Разделение смеси с помощью магнита на каких свойствах основан этот способ
- 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.
I. Новый материал
При подготовке урока использованы материалы автора: Н.К.Черемисиной,
учителя химии средней школы № 43
(г. Калининград), Источник
Мы живем среди химических веществ. Мы вдыхает воздух,
а это смесь газов (азота, кислорода и других), выдыхаем углекислый
газ. Умываемся водой — это еще одно вещество, самое распространенное
на Земле. Пьём молоко — смесь воды с мельчайшими капельками
молочного жира, и не только: здесь еще есть молочный белок казеин,
минеральные соли, витамины и даже сахар, но не тот, с которым
пьют чай, а особый, молочный — лактоза. Едим яблоки, которые состоят из
целого набора химических веществ — здесь и сахар, и яблочная кислота,
и витамины… Когда прожеванные кусочки яблока попадают в желудок, на
них начинают действовать пищеварительные соки человека, которые помогают
усваивать все вкусные и полезные вещества не только яблока, но и любой другой
пищи. Мы не только живем среди химических веществ, но и сами из
них состоим. Каждый человек — его кожа, мышцы, кровь, зубы, кости, волосы
построены из химических веществ, как дом из кирпичей. Азот, кислород, сахар,
витамины – вещества природного, естественного происхождения. Стекло, резина,
сталь – это тоже вещества, точнее, материалы (смеси веществ). И стекло,
и резина — искусственного происхождения, в природе их не было. Совершенно
чистые вещества в природе не встречаются или встречаются очень редко.
Чем же отличаются чистые вещества от смесей веществ?
Индивидуальное чистое вещество обладает определённым
набором характеристических свойств (постоянными физическими свойствами). Только
чистая дистиллированная вода имеет tпл = 0 °С, tкип= 100 °С, не имеет вкуса.
Морская вода замерзает при более низкой, а закипает при более высокой
температуре, вкус у нее горько-соленый. Вода Черного моря замерзает при более
низкой, а закипает при более высокой температуре, чем вода Балтийского моря.
Почему? Дело в том, что в морской воде содержатся другие вещества, например
растворенные соли, т.е. она представляет собой смесь различных веществ, состав
которой меняется в широких пределах, свойства же смеси не являются постоянными.
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 |
Состав | 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).
В суспензиях видны частицы твердого вещества, в эмульсиях – капельки
жидкости, такие смеси называются неоднородными (гетерогенными), а в растворах
компоненты не различимы, они являются однородными (гомогенными) смесями.
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
Эти способы основаны на различиях в физических свойствах компонентов
смеси.
Рассмотрим
способы разделения гетерогенных и гомогенных смесей.
Пример смеси | Способ |
Суспензия – смесь речного песка с водой | Отстаивание Разделение отстаиванием Разделение |
Смесь песка и поваренной соли в воде | Фильтрование На чем основано разделение гетерогенных смесей с Разделение смеси крахмала и воды фильтрованием |
Смесь порошка железа и серы | Действие Порошок железа притягивался магнитом, а порошок серы Несмачивающийся порошок серы всплывал на поверхность Разделение смеси серы и железа с помощью |
Раствор соли в воде – гомогенная смесь | Выпаривание или Вода испаряется, а в фарфоровой чашке остаются Если же разделять смесь спирта и воды, то первым Разделение однородных смесей |
Особым методом разделения компонентов, основанным на
различной поглощаемости их определенным веществом, является хроматография.
Дома вы можете проделать следующий опыт. Подвесьте
полоску из фильтровальной бумаги над сосудом с красными чернилами, погружая в
них лишь конец полоски. Раствор впитывается бумагой и поднимается по ней. Но
граница подъема краски отстает от границы подъема воды. Так происходит
разделение двух веществ: воды и красящего вещества в чернилах.
С помощью хроматографии русский ботаник М. С. Цвет
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.
Прочитайте стихотворение Л. Мартынова «Дистиллированная
вода»:
Вода
Благоволила
Литься!
Она
Блистала
Столь чиста,
Что ни напиться,
Ни умыться.
И это было неспроста.
Ей не хватало
Ивы, тала
И горечи цветущих лоз,
Ей водорослей не хватало
И рыбы, жирной от стрекоз.
Ей не хватало быть волнистой,
Ей не хватало течь везде.
Ей жизни не хватало
Чистой –
Дистиллированной воде!
Применение дистиллированной воды
II. Задания для закрепления
1) Поработайте с тренажёрами №1-4 (необходимо загрузить тренажёр, он откроется в браузере Internet Explorer)
Тренажёр №1. Чистые вещества и смеси
Тренажёр №2. Смеси
Тренажёр №3. Смеси в природе
Тренажёр №4. Смеси в сельском хозяйстве
2) Решите задачу:
Дана смесь сахара, речного песка и железных опилок. Предложите способ разделения этой смеси.
3) Творческое задание:
Подготовьте электронную презентацию на тему «Чистые вещества и смеси, которые нас окружают»
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
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)
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.
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 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.
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.
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 NH3 раствором азотной кислоты HNO3 образуется нитрат аммония NH4NO3 (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.
