Глава I.4 Физические явления – основа разделения смесей в химии
🎧 Аудио сопровождение
Материалов на основе чистых веществ гораздо меньше, чем материалов из смесей. Из чистых веществ, например, изготавливают медные провода, кремниевые солнечные батареи и процессоры компьютеров.
Чистыми называют вещества, которые почти не содержат примесей.
Смеси веществ (или композиции) в качестве материалов используются неизмеримо чаще. Индивидуальные вещества в них называют компонентами. По внешним, т. е. визуальным, признакам различают гомогенные и гетерогенные смеси.
В гомогенных смесях границы раздела между частицами компонентов не видны не только невооружённым глазом, но даже под микроскопом. Например, нельзя различить частицы газов, входящих в состав воздуха, или компоненты спиртовой настойки иода.
В гетерогенных смесях частицы компонентов можно заметить невооружённым глазом. К таким смесям, например, относятся горные породы, стиральные порошки, строительные смеси.
Приведённые примеры позволят предложить классификацию смесей, основанную на их агрегатном состоянии.
Различают твёрдые, жидкие и газообразные смеси.
К твёрдым гетерогенным смесям можно отнести горные породы, компонентами которых являются минералы, например гранит (от лат. granum – зерно).
Лабораторный опыт 3
К твёрдым гомогенным смесям следует отнести большинство сплавов, в том числе и ювелирные, в которых содержание основного металла, например золота, обозначено с помощью специальной пробы.
Приготовим искусственную гетерогенную твёрдую смесь.
Лабораторный опыт 4
Половину полученной смеси высыпьте в стакан с водой. Вторую половину накройте листом бумаги и поднесите к нему магнит. Что наблюдаете?
Нетрудно сделать вывод о том, что в приготовленной смеси индивидуальные свойства железа (способность намагничиваться) и серы (способность флотировать – плавать на поверхности воды из-за несмачиваемости) сохраняются, поэтому их смесь легко разделить.
К жидким смесям относится вода морей и океанов. Чистая морская вода является гомогенной смесью, а точнее, раствором солей в воде. Солёный вкус морской воде придаёт хлорид натрия, а горьковатый – соли магния. Если в морской воде содержится взвесь частиц почвы, то вода является гетерогенной жидкой смесью.
В медицине используется очищенная от примесей вода как растворитель для приготовления лекарственных форм и для инъекций. Одним из способов получения такой воды является дистилляция, или перегонка, а потому такую воду называют дистиллированной. Кроме медицины, она широко применяется в химических лабораториях для приготовления растворов определённого состава.
Чтобы познакомиться с дистилляцией, обратимся к эксперименту. Установка для лабораторного получения дистиллированной воды (рис. 22) состоит из перегонной колбы (в неё наливают воду, которую необходимо очистить), соединённой с холодильником. Так называют часть установки, в которой образующиеся при кипении в перегонной колбе пары воды охлаждаются, конденсируются в капельки и стекают в приёмник (стакан или колбу).
К жидким смесям относится нефть. Если в ней нет частиц твёрдых веществ, нефть можно считать гомогенной смесью, из которой получают необходимые современному индустриальному обществу нефтепродукты.
К газообразным смесям относится, например, воздух, состоящий из азота, кислорода, благородных газов и других компонентов. Все газообразные смеси гомогенны.
Кроме перегонки, существуют другие способы разделения смесей, основанные на индивидуальных физических свойствах их компонентов. Познакомимся с некоторыми способами.
С помощью лупы легко различить кристаллы сахара и речного песка. Возможно, некоторые из вас предложат использовать для отделения таких кристаллов пинцет, но время, которое потребуется для этого, будет значительно больше, чем нужно было Золушке для того, чтобы выбрать из мешка и отделить тёмные бобы от светлых. Да и от частиц глины таким способом не избавиться.
Мелкие частицы глины из мутного раствора могут осесть, но для этого потребуется значительное время. Чтобы ускорить процесс, используют метод фильтрования. Лабораторные бумажные фильтры производят на основе специальной пористой бумаги, которую, как вы знаете, называют фильтровальной. Частицы почвы (песка и глины) не проходят через поры бумаги и остаются на ней. Прозрачный раствор сахара (фильтрат) свободно просачивается через фильтр.
Сахар из него можно выделить методом выпаривания полученного раствора. С этой целью используют специальные фарфоровые чашки.
Смесь воды и нефтепродуктов легко разделить отстаиванием с помощью особого прибора – делительной воронки (рис. 23). Вода, как более тяжёлая жидкость, соберётся внизу, а нефтепродукт образует верхний слой. Открыв кран воронки, можно легко слить воду, а затем, закрыв и снова открыв его, слить нефтепродукт.
Аналогично можно разделить смесь воды и растительного масла.
26Рассмотренные выше способы разделения смесей на отдельные компоненты или группы сходных компонентов широко используются в лаборатории, на производстве, в быту.
Выпаривание – основа соледобычи из концентрированных растворов соляных озёр – рассолов (рис. 24). Берега этих озёр представляют собой природные чаши для выпаривания. В роли нагревателя такой природной установки для выпаривания выступает солнце. За счёт солнечной энергии вода испаряется, а соль кристаллизуется.
Фильтрование также распространено в природе, в промышленности и быту.
Водопроводную воду фильтруют через слой чистого песка на водоочистных станциях. Дополнительно с этой целью дома часто используют бытовые фильтры.
Биологическими фильтрами, «поры» которых пропускают необходимые для нормальной жизнедеятельности вещества и задерживают вредные, являются клеточные мембраны, стенки органов желудочно-кишечного тракта.
Фильтровать можно не только жидкие гетерогенные смеси, но и воздух. Так, например, очищают с помощью бумажных или тканевых фильтров воздух в помещениях при использовании пылесоса.
Очистка воздуха фильтрованием широко применяется и в медицине. Медицинские маски часто используются в период эпидемий. Такие маски обязательно надевают врачи, и в первую очередь хирурги во время операции (рис. 25). Строительные и дорожные рабочие защищают лёгкие от пыли с помощью специальных фильтрующих устройств – респираторов (рис. 26).
Ещё один способ разделения смесей (в том числе газовых) на компоненты, а также их распознавания – хроматография (от греч. chromatos – цвет и grapho – пишу) – открыт русским биохимиком Михаилом Семёновичем Цветом. Этот способ основан на различии скорости перемещения компонентов растворённой смеси в слое некоторых веществ и материалов, например бумаги (бумажная хроматография).
Проведём эксперимент. В стакан нальём слой спирта или раствора уксусной кислоты (0,5–1 см). На расстоянии 2 см от узкого края бумажной полоски шириной 1 см, вырезанной из фильтровальной бумаги, нанесём точку чёрным фломастером. Опустим полоску бумаги в стакан со спиртом так, чтобы конец с нанесённой точкой касался дна стакана. Наблюдаем разделение красящих веществ фломастера.
Проверьте свои знания
- Какие типы смесей различают по агрегатному состоянию образующих их веществ?
- Перечислите способы разделения смесей. Какие свойства компонентов лежат в основе каждого способа?
- Назовите как можно больше бытовых приборов и приспособлений, действие которых основано на одном из способов разделения смесей.
- На надгробной плите одного из отечественных учёных высечены слова: «Ему было дано открыть хроматографию, разделяющую молекулы, объединяющую людей». Кто этот учёный?
Примените свои знания
- Проведите домашний эксперимент, соблюдая технику безопасности. Укрепите в подсвечниках свечи небольшого диаметра из воска и парафина и одновременно подожгите их. Наблюдайте за горением свечей. Постройте графики зависимости плавления свечей от времени. Предложите таблицу «Сравнение процессов горения свечей из парафина и воска» и заполните её. Обсудите результаты работы в классе.
- Предложите способы разделения следующих смесей: а) железные и медные стружки; б) песок и древесные опилки; в) бензин и вода; г) раствор этилового спирта в воде.
- Старатели отделяют золото от пустой породы, взбалтывая грунт в воде и сливая мутную жидкость с осадка. Так появилось выражение «мыть золото». На каком свойстве золотого песка основано его отделение от пустой породы?
- Установите последовательность проведения операций для разделения смеси речного песка, порошка серы и поваренной соли: фильтрование, растворение в воде, флотирование, выпаривание, отстаивание.
- Определите, какие смеси являются гетерогенными, а какие – гомогенными: а) природный газ; б) молоко; в) морская вода; г) зубная паста; д) стиральный порошок.
Используйте дополнительную информацию
- В период эпидемии заболевания, передающегося воздушно-капельным путём, врачи рекомендуют носить медицинские маски. Аргументируйте, с какой целью это делается. Какие правила необходимо соблюдать при использовании таких масок?
- Подготовьте сообщение по одной из тем: а) «Краски в руках художника»; б) «Знаменитые парфюмеры».