На каких свойствах веществ основаны данные способы разделения смесей
Способы 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 сепарация.
Фильтрование
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 0,01 мм 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: отталкиваются от магнита (Cu, Ag, Au, Bi, Sn, латунь)
Магнитной сепарацией можно разделить:
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
Экстракция — 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 образуется нитрат аммония $NH_4NO_3$ (аммиачная селитра), который можно использовать в качестве высокоэффективного азотного удобрения.
Определение
Процесс, при котором происходит абсорбция растворенного вещества за счет протекания химической реакции, называется хемосорбцией.
Адсорбцию также используют для очистки воды от химических растворимых примесей. Например, фильтры для питьевой воды работают на принципе адсорбции слоем активированного угля с ионами серебра. Помимо поглощения всем объемом жидкого сорбента (абсорбции), и поверхностным слоем сорбента (адсорбции), выделяют также сорбцию твердого тела или расплава (окклюзию). При сорбции паров твердыми веществами часто происходит капиллярная конденсация.
- На каких свойствах веществ основано разделение смесей?
- Приведите примеры разделения смесей с помощью просеивания, известные вам из повседневной жизни.
- Для отделения золота от пустой породы золото «моют». Какие свойства золота и частиц горной породы используют при этом?
- Что такое отстаивание и декантация? Приведите примеры.
- Что такое фильтрование и фильтрат? Какие вещества и материалы могут использоваться для изготовления фильтра?
- Приведите примеры способов фильтрования воздуха, которые используются в быту и на производстве.
- Что такое центрифугирование? На чем основан этот процесс? Где он применяется?
- Смешайте столовую ложку сухого молока и речного песка. Пересыпьте смесь в стакан с водой, но не перемешивайте. Для того чтобы песок полностью осел на дно, осторожно постучите по внешней стенке стакана ложкой. Какой из компонентов смеси остался на поверхности воды? Почему?
- В стеклянный стакан насыпьте немного порошка для чистки посуды и налейте полстакана воды. Образуется мутная смесь. Жидкость станет прозрачной только на следующий день. Почему смесь отстаивается так долго?
- Растолките пять таблеток активированного угля и смешайте их с четвертью стакана окрашенной газированной воды, например пепси-колы. Интенсивно перемешивайте смесь ложечкой. Что наблюдается? Сравните окраску отстоявшегося раствора с окраской исходного напитка.
1. На каких свойствах веществ основано разделение смесей?
Разделение смесей основано на различных физических свойствах веществ, составляющих смеси: а) разная плотность нерастворимых в воде веществ, составляющих смесь (например, смесь древесных и железных опилок); б) разная плотность малорастворимых друг в друге жидкостей, составляющих смесь (например, растительное масло и вода); в) разная растворимость в воде веществ, составляющих смесь (например, смесь поваренной соли и песка); г) разные магнитные свойства компонентов смеси (например, смесь порошков железа и серы) и др.
2. Приведите примеры разделения смесей с помощью просеивания, известные вам из повседневной жизни.
В повседневной жизни разделение смесей с помощью просеивания используется, например, в кулинарии (просеивание муки, крупы), в строительстве (просеивание песка).
3. Для отделения золота от пустой породы золото «моют». Какие свойства золота и частиц горной породы используют при этом?
Частицы золота имеют больший размер и плотность, чем частицы горной породы. При отделении золота пустая порода «вымывается», а золото остается в осадке.
4. Что такое отстаивание и декантация? Приведите примеры.
Отстаивание и декантация — это способы разделения смеси жидкости и твердого вещества.
При отстаивании частицы твердого вещества оседают на дно: чем меньше размер твердых частиц в жидкости, тем дольше будет отстаиваться смесь. В результате отстаивания получают два слоя: верхний слой — жидкость, нижний слой — твердое вещество. При декантации жидкость отделяется от твердого вещества путем ее сливания.
Пример: смесь воды и песка.
5. Что такое фильтрование и фильтрат? Какие вещества и материалы могут использоваться для изготовления фильтра?
Фильтрование — это процесс разделения смеси, основанный на различной растворимости в воде веществ, составляющих смесь (например, смесь поваренной соли и песка). Для разделения смеси фильтрованием ее растворяют в воде и пропускают фильтр. Частицы твердого вещества не проходят через фильтр и оседают на нем, а вода с растворенными вещества просачивается через него. Фильтрат — это раствор, прошедший через фильтр.
Для изготовления фильтров, в зависимости от их назначения, могут использоваться специальная пористая бумага, ткань, вата, угольный порошок, песок.
6. Приведите примеры способов фильтрования воздуха, которые используются в быту и на производстве.
Способы фильтрования воздуха в быту: использование ватно-марлевых повязок.
Способы фильтрования воздуха на производстве: использование респираторов.
7. Что такое центрифугирование? На чем основан этот процесс? Где он применяется?
Цетрифугирование — это процесс разделения неоднородной смеси, содержащей частицы очень малых размеров, которые невозможно отделить отстаиванием или фильтрованием. Смесь помещают в специальный сосуд, который с огромной скоростью вращают в специальном аппарате — центрифуге. В результате более тяжелые частицы оседают на дно сосуда, а легкие оказываются сверху.
Центрифугирование основано на действии центробежной силы, которая во много раз превышает силу земного притяжения.
Этот процесс применяется, например, при сепарировании молока.
8. Смешайте столовую ложку сухого молока и речного песка. Пересыпьте смесь в стакан с водой, но не перемешивайте. Для того чтобы песок полностью осел на дно, осторожно постучите по внешней стенке стакана ложкой. Какой из компонентов смеси остался на поверхности воды? Почему?
На поверхности воды осталось сухое молоко, так как порошок сухого молока плохо смачивается водой и удерживается на ее поверхности.
9. В стеклянный стакан насыпьте немного порошка для чистки посуды и налейте полстакана воды. Образуется мутная смесь. Жидкость станет прозрачной только на следующий день. Почему смесь отстаивается так долго?
При отстаивании частицы твердого вещества оседают на дно. Если частицы твердого вещества достаточно крупные, то они быстро оседают на дно, а жидкость становится прозрачной. Чем меньше размер твердых частиц в жидкости, тем дольше будет отстаиваться смесь.
Смесь порошка для чистки посуды и воды долго отстаивается, так как размеры твердых частиц в ней очень малы.
10. Растолките пять таблеток активированного угля и смешайте их с четвертью стакана окрашенной газированной воды, например пепси-колы. Интенсивно перемешивайте смесь ложечкой. Что наблюдается? Сравните окраску отстоявшегося раствора с окраской исходного напитка.
Наблюдается поглощение пузырьков газа активированным углем и обесцвечивание раствора. Это объясняется тем, что активированный уголь способен поглощать своей поверхностью газообразные и растворенные вещества. Эту способность называют адсорбцией, а активированный уголь адсорбентом.
- Отстаивание
- Центрифугирование
- Фильтрование
- Действие магнитом
- Выпаривание. Кристаллизация
- Дистилляция (перегонка)
Для получения чистых веществ используют различные способы разделения смесей.
| Способы разделения смесей | |
|---|---|
| неоднородных (гетерогенных) | однородных (гомогенных) |
| — Отстаивание — Фильтрование — Действие магнитом — Центрифугирование | — Выпаривание. Кристаллизация. — Дистилляция (перегонка) |
Процессы разделения смесей основаны на различных физических свойствах компонентов, образующих смесь.
Отстаивание
Отстаивание — это разделение неоднородной жидкой смеси на компоненты, путём её расслоения с течением времени под действием силы тяжести.
Отстаиванием можно разделить смесь нерастворимых в воде веществ, имеющих разную плотность.
Пример. Смесь из железных и древесных опилок можно разделить, если высыпать её в сосуд с водой (1), взболтать и дать отстояться. Железные опилки опустятся на дно сосуда, а древесные будут плавать на поверхности воды (2), и их вместе с водой можно будет слить в другой сосуд (3):
На этом же принципе основано разделение смесей малорастворимых друг в друге жидкостей.
Пример. Смеси бензина с водой, нефти с водой, растительного масла с водой быстро расслаиваются, поэтому их можно разделить с помощью делительной воронки:
Отстаиванием также можно разделить вещества, которые осаждаются в воде с различной скоростью.
Пример. Смесь из глины и песка можно разделить, если высыпать её в сосуд с водой (1), взболтать и дать отстояться. Песок оседает на дно значительно быстрее глины (2):
Этот способ используется для отделения песка от глины в керамическом производстве (производство глиняной посуды, красных кирпичей и др.).
Центрифугирование
Центрифугирование — это разделение неоднородных жидких смесей путём вращения.
Пример. Если компоненты неоднородной жидкой смеси очень малы, такие смеси разделяют центрифугированием. Такие смеси помещают в пробирки и вращают с большой скоростью в специальных аппаратах — центрифугах.
Перед центрифугированием частицы смеси распределены по объёму пробирки равномерно. После центрифугирования более лёгкие частицы всплывают наверх, а тяжёлые оседают на дно пробирки.
С помощью центрифугирования, к примеру, отделяют сливки от молока.
Фильтрование
Фильтрование — это разделение жидкой неоднородной смеси на компоненты, путём пропускания смеси через пористую поверхность. В роли пористой поверхности может выступать бумажная воронка, марля, сложенная в несколько слоёв, или любой другой пористый материал, способный задержать один или несколько компонентов смеси.
Фильтрованием можно разделить неоднородную смесь, состоящую из растворимых и нерастворимых в воде веществ.
Пример. Чтобы разделить смесь, состоящую из поваренной соли и песка, её можно высыпать в сосуд с водой, взболтать и затем эту смесь пропустить через фильтровальную бумагу. Песок остаётся на фильтровальной бумаге, а прозрачный раствор поваренной соли проходит через фильтр:
При необходимости, растворённую поваренную соль из воды можно выделить выпариванием.
Действие магнитом
С помощью магнита из неоднородной смеси выделяют вещества, способные к намагничиванию.
Пример. C помощью магнита можно разделить смесь, состоящую из порошков железа и серы:
Выпаривание. Кристаллизация
Выпаривание — это способ разделения жидких смесей путём испарения одного из компонентов. Скорость испарения можно регулировать с помощью температуры, давления и площади поверхности испарения.
Пример. Чтобы растворённую в воде поваренную соль выделить из раствора, последний выпаривают:
Вода испаряется, а в фарфоровой чашке остаётся поваренная соль. Иногда применяют упаривание, т. е. частичное испарение воды. В результате образуется более концентрированный раствор, при охлаждении которого растворённое вещество выделяется в виде кристаллов. Этот процесс получил название кристаллизации.
Дистилляция (перегонка)
Дистилляция (перегонка) — это способ разделения жидких однородных смесей путём испарения жидкости с последующим охлаждением и конденсацией её паров. Данный способ основан на различии в температурах кипения компонентов смеси.
Пример. При нагревании жидкой однородной смеси сначала закипает вещество с наиболее низкой температурой кипения. Образующиеся пары конденсируются при охлаждении в другом сосуде. Когда этого вещества уже не останется в смеси, температура начнёт повышаться, и со временем закипает другой жидкий компонент:
Таким способом получают, к примеру, дистиллированную воду.