На чем основаны методы разделения соли и песка
Разделение смеси песка и соли
Задание: разделить 5 г смеси песка и указанной преподавателем соли на компоненты. Найтиколичество соли после разделения смеси и вычислить относительную величину потерь при разделении.
Принцип, на котором в данном случае основано разделение – различная растворимость веществ в воде. Одно вещество (соль) растворяется в воде, и раствор можно отделить от песка фильтрованием. Затем из фильтрата (фильтрат – это раствор, прошедший через фильтр), содержащего соль, выпариваем воду, а оставшуюся сухую соль взвешиваем, чтобы оценить потери. С помощью качественной реакции надо убедиться, что в песке не осталось соли. Визуально устанавливаем, что при фильтровании или иных операциях в соль не «прорвался» песок.
Приборы и посуда. Продумав содержание работы, составим перечень необходимых предметов в своей тетради.
Реактивы.Смесь песок – соль; реактив для проведения аналитической реакции на ионы соли. Состав выданной вам соли (NaCI или Na2SO4) указывает преподаватель. Вспомним реактивы, которые использовались для обнаружения солей в лабораторной работе №1. Выбор реактива зависит от состава соли в смеси.
Описание работы
Растворение соли. Обнаруженную нами в пакетике навеску смеси переносим в химический стакан и растворяем в дистиллированной воде. Используем не больше чем 50 мл воды. Предельное количество отмеряем цилиндром. Воду для растворения приливаем маленькими порциями. Учитываем, что эта же вода еще понадобится для отмывания песка от соли.
Когда соль растворится, приступаем к фильтрованию.
Фильтрование. Бумажный фильтр складываем примерно вчетверо, вставляем в воронку, чуть увлажняем из промывалки и очень легко прижимаем пальцами к стенкам.
Позволяем отстояться песку и осторожно сливаем раствор на фильтр. Этот процесс отделения жидкости от осадка или от отстоя путем аккуратного сливания вручную, с помощью шланга или делительной воронки называется декантацией. При декантации фильтр не сразу забивается песком, замедляющим фильтрование.
Оставшийся после фильтрования в стакане песок споласкиваем небольшим количеством воды, промывные воды сливаем на фильтр. Затем и мокрый песок переносим на фильтр, где его продолжаем промывать малыми порциями воды из цилиндра.
Реакцию проводим, собрав под фильтровальной воронкой несколько последних капель профильтрованных промывных вод в отдельную пробирку. Промывание проводим до тех пор, пока промывные воды не дадут отрицательную реакцию на наличие соли. Записываем уравнение возможной протекающей реакции в молекулярной и ионной форме.
Выпаривание. Фильтрат переливаем в предварительно взвешенную фарфоровую чашку и, нагревая на электроплитке или спиртовке, выпариваем досуха. Эту процедуру можно начать параллельно с промыванием песка. Промывные воды после окончания промывания можно будет просто добавить к выпаривающемуся фильтрату. Конечно, это надо делать осторожно. Во избежание разбрызгивания в конце выпаривания чашку накрываем стеклянной воронкой, которую тоже нужно предварительно взвесить. После охлаждения чашку с солью (и с взвешенной воронкой) снова взвешиваем и определяем вес извлеченной соли по разности масс чашки с солью и пустой чашки.
Оценка потерь соли.Используя найденный вес отделенной соли и вес соли во взятой смеси (и этот «секрет» вам открывает преподаватель), по разности подсчитываем потери в граммах. Определяем относительную величину потерь. Для этого выясняем, какую долю составляют потери от исходного количества, т.е. делим количество граммов потерянной соли на исходное количество соли. Затем выражаем эту долю в процентах. Приведенные ниже вопросы для обсуждения могут быть заданы вам преподавателем при защите лабораторной работы.
Вопросы для обсуждения:
1. Что такое процент?
2. Как выяснить, что промывание песка закончено?
3. Каковы химические названия использованных веществ?
4. Какова формула песка, кремнезема?
5. Для чего проводится качественная реакция? Сколько раз её надо проводить?
6. Что такое фильтр? Фильтрат? Декантация?
7. Дайте правильные названия использованной химической посуды.
8. Сформулируйте правила написания ионных уравнений.
9. Какими реактивами для определения сульфат-иона можно восполь-зоваться, если закончился раствор с хлористым барием? Используйте таблицу растворимости (приложение 2, табл.2, с.80) и выясните у лаборанта наличие подходящих реактивов.
Те м а 2. СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
Цели изучения темы
Консультационная часть
Литература: 1, гл. 1, с. 21 – 25; гл. 4, с. 111 – 113,116,120 – 122.
Ключевые понятия этой темы:
а) скорость химической реакции – это изменение концентрации реагирующего вещества в единицу времени. Математически для средней скорости во временном интервале ∆t имеем формулу
`V = ∆C/∆t,
б) Если концентрации веществ известны только в начале реакции или в какой-то данный момент времени, то используем кинетическое уравнение, выражающее закон действия масс через концентрации реагирующих веществ. Для процесса типа
A + 2B + 3D = F
где k – константа скорости реакции, величина которой отражает зависи-мость скорости от природы реагирующих веществ и температуры.
2.3. Упражнения для самоподготовки
Задание 1. Заполните пропуски для своего варианта в таблице 4.
Таблица 4
.Задание 2. Уточните формулировку, и математическое выражение закона действия масс для истинной скорости химической реакции в данный момент времени. Концентрации каких веществ входят в его выражение? Какой параметр маскирует зависимость скорости реакции от природы реагирующих веществ?
Для представленных в таблице 5 прямых реакций составьте кинетические уравнения на основании закона действия масс, сделайте необходимые расчеты и заполните пропуски в соответствии со своим шифром.
Таблица 5
Задание 3. Используя правило Вант – Гоффа и данные, приведенные в таблице 6, заполните остальные графы таблицы в соответствии со своим шифром. Уравнение реакции не приводится, поскольку оно вам не надо.
Таблица 6
Задание 4. Для задания по своему шифру укажите в таблице 7 направление смещения равновесия при указанных изменениях внешних условий. Продумайте обоснование своего решения.
| № п/п | Уравнение процесса и его тепло- вой эффект Q | t°C | Pатм | [NH3] | Направление смещения равновесия |
| При мер | NH3 + HCl Û NH4Cl – Q (Дж) | Ý | – | – | Вправо |
| – | ß | – | Влево | ||
| – | – | Ý | Вправо | ||
| N2 + 3 H2 Û 2NH3 + Q | Ý | – | – | ? | |
| – | ß | – | ? | ||
| – | – | ß | ? | ||
| 4 NH3 + 4 O2 Û NO2 + 6 H2O + Q | ß | – | – | ? | |
| – | Ý | – | ? | ||
| – | – | Ý | ? | ||
| 3CH4 + 2N2 + 3 O2Û 4NH3 + 3CO2– Q | ß | – | – | ? | |
| – | Ý | – | ? | ||
| – | – | ß | ? |
Таблица 7
Способы разделения смесей
Для получения чистых веществ используют различные способы разделения смесей.
| Способы разделения смесей | |
|---|---|
| неоднородных (гетерогенных) | однородных (гомогенных) |
| — Отстаивание — Фильтрование — Действие магнитом — Центрифугирование | — Выпаривание. Кристаллизация. — Дистилляция (перегонка) |
Процессы разделения смесей основаны на различных физических свойствах компонентов, образующих смесь.
Отстаивание
Отстаивание — это разделение неоднородной жидкой смеси на компоненты, путём её расслоения с течением времени под действием силы тяжести.
Отстаиванием можно разделить смесь нерастворимых в воде веществ, имеющих разную плотность.
Пример. Смесь из железных и древесных опилок можно разделить, если высыпать её в сосуд с водой (1), взболтать и дать отстояться. Железные опилки опустятся на дно сосуда, а древесные будут плавать на поверхности воды (2), и их вместе с водой можно будет слить в другой сосуд (3):
На этом же принципе основано разделение смесей малорастворимых друг в друге жидкостей.
Пример. Смеси бензина с водой, нефти с водой, растительного масла с водой быстро расслаиваются, поэтому их можно разделить с помощью делительной воронки:
Отстаиванием также можно разделить вещества, которые осаждаются в воде с различной скоростью.
Пример. Смесь из глины и песка можно разделить, если высыпать её в сосуд с водой (1), взболтать и дать отстояться. Песок оседает на дно значительно быстрее глины (2):
Этот способ используется для отделения песка от глины в керамическом производстве (производство глиняной посуды, красных кирпичей и др.).
Центрифугирование
Центрифугирование — это разделение неоднородных жидких смесей путём вращения.
Пример. Если компоненты неоднородной жидкой смеси очень малы, такие смеси разделяют центрифугированием. Такие смеси помещают в пробирки и вращают с большой скоростью в специальных аппаратах — центрифугах.
Перед центрифугированием частицы смеси распределены по объёму пробирки равномерно. После центрифугирования более лёгкие частицы всплывают наверх, а тяжёлые оседают на дно пробирки.
С помощью центрифугирования, к примеру, отделяют сливки от молока.
Фильтрование
Фильтрование — это разделение жидкой неоднородной смеси на компоненты, путём пропускания смеси через пористую поверхность. В роли пористой поверхности может выступать бумажная воронка, марля, сложенная в несколько слоёв, или любой другой пористый материал, способный задержать один или несколько компонентов смеси.
Фильтрованием можно разделить неоднородную смесь, состоящую из растворимых и нерастворимых в воде веществ.
Пример. Чтобы разделить смесь, состоящую из поваренной соли и песка, её можно высыпать в сосуд с водой, взболтать и затем эту смесь пропустить через фильтровальную бумагу. Песок остаётся на фильтровальной бумаге, а прозрачный раствор поваренной соли проходит через фильтр:
При необходимости, растворённую поваренную соль из воды можно выделить выпариванием.
Действие магнитом
С помощью магнита из неоднородной смеси выделяют вещества, способные к намагничиванию.
Пример. C помощью магнита можно разделить смесь, состоящую из порошков железа и серы:
Выпаривание. Кристаллизация
Выпаривание — это способ разделения жидких смесей путём испарения одного из компонентов. Скорость испарения можно регулировать с помощью температуры, давления и площади поверхности испарения.
Пример. Чтобы растворённую в воде поваренную соль выделить из раствора, последний выпаривают:
Вода испаряется, а в фарфоровой чашке остаётся поваренная соль. Иногда применяют упаривание, т. е. частичное испарение воды. В результате образуется более концентрированный раствор, при охлаждении которого растворённое вещество выделяется в виде кристаллов. Этот процесс получил название кристаллизации.
Дистилляция (перегонка)
Дистилляция (перегонка) — это способ разделения жидких однородных смесей путём испарения жидкости с последующим охлаждением и конденсацией её паров. Данный способ основан на различии в температурах кипения компонентов смеси.
Пример. При нагревании жидкой однородной смеси сначала закипает вещество с наиболее низкой температурой кипения. Образующиеся пары конденсируются при охлаждении в другом сосуде. Когда этого вещества уже не останется в смеси, температура начнёт повышаться, и со временем закипает другой жидкий компонент:
Таким способом получают, к примеру, дистиллированную воду.
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
ФИЛЬТРОВАНИЕ
метод основанный на различной растворимости веществ и разных размерах частиц компонентов смеси. Фильтрование позволяет отделить твердое вещество от жидкости или газа.
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:
ОТСТАИВАНИЕ
Данным методом можно разделять и несмешивающиеся жидкости. Для этого используют делительную воронку.
Отстаиванием можно разделить смеси:
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:
Магнитной сепарацией можно разделить:
Разделение гомогенных смесей
Для разделения жидких гомогенных смесей (истинных растворов) используют следующие методы:
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.
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.
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:
ХРОМАТОГРАФИЯ
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:
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.
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 NH3 раствором азотной кислоты HNO3 образуется нитрат аммония NH4NO3 (аммиачная селитра), который можно использовать в качестве высокоэффективного азотного удобрения.
Процесс, при котором происходит абсорбция растворенного вещества за счет протекания химической реакции называется хемосорбцией.
Адсорбцию также используют для очистки воды от химических растворимых примесей. Например, фильтры для питьевой воды работают на принципе адсорбции слоем активированного угля с ионами серебра. Помимо поглощения всем объемом жидкого сорбента (абсорбции), и поверхностным слоем сорбента (адсорбции), выделяют также сорбцию твердого тела или расплава (окклюзию). При сорбции паров твердыми веществами часто происходит капиллярная конденсация.