"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Смеси окружают нас повсюду, но в химических опытах часто требуется выделить из них отдельное вещество. Для этого используют различия в свойствах компонентов: растворимости, размере частиц и способности образовывать кристаллы. Фильтрованием отделяют от жидкости нерастворимые частицы, выпариванием удаляют растворитель, а кристаллизацией выделяют растворённое твёрдое вещество. Выбор способа зависит от состава смеси, а полученный продукт не всегда бывает абсолютно чистым.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Смесь — сочетание нескольких веществ, каждое из которых сохраняет свои свойства. Например, песок и вода вместе остаются песком и водой, хотя их можно разделить. В чистом веществе состав постоянен, а в смеси соотношение компонентов может меняться. Это различие помогает понять, почему смесь можно очищать и выделять из неё нужный компонент.
Чистое вещество — вещество постоянного состава, обладающее характерными свойствами. У образца смеси свойства могут зависеть от количества и вида примесей, поэтому его трудно точно описать как одно вещество. Очистка нужна, чтобы уменьшить содержание примесей и приблизить состав образца к постоянному. После очистки вещество всё равно следует проверять.
Фильтрование — разделение неоднородной смеси жидкости с нерастворимым твёрдым веществом с помощью фильтра. Жидкость проходит сквозь поры, а достаточно крупные твёрдые частицы задерживаются. Такой способ подходит, например, для отделения песка от воды. Растворённую соль фильтр не задержит, потому что её частицы распределены в жидкости.
Кристаллизация — выделение твёрдого вещества из раствора в виде кристаллов при охлаждении или испарении части растворителя. Растворитель — жидкость, в которой растворено другое вещество, например вода в солевом растворе. Когда условия меняются, раствор уже не удерживает всё растворённое вещество, и его избыток образует кристаллы. Так можно выделить и очистить многие твёрдые вещества.
Очистка нужна потому, что примеси меняют состав образца и могут влиять на его свойства. Например, раствор с примесью другого вещества может иметь иной цвет или давать кристаллы неодинакового состава. Чтобы получить вещество с характерными свойствами, компоненты смеси разделяют. При этом способ выбирают так, чтобы нужное вещество сохранилось, а примесь отделилась.
Компоненты смеси разделяются только тогда, когда между ними есть различие, которым можно воспользоваться. Крупные нерастворимые частицы задерживает фильтр, а оседающие под действием тяжести можно отделить отстаиванием. Разницу в летучести используют при удалении растворителя: он испаряется, а растворённое твёрдое вещество остаётся. Если растворимость вещества зависит от температуры или количества растворителя, его можно выделить кристаллизацией.
При фильтровании смесь пропускают через фильтр, установленный в воронке. Поры пропускают жидкость, но задерживают нерастворимые частицы, которые крупнее пор или образуют на фильтре слой. Растворённое вещество находится в жидкости в виде очень мелких частиц и проходит через фильтр вместе с ней. Поэтому фильтрование очищает жидкость от взвеси, но не отделяет растворённую соль или сахар.
При выпаривании раствор нагревают, и растворитель переходит из жидкости в пар. Растворённое твёрдое вещество обычно остаётся в сосуде, поскольку при выбранных условиях не испаряется вместе с водой. Этот способ применим, если нужно получить остаток вещества и оно не разлагается при нагревании. Нельзя автоматически выпаривать раствор досуха: нагрев может повредить продукт, а бурное кипение — вызвать разбрызгивание.
При кристаллизации растворимость вещества меняется, когда раствор охлаждают или из него испаряют часть растворителя. Растворимость показывает, сколько вещества может раствориться в определённом количестве растворителя при заданных условиях. Если раствор становится насыщенным и растворённого вещества оказывается больше, чем может в нём остаться, избыток выделяется в кристаллы. Кристаллизация позволяет получить твёрдый продукт, а часть растворимых примесей может остаться в жидкости.
| Способ | Какое различие свойств используют | Какие смеси разделяют | Что получают |
|---|---|---|---|
| Фильтрование | Размер частиц и нерастворимость | Жидкость с нерастворимым твёрдым веществом | Фильтрат и задержанные частицы |
| Выпаривание | Способность растворителя испаряться | Раствор нелетучего твёрдого вещества | Твёрдый остаток |
| Кристаллизация | Изменение растворимости при охлаждении или испарении растворителя | Раствор твёрдого вещества | Кристаллы и оставшийся раствор |
| Отстаивание | Различие плотности и способность частиц оседать | Неоднородные смеси, в которых частицы оседают или жидкости образуют слои | Разделённые слои или осадок и жидкость |
Пользуйтесь таблицей так: сначала определите, растворено ли твёрдое вещество или оно просто взвешено в жидкости. Затем выберите свойство, которое позволит разделить компоненты, и соотнесите его со способом. Если в смеси есть разные виды примесей, может потребоваться несколько операций подряд.
Задача 1. Предложите способ отделить песок от воды и опишите порядок действий. Песок в воде не растворяется, поэтому смесь неоднородная, а частицы песка можно задержать фильтром. Сначала полезно дать смеси постоять: крупные частицы осядут, и фильтр будет меньше забиваться.
Ответ. Песок отделяют отстаиванием и фильтрованием. После процедуры песок останется на фильтре, а вода соберётся в сосуде под воронкой. Если требуется получить более чистую воду, фильтрование можно повторить.
Задача 2. Нужно получить поваренную соль из раствора соли в воде. Соль растворена, значит, фильтрование не разделит её с водой. Растворитель можно удалить выпариванием, а соль выделить из раствора в виде кристаллов.
Ответ. Соль получают выпариванием воды или кристаллизацией раствора. Первый способ даёт твёрдый остаток, а второй позволяет выделить кристаллы. Нагревать раствор нужно аккуратно и только если соль выдерживает выбранные условия.
Задача 3. Загрязнённая соль содержит растворимые примеси; нужно получить кристаллы соли. Простое фильтрование сухой смеси не подойдёт, потому что растворимые примеси отделяются не от твёрдой соли, а вместе с ней. Сначала соль переводят в раствор, чтобы удалить те загрязнения, которые в воде не растворяются.
Ответ. Последовательность действий: растворение, фильтрование, частичное выпаривание, охлаждение и отделение кристаллов. Фильтр задержит нерастворимые примеси, но растворимые могут остаться в жидкости или попасть в кристаллы. Поэтому полученный продукт нельзя считать гарантированно абсолютно чистым.
Считать фильтрование способом отделения растворённого вещества — ошибка: растворённые частицы проходят через поры вместе с жидкостью. Так думают, потому что фильтр задерживает видимые частицы и кажется, что он задержит любые примеси. Проверьте себя: если вещество растворилось и раствор стал однородным, обычный фильтр его не отделит.
Путать выпаривание с фильтрованием — значит не учитывать, что эти способы используют разные свойства компонентов. Фильтрование задерживает нерастворимые частицы, а выпаривание удаляет растворитель из раствора. Перед выбором спросите себя, есть ли в смеси твёрдые частицы или вещество уже растворено. Это поможет подобрать подходящее действие.
Нагревать раствор до полного выпаривания без оценки свойств вещества небезопасно. Ученик может считать, что чем дольше нагревать, тем полнее очистка, но некоторые вещества при нагревании разлагаются, а кипящая жидкость разбрызгивается. Проверьте, нужно ли получать сухой остаток или достаточно упарить раствор для кристаллизации. Нагревайте осторожно и используйте подходящую посуду.
Считать полученные кристаллы заведомо чистыми нельзя: примеси могут попасть в них или остаться на поверхности. Такая ошибка возникает из-за того, что кристаллы выглядят аккуратно и отличаются от исходной смеси. Проверьте, какие примеси были в растворе и могли ли они кристаллизоваться вместе с веществом. Для более чистого продукта иногда проводят повторную кристаллизацию.
Для выбора способа очистки нужно знать, чем однородная смесь отличается от неоднородной, и понимать, что такое растворимость. Эти знания связывают очистку с изучением растворов: растворённое вещество нельзя отделить тем же способом, что твёрдую взвесь. Наблюдение физических свойств помогает объяснить, почему компоненты разделяются при фильтровании, отстаивании или выпаривании. Навыки выбора оборудования и безопасного нагревания понадобятся в следующих практических работах по химии.
Как выбрать способ разделения смеси?
Сначала определите, однородная смесь или неоднородная, и какие свойства компонентов различаются. Нерастворимые частицы можно отделить фильтрованием или отстаиванием, а растворённое вещество — выделить выпариванием или кристаллизацией.
Можно ли отделить растворённую соль от воды фильтрованием?
Нет. Частицы растворённой соли проходят через поры фильтра вместе с водой, поэтому фильтр их не задерживает. Чтобы получить соль, воду выпаривают или выращивают кристаллы.
Чем кристаллизация отличается от выпаривания?
При выпаривании растворитель удаляют в виде пара, оставляя растворённое твёрдое вещество. При кристаллизации вещество выделяется из раствора в виде кристаллов, например при охлаждении или испарении части растворителя.
Зачем перед кристаллизацией фильтруют раствор?
Фильтрование удаляет нерастворимые частицы, которые иначе могут попасть в кристаллы и загрязнить их. Растворённые примеси обычный фильтр не задерживает.
Почему после очистки вещество не всегда бывает абсолютно чистым?
Некоторые примеси могут остаться в кристаллах или не отделиться выбранным способом. Полноту очистки проверяют по характерным свойствам вещества, а для особенно чистого продукта иногда требуется повторная очистка.
Практическая работа 2. Очистка веществ
