§ 4. Методы разделения и очистки веществ

Определения и обозначения

Разделение смеси — получение из смеси составляющих её веществ или групп веществ, используя различия их свойств. Иначе говоря, компоненты не создают заново, а отделяют друг от друга. Это нужно, когда требуется получить чистое вещество или убрать из него примеси.

Фильтрование — отделение нерастворимого твёрдого вещества от жидкости с помощью фильтра, который пропускает жидкость и задерживает твёрдые частицы. Фильтр может быть бумажным или сделанным из другого пористого материала. Метод помогает отделить, например, мел или песок от воды.

Выпаривание — удаление растворителя из раствора при его испарении; растворённое вещество остаётся в сосуде. Растворитель — жидкость, в которой растворено другое вещество. Выпаривание используют, когда нужно получить растворённое твёрдое вещество, например соль.

Перегонка — разделение жидкой смеси или очистка жидкости: её испаряют, а затем охлаждают пар и собирают образовавшуюся жидкость. Так можно получить жидкость отдельно от растворённых в ней веществ. В отличие от выпаривания, при перегонке пар не выпускают, а собирают после охлаждения.

Как это устроено

Метод разделения выбирают по различию физических свойств компонентов смеси: размера частиц, растворимости, плотности, температуры кипения или магнитных свойств. Если свойства одинаковы, выбранный способ не даст нужного результата. Например, фильтр задерживает крупные нерастворимые частицы, но не отделяет растворённую соль от воды. Поэтому сначала выясняют, из чего состоит смесь и какой компонент нужно получить.

Нерастворимые твёрдые частицы можно отделить от жидкости отстаиванием: частицы оседают под действием тяжести, после чего жидкость осторожно сливают; фильтрование ускоряет и уточняет такое отделение. Оседание происходит потому, что частицы плотнее жидкости и постепенно опускаются на дно. Сливание подходит, если осадок успел образоваться и его легко не взболтать. Фильтр удерживает частицы на своей поверхности, поэтому с его помощью можно отделить их даже тогда, когда они ещё не осели.

Если один из компонентов смеси притягивается магнитом, его можно отделить магнитным способом, не изменяя состав самого вещества. Магнит действует на подходящие компоненты, а остальные остаются в смеси. Это позволяет, например, извлечь железные опилки из песка. Способ сработает только после проверки магнитных свойств веществ: не каждый металл притягивается магнитом.

Растворённое твёрдое вещество получают выпариванием растворителя; при медленном испарении могут образоваться кристаллы, а для сбора и очистки растворителя применяют перегонку. При нагревании растворитель превращается в пар, а растворённое нелетучее вещество остаётся в сосуде. Если жидкость нужна для дальнейшего использования, пар направляют в более холодную часть прибора. Там он отдаёт тепло и снова становится жидкостью, которую собирают отдельно.

Хроматография разделяет компоненты, которые по-разному перемещаются вместе с растворителем по материалу; поэтому вещества смеси проходят разные расстояния и становятся различимы. Растворитель переносит компоненты вдоль бумаги или другого материала. Одни вещества сильнее удерживаются материалом, другие легче движутся с растворителем. Разница в скорости и дальности перемещения помогает увидеть, что смесь состоит из нескольких компонентов.

Методы разделения и очистки смесей

В таблице сопоставлены свойства, на различии которых основан каждый метод, и результат его применения. Сначала определите, какие свойства различаются у компонентов вашей смеси, затем найдите подходящий способ. Один и тот же состав иногда разделяют последовательно несколькими методами.

Разбор задач

Песок и вода

Условие: предложите способ отделить песок от воды и объясните порядок действий. Песок в воде не растворяется, поэтому его частицы остаются отдельными и могут осесть или задержаться фильтром. Выбор между двумя способами зависит от того, насколько быстро нужно получить результат и есть ли фильтр.

1. Дайте смеси постоять, если выбираете отстаивание: песчинки опустятся на дно.
2. Осторожно слейте воду в другую ёмкость, не поднимая осадок со дна.
3. Если нужно отделить мелкие взвешенные частицы быстрее, пропустите смесь через фильтр и соберите прошедшую воду.

Ответ: песок можно отделить отстаиванием с последующим сливанием воды или фильтрованием. В обоих случаях вода проходит отдельно от нерастворимого песка. Фильтрование обычно удобнее, если частицы долго оседают.

Железные опилки, песок и поваренная соль

Условие: нужно разделить смесь из трёх веществ. Сразу отфильтровать её нельзя: соль растворяется в воде, а железо и песок остаются твёрдыми частицами. Поэтому важно расположить действия так, чтобы каждый следующий шаг опирался на новое различие свойств.

1. Поднесите магнит и соберите железные опилки: железо притягивается магнитом, а песок и соль остаются.
2. Добавьте к оставшейся смеси воду и перемешайте: соль растворится, песок — нет.
3. Профильтруйте смесь: песок останется на фильтре, солевой раствор пройдёт через него.
4. Выпарите воду из раствора, чтобы получить соль в сосуде.

Ответ: сначала магнитом отделяют железо, затем растворением и фильтрованием отделяют песок от соли, а выпариванием получают соль. На каждом этапе используют отдельное свойство: магнитные свойства, растворимость и способность воды испаряться. Если нужна также чистая вода, вместо простого выпаривания проводят перегонку.

Получить соль и собрать воду

Условие: из раствора соли в воде нужно получить соль и отдельно собрать воду. Простое выпаривание позволит оставить соль в сосуде, но водяной пар уйдёт в окружающий воздух. Значит, нужно не только испарить воду, но и сохранить её для сбора.

1. Нагревайте раствор соли в приборе для перегонки, чтобы вода превратилась в пар.
2. Направьте пар в охлаждаемую часть прибора: при охлаждении он сконденсируется, то есть снова станет жидкостью.
3. Соберите полученную воду в отдельную ёмкость; соль останется в исходном сосуде, поскольку не испаряется вместе с водой при таком разделении.

Ответ: применяют перегонку. Она отличается от простого выпаривания тем, что испарившуюся воду охлаждают и собирают, а при выпаривании обычно получают соль, не сохраняя растворитель. Так удаётся получить оба компонента раздельно.

Типичные ошибки

Считать фильтрование способом отделить растворённое вещество — ошибка: растворённые частицы проходят через обычный фильтр вместе с жидкостью. Её допускают, потому что соль в растворе не видна и кажется похожей на мелкие твёрдые частицы. Проверьте себя: если вещество растворилось, фильтр обычно его не задержит.

Путать выпаривание и перегонку — значит не учитывать, что происходит с паром. При выпаривании растворитель обычно уходит, а при перегонке его охлаждают и собирают в виде жидкости. Перед выбором способа спросите себя, нужно ли получить только растворённое вещество или сохранить ещё и растворитель.

Пытаться разделить магнитом любые твёрдые вещества нельзя: магнит притягивает только подходящие компоненты. Такое заблуждение возникает из-за представления, что магнит действует на все металлы и все твёрдые вещества. Проверьте способ на простом вопросе: притягивается ли нужный компонент к магниту?

Считать, что разделение смеси создаёт новые вещества, тоже неверно. Обычно меняется только то, какие компоненты находятся вместе, потому что методы используют физические свойства, а не превращают вещества друг в друга. Чтобы проверить себя, сравните состав вещества до и после разделения: если он не изменился, произошло физическое разделение, а не образование нового вещества.

Связь с другими темами

Для выбора метода нужно различать смесь и чистое вещество, а также понимать, чем раствор отличается от неоднородной смеси. Вспомните физические свойства: растворимость, плотность, магнитные свойства и температуру кипения. Они подсказывают, какой способ разделения подойдёт в конкретном случае.

Эта тема пригодится при выполнении лабораторных опытов, когда нужно выделить продукт или очистить его от примесей. Те же принципы встречаются в быту и промышленности: выбор метода зависит от состава смеси и нужного результата. Умение объяснять этот выбор помогает не просто запоминать названия способов, а понимать, почему они работают.

Что запомнить

• Способ разделения выбирают по различию свойств компонентов смеси.
• Отстаивание и фильтрование подходят для отделения нерастворимых твёрдых частиц от жидкости.
• Магнитом отделяют только магнитные компоненты смеси.
• Выпариванием можно получить растворённое твёрдое вещество.
• Перегонка позволяет испарить жидкость, сконденсировать пар и собрать жидкий продукт.
• Хроматография разделяет компоненты по различию их перемещения по материалу.