2.2 Способы разделения смесей

Назад Назад Далее Далее


Чистыми называют вещества, состоящие из частиц (атомов, молекул и т.д.) одного вида. На практике абсолютно чистые вещества получить невозможно. Чистые вещества обладают постоянными физическими свойствами.

Однородными (гомогенными) называются смеси веществ, в которых даже с помощью микроскопа нельзя обнаружить частицы веществ, входящих в смесь. В таких смесях частицы веществ (атомы, молекулы) равномерно распределены в объеме смеси. Примеры однородных смесей – раствор сахара в воде, смесь спирта и воды, смеси различных газов, нефть, некоторые сплавы металлов.

Неоднородными (гетерогенными) называют смеси веществ, в которых невооруженным глазом или при помощи микроскопа можно увидеть частицы веществ, составляющих смесь. В таких смесях частицы вещества образуют области чистых индивидуальных компонентов. Примеры неоднородных смесей – почва, дым, цемент, зубная паста.

Существуют различные способы разделения смесей. Однородные смеси разделяют, используя различие в физических или химических свойствах компонентов смеси. Неоднородные смеси разделяют теми же подходящими способами, плюс способами, основанными на том, что смесь помещают в какое-либо поле (гравитационное, электромагнитное) или механически отделяют частицы (фильтрование).

Выпаривание – способ удаления одного из компонента смеси в случае, если он является легкокипящим.

Дробная кристаллизация – в случае, если растворенные вещества обладают различной растворимостью, испарением растворителя или охлаждением раствора можно добиться того, что одно из растворенных веществ будет выпадать из раствора первым.

Дробная конденсация – в случае, если компоненты газовой смеси обладают различными температурами кипения, охлаждением смеси можно по очереди сконденсировать из смеси ее компоненты.

Хроматография – если компоненты смеси с различной скоростью связываются с поверхностью другого вещества можно разделить смесь пропуская ее в токе растворителя через колонку, заполненную этим веществом.

Электрофорез – при помещении в электрическое поле ионы, находящиеся в растворе, начинают двигаться к противоположно заряженному электроду. Из-за различной скорости движения ионов таким образом можно осуществить разделение веществ смеси.

Осмос – фильтрация растворителя через мембрану с очень мелкими порами, через которые не могут пройти молекулы растворенного вещества.

Ионный обмен – использование специальных веществ, которые способны обратимо обменивать определенные ионы из раствора на другие ионы.

Дистилляция – если компоненты смеси имеют различные температуры кипения, можно разделить смесь путем испарения летучих жидкостей с последующей конденсацией их паров.

Экстракция – в случае если вещество растворяется в одном растворителе значительно лучше, чем в другом и эти два растворителя не смешиваются, можно добиться того, что при контакте этих растворителей большая часть растворенного вещества перейдет в растворитель с лучшей растворяющей способностью.

Выделение через вещество-посредник – в этом методе одно из веществ смеси химическим способом переводят в другое соединение, обладающее свойствами, облегчающими выделение, и после выделения регенерируют выделяемое вещество.

Флотация – метод основан на различном удерживании частиц веществ смеси на границе раздела двух не смешивающихся растворителей. Обычно пузырьки газа прилипают к частицам выделяемого вещества и поднимают их к поверхности.

Фильтрование – выделение твердых веществ из неоднородной смеси с жидкостью или газом путем пропускания смеси через пористый материал с порами, размер которых позволяет задержать выделяемые вещества.

Отстаивание/центрифугирование — выделение веществ из неоднородной смеси, образованной не смешиваемыми веществами под действием силы тяжести.

Разделение в магнитном поле – выделение из неоднородных смесей веществ, способных к намагничиванию под действием магнитного поля.

Примеры решения Примеры решения задач


Пример Пример 1
  • Укажите, какие из следующих веществ являются чистыми (индивидуальными) веществами:

    а) профильтрованная через бумажный фильтр речная вода;
    б) промытый кварцевый песок;
    в) грифель от карандаша;
    г) минеральная вода;
    д) вата;
    е) слиток чугуна;
    ж) медицинский спирт;
    з) тростниковый сахар;
    и) нить в лампе накаливания?

  • Решение. Индивидуальными веществами являются: промытый кварцевый песок (\(\mathrm{SiO_2}\)), грифель от карандаша (графит), вата (целлюлоза), тростниковый сахар (сахароза) и нить в лампе накаливания (вольфрам). Речная и минеральная воды содержат множество растворенных солей, чугун представляет собой сплав железа с углеродом, медицинский спирт содержит примерно \(4\) об. \(\%\) воды.

Пример Пример 2
  • Имеется смесь песка, поваренной соли и железных опилок. Предложите способ разделения данной смеси.

  • Решение. Приливаем к образцу смеси воду. При этом в воде растворяется хлорид натрия из смеси. Смесь отстаиваем и отфильтровываем. Фильтрат выпариваем для выделения соли. Твердые вещества на фильтре промываем водой для удаления остатков поваренной соли со сбросом фильтрата в канализацию. Затем отфильтрованный осадок сушим и магнитом отделяем железные опилки.

Пример Пример 3
  • Известно, что для концентрирования этилового спирта используют дистилляцию, отгоняя из смеси воду. Однако таким способом нельзя получить спирт концентрацией более \(95,57\) об. \(\%\), поскольку эта концентрация соответствует азеотропной смеси, которая отгоняется как единое целое при температуре \(78{,}15\) °С. Предложите способ получения совершенно сухого этилового спирта.

  • Решение. Существует два пути решения подобных задач. Первый путь заключается в химическом связывании оставшейся воды в малолетучие соединения и последующей отгонкой абсолютированного спирта. Таким образом смесь нужно обработать металлическим натрием или кальцием, или свежепрокаленным оксидом кальция и отогнать спирт. Второй путь, требующий специальных знаний, заключается в поиске азеотропа, который по своему составу содержит, в основном, воду и отгоняется при нужной температуре. Такими свойствами, обладает, например, азеотроп спирта, воды и бензола и в промышленности обезвоженный спирт получают ректификацией водно-спиртовой смеси с добавлением бензола.

Задачи Задачи


Предложите способы разделения следующих смесей:

а) древесных опилок и железного порошка;
б) мела и поваренной соли;
в) нефти и воды.

а) действием магнита извлекают железный порошок;
б) добавляют к смеси воду и растворяют соль, затем мел отфильтровывают, а фильтрат выпаривают;
в) смесь отстаивают, затем раздельно сливают водный и нефтяной слои.

Предложите способ очистки загрязнённого гексана, содержащего пыль и некоторое количество воды.

В смесь добавляют металлический кальций, свежепрокаленный оксид кальция или прокаленный сульфат натрия для связывания воды. Затем смесь фильтруют через плотный фильтр.

В эвдиометре взорвали \(10\) см3 чистого водорода и \(5\) см3 кислорода, при этом в приборе осталось \(1\) см3 неизвестного газа. Был ли кислород чистым? Почему?

Молярные объемы газов при идентичных условиях одинаковы, следовательно, водород и кислород должны были находиться в эвдиометре в молярном соотношении \(10/5 = 2/1\) и, в соответствии с уравнением горения

\(\mathrm{2H_2 + O_2 \longrightarrow 2H_2O}\)

должны были быть полностью израсходованы оба. Поскольку после взрыва в приборе остался газ, исходный кислород не был чистым.

Из приведенных ниже веществ укажите индивидуальные вещества:

а) латунь;
б) профильтрованный воздух;
в) бумага;
г) полиэтилен;
д) кварцевое стекло;
е) торф.

Чистыми веществами являются: г) полиэтилен и д) кварцевое стекло (\(\mathrm{SiO_2}\)). Латунь представляет собой различные сплавы на основе меди, воздух, даже профильтрованный, все равно остается смесью газов, бумага является многокомпонентным продуктом, а торф представляет собой сложную смесь органических веществ.

Предложите способ разделения смеси йода и поваренной соли.

Добавляют к смеси растворитель, в котором йод растворим, а соль нет, например, ацетон, бензол. Отфильтровывают кристаллы соли, промывают их растворителем и сушат. Раствор йода осторожно упаривают, выделяя кристаллический йод.

Известно, что воздух состоит из смеси газов, преимущественно из азота. Предложите способ выделения чистого азота из воздуха.

Самый простой способ – подвергнуть фракционной перегонке сжиженный воздух. В промышленности для получения азота методом Линде воздух сжимают, очищают, а потом подвергают расширению, из-за которого он сильно охлаждается и сжижается. Из жидкого воздуха затем отгоняют азот, кислород, аргон и другие газы.

Укажите, какие из перечисленных веществ являются индивидуальными соединениями, а не смесью веществ:

а) сталь;
б) малахит;
в) тюлений жир;
г) поташ;
д) хозяйственное мыло;
е) белый фосфор.

Чистые вещества: б) малахит (\(\mathrm{Cu_2CO_3(OH)_2}\)); г) поташ (\(\mathrm{K_2CO_3}\)) и е) белый фосфор (\(\mathrm{P_4}\)). Сталь кроме железа содержит углерод, жир млекопитающих имеет разнородный состав по остаткам жирных кислот, аналогично и хозяйственное мыло.

Предложите способ разделения:

а) речного песка и растительного масла;
б) сульфата натрия и сульфата бария;
в) древесных опилок и песка.

а) Смесь речного песка и растительного масла отстаиваем, затем сливаем масло над осадком. Если нужно выделить и песок фильтруем его и промываем на фильтре этиловым спиртом;

б) сульфат натрия растворим в воде в отличии от сульфата натрия, поэтому добавляем к смеси воду, отфильтровываем сульфат бария, промываем его на фильтре водой, а полученный фильтрат выпариваем;

в) заливаем смесь водой, древесные опилки всплывут а песок останется на дне.

Предложите способ опреснения морской воды (можно считать ее раствором хлорида натрия) до питьевой воды.

Много вариантов: дистилляция, осмос, ионный обмен т.д.

Выберите индивидуальные соединения:

а) мрамор;
б) каустическая сода;
в) зола;
г) алюмокалиевые квасцы;
д) соль Мора;
е) Жавелевая вода;
ж) Лабарракова вода;
з) Сегнетова соль;
и) простой суперфосфат;
к) двойной суперфосфат.

Индивидуальные соединения это: а) мрамор (\(\mathrm{CaCO_3}\)); б) каустическая сода (\(\mathrm{Na_2CO_3}\)); г) алюмокалиевые квасцы (\(\mathrm{KAl(SO_4)_2}\)); соль Мора (\(\mathrm{FeSO_4 \cdot (NH_4)_2SO_4 \cdot 6H_2O}\)); з) Сегнетова соль (\(\mathrm{KNaC_4H_4O_6 \cdot 4H_2O}\)) и к) двойной суперфосфат (\(\mathrm{Ca(H_2PO_4)_2 \cdot H_2O}\)). Зола является сложной смесью органических и неорганических соединений, Жавелевая вода представляет собой водный раствор хлорида и гипохлорита калия, Лабарракова – хлорида и гипохлорита натрия. Простой суперфосфат – удобрение, представляющее собой смесь двойного суперфосфата с сульфатом кальция.

Укажите индивидуальные соединения:

а) хлорная известь;
б) хромовая зелень;
в) серная печень;
г) аммонал;
д) белый графит;
е) известка;
ж) реактив Чугаева.

Следующие вещества являются индивидуальными соединениями: а) хлорная известь (\(\mathrm{Ca(OCl)Cl)}\)); б) хромовая зелень (\(\mathrm{Cr_2O_3}\)); в) белый графит (гексагональная модификация \(\mathrm{BN}\)); ж) реактив Чугаева (диметилглиоксим). Серная печень представляет собой смесь полисульфидов натрия \(\mathrm{Na_2S_x}\) различного состава, аммонал – смесь нитрата аммония, порошка алюминия и угля, известка (не путать с известковой водой!) – смесь \(\mathrm{Ca(OH)_2}\), песка и воды.

Выберите индивидуальные соединения:

а) нашатырный спирт;
б) плавиковая кислота;
в) кислота Каро;
г) боразон;
д) гремучая ртуть;
е) Бордосская жидкость;
ж) зелень Шееле;
з) сусальное золото;
и) оловянное масло;
к) свинцовый сахар;
л) белильная известь.

Индивидуальными соединениями являются: в) кислота Каро (\(\mathrm{H_2SO_5}\)); г) боразон (алмазоподобная модификация (\(\mathrm{BN}\)); д) гремучая ртуть (\(\mathrm{Hg(ONC)_2}\)); ж) зелень Шееле (\(\mathrm{CuHAsO_3}\)); з) сусальное золото (\(\mathrm{SnS_2}\)); и) оловянное масло (\(\mathrm{SnCl_4}\)); к) свинцовый сахар (\(\mathrm{Pb(CH_3COO)_2\cdot3H_2O}\)). Нашатырный спирт представляет собой водный раствор аммиака, плавиковая кислота – водный раствор фтороводорода. Бордосская жидкость это водная суспензия \(\mathrm{Cu_2SO_4(OH)_2}\) и \(\mathrm{CaSO_4}\), белильная известь это смесь \(\mathrm{Ca(ClO)_2}\), \(\mathrm{CaCl_2}\) и \(\mathrm{Ca(OH)2}\).

Укажите, какие из перечисленных веществ являются индивидуальными соединениями, а не смесью веществ:

а) нашатырь;
б) гремучее серебро;
в) натронная известь;
г) мед;
д) цинковые белила;
е) царская водка;
ж) пергидроль;
з) фосген.

Индивидуальными являются следующие соединения: а) нашатырь (\(\mathrm{NH_4Cl}\)); б) гремучее серебро (\(\mathrm{Ag_3N}\)); д) цинковые белила (\(\mathrm{ZnO}\)) и з) фосген (\(\mathrm{COCl_2}\)). Натронная известь это смесь \(\mathrm{NaOH}\) и \(\mathrm{Ca(OH)_2}\), мед имеет весьма сложный состав, царская водка представляет собой смесь соляной и азотной кислот, а пергидроль это концентрированный раствор перекиси водорода.

Какие вещества являются индивидуальными, а какие смесями веществ:

а) веселящий газ;
б) водяной газ;
в) болотный газ;
г) генераторный газ;
д) гремучий газ;
е) угарный газ;
ж) сернистый газ;
з) рудничный газ;
и) углекислый газ;
к) элегаз?

Индивидуальные соединения: а) веселящий газ (\(\mathrm{N_2O}\)); е) угарный газ (\(\mathrm{CO}\)); ж) сернистый газ (\(\mathrm{SO_2}\)); и) углекислый газ (\(\mathrm{CO_2}\)); к) элегаз (\(\mathrm{SF_6}\)). Болотный и рудничный газы состоят, в основном, из метана, но имеют в своем составе много примесей. Водяной газ, получаемый реакцией раскаленного угля с парами воды, имеет непостоянный состав, в основном он состоит из водорода и угарного газа. Аналогично получают генераторный газ. Гремучий газ – взрывоопасная смесь водорода и кислорода в мольном соотношении \(2/1\).

\(6\) г неизвестного твердого порошка полностью растворили в небольшом количестве кипящей воды. Затем смесь охладили до \(5\) °С, при этом из раствора выпало \(4\) г кристаллов. Эти кристаллы были тщательно отфильтрованы и снова растворены в таком же количестве кипящей воды, затем раствор снова охладили до \(5\) °С, при этом выпало \(3{,}9\) г вещества. Было ли вещество чистым или представляло собой смесь веществ? Объясните.

В первом охлажденном растворе осталось \(6 - 4 = 2\) г растворенного вещества, значит растворимость этого вещества (если оно чистое!) должна составлять \(2\) г на данный объем воды. При следующем растворении и охлаждении в раствор перешло только \(0{,}1\) г из четырех. Это означает, что в первом и втором случае мы имели дело с веществами, имеющими разную растворимость, а значит исходный порошок представлял собой смесь веществ.

Назад Назад Далее Далее