Разделение и очистка смесей. Методы разделения смесей и очистки веществ

БОЛЬШАЯ ЛЕНИНГРАДСКАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Способы разделения смесей

Способы разделения смесей

Реферат по дисциплине: Химия

На тему: Способы разделения смесей

Рига – 2009г.

Введение…………………………………………………………………………..стр.3

Виды смесей………………………………………………………………………стр.4

Способы разделения смесей……………………………………………………..стр.6

Заключение……………………………………………………………………….стр.11

Список использованной литературы…………………………………………....стр.12

Введение

В природе вещества в чистом виде встречаются очень редко. Большинство окружающих нас предметов состоит из смеси веществ. В химической лаборатории химики работают с чистыми веществами. Если же вещество содержит примеси, то любой химик умеет отделить нужное для эксперимента вещество от примесей. Для изучения свойств веществ, необходимо это вещество очистить, т.е. разделить на составные части. Разделение смеси – это физический процесс. Физические методы разделения веществ широко используются в химических лабораториях, при получении пищевых продуктов, в производстве металлов и других веществ.

Виды смесей

В природе нет чистых веществ. При рассмотрении валунов, гранита, убеждаемся, что они состоят из зерен, прожилок различного цвета; в состав молока входят жиры, белковые вещества, вода; нефть и природный газ содержат органические вещества, которые называют углеводородами; в составе воздуха есть различные газы; природная вода не является химически чистым веществом. Смесь – смешение двух или более разнородных веществ.

Смеси можно разделить на две большие группы (ри

Если компоненты смеси видны невооружённым глазом, то такие смеси называют неоднородными. Например, смесь древесных и железных опилок, смесь воды и растительного масла, смесь речного песка и воды и др.

Если компоненты смеси нельзя различить невооружённым глазом, то такие смеси называют однородными . Такие смеси как молоко, нефть, раствор сахара в воде и др. относят к однородным смесям.

Есть твердые, жидкие, газообразные вещества. Вещества можно смешивать в любом агрегатном состоянии. Агрегатное состояние смеси определяет вещество, количественно превосходящее остальные.

Неоднородные смеси образуются из веществ различного агрегатного состояния, когда вещества взаимно не растворяются и плохо смешиваются (табл.1)

Виды неоднородных смесей
перед смешением	Примеры
Твердое/твердое	Минералы; железо/сера
Твердое/жидкое	Известковый раствор; сточные воды
Твердое/газообразное	Дым; пыльный воздух
Жидкое/твердое	Жемчуг; минералы; вода/лед
Жидкое/жидкое	Молоко; растительное масло/вода
Жидкое/газообразное	Туман; облака
Газообразное/твердое	Пенопласт
Газообразное/жидкое	Мыльная пена

Однородные смеси образуются, когда вещества хорошо растворяются друг в друге и хорошо смешиваются (табл.2).

Виды однородных смесей
Агрегатное состояние составных частей перед смешением	Примеры
Твердое/твердое	Сплав золота и серебра
Твердое/жидкое	Сахар/вода
Твердое/газообразное	Пары йода в воздухе
Жидкое/твердое	Набухший желатин
Жидкое/жидкое	Спирт/вода
Жидкое/газообразное	Вода/воздух
Газообразное/твердое	Водород в палладии
Газообразное/жидкое

При образовании смесей химических превращений обычно не происходит, и вещества в смеси сохраняют свои свойства. Различия в свойствах веществ используют для разделения смесей.

Способы разделения смесей

Смеси как неоднородные, так и однородные, можно разделить на составные части, т.е. на чистые вещества. Чистыми называют вещества, которые с помощью физических методов не разделяются на два или более других веществ и не изменяют своих физических свойств. Существуют различные способы разделения смесей, те или иные способы разделения смесей применяют в зависимости от состава смеси.

1. Просеивание;
2. Фильтрование;
3. Отстаивание;
4. Декантация
5. Центрифугирование;
6. Выпаривание;
7. Упаривание;
8. Перекристаллизация;
9. Дистилляция (перегонка);
10. Вымораживание;
11. Действие магнита;
12. Хроматография;
13. Экстрагирование;
14. Адсорбция.

Познакомимся с несколькими из них. Здесь нужно отметить, что неоднородные смеси разделить проще, чем однородные Ниже приведем примеры выделения веществ из однородных и неоднородных смесей.

Просеивание.

Представим, что в муку попал сахарный песок. Пожалуй, самый простой способ разделения – это просеивание . С помощью сита можно без труда отделить мелкие частицы муки от сравнительно крупных кристалликов сахара. В сельском хозяйстве просеивание используется для отделения семян растений от постороннего мусора. В строительстве так отделяют гравий от песка.

Фильтрование

Твердую составляющую суспензию от жидкой отделяют фильтрованием, используя бумажные или тканевые фильтры, вату, тонкий слой мелкого песка. Представим, что дана смесь поваренной соли, песка и глины. Требуется отделить поваренную соль из смеси. Для этого смесь помещаем в химический стакан с водой и взбалтываем. Поваренная соль растворяется, а песок оседает. Глина не растворяется и не оседает на дно стакана, поэтому вода остается мутной. Чтобы удалить нерастворимые частицы глины из раствора, смесь фильтруют. Для этого необходимо собрать маленький прибор для фильтрования из стеклянной воронки, фильтровальной бумаги и штатива. Раствор соли отфильтровывается. Для этого фильтруемый раствор осторожно переливается в воронку с плотно вставленным фильтром. На фильтре остаются песок и частицы глины, а прозрачный раствор соли проходит через фильтр. Чтобы выделить растворенную в воде поваренную соль, применяют способ перекристаллизации.

Перекристаллизация, выпаривание

Перекристаллизацией называется способ очистки, при котором вначале вещество растворяют в воде, затем раствор вещества в воде выпаривается. В результате вода выпаривается, а вещество выделяется в виде кристаллов.
Приведем пример: Требуется выделить поваренную соль из раствора.
Выше мы рассмотрели пример, когда нужно было выделить поваренную соль из неоднородной смеси. Теперь выделим поваренную соль из однородной смеси. Раствор, полученный фильтрованием, называется фильтрат. Фильтрат нужно перелить в фарфоровую чашку. Чашку с раствором поместить на кольцо штатива и нагреть раствор над пламенем спиртовки. Вода начнет испаряться, а объем раствора уменьшится. Такой процесс называется выпариванием. По мере выпаривания воды раствор становиться более концентрированным. Когда раствор дойдет до состояния насыщения поваренной солью, на стенках чашки появятся кристаллы. В этот момент прекратить нагревание и охладить раствор. Охлажденная поваренная соль выделиться в виде кристаллов. При необходимости можно кристаллы соли отделить от раствора фильтрованием. Раствор нельзя выпаривать до полного испарения воды, так как другие растворимые примеси также могут выпасть в осадок в виде кристаллов и загрязнить поваренную соль.

Отстаивание, декантация

Для выделения из жидкостей нерастворимых веществ используется отстаивание . Если частички твердого вещества достаточно крупные, они быстро оседают на дно, и жидкость становится прозрачной. Ее можно осторожно слить с осадка, и эта нехитрая операция тоже имеет свое название – декантация . Чем меньше размер твердых частиц в жидкости, тем дольше будет отстаиваться смесь. Можно отделить друг от друга и две жидкости, которые не смешиваются между собой.

Центрифугирование

Если частички неоднородной смеси очень малы, ее невозможно разделить ни отстаиванием, ни фильтрованием. Примерами таких смесей могут служить молоко и взмученная в воде зубная паста. Такие смеси разделяют центрифугированием . Смеси, содержащие такую жидкость, помещают в пробирки и вращают с огромной скоростью в специальных аппаратах – центрифугах. В результате центрифугирования более тяжелые частички «придавливаются» ко дну сосуда, а легкие оказываются сверху. Молоко представляет собой мельчайшие частички жира, распределенные в водном растворе других веществ – сахаров, белков. Для разделения такой смеси применяют специальную центрифугу, называемую сепаратором. При сепарации молока жиры оказываются на поверхности, их легко отделить. Остается вода с растворенными в ней веществами – это обезжиренное молоко.

Адсорбация

В технике часто возникает задача очистки газов, например воздуха, от нежелательных или вредных компонентов. Многие вещества обладают одним интересным свойством – они могут «прицепиться» к поверхности пористых веществ, как железо к магниту. Адсорбцией называется способность некоторых твердых веществ поглощать своей поверхностью газообразные или растворенные вещества. Вещества, способные к адсорбции, называются адсорбентами. Адсорбенты представляют собой твердые вещества, в которых много внутренних каналов, пустот, пор, т.е. они имеют очень большую общую поглощающую поверхность. Адсорбентами являются активированный уголь, силикагель (в коробке с новой обувью можно найти небольшой пакетик с белыми горошинами – это и есть силикагель), фильтровальная бумага. Различные вещества «прицепляются» к поверхности адсорбентов неодинаково: одни удерживаются на поверхности прочно, другие – слабее. Активированный уголь способен поглощать не только газообразные, но и растворенные в жидкостях вещества. При отравлениях его принимают для того, чтобы на нем адсорбировались ядовитые вещества.

Дистилляция (перегонка)

Две жидкости, которые образуют однородную смесь, например, этиловый спирт с водой, разделяют методом дистилляции или перегонки. Этот метод основан на том, что жидкость нагревают до температуры кипения и пар ее отводят по газоотводной трубке в другой сосуд. Охлаждаясь, пар конденсируется, а примеси остаются в перегонной колбе. Прибор для перегонки показан на рис.2

Жидкость помещают в колбу Вюрца (1), горло колбы Вюрца плотно закрывают пробкой с вставленным в нее термометром (2), при этом резервуар с ртутью должен быть на уровне отверстия отводной трубки. Конец отводной трубки через плотно подогнанную пробку вставляют в холодильник Либиха (3), на другом конце которого укрепляют аллонж (4). Суженный конец аллонжа опускают в приемник(5). Нижний конец рубашки холодильника подсоединяют с помощью резинового шланга к водопроводному крану, а от верхнего конца делают отвод в раковину для слива. Рубашка холодильника всегда должна быть заполнена водой. Колбу Вюрца и холодильник закрепляют в отдельных штативах. Жидкость в колбу наливают через воронку с длинной трубкой, заполняя перегонную колбу на 2/3 ее объема. Для равномерного кипения помещают на дно колбы несколько кипелок - стеклянных капилляров, запаянных с одного конца. Закрыв колбу, подают воду в холодильник и нагревают жидкость в колбе. Нагрев можно вести на газовой горелке, электрической плитке, водяной, песочной или масляной бане - в зависимости от температуры кипения жидкости. Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости (спирт, эфир, ацетон и т. д.) ни в коем случае нельзя нагревать на открытом огне во избежание несчастных случаев: следует пользоваться только водяной или другой баней. Не следует выпаривать жидкость полностью: 10-15% от первоначально взятого объема ее должно оставаться в колбе. Новую порцию жидкости можно наливать лишь тогда, когда колба немного остынет.

Вымораживание

Вещества, у которых различаются температуры плавления, разделяют методом вымораживания, охлаждая раствор. Путем вымораживания можно получить очень чистую воду в домашних условиях. Для этого наливают водопроводную воду в банку или кружку и ставят ее в морозильную камеру холодильника (или выносят зимой на мороз). Как только в лед превратится примерно половина воды, незамерзшую часть ее, где скапливаются примеси, надо вылить, а льду дать растаять.

В промышленности и в лабораторных условиях используют методы разделения смесей, основанные и на других отличающихся свойствах составных частей смеси. К примеру, железные опилки можно выделить из смеси магнитом . Способность веществ растворяться в различных растворителях используют при экстрагировании – методе разделения твердых или жидких смесей при помощи обработки их различными растворителями. Например, йод из водного раствора можно выделить каким-либо органическим растворителем, в котором йод растворяется лучше.

Заключение

В лабораторной практике и в повседневной жизни очень часто приходится выделять из смеси веществ отдельные компоненты. Отметим, что смеси включают в себя два или более веществ, делятся на две большие группы: однородные и неоднородные. Существуют различные способы разделения смесей, такие как, фильтрование, выпаривание, дистилляция (перегонка) и другие. Способы разделения смесей, в основном, зависят от вида, состава смеси.

Список использованной литературы

1. S.Ozols, E.Lepiņš химия для основной школы., 1996. С. 289

2. Информация из интернета

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.

С пособы разделения смесей (и гетерогенных, и гомогенных) основаны на том факте, что вещества, входящие в состав смеси, сохраняют свои индивидуальные свойства. Гетерогенные смеси могут различаться по составу и фазовому состоянию, например: газ+жидкость; твердое вещество+жидкость; две несмешивающиеся жидкости и др. Основные способы разделения смесей представлены на схеме ниже. Рассмотрим каждый способ отдельно.

Разделение гетерогенных смесей

Для разделения гетерогенных смесей, представляющих собой системы твердое тело- жидкость или твердое тело - газ, выделяют три основных способа:

• фильтрование,
• отстаивание (декантирование,
• магнитная сепарацияю

ФИЛЬТРОВАНИЕ

метод основанный на различной растворимости веществ и разных размерах частиц компонентов смеси. Фильтрование позволяет отделить твердое вещество от жидкости или газа.

Для фильтрования жидкостей можно использовать фильтровальную бумагу, которую обычно складывают в четверо и вставляют в стеклянную воронку. Воронку помещают в стакана, в который скапливается фильтрат - жидкость, прошедшая через фильтр.

Размер пор в фильтровальной бумаге таков, что позволяет молекулам воды и молекулам растворенного вещества беспрепятственно просачиваться. Частицы размером больше 0,01мм задерживаются на фильтре и не проходят сквозь него, таким образом формируется слой осадка.

Запомни! С помощью фильтрования нельзя разделить истинные растворы веществ, то есть растворы, в которых растворение произошло на уровне молекул или ионов.

Кроме фильтровальной бумаги в химических лабораториях используют специальные фильтры с

разным размером пор.

Фильтрование газовых смесей принципиально не отличается от фильтрования жидкостей. Разница заключается только в том, что при фильтровании газов от твердых взвешенных частиц (ТВЧ) используются фильтры специальных конструкций (бумажный, угольный) и насосы для принудительного прокачивания газовой смеси через фильтр, например фильтрация воздуха в салоне автомобиля или вытяжка над плитой.

Фильтрованием можно разделить :

• крупы и воду,
• мел и воду,
• песок и воду и т.д.
• пыль и воздух (различные конструкции пылесосов)

ОТСТАИВАНИЕ

Метод основан на различной скорости оседания твердых частиц с разным весом (плотностью) в жидкой или воздушной среде. Метод используют для разделения двух и более твердых нерастворимых веществ в воде (или другом растворителе). Смесь нерастворимых веществ помещают в воду, тщательно перемешивают. Спустя некоторое время вещества с плотностью больше единицы оседают на дно сосуда, а вещества с плотностью меньше единицы - всплывают. Если в смеси находится несколько веществ с разной силой тяжести, то в нижнем слое будут отстаиваться более тяжелые вещества, а затем более легкие. Такие слои тоже можно разделить. Раньше так выделяли крупинки золота из измельченной золотоносной породы. Золотоносный песок помещали на наклонный желоб, по которому пускали струю воды. Поток воды подхватывал и уносил пустую породу, а тяжелые крупинки золота оседали на дне желоба. В случае газовых смесей также происходит оседание твердых частиц на твердых поверхностях, например оседание пыли на мебели или листьях растений.

Данным методом можно разделять и несмешивающиеся жидкости. Для этого используют делительную воронку.

Например для разделения бензина и воды, смесь помещают в делительную воронку, ждут момента, пока не появится четкая граница раздела фаз. После чего аккуратно открывают краник и в стакан стекает вода.

Отстаиванием можно разделить смеси :

• речного песка и глины,
• тяжелого кристаллического осадка от раствора
• нефти и воды
• растительного масла и воды и т.д.

МАГНИТНАЯ СЕПАРАЦИЯ

Метод основан на разных магнитных свойствах твердых компонентов смеси. Данный метод используют при наличии в смеси веществ-ферромагнетиков, то есть веществ, обладающих магнитными свойствами, например железа.

Все вещества, по отношению к магнитному полю, условно можно разделить на три большие группы:

1. феромагнетики : притягиваются магнитом-Fe, Co, Ni, Gd, Dy
2. парамагнетики : слабо притягиваются-Al, Cr, Ti, V, W, Mo
3. диамагнетики : оттлакиваются от магнита-Cu, Ag, Au, Bi, Sn, латунь

Магнитной сепарацией можно разделит ь:

• порошок серы и железа
• сажу и железо и т.д.

Разделение гомогенных смесей

Для разделения жидких гомогенных смесей (истинных растворов) используют следующие методы:

• выпаривание (кристаллизация),
• дистилляция (перегонка),
• хроматография.

ВЫПАРИВАНИЕ. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ.

Метод основан на различных температурах кипения растворителя и растворенного вещества. Используется для выделения растворимых твердых веществ из растворов. Выпаривание обычно проводят следующим образом: раствор наливают в фарфоровую чашку и нагревают ее, постоянно перемешивая раствор. Вода постепенно испаряется и на дне чашки остается твердое вещество.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Кристаллизация - фазовый переход вещества из газообразного (парообразного), жидкого или твердого аморфного состояния в кристаллическое.

При этом испаренное вещество (воду или растворитель) можно собрать методом конденсирования на более холодной поверхности. Например, если поместить холодное предметное стекло над выпаривательной чашкой, то на его поверхности образуются капли воды. На этом же принципе основан метод дистилляции.

ДИСТИЛЛЯЦИЯ. ПЕРЕГОНКА.

Если вещество, например сахар, разлагается при нагревании, то воду испаряют не полностью – упаривают раствор, а затем из насыщенного раствора осаждают кристаллы сахара. Иногда требуется очистить растворители от примесей, например воду от соли. В этом случае растворитель следует испарить, а затем его пары необходимо собрать и сконденсировать при охлаждении. Такой способ разделения гомогенной смеси называется дистилляцией, или перегонкой.

В природе вода в чистом виде (без солей) не встречается. Океаническая, морская, речная, колодезная и родниковая вода – это разновидности растворов солей в воде. Однако часто людям необходима чистая вода, не содержащая солей (используется в двигателях автомобилей; в химическом производстве для получения различных растворов и веществ; при изготовлении фотографий). Такую воду называют дистиллированной, именно ее применяют в лаборатории для проведения химических опытов.

Перегонкой можно разделить:

• воду и спирт
• нефть (на различные фракции)
• ацетон и воду и т.д.

ХРОМАТОГРАФИЯ

Метод разделения и анализа смесей веществ. Основан на разных скоростях распределения исследуемого вещества между двумя фазами - неподвижной и подвижной (элюент ). Неподвижная фаза, как правило, представляет собой сорбент (мелкодисперсный порошок, например оксид алюминия или оксид цинка или фильтровальная бумага) с развитой поверхностью, а подвижная - поток газа или жидкости. Поток подвижной фазы фильтруется через слой сорбента или перемещается вдоль слоя сорбента, например по поверхности фильтровальной бумаги.

Можно самостоятельно получить хроматограмму и увидеть сущность метода на практике. Нужно смешать несколько чернил и каплю полученной смеси нанести на фильтровальную бумагу. Затем точно в середину цветного пятнышка начнем по каплям приливать чистую воду. Каждую каплю нужно вносить только после того, как впитается предыдущая. Вода играет роль элюэнта, переносящего исследуемое вещество по сорбенту - пористой бумаге. Вещества, входящие в состав смеси, задерживаются бумагой по-разному: одни хорошо удерживаются ею, а другие впитываются медленнее и продолжают некоторое время растекаться вместе с водой. Вскоре по листу бумаги начнет расползаться настоящая красочная хроматограмма: пятно одного цвета в центре, окруженное разноцветными концентрическими кольцами.

Особенно большое распространение получила тонкослойная хроматография, в органическом анализе. Достоинства тонкослойной хроматографии в том, что можно использовать простейший и очень чувствительный метод детектирования – визуальный контроль. Проявлять невидимые глазу пятна можно различными реактивами, а также используя ультрафиолетовый свет или авторадиографию.

В анализе органических и неорганических веществ применяют хроматографию на бумаге. Разработаны многочисленные методы разделения сложных смесей ионов, например смесей редкоземельных элементов, продуктов деления урана, элементов группы платины

СПОСОБЫ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

Способы разделения смесей, используемые в промышленности немногим отличаются от лабораторных способов, описанных выше.

Для разделения нефти чаще всего используют ректификацию (перегонку). Более подробно этот процесс описан в теме "Переработка нефти".

Самыми распространенными методами очистки и разделения веществ в промышленности являются отстаивание, фильтрация, сорбция и экстракция. Методы фильтрации и отстаивания проводятся аналогично лабораторным метода, с той разницей, что используются отстойники и фильтры больших объемов. Чаще всего, эти методы используются для очистки сточных вод. Поэтому рассмотрим подробнее методы экстракции и сорбции.

Термин «экстракция» приложим к различным фазовым равновесиям (жидкость – жидкость, газ – жидкость, жидкость – твердое тело и т.д.), но чаще его применяют к системам жидкость – жидкость, поэтому чаще всего можно встретить такое определение:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Экстракци я -метод разделения, очистки и выделения веществ, основанный на процессе распределения вещества между двумя несмешивающимися растворителями.

Одним из несмешивающихся растворителей обычно является вода, вторым – органический растворитель, однако это не обязательно. Экстракционный метод отличается универсальностью, он пригоден для выделения почти всех элементов в различных концентрациях. Экстракция позволяет разделять сложные многокомпонентные смеси зачастую эффективнее и быстрее, чем другие методы. Выполнение экстракционного отделения или разделения не требует сложного и дорогостоящего оборудования. Процесс может быть автоматизирован, при необходимости им можно управлять на расстоянии.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Сорбция - метод выделения и очистки веществ, основанный на поглощении твердым телом (адсорбция) или жидкостью-сорбентом (абсорбция) различных веществ (сорбатов) из газовых или жидких смесей.

Чаще всего в промышленности методы абсорбции используют для очистки газовоздушных выбросов от частиц пыли или дыма, а также токсичных газообразных веществ. В случае поглощения газообразных веществ, между сорбентом и растворенным веществом может протекать химическая реакция. Например, при поглощении газообразного аммиака NH 3 раствором азотной кислоты HNO 3 образуется нитрат аммония NH 4 NO 3 (аммиачная селитра), который можно использовать в качестве высокоэффективного азотного удобрения.

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.

Чистое вещество всегда однородно, смеси же могут быть однородными и неоднородными .

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.

Большинство металлических сплавов - также однородные смеси. Например, в сплаве золота с медью (его используют для изготовления ювелирных украшений) отсутствуют красные частицы меди и желтые частицы золота.

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.

Представьте, что перед вами смесь растительного масла и воды. Определите тип смеси. (неоднородная ). Сравните физические свойства масла и воды. (Это жидкости вещества, нерастворимые друг в друге, имеющие разную плотность). Предложите способ разделения данной смеси (отстаивание ). Его осуществляют с помощью делительной воронки .

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.

Фильтрование можно производить не только с помощью бумажного фильтра. Для фильтрования можно использовать и другие сыпучие или пористые материалы. К сыпучим материалам, используемым при данном методе, относится, например, кварцевый песок. А к пористым – обожженная глина и стекловата.

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

Представьте, что перед вами смесь смесь железа и серы. Определите тип смеси. (неоднородная ). Сравните физические свойства железа и серы. Эту смесь можно разделить отстаиванием , так как сера и железо - твёрдые вещества, не растворимые в воде. Если высыпать эту смесь в воду сера всплывёт на поверхность, а железо утонет. Также эту смесь можно разделить с помощью магнита , так как железо притягивается магнитом, а сера нет.

• 
  Выпаривание – это способ разделения однородных смесей , при этом происходит выделение твердого растворимого вещества из раствора, при нагревании вода испаряется, а кристаллы твёрдого вещества остаются.

Представьте, что перед вами смесь поваренной соли и воды. Определите тип смеси. (однородная ). Эту смесь можно разделить выпариванием , так как при кипячении вода испаряется, а поваренная соль остается в чашке для.

• 
  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.

Дистилляция позволяет очистить природную воду от примесей. Полученную чистую (дистиллированную) воду используют в научно-исследовательских лабораториях, в производстве веществ для современной техники, в медицине для приготовления лекарств.

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.

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.