§ 5. Разделение смесей

Определения и обозначения

Разделение смесей — выделение компонентов смеси с использованием различий в их физических свойствах. Иными словами, вещества не обязательно превращать в другие: достаточно найти свойство, по которому они ведут себя неодинаково. Это нужно, чтобы получить отдельные компоненты или очистить нужное вещество.

Фильтрование — отделение нерастворимого твёрдого вещества от жидкости с помощью пористого материала. Поры пропускают жидкость, но задерживают достаточно крупные твёрдые частицы. Этот способ позволяет, например, отделить песок от воды.

Выпаривание — выделение растворённого твёрдого вещества из раствора удалением растворителя при нагревании. Растворитель превращается в пар, а нелетучее твёрдое вещество остаётся в сосуде. Так можно получить соль из солёной воды.

Перегонка — разделение жидкостей или выделение жидкости из раствора испарением с последующей конденсацией пара. Конденсация — превращение пара в жидкость при охлаждении. Перегонка нужна, когда важно собрать испарившуюся жидкость отдельно, а не просто удалить её.

Как это устроено

Выбор способа разделения зависит от того, какие физические свойства компонентов различаются: размер частиц, плотность, растворимость, магнитные свойства или температуры кипения. Причина в том, что каждый способ использует определённое различие: фильтр задерживает частицы подходящего размера, а магнит притягивает магнитный материал. Если свойства компонентов не позволяют провести такое разделение, способ не сработает. Поэтому сначала рассматривают состав смеси и только потом выбирают приём.

Неоднородную смесь песка и воды можно разделить отстаиванием: более плотные частицы песка оседают, после чего жидкость осторожно сливают. Песок не растворяется в воде, поэтому остаётся отдельными частицами, а сила тяжести постепенно опускает их на дно. Чем заметнее различие плотности и чем дольше смесь стоит, тем больше частиц успевает осесть. Сливать воду нужно аккуратно, иначе осадок снова перемешается с ней.

Фильтрование позволяет отделить твёрдые частицы, которые не растворились в жидкости: жидкость проходит через поры фильтра, а твёрдое вещество задерживается. Это происходит потому, что поры пропускают жидкость и достаточно мелкие растворённые частицы, но не пропускают более крупные частицы осадка. Песок, например, останется на фильтре, а вода соберётся под ним. Если твёрдое вещество растворилось, его частицы не образуют такого осадка и проходят через фильтр.

Растворённое вещество нельзя отделить фильтрованием; при выпаривании растворитель испаряется, и растворённое вещество остаётся. В растворе соль распределена по всему объёму воды, поэтому обычный фильтр не может задержать её отдельно от жидкости. При нагревании вода превращается в пар, а соль при обычных условиях опыта остаётся в сосуде. Таким образом, результатом становится твёрдый остаток, но водяной пар обычно не собирают.

При перегонке пар жидкости охлаждают и собирают в отдельном сосуде; способ основан на различии температур кипения компонентов. При нагревании быстрее испаряется компонент, который при данных условиях имеет более низкую температуру кипения. Затем его пар проходит в охлаждаемую часть установки и конденсируется. Собранная жидкость называется дистиллятом; так можно выделять жидкий компонент или разделять жидкости.

Способы разделения смесей и их применение

Чтобы пользоваться таблицей, сначала найди пример смеси, похожий на свою, а затем проверь указанное свойство. Сопоставь его с целью: требуется получить твёрдый остаток, жидкость или оба компонента. Один и тот же материал иногда разделяют разными способами, как песок и воду.

Разбор задач

Предложите способ разделить смесь песка и воды.

Нужно определить, растворяется ли песок и образует ли смесь отдельные частицы. Песок в воде не растворяется, поэтому смесь неоднородная. Подойдут отстаивание или фильтрование; выбор зависит от того, нужно ли просто слить воду или отделить частицы через фильтр.

1. Оставить смесь в покое, чтобы плотные частицы песка осели на дно.
2. Если достаточно получить воду сверху, осторожно слить её, не захватывая осадок.
3. Если нужно надёжнее задержать песок, пропустить смесь через фильтр.

Ответ: смесь можно разделить отстаиванием или фильтрованием. В первом случае песок оседает, во втором остаётся на фильтре.

Как получить поваренную соль из раствора соли в воде?

Сначала важно понять, что соль растворена, а не просто смешана с водой в виде крупных частиц. Поэтому отстаивание и фильтрование не дадут нужного результата: соль останется в растворе. Для получения твёрдого вещества нужно удалить воду.

1. Поместить раствор в подходящую ёмкость.
2. Нагревать его, чтобы вода испарялась; при этом не допускать разбрызгивания.
3. Когда вода удалится, собрать оставшуюся соль.

Ответ: применить выпаривание. Вода испарится, а поваренная соль останется в ёмкости.

Как разделить смесь воды и спирта и собрать воду отдельно?

Вода и спирт смешиваются, поэтому их нельзя разделить отстаиванием или фильтрованием. У жидкостей различаются температуры кипения, и это позволяет использовать перегонку. Важно не только испарить жидкость, но и охладить её пар, чтобы получить конденсат.

1. Нагревать смесь в установке для перегонки и следить за температурой.
2. Учитывать, что спирт закипает при более низкой температуре, чем вода, поэтому первым преимущественно испаряется спирт.
3. Чтобы собрать именно воду, продолжить перегонку при более высокой температуре и направить водяной пар в охлаждаемую часть установки.
4. Собрать сконденсировавшуюся воду в отдельный сосуд.

Ответ: использовать перегонку и собирать водный конденсат отдельно. На практике результат зависит от работы установки и условий разделения.

Типичные ошибки

Попытка отделить растворённую соль фильтрованием не сработает: растворённые частицы проходят через поры вместе с водой. Такую ошибку допускают, принимая раствор за смесь жидкости с твёрдыми крупинками. Проверь себя: если раствор однороден и соль не задерживается на фильтре, нужно удалять растворитель выпариванием или перегонкой.

Считать отстаивание подходящим для любой смеси — ошибка, потому что компоненты могут растворяться друг в друге или не оседать заметно. Обычно этот способ эффективен, если смесь неоднородная, вещества не растворяются друг в друге и различаются по плотности. Перед отстаиванием спроси себя, образуются ли отдельные слои или осадок. Если нет, выбери другой способ.

Выпаривание и перегонку иногда путают, поскольку в обоих случаях жидкость превращается в пар. При выпаривании обычно получают растворённое твёрдое вещество, а пар не собирают; при перегонке пар охлаждают и получают жидкий конденсат. Чтобы проверить выбор, уточни, какой компонент нужно сохранить. Если нужна жидкость, её следует сконденсировать.

Выбирать способ, не учитывая свойства компонентов, нельзя: подходящий для одной смеси приём может оказаться бесполезным для другой. Ошибку допускают, когда ориентируются только на внешний вид смеси или знакомое название метода. Сначала определи, какие вещества нужно разделить и чем отличаются их свойства. Затем проверь, использует ли выбранный способ именно это различие.

Связь с другими темами

Для изучения разделения смесей нужно знать, чем однородная смесь отличается от неоднородной, и что называют раствором. Это помогает понять, почему песок можно задержать фильтром, а растворённую соль — нельзя. Без различения этих случаев легко выбрать неподходящий способ.

Также пригодятся знания о физических свойствах веществ: растворимости, плотности, магнитных свойствах и температурах кипения. Именно эти свойства подсказывают, можно ли применить отстаивание, фильтрование, магнит или перегонку. Сравнение свойств превращает выбор метода в последовательное рассуждение.

Способы разделения смесей используют при изучении растворов, очистке веществ и проведении химических опытов. Умение отделять компоненты помогает подготовить вещество для дальнейшей работы. При этом разделение смеси само по себе не означает, что вещества вступили в химическую реакцию.

Что запомнить

• Способ разделения выбирают по различиям физических свойств компонентов.
• Отстаивание подходит для неоднородных смесей, компоненты которых различаются по плотности.
• Фильтр задерживает нерастворимые твёрдые частицы.
• Растворённое вещество фильтрованием не отделить.
• Выпаривание позволяет получить растворённое твёрдое вещество.
• Перегонка включает испарение и последующую конденсацию пара.