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.
Тема: «Способы разделения смесей» (8 класс)
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 t кип = 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 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.
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»] = m компонента / m смеси
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 = n компонента А / (n(A) + n(B) + n(С))
Мольное соотношение компонентов. Иногда в задачах для смеси указывается мольное соотношение её составляющих. Например:
n компонента А: n компонента В = 2: 3
Объёмная доля компонента в смеси (только для газов) - отношение объёма вещества А к общему объёму всей газовой смеси.
φ [«фи»] = V компонента / V смеси
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.
Находим
количество водорода:
n = V / V m
= 5,6 / 22,4 = 0,25 моль.
По уравнению реакции:
Количество
железа тоже 0,25 моль. Можно найти его
массу:
m Fe
= 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.
2HCl = FeCl 2 +
Решать такие системы гораздо удобнее методом вычитания, домножив первое уравнение на 18:
27х + 18у = 7,2
и вычитая первое уравнение из второго:(56 − 18)у = 11 − 7,2
у = 3,8 / 38 = 0,1 моль (Fe)
х = 0,2 моль (Al)
Находим
количество водорода:
n = V / V m
= 8,96 / 22,4 = 0,4 моль.
Пусть количество алюминия - х моль, а железа у моль. Тогда можно выразить через х и у количество выделившегося водорода:
Нам известно
общее количество водорода: 0,4 моль.
Значит,
1,5х + у = 0,4 (это первое уравнение
в системе).
Для
смеси металлов нужно выразить массы
через количества веществ.
m = M
n
Значит, масса алюминия
m Al
= 27x,
масса железа
m Fe
= 56у,
а масса всей смеси
27х + 56у = 11
(это второе уравнение в системе).
Итак, мы имеем систему из двух уравнений:
m Fe
= n M = 0,1 56 = 5,6 г
m Al
= 0,2 27 = 5,4 г
ω Fe
= m Fe
/ m смеси
= 5,6 / 11 = 0,50909 (50,91%),
соответственно,
ω Al
= 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.
(не забудьте, что такие реакции надо обязательно уравнивать с помощью электронного баланса)
Так как мольное соотношение меди и сернистого газа 1:1, то меди тоже 0,25 моль. Можно найти массу меди:
m Cu = n M = 0,25 64 = 16 г.В реакцию с раствором щелочи вступает алюминий, при этом образуется гидроксокомплекс алюминия и водород:
2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na + 3H 2Al 0 − 3e = Al 3+
2H + + 2e = H 2
Число моль водорода:
n H3 = 3,36 / 22,4 = 0,15 моль,
мольное соотношение алюминия и водорода 2:3 и, следовательно,
n Al = 0,15 / 1,5 = 0,1 моль.
Масса алюминия:
m Al = n M = 0,1 27= 2,7 гОстаток - это железо, массой 3 г. Можно найти массу смеси:
m смеси = 16 + 2,7 + 3 = 21,7 г.Массовые доли металлов:
С
концентрированной серной кислотой
реагирует только медь, число моль
газа:
n SO2
= V / Vm = 5,6 / 22,4 = 0,25 моль
|
2H 2 SO 4 (конц.) = CuSO 4 + |
ω Cu
= m Cu
/ m смеси
= 16 / 21,7 = 0,7373 (73,73%)
ω Al
= 2,7 / 21,7 = 0,1244 (12,44%)
ω Fe
= 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. % НNО 3 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.
Определяем
количество вещества газа:
n N2
= V / Vm = 2,912 / 22,4 = 0,13 моль.
Определяем массу раствора азотной кислоты, массу и количество вещества растворенной HNO3:
m раствора
= ρ V = 1,115 565 = 630,3 г
m HNO3
= ω m раствора
= 0,2 630,3 = 126,06 г
n HNO3
= 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.
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:
|
12HNO 3 = 5Zn(NO 3) 2 + |
|
Zn 0 − 2e = Zn 2+ |
||
|
2N +5 + 10e = N 2 |
|
36HNO 3 = 10Al(NO 3) 3 + |
Решать эту систему удобно, домножив первое уравнение на 90 и вычитая первое уравнение их второго.
х
= 0,04, значит, n Zn
= 0,04 5 = 0,2 моль
у = 0,03, значит, n Al
= 0,03 10 = 0,3 моль
Проверим
массу смеси:
0,2 65 + 0,3 27 = 21,1 г.
Теперь переходим к составу раствора. Удобно будет переписать реакции ещё раз и записать над реакциями количества всех прореагировавших и образовавшихся веществ (кроме воды):
Следующий
вопрос: осталась ли в растворе азотная
кислота и сколько её осталось?
По
уравнениям реакций, количество кислоты,
вступившей в реакцию:
n HNO3
= 0,48 + 1,08 = 1,56 моль,
т.е. кислота была в
избытке и можно вычислить её остаток
в растворе:
n HNO3 ост.
= 2 − 1,56 = 0,44 моль.
Итак, в итоговом растворе содержатся:
нитрат
цинка в количестве 0,2 моль:
m Zn(NO3)2
= n M = 0,2 189 = 37,8 г
нитрат алюминия в
количестве 0,3 моль:
m Al(NO3)3
= n M = 0,3 213 = 63,9 г
избыток азотной
кислоты в количестве 0,44 моль:
m HNO3 ост.
= n M = 0,44 63 = 27,72 г
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):
Тогда для нашей задачи:
m нов.
раствора
= масса раствора кислоты + масса сплава
металлов - масса азота
m N2
= n M = 28 (0,03 + 0,09) = 3,36 г
m нов.
раствора
= 630,3 + 21,1 − 3,36 = 648,04 г
ωZn(NO 3) 2
= m в-ва
/ m р-ра
= 37,8 / 648,04 = 0,0583
ωAl(NO 3) 3
= m в-ва
/ m р-ра
= 63,9 / 648,04 = 0,0986
ω HNO3 ост.
= m в-ва
/ m р-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 NO 2 , 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.
Пояснительная записка
Чистые вещества и смеси . Способы разделения смесей . Сформировать представление о чистых веществах и смесях . Способы очистки веществ: ... веществ к различным классам органических соединений. Характеризовать: основные классы органических соединений, ...
Приказ от 2013г. № Рабочая программа по учебному предмету «Химия» 8 класс (базовый уровень 2 часа)
Рабочая программаОценивание знаний учащихся о возможности и способах разделения смесей веществ; формирование соответствующих экспериментальных умений... классификации и химических свойствах веществ основных классов неорганических соединений, формирование представлений о...
... смеси , способы разделения смесей . Задачи: Дать понятие о чистых веществах и смесях ; Рассмотреть классификацию смесей ; Познакомить учащихся со способами разделения смесей ... ученик и поднимает перед классом карточку с формулой неорганического вещества...
Знаете ли вы, какие существуют способы разделения смесей? Не спешите с отрицательным ответом. Многие из них вы применяете в своей повседневной деятельности.
Чистое вещество: что это такое
Атомы, молекулы, вещества и смеси - это основные химические понятия. Что они обозначают? В таблице Д. И. Менделеева 118 химических элементов. Это различные типы элементарных частиц - атомов. Они отличаются между собой массой.
Соединяясь между собой, атомы образуют молекулы, или вещества. Последние, соединяясь между собой, образуют смеси. Чистые вещества имеют постоянный состав и свойства. Это однородные структуры. Но их можно разделить на составляющие посредством химических реакций.
Ученые утверждают, что чистых веществ в природе практически не существует. Незначительное количество примесей есть в каждом из них. Это происходит потому, что большинство веществ отличаются активностью. Даже металлы, погруженные в воду, растворяются в ней на уровне ионов.
Состав чистых веществ всегда постоянный. Изменить его просто невозможно. Так, если в молекуле углекислого газа увеличить количество углерода или кислорода, это будет уже совсем другое вещество. А в смеси можно увеличить или уменьшить количество компонентов. Это изменит ее состав, но не факт существования.
Что такое смесь
Совокупность нескольких веществ называют смесью. Они могут быть двух видов. Если отдельные компоненты в смеси неразличимы, ее называют однородной, или гомогенной. Есть еще одно название, которое чаще всего применяется в быту - раствор. Компоненты такой смеси нельзя разделить физическими методами. К примеру, из соляного раствора не получится механически извлечь кристаллы, которые в нем растворены. В природе встречаются не только жидкие растворы. Так, воздух - это газообразная однородная смесь, а сплав металлов - твердая.
В неоднородных, или гетерогенных смесях отдельные частицы различимы невооруженным глазом. Они отличаются друг от друга составом и свойствами. Это значит, что отделить их друг от друга можно чисто механически. С такой задачей прекрасно справилась Золушка, которую злая мачеха заставила отделить фасоль от гороха.
Химия: способы разделения смесей
В быту и природе встречается огромное количество смесей. Как правильно подобрать способ их разделения? Он обязательно должен быть основан на физических свойствах отдельных компонентов. Если вещества имеют разную температуру кипения, то эффективными будут выпаривание с последующей кристаллизацией, а также дистилляция. Такие способы применяют для разделения гомогенных растворов. Для разделения неоднородных смесей используют различие в других свойства их составляющих: плотности, смачиваемости, растворимости, размерах, магнитности и т. д.
Физические способы разделения смесей
При отделении компонентов смеси состав самих веществ не изменяется. Поэтому нельзя назвать способы разделения смесей химическим процессом. Так, путем отстаивания, фильтрования и воздействия магнитом можно разделить отдельные компоненты механически. В лаборатории при этом используются различные приборы: делительная воронка, фильтровальная бумага, магнитные полосы. Это способы разделения неоднородных смесей.
Просеивание
Этот способ является, пожалуй, самым простым. С ним знакома каждая домохозяйка. Основан он на различии в размерах твердых компонентов смеси. Просеивание применяется в быту при отделении муки от примесей, личинок насекомых и различных загрязнений. В сельскохозяйственном производстве таким образом очищают зерна злаков от постороннего мусора. Строители просеивают смесь песка и гравия.
Отстаивание
Этот способ разделения смесей применяется для компонентов с различной плотностью. Если песок попал в воду, полученный раствор нужно хорошо перемешать и оставить на некоторое время. То же можно сделать со смесью воды и растительного масла или нефти. Песок осядет на дно. А вот масло, наоборот, будет собираться сверху. Такой способ наблюдается в быту и природе. К примеру, из дыма оседает сажа, из тумана - отдельные капли росы. А если оставить домашнее молоко на ночь, то к утру можно будет собрать сливки.
Фильтрование
Любители заварного чая применяют этот метод ежедневно. Речь идет о фильтровании - способе разделения смесей, основанном на различной растворимости компонентов. Представьте, что в воду попали железные опилки и соль. Крупные нерастворимые частицы останутся на фильтре. А растворенная соль пройдет сквозь него. Принцип этого метода лежит в основе работы пылесосов, действия респираторных масок и марлевых повязок.
Действие магнитом
Предложите способ разделения смесей порошков серы и железа. Естественно, это действие магнитом. Все ли металлы способны к этому? Вовсе нет. По степени восприимчивости различают три группы веществ. К примеру, золото, медь и цинк не прикрепятся к магниту. Они входят в группу диамагнетиков. Слабым восприятием отличаются магний, платина и алюминий. А вот если в состав смеси входят ферромагнетики, то этот метод будет самым эффективным. К ним относятся, например, железо, кобальт, никель, тербий, гольмий, тулий.
Выпаривание
Какой способ разделения смесей подойдет для водного однородного раствора? Это выпаривание. Если у вас есть только соленая вода, а нужна чистая - не стоит сразу расстраиваться. Нужно нагреть смесь до температуры кипения. В результате вода испарится. А на дне посуды будут видны кристаллы растворенного вещества. Чтобы собрать воду, ее необходимо конденсировать - перевести из газообразного состояния в жидкое. Для этого пары охлаждаются, касаясь поверхности с меньшей температурой, и стекают в приготовленную тару.
Кристаллизация
В науке данный термин рассматривается в более широком значении. Это не просто метод получения чистых веществ. По своей природе кристаллами являются айсберги, минералы, кости и зубная эмаль.
Их рост происходит при наличии одинаковых условий. Кристаллы формируются в результате охлаждения жидкостей или перенасыщения пара, а в дальнейшем температура уже не должна меняться. Таким образом, сначала достигаются некоторые предельные условия. В результате возникает центр кристаллизации, вокруг которого собираются атомы жидкости, расплава, газа или стекла.
Дистилляция
Наверняка вы слышали о воде, которую называют дистиллированной. Эта очищенная жидкость необходима для изготовления лекарственных средств, лабораторных исследований, систем охлаждения. А получают ее в специальных приборах. Они называются дистилляторами.
Дистилляция - это способ разделения смесей веществ с разной температурой кипения. В переводе с латинского языка термин означает "стекание каплями". С помощью этого метода, к примеру, можно выделить спирт и воду из раствора. Первое вещество начнет закипать при температуре +78 о С. Пары спирта в дальнейшем конденсируются. Вода же останется в жидком виде.
Подобным способом из нефти получают продукты ее переработки: бензин, керосин, газойль. Этот процесс не является химической реакцией. Нефть разделяется на отдельные фракции, каждая из которых имеет свою температуру кипения. Происходит это в несколько этапов. Сначала осуществляется первичная сепарация нефти. Ее очищают от попутного газа, механических примесей и водяных паров. На следующем этапе полученный продукт помещают в ректификационные колонны и начинают нагревать. Это и есть атмосферная перегонка нефти. При температуре менее 62 градусов улетучиваются остатки попутного газа. Нагревая смесь до 180 градусов, получают бензиновые фракции, до 240 - керосин, до 350 - дизельное топливо. Остатком термической переработки нефти является мазут, который используют в качестве смазочного материала.
Хроматография
Этот метод получил название по фамилии ученого, который впервые использовал его. Звали его Михаил Семенович Цвет. Первоначально метод применяли для разделения пигментов растений. А дословно хроматография переводится с греческого языка как "пишу цветом". Опустим фильтровальную бумагу в смесь воды и чернил. Первая сразу начнет впитываться. Это обусловлено разной степенью адсорбирующих свойств. При этом также учитывается диффузия и степень растворимости.
Адсорбция
Некоторые вещества обладают способностью притягивать молекулы другого вида. К примеру, мы принимаем активированный уголь при отравлении, чтобы избавиться от токсинов. Для этого процесса необходима поверхность раздела, которая находится между двумя фазами.
Этот способ применяют в химической промышленности при выделении бензола из газообразных смесей, очистки жидких продуктов переработки нефти, их очистки от примесей.
Итак, в нашей статье мы рассмотрели основные способы разделения смесей. Человек использует их как в быту, так и в промышленных масштабах. Выбор способа зависит от вида смеси. Важным фактором являются особенности физических свойств ее компонентов. Для разделения растворов, в которых отдельные части визуально неразличимы, используют методы выпаривания, кристаллизации, хроматографию и дистилляцию. Если отдельные компоненты можно определить, такие смеси называют неоднородными. Для их разделения применяют способы отстаивания, фильтрования и действия магнитом.
Чистые вещества и смеси. Способы разделения смесей .Для того чтобы установить свойства вещества, нужно иметь его в чистом виде, но в чистом виде вещества в природе не встречаются. Каждое вещество всегда содержит определенное количество примесей. Вещество, в котором почти нет примесей, называют чистым. С такими веществами работают в научной лаборатории, школьном химическом кабинете. Заметим, что абсолютно чистых веществ не существует.
Смесями являются почти все природные вещества, продукты питания (кроме соли, сахара, некоторых других), строительные материалы, товары бытовой химии, многие лекарственные и косметические средства.
Природные вещества представляют смеси, состоящие иногда из очень большого числа различных веществ. Так, например, природная вода всегда содержит растворенные в ней соли и газы. Иногда очень малое содержание примеси может привести к очень сильному изменению некоторых свойств вещества. Например, содержание в цинке лишь сотых долей железа или меди ускоряет его взаимодействие с соляной кислотой в сотни раз. Когда одно из веществ находится в смеси в преобладающем количестве, вся смесь обычно носит его название.
Компонент – это каждое вещество, содержащееся в смеси.
Однородные смеси.
Добавим небольшую порцию сахара в стакан с водой и будем перемешивать, пока весь сахар не растворится. Жидкость будет иметь сладкий вкус. Таким образом, сахар не исчез, а остался в смеси. Но его кристалликов мы не увидим, даже рассматривая каплю жидкости в мощный микроскоп.
Рис. 3. Однородная смесь (водный раствор сахара)
Приготовленная смесь сахара и воды является однородной (рис. 3); в ней равномерно перемешаны мельчайшие частицы этих веществ.
Смеси, в которых компоненты невозможно обнаружить вооруженным глазом называют однородными.
Вода в смеси с песком, мелом или глиной замерзает при температуре О 0 C и закипает при 100 0 С.
Некоторые виды неоднородных смесей имеют специальные названия: пена (например, пенопласт, мыльная пена), суспензия (смесь воды с небольшим количеством муки), эмульсия (молоко, хорошо взболтанные растительное масло с водой), аэрозоль (дым, туман).
Рис. 5. Неоднородные смеси:
а - смесь воды и серы;
б - смесь растительного масла и воды;
в - смесь воздуха и воды
Существуют разные способы разделения смесей. На выбор способа разделения смеси влияют свойства веществ, образующих данную смесь.
Рассмотрим подробнее каждый метод:
Отстаивание - распространённый способ очистки или жидкостей от нерастворимых в воде механических примесей, или жидких веществ, нерастворимых друг в друге, имеющих разную плотность.
Отстаивание используют при подготовке воды для технологических и бытовых нужд, обработке канализационных стоков, обезвоживании и обессоливании сырой нефти, во многих процессах химической технологии. Оно является важным этапом в естественном самоочищении природных и искусственных водоёмов.
Фильтрование – отделение жидкости от твёрдых нерастворимых в ней примесей; молекулы жидкости проходят через поры фильтра, а крупные частицы примесей задерживаются.
Представьте, что перед вами смесь речного песка и воды. Определите тип смеси. (неоднородная ). Сравните физические свойства речного песка и воды. (Это вещества, нерастворимые друг в друге, имеющие разную плотность). Предложите способ разделения данной смеси (фильтрования ).
Действие магнитом – это способ разделения неоднородных смесей, когда одно из веществ смеси способно притягиваться магнитом
Выпаривание – это способ разделения однородных смесей , при этом происходит выделение твердого растворимого вещества из раствора, при нагревании вода испаряется, а кристаллы твёрдого вещества остаются.
Дистилляция (латинского означает «стекание каплями») – это способ разделения однородных смесей, при этом происходит разделение жидких смесей на отличающиеся по составу фракции. Осуществляется путем частичного испарения жидкости с последующей конденсацией пара . Отогнанная фракция (дистиллят) обогащена относительно более летучими (низкокипящими) веществами, а неотогнанная жидкость (кубовый остаток) обогащена относительно менее летучими (высококипящими) веществами.
В лаборатории перегонку осуществляют на специальной установке (рис. 6). При нагревании смеси жидкостей сначала закипает вещество с наиболее низкой температурой кипения. Его пар выходит из сосуда, охлаждается, конденсируется1, и образовавшаяся жидкость стекает в приемник. Когда этого вещества уже не будет в смеси, температура начнет повышаться, и со временем закипает другой жидкий компонент. Нелетучие жидкости остаются в сосуде.
Рис. 6. Лабораторная установка для перегонки: а - обычная; б - упрощенная
1 - смесь жидкостей с разными температурами кипения;
2 - термометр;
3 - водяной холодильник;
4 - приемник
Рассмотрим, как используют некоторые методы разделения смесей.
Процесс фильтрования лежит в основе работы респиратора - устройства, которое защищает легкие человека, работающего в сильно запыленном помещении. В респираторе имеются фильтры, препятствующие попаданию пыли в легкие (рис. 7). Простейший респиратор - повязка из нескольких слоев марли. Фильтр, извлекающий пыль из воздуха, есть и в пылесосе.
Рис. 7. Рабочий в распираторе
Сделайте вывод, какими методами можно разделить смесь растворимого и нерастворимого в воде веществ.
гетерогенные (неоднородные) | гомогенные (однородные) |
| Гетерогенными называют такие смеси, в которых можно выявить границу раздела между исходными компонентами либо невооруженным глазом, либо под лупой или микроскопом: | Вещества в таких смесях смешаны друг с другом максимально возможно, можно сказать, на молекулярном уровне. В таких смесях нельзя выявить границу раздела исходных компонентов даже под микроскопом: |
| Примеры | |
| Суспензия (твердое + жидкость) Эмульсия (жидкость + жидкость) Дым (твердое + газ) Смесь порошков твердых веществ (твердое+твердое) | Истинные растворы (например, раствор поваренной соли в воде, раствор спирта в воде) Твердые растворы (сплавы металлов, кристаллогидраты солей) Газовые растворы (смесь не реагирующих между собой газов) |
Методы разделения смесей
Гетерогенные смеси типов газ-жидкость, жидкость-твёрдое, газ-твёрдое неустойчивы во времени под действием силы тяжести. В таких смесях составные компоненты с меньшей плотностью постепенно поднимаются вверх (всплывают), а с большей — опускаются вниз (оседают). Такой процесс самопроизвольного разделения смесей с течением времени называют отстаиванием . Так, например, смесь мелкого песка и воды довольно быстро самопроизвольно делится на две части:
Для ускорения процесса осаждения вещества с большей плотностью из жидкости в лабораторных условиях чаще прибегают к более продвинутой версии метода отстаивания — центрифугированию . Роль силы тяжести в центрифугах играет центробежная сила, всегда возникающая при вращении. Поскольку центробежная сила напрямую зависит от скорости вращения, ее можно делать многократно больше силы тяжести, просто увеличивая число оборотов центрифуги в единицу времени. Благодаря этому достигается намного более быстрое по сравнению с отстаиванием разделение смеси.
После отстаивания или центрифугирования надосадочную жидкость можно отделить от осадка методом декантации — аккуратным сливанием жидкости с осадка.
Разделить смесь двух нерастворимых друг в друге жидкостей (после ее отстаивания) можно с помощью делительной воронки, принцип действия которой понятен из следующей иллюстрации:
Для разделения смесей веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях, помимо отстаивания и центрифугирования также широко используют фильтрование. Метод заключается в том, что фильтр обладает различной пропускной способностью по отношению к компонентам смеси. Чаще всего это связано с различным размером частиц, но также может быть еще обусловлено тем, что отдельные компоненты смеси сильнее взаимодействуют с поверхностью фильтра (адсорбируются им).
Так, например, взвесь твердого нерастворимого порошка с водой можно разделить, используя пористый бумажный фильтр. Твердое вещество остается на фильтре, а вода проходит через него и собирается в в емкости, расположенной под ним:
В некоторых случаях гетерогенные смеси могут быть разделены благодаря разным магнитным свойствам компонентов. Так, например, смесь порошков серы и металлического железа можно разделить с помощью магнита. Частицы железа в отличие от частиц серы притягиваются и удерживаются магнитом:
Разделение компонентов смеси с применением магнитного поля называют магнитной сепарацией .
Если смесь представляет собой раствор тугоплавкого твердого вещества в какой-либо жидкости, выделить это вещество из жидкости можно выпариванием раствора:
Для разделения жидких гомогенных смесей используют метод, называемый дистилляцией, или перегонкой . Данный способ имеет принцип действия, схожий с выпариванием, но позволяет отделять не только летучие компоненты от нелетучих, но также и вещества с относительно близкими температурами кипения. Один из простейших вариантов дистилляционных аппаратов представлен на рисунке ниже:
Смысл процесса дистилляции заключается в том, что при кипении смеси жидкостей первыми улетучиваются пары более легкокипящего компонента. Пары этого вещества после прохождения через холодильник конденсируются и стекают в приемник. Метод дистилляции широко применяется в нефтяной промышленности при первичной переработке нефти для разделения нефти на фракции (бензин, керосин, дизель и т.д.).
Так же методом дистилляции получают очищенную от примесей (прежде всего солей) воду. Воду, прошедшую очистку дистилляцией, называют дистиллированной водой .
