Способы разделения смесей. Химические и физические способы разделения смесей

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.

Способы разделения смесей

Большинство веществ на нашей планете находятся не в чистом виде, а в соединениях и смесях, вместе с другими веществами.

Так, в состав гранита входят три вещества, заметные невооруженным глазом.

А вот молоко кажется нам однородным до тех пор, пока не прокиснет. Кислое

молоко разделяется на прозрачную сыворотку и белый плотный осадок – белок

казеин. Человек давно использует эти вещества , входящие в молоко, выделяя их

из смеси. Из нерастворимого белка – казеина готовят творог, а растворимые

сывороточные белки используют для лечебного питания.

Какими же способами можноразделить смеси?

1. Если вещество нерастворимо в воде, например крупы (рис, гречка, манка и др.), речной песок, мел, глина, то можно воспользоваться методом фильтрования.

Фильтрование- процеживание жидкостей (газов) через фильтр с целью их очистки от твердых примесей.

1. Складываем фильтр. Помещаем его в воронку, слегка смочив водой.

2. Вставляем воронку с фильтром в колбу.

3. Пропускаемсмесь нерастворенного вещества и воды через фильтр.

Вывод. Очищенная фильтрованием вода свободно прошла через фильтр; на фильтре осталось нерастворимое в воде вещество.

2. Если твердое вещество растворимо в воде (поваренная соль, сахар, лимонная кислота), то для разделения смеси можно применить метод выпаривания.

Выпаривание- выделение растворенных в жидкости твердых веществ способом ее превращения в пар.

В стакане с водой соль не исчезла, хотя стала невидимой – раствор прозрачен. Выпаривание позволило выделить из смеси веществ (воды и соли) растворенное в воде вещество. На стекле видны кристаллы поваренной соли. При этом подтверждается вывод о том, что каждое вещество (и вода, и соль) смеси сохраняет свои свойства .

Вывод. Из раствора можно выделить растворимые вещества.

3 .Для разделения жидкостей растворимых друг в друге, получения чистой (без примесей) воды используют метод дистилляции

(или перегонки)

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.

Нагреем над пламенем спиртовки водопроводную воду в пробирке, закрытой пробкой с газоотводной трубкой. Конец трубки опустим в чистую сухую пробирку, помещенную в стакан со льдом. На дне и стенках пробирки, находящейся в стакане со льдом, появятся капли дистиллированной (очищенной от солей и примесей) воды.

Задание

1. Загляни в пустой чайник, в котором кипятят воду. Есть ли на стенках и дне белый налет (накипь) веществ, которые были растворены в воде?

2. С крышки чайника, в котором вскипятили воду, стекают капельки воды. В какой воде – на крышке или в самом чайнике – содержится больше солей? Поясни ответ.

3. Как называется процесс, показанный на рисунке?

4. Если в смеси содержится железо, то для его выделения можно воспользоваться магнитом, т.к. железо и его сплавы притягиваются магнитом.

5. Чтобы разделить две несмешивающиеся жидкости (нефть и вода, подсолнечное масло и вода), нужно воспользоваться делительной воронкой.

Жидкость с большей плотностью сольется в стакан, а в делительной воронке останется более легкая жидкость.

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 .

I. Новый материал

При подготовке урока использованы материалы автора: Н.К.Черемисиной,

учителя химии средней школы № 43

(г. Калининград),

Мы живем среди химических веществ. Мы вдыхает воздух , а это смесь газов (азота, кислорода и других), выдыхаем углекислый газ . Умываемся водой - это еще одно вещество, самое распространенное на Земле. Пьём молоко - смесь воды с мельчайшими капельками молочного жира , и не только: здесь еще есть молочный белок казеин , минеральные соли , витамины и даже сахар, но не тот, с которым пьют чай, а особый, молочный - лактоза . Едим яблоки, которые состоят из целого набора химических веществ - здесь и сахар , и яблочная кислота , и витамины ... Когда прожеванные кусочки яблока попадают в желудок, на них начинают действовать пищеварительные соки человека, которые помогают усваивать все вкусные и полезные вещества не только яблока, но и любой другой пищи. Мы не только живем среди химических веществ, но и сами из них состоим. Каждый человек - его кожа, мышцы, кровь, зубы, кости, волосы построены из химических веществ, как дом из кирпичей. Азот, кислород, сахар, витамины – вещества природного, естественного происхождения. Стекло , резина , сталь – это тоже вещества, точнее, материалы (смеси веществ). И стекло, и резина - искусственного происхождения, в природе их не было. Совершенно чистые вещества в природе не встречаются или встречаются очень редко.

Чем же отличаются чистые вещества от смесей веществ?

Индивидуальное чистое вещество обладает определённым набором характеристических свойств (постоянными физическими свойствами). Только чистая дистиллированная вода имеет tпл = 0 °С, tкип= 100 °С, не имеет вкуса. Морская вода замерзает при более низкой, а закипает при более высокой температуре, вкус у нее горько-соленый. Вода Черного моря замерзает при более низкой, а закипает при более высокой температуре, чем вода Балтийского моря. Почему? Дело в том, что в морской воде содержатся другие вещества, например растворенные соли, т.е. она представляет собой смесь различных веществ, состав которой меняется в широких пределах, свойства же смеси не являются постоянными. Определение понятия «смесь» было дано в XVII в. английским ученым Робертом Бойлем : «Смесь – целостная система, состоящая из разнородных компонентов».

Сравнительная характеристика смеси и чистого вещества

Смеси отличаются друг от друга по внешнему виду.

Классификация смесей показана в таблице:

Приведём примеры суспензий (речной песок + вода), эмульсий (растительное масло + вода) и растворов (воздух в колбе, поваренная соль + вода, разменная монета: алюминий + медь или никель + медь).

В суспензиях видны частицы твердого вещества, в эмульсиях – капельки жидкости, такие смеси называются неоднородными (гетерогенными), а в растворах компоненты не различимы, они являются однородными (гомогенными) смесями.

Способы разделения смесей

В природе вещества существуют в виде смесей. Для лабораторных исследований, промышленных производств, для нужд фармакологии и медицины нужны чистые вещества.

Для очистки веществ применяются различные способы разделения смесей

Эти способы основаны на различиях в физических свойствах компонентов смеси.

Рассмотрим способы разделения гетерогенных и гомогенных смесей .

Особым методом разделения компонентов, основанным на различной поглощаемости их определенным веществом, является хроматография .

Дома вы можете проделать следующий опыт. Подвесьте полоску из фильтровальной бумаги над сосудом с красными чернилами, погружая в них лишь конец полоски. Раствор впитывается бумагой и поднимается по ней. Но граница подъема краски отстает от границы подъема воды. Так происходит разделение двух веществ: воды и красящего вещества в чернилах.

С помощью хроматографии русский ботаник М. С. Цвет впервые выделил хлорофилл из зеленых частей растений. В промышленности и лабораториях вместо фильтровальной бумаги для хроматографии используют крахмал, уголь, известняк, оксид алюминия. А всегда ли требуются вещества с одинаковой степенью очистки?

Для различных целей необходимы вещества с различной степенью очистки. Воду для приготовления пищи достаточно отстоять для удаления примесей и хлора, используемого для ее обеззараживания. Воду для питья нужно предварительно прокипятить. А в химических лабораториях для приготовления растворов и проведения опытов, в медицине необходима дистиллированная вода, максимально очищенная от растворенных в ней веществ. Особо чистые вещества, содержание примесей в которых не превышает одной миллионной процента, применяются в электронике, в полупроводниковой, ядерной технике и других точных отраслях промышленности .

Прочитайте стихотворение Л. Мартынова «Дистиллированная вода»:

Вода
Благоволила
Литься!
Она
Блистала
Столь чиста,
Что ни напиться,
Ни умыться.
И это было неспроста.
Ей не хватало
Ивы, тала
И горечи цветущих лоз,
Ей водорослей не хватало
И рыбы, жирной от стрекоз.
Ей не хватало быть волнистой,
Ей не хватало течь везде.
Ей жизни не хватало
Чистой –
Дистиллированной воде!

Применение дистиллированной воды

II. Задания для закрепления

1) Поработайте с тренажёрами №1-4 (необходимо загрузить тренажёр, он откроется в браузере Internet Explorer)