (таких как: летучесть, агрегатное состояние, способность к намагничиванию, растворимость в воде, размер частиц и другие) основаны и способы их разделения. При выполнении учебного исследования, я освоила следующие методики разделения гетерогенных смесей: действие магнитом, отстаивание, фильтрование и гомогенных смесей: выпаривания, кристаллизации, дистилляции, хроматографии, экстракции. Мне удалось выделить из пищевых продуктов чистые вещества: сахар из сахарной свёклы, крахмал из картофеля, творог и сливочное масло из молока. Я поняла, что химия – это очень интересная и познавательная наука, и что знания, полученные на уроках химии и во внеурочное время очень пригодятся мне в жизни.
Результаты разделения смеси железа и песка.
опыт №1 №1 №1 №2 №2
вещество железо песок смесь часть 1 часть 2
цвет серый жёлтый серо-жёлтая серый жёлтый притяжение к магниту есть нет есть есть нет вывод свойства железа и свойства железа и смеси присущи выделенное вещество - выделенное вещество -
песка различны песка различны свойства и железа, и железо песок песка
Результаты разделения красителей на бумаге.
опыт №1 №2 вещество смесь красителей до разделения смесь красителей после разделения цвет чёрный краситель №1 – красный краситель №2 - зелёный вывод данная смесь является гомогенной. смесь разделена на два исходных вещества; это красный и зелёный красители.
Материал урока содержит сведения о различных способах разделения смесей и очистки веществ. Вы научитесь использовать знания о различиях свойств компонентов смеси для выбора оптимального метода разделения данной смеси.
Тема: Первоначальные химические представления
Урок: Методы разделения смесей и очистки веществ
Определим различие между «методами разделения смесей» и «методами очистки веществ». В первом случае важно получить в чистом виде все составляющие смесь компоненты. При очистке вещества получением в чистом виде примесей, как правило, пренебрегают.
ОТСТАИВАНИЕ
Как разделить смесь, состоящую из песка и глины? Это одна из стадий в керамическом производстве (например, в производстве кирпичей). Для разделения такой смеси используют метод отстаивание. Смесь помещают в воду и перемешивают. Глина и песок с разной скоростью оседают в воде. Поэтому песок осядет значительно быстрее глины (Рис.1).
Рис. 1. Разделение смеси глины и песка методом отстаивания
Метод отстаивания используют также для разделения смесей нерастворимых в воде твердых веществ с разной плотностью. Например, так можно разделить смесь железных и древесных опилок (древесные опилки в воде всплывут, а железные осядут).
Смесь растительного масла и воды тоже можно разделить методом отстаивания, т.к масло не растворяется в воде и имеет меньшую плотность (Рис. 2). Таким образом, отстаиванием можно разделять смеси нерастворимых друг в друге жидкостей с различной плотностью.
Рис. 2. Разделение смеси растительного масла и воды методом отстаивания
Для разделения смеси поваренной соли и речного песка можно воспользоваться методом отстаивания (при смешении с водой соль растворится, песок осядет), но надежнее будет отделить песок от раствора соли другим методом – методом фильтрования.
Фильтрование данной смеси можно провести с помощью бумажного фильтра и воронки, опущенной в стакан. Крупинки песка остаются на фильтровальной бумаге, а прозрачный раствор поваренной соли проходит через фильтр. В данном случае речной песок – это осадок, а раствор соли – фильтрат (Рис. 3).
Рис. 3. Использование метода фильтрования для отделения речного песка от раствора соли
Фильтрование можно проводить не только с помощью фильтровальной бумаги, но и с использованием других пористых или сыпучих материалов. Например, к сыпучим материалам относится кварцевый песок, а к пористым – стекловата и обожженная глина.
Некоторые смеси можно разделить с помощью метода «горячее фильтрование». Например, смесь порошков серы и железа. Железо плавится при температуре более 1500 С, а сера – около 120 С. Расплавленную серу можно отделить от порошка железа с помощью подогреваемой стекловаты.
Выделить соль из фильтрата можно с помощью выпаривания, т.е. нагреть смесь и вода испарится, а соль останется на фарфоровой чашке. Иногда применяют упаривание, частичное испарение воды. В результате образуется более концентрированный раствор, при охлаждении которого растворенное вещество выделяется в виде кристаллов.
Если в смеси присутствует вещество, способное к намагничиванию, то его легко выделить в чистом виде с помощью магнита. Например, так можно разделить смесь порошков серы и железа.
Эту же смесь можно разделить еще одним методом, используя знание о смачиваемости компонентов смеси водой. Железо смачивается водой, т.е. вода растекается по поверхности железа. Сера же водой не смачивается. Если поместить в воду кусок серы, то он утонет, т.к. плотность серы больше плотности воды. А вот порошок серы всплывет, т.к. к несмачивающимся водой крупинкам серы прилипают пузырьки воздуха и выталкивают их на поверхность. Для разделения смеси нужно поместить ее в воду. Порошок серы всплывет, а железо утонет (Рис. 4).
Рис. 4. Разделение смеси порошков серы и железа методом флотации
Метод разделения смесей, основанный на различии смачиваемости компонентов, называется флотацией (франц. flotter – плавать). Рассмотрим еще несколько методов разделения и очистки веществ.
Один из древнейших методов разделения смесей – перегонка (или дистилляция). С помощью этого метода можно разделять компоненты, растворимые друг в друге, имеющие разные температуры кипения. Именно таким способом получают дистиллированную воду. Воду с примесями кипятят в одном сосуде. Образующиеся водяные пары конденсируются при охлаждении в другом сосуде в виде уже дистиллированной (чистой) воды.
Рис. 5. Получение дистиллированной воды
Близкие по свойствам компоненты можно разделить с помощью метода хроматографии. Этот способ основан на различном поглощении разделяемых веществ поверхностью другого вещества.
Например, красные чернила можно разделить на компоненты (воду и красящее вещество) посредством хроматографии.
Рис. 6. Разделение красных чернил методом бумажной хроматографии
В химических лабораториях хроматографию осуществляют с помощью специальных приборов – хроматографов, основные части которого – хроматографическая колонка и детектор.
Для очистки некоторых веществ в химии широко используется адсорбция. Это накопление одного вещества на поверхности другого вещества. К адсорбентам относится, например, активированный уголь.
Попробуйте опустить таблетку активированного угля в сосуд с подкрашенной водой, перемешайте, отфильтруйте и увидите, что фильтрат стал бесцветным. Атомы угля притягивают к себе молекулы, в данном случае, красителя.
В настоящее время адсорбция широко применяется для очистки воды и воздуха. Например, фильтры для очистки воды содержат в качестве адсорбента активированный уголь.
1. Сборник задач и упражнений по химии: 8-й класс: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия, 8 класс» / П.А. Оржековский, Н.А. Титов, Ф.Ф. Гегеле. – М.: АСТ: Астрель, 2006.
2. Ушакова О.В. Рабочая тетрадь по химии: 8-й кл.: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / О.В. Ушакова, П.И. Беспалов, П.А. Оржековский; под. ред. проф. П.А. Оржековского - М.: АСТ: Астрель: Профиздат, 2006. (с.10-11)
3. Химия: 8-й класс: учеб. для общеобр. учреждений / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, Л.С. Понтак. М.: АСТ: Астрель, 2005.(§4)
4. Химия: неорг. химия: учеб. для 8 кл. общеобр. учреждений / Г.Е. Рудзитис, ФюГю Фельдман. – М.: Просвещение, ОАО «Московские учебники», 2009. (§2)
5. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред.В.А. Володин, вед. науч. ред. И. Леенсон. – М.: Аванта+, 2003.
Дополнительные веб-ресурсы
1. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов ().
2. Электронная версия журнала «Химия и жизнь» ().
Домашнее задание
Из учебника П.А. Оржековского и др. «Химия, 8 класс» с. 33 №№ 2,4,6,Т.
