§ 5. Разделение смесей

Определения и обозначения

Смесь — сочетание нескольких веществ, каждое из которых сохраняет свои свойства. Например, в смеси железных опилок и песка железо остаётся магнитным, а песок — нет. В химическом соединении вещества образуют новое вещество с другими свойствами, поэтому смесь можно разделить физически, а соединение — нельзя разложить теми же способами.

Однородная смесь — смесь, в которой частицы компонентов не различить невооружённым глазом. Пример — раствор соли в воде: он выглядит одинаковым во всём объёме, хотя состоит из двух веществ. Это понятие помогает отличить раствор от смесей, где части компонентов заметны.

Неоднородная смесь — смесь, в которой компоненты или их части можно различить. К таким смесям относятся суспензия, например глина в воде, и смесь твёрдых веществ, например песок с железными опилками. Внешний вид подсказывает, какие компоненты можно отделить механически или осаждением.

Разделение смеси — выделение её компонентов физическими способами, основанными на различии их свойств. При этом сами вещества не превращаются в другие. Понимание этого определения помогает выбирать способ разделения и объяснять, почему он сработает.

Как это устроено

Универсального способа разделить любую смесь нет: сначала выясняют, чем отличаются её компоненты. Одни различаются размером частиц или плотностью, другие — растворимостью, температурой кипения либо способностью притягиваться магнитом. Если не использовать такое различие, компоненты будут вести себя одинаково и останутся вместе. Поэтому перед разделением полезно представить, как каждое вещество поведёт себя при выбранном воздействии.

Неоднородную смесь твёрдого вещества и жидкости можно оставить в покое, если твёрдые частицы не растворяются и плотнее жидкости. Под действием силы тяжести частицы постепенно опускаются на дно, а над ними остаётся более прозрачная жидкость. Такой процесс называют отстаиванием. Его причина — различие плотностей и действие тяжести, но очень мелкие частицы могут оседать медленно.

При фильтровании смесь пропускают через фильтр с мелкими порами. Нерастворимые твёрдые частицы слишком велики, чтобы пройти сквозь поры, поэтому остаются на фильтре, а жидкость стекает. Растворённое вещество разделено в жидкости на настолько мелкие частицы, что проходит через фильтр вместе с ней. Значит, фильтрование подходит для отделения нерастворимого вещества, но не для выделения соли из её раствора.

Чтобы получить растворённое нелетучее вещество, раствор нагревают или оставляют так, чтобы растворитель испарялся. При выпаривании частицы растворителя покидают жидкость в виде пара, а вещество, которое не испаряется при этих условиях, остаётся в сосуде. Например, если выпарить воду из раствора соли, можно получить соль. Этот метод выбирают, когда нужно сохранить растворённый компонент, а растворитель собирать не требуется.

Перегонка полезна, если нужно разделить жидкости с разными температурами кипения или собрать растворитель из раствора. Смесь нагревают: компонент с более низкой температурой кипения испаряется легче и раньше попадает в пар. Затем пар охлаждают, он конденсируется и снова становится жидкостью, которую собирают отдельно. В отличие от простого выпаривания, здесь важно не потерять пар, а превратить его обратно в жидкость.

Способы разделения смесей

Чтобы воспользоваться таблицей, сначала укажите, какие вещества входят в смесь и какие свойства у них различаются. Затем найдите подходящую строку и проверьте, что полученный результат совпадает с вашей целью. Если одного способа недостаточно, применяйте несколько этапов последовательно.

Разбор задач

Задача 1. Предложите способ разделить смесь песка и воды и объясните последовательность действий. Песок в воде не растворяется, поэтому смесь неоднородная. Частицы песка достаточно крупные, чтобы осесть или задержаться фильтром. Можно воспользоваться одним из двух способов — выбор зависит от того, нужна ли скорость и насколько чистую воду требуется получить.

1. Оставьте смесь в покое, чтобы песок осел на дно, или сразу подготовьте воронку с фильтром.
2. При отстаивании аккуратно слейте воду, не поднимая осадок. При фильтровании пропустите смесь через фильтр: песок останется на нём, вода пройдёт.
3. Если после отстаивания в воде остаются мелкие частицы, профильтруйте её дополнительно.

Ответ: песок и воду разделяют отстаиванием с последующим сливанием жидкости или фильтрованием. Основание для выбора — нерастворимость песка и отличие его частиц от частиц воды.

Задача 2. Как получить поваренную соль из раствора соли в воде? Фильтр здесь не подходит, потому что растворённая соль проходит через его поры вместе с водой. Нужно использовать различие в летучести компонентов: вода испаряется, а соль при обычном выпаривании остаётся. Если требуется только соль, собирать водяной пар не нужно.

1. Налейте раствор в подходящую для нагревания посуду.
2. Нагревайте его осторожно, чтобы вода испарялась. По мере её удаления раствор становится более концентрированным.
3. Продолжайте выпаривание, пока вода не уйдёт, а соль не останется в посуде.

Ответ: соль получают выпариванием воды из раствора. Если нужно сохранить и воду, вместо простого выпаривания используют перегонку: пар охлаждают и собирают как жидкость.

Задача 3. Смесь состоит из железных опилок, песка и соли. Нужно разделить её и обосновать каждый этап. Железо притягивается магнитом, а песок и соль — нет, поэтому магнит позволяет первым отделить железо. Соль растворяется в воде, а песок — нет; это различие используют на следующем этапе. После фильтрования соль остаётся в растворе, и для её получения воду нужно удалить.

1. Поднесите к смеси магнит и соберите притянувшиеся железные опилки.
2. Добавьте к оставшимся песку и соли воду и перемешайте: соль растворится, песок останется твёрдым.
3. Профильтруйте смесь. Песок задержится на фильтре, а раствор соли пройдёт сквозь него.
4. Выпарите воду из фильтрата. Соль останется в посуде.

Ответ: порядок такой: магнит, растворение соли, фильтрование, выпаривание. Каждый этап основан на отдельном свойстве компонентов: магнитности, растворимости и способности воды испаряться.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что фильтрование отделяет растворённое вещество. Это путают с задерживанием твёрдых частиц, но растворённые частицы проходят через поры вместе с жидкостью. Проверьте себя: если вещество полностью растворилось, фильтр его не удержит.

Ошибка — путать выпаривание с перегонкой. Оба способа связаны с нагреванием, поэтому их легко смешать, но при выпаривании обычно оставляют растворённое вещество, а при перегонке собирают сконденсированный пар. Спросите себя, нужно ли сохранить испаряющуюся жидкость: если да, потребуется перегонка.

Ошибка — выбирать метод, не выяснив свойства компонентов. Например, фильтрование не поможет отделить растворённую соль, а магнит не притянет песок. Перед работой назовите различие, на котором основан способ, и убедитесь, что оно относится именно к веществам вашей смеси.

Ошибка — думать, что при разделении смеси образуются новые вещества. Такое впечатление может возникнуть из-за изменения внешнего вида, например при испарении воды. Проверьте себя: если компоненты просто отделили физически, каждый из них сохранил свои свойства и не превратился в другое вещество.

Связь с другими темами

Для выбора способа разделения полезно знать физические свойства веществ: плотность, растворимость и температуру кипения. Эти свойства помогают предсказать, осядет ли частица, растворится ли вещество и какой компонент испарится раньше. Знание растворов и растворимости объясняет, как получить растворённое вещество или очистить воду. Навык разделения смесей пригодится при изучении очистки веществ, химических реакций и лабораторной техники, где нужно отделять продукты или удалять примеси.

Что запомнить

• Смеси разделяют физическими способами.
• Способ разделения выбирают по различию свойств компонентов.
• Отстаивание помогает разделять неоднородные смеси с оседающими частицами.
• Фильтрование отделяет нерастворимые твёрдые частицы от жидкости.
• Выпариванием получают нелетучее растворённое вещество.
• Перегонка позволяет разделять жидкости с разными температурами кипения.
• Для многоступенчатого разделения смесь сначала разделяют по одному свойству, затем по другому.