Химические и физические способы разделения смесей. Чистые вещества и смеси. Способы разделения смесей Разделение жидких смесей

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 .

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.

Данный урок представляет собой практическое занятие, в процессе которого вы научитесь разделять с помощью изученных методов различные смеси веществ. В уроке подробно описано проведение опытов по разделению следующих смесей: 1) сахара с древесными опилками; 2) поваренной соли с речным песком; 3) растительного масла с водой.

Тема: Первоначальные химические представления

Урок: Практическое занятие 2. Разделение смесей веществ

Разделение любой смеси веществ основано на знании различия свойств составляющих ее компонентов. Таким образом, чтобы разделить предложенную смесь на составляющие компоненты, нужно знать, чем они отличаются друг от друга.

ОПЫТ 1. Разделение смеси сахара и древесных опилок. Как вы знаете, сахар хорошо растворяется в воде, а древесные опилки - нет. Кроме того, древесные опилки не тонут в воде, поэтому для разделения данной смеси можно использовать метод отстаивание.

Для начала смесь нужно поместить в воду (сахар растворится), а затем аккуратно извлечь древесные опилки с поверхности воды. Для того чтобы выделить в чистом виде растворенный в воде сахар, нужно упарить раствор, оставив немного воды, а затем охладить его - в результате в осадок выпадут кристаллы сахара (здесь используются методы выпаривания и кристаллизации).

Рис. 1. Разделение смеси сахара и древесных опилок

ОПЫТ 2. Очистка поваренной соли от примеси речного песка. Легкорастворимые вещества нетрудно очистить от механических загрязнений фильтрованием раствора. Сначала необходимо загрязненную поваренную соль поместить в воду, соль растворится в воде, а примеси - нет. Чтобы отделить механические примеси можно использовать метод фильтрования. Заметим, что когда загрязняющее вещество растворимо, фильтр не сможет его отделить. Как получить из очищенного раствора сухую поваренную соль? Для этого нужно использовать метод выпаривания: вода испарится, а на стенках фарфоровой чашки останутся кристаллы очищенной соли.

Рис. 2. Очистка поваренной соли от примеси речного песка (стадия выпаривания фильтрата)

Очистку поваренной соли от речного песка проводят, основываясь на таких свойствах соли, как хорошая растворимость в воде и нелетучесть (при выпаривании воды из раствора).

ОПЫТ 3 . Разделение смеси растительного масла и воды. Если жидкости не растворимы друг в друге и имеют различные плотности, то их можно разделить с помощью метода отстаивания.

В делительную воронку нальем воды и прибавим несколько капель растительного масла. Взболтаем воронку. Получается белая эмульсия: смесь масла и воды. Дадим смеси отстояться. Постепенно эмульсия разделяется на два слоя: тяжелый нижний слой — вода. Верхний, более легкий — растительное масло. Осторожно сольем воду через кран делительной воронки. В воронке остается растительное масло.

Рис. 3. Использование метода отстаивания для разделения смеси растительного масла и воды

Отстаиванием можно разделять смеси и других мало- или нерастворимых друг в друге жидкостей с различной плотностью. Например, смесь бензина и воды; смесь нефти и воды.

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

Проведите домашний эксперимент. Подкрасьте 50 мл воды чернилами. Добавьте 2-3 таблетки активированного угля. Хорошо перемешайте. Дайте смеси отстояться или профильтруйте ее. Опишите свои наблюдения. Какой метод очистки воды вы использовали?

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.

1. Заполните пропуски в тексте, используя слова "компоненты", "различиях", "двух", "физических".

Смесь может быть приготовлена путем смешивания как минимум двух веществ. Смеси могут быть разделены на отдельные компоненты с помощью физических методов, основанных на различиях физических свойствах компонентов.

2. Допишите предложения.

а) Метод отстаивания основан на том, что частички твердого вещества достаточно крупныеЮ они быстро оседают на дно, а жидкость можно осторожно слить с осадка.

б) Метод центрифугирования основан на действиии центробежной силы - более тяжелые частички оседают, а легкие оказываются сверху.

в) Метод фильтрования основан на пропускании раствора твердого вещества через фильтр, где твердые частицы задерживаются на фильтре.

3. Вставьте пропущенное слово:

а) мука и сахарный песок - сито; сера и железные опилки - магнит .

б) вода и подсолнечное масло - делительная воронка; вода и речной песок - фильтр .

в) воздух и пыль - респиратор; воздух и ядовитый газ - абсорбент .

4. Составьте перечень необходимого оборудования для фильтрования.

а) бумажный фильтр
б) стакан с раствором
в) стеклянная воронка
г) чистый стакан
д) стеклянная палочка
е) штатив с лапкой

5. Лабораторный опыт. Изготовление обычного и складчатого фильтров из фильтровальной бумаги или бумажной салфетки.

Как вы считаете, через какой фильтр раствор будет проходить быстрее - обычный или складчатый? Почему?

Через складчатый - площадь соприкосновения фильтрования больше, чем у обычного фильтра.

6. Предложите способы разделения смесей, указанных в таблице 16.

Способы разделения некоторых смесей

7. Домашний опыт. Адсорбация активированным углем красящих веществ пепси-колы.

Реактивы и оборудование: газированный напиток, активированный уголь; кастрюля, воронка, фильтровальная бумага, электрическая (газовая) плита.

Ход работы. Налейте в кастрюлю полстакана (100 мл) газированного напитка. Добавьте туда же 5 таблеток активированного угля. Нагревайте кастрюлю в течение 10 мин на плите. Отфильтруйте уголь. Объясните результаты опыта.

Раствор обесцветился з счет поглощения красящих веществ с помощью активированного угля.

8. Домашний опыт. Адсорбация кукурузными палочками паров пахучих веществ.

Реактивы и оборудование : кукурузные палочки, духи или одеколон; 2 одинаковые стеклянные банки с крышками.

Ход работы. В две стеклянные банки капните по капле духов. В одну из банок положите 4-5 кукурузных палочек. Обе банки закройте крышками. Банку, в которой находятся кукурузные палочки, немного потрясите. Для чего?

Для увеличения скорости адсорбации.

Откройте обе банки. Объясните результаты опыта.

В банке, где были кукурузные палочки, нет запаха, так как она адсорбировали запах духов.