§ 16. Разделение смесей

Определения и обозначения

Разделение смесей — выделение из смеси её компонентов, основанное на различии их свойств. Иными словами, вещества не превращают в новые, а используют то, что они по-разному ведут себя при определённых условиях. Это понятие помогает понять, почему сначала нужно изучить состав смеси, а потом выбирать способ разделения.

Отстаивание — разделение неоднородной смеси, при котором более плотные частицы оседают под действием силы тяжести. Например, если дать воде с песком постоять, песчинки постепенно опустятся на дно. Этот способ нужен, когда частицы или слои могут разделиться сами, без фильтра и нагревания.

Фильтрование — отделение нерастворимых твёрдых частиц от жидкости с помощью фильтра. Его поры пропускают жидкость, но задерживают достаточно крупные частицы, которые в ней не растворились. Фильтрование удобно, когда нужно быстро очистить жидкость от взвешенного твёрдого вещества.

Перегонка — разделение смеси жидкостей или выделение жидкости из раствора испарением с последующей конденсацией пара. Конденсацией называют превращение пара обратно в жидкость при охлаждении. Перегонка нужна, если требуется не только удалить жидкость, но и собрать её отдельно.

Как это устроено

Выбор способа разделения зависит от различий между компонентами: размера частиц, плотности, растворимости или температуры кипения. Эти свойства влияют на то, будет ли вещество оседать, проходить через фильтр, растворяться или испаряться раньше другого. Поэтому один универсальный метод не подходит для всех смесей. Сначала полезно спросить себя, что именно отличает вещества друг от друга.

При отстаивании неоднородная смесь некоторое время остаётся неподвижной, и её компоненты начинают распределяться по-разному. Более плотные твёрдые частицы оседают, потому что сила тяжести тянет их вниз, а жидкость их не удерживает. В смеси несмешивающихся жидкостей разная плотность может привести к образованию слоёв: более плотная жидкость окажется ниже. Если компоненты хорошо перемешиваются и не оседают, ожидание не поможет.

При фильтровании смесь пропускают через материал с мелкими порами. Жидкость и растворённые в ней частицы проходят сквозь поры, а нерастворимые твёрдые частицы задерживаются. Именно поэтому фильтр отделяет песок от воды, но не удаляет из воды растворённую соль: её частицы распределены в жидкости и проходят вместе с ней. Чтобы разделить раствор, нужно использовать свойство, отличное от размера нерастворимых частиц.

Выпаривание и перегонка начинаются с нагревания: растворитель превращается в пар, потому что получает тепло. При выпаривании пар обычно уходит, а растворённое твёрдое вещество остаётся в ёмкости. При перегонке пар направляют в более холодную часть установки, где он конденсируется, и собирают получившуюся жидкость. Различие температур кипения позволяет компонентам испаряться при неодинаковых условиях, поэтому перегонкой можно разделять жидкости или выделять жидкость из раствора.

Магнитное разделение основано на способности одного из компонентов притягиваться к магниту, а другого — нет. Магнитом можно извлечь магнитные частицы из смеси с немагнитным веществом, но метод бесполезен, если ни один компонент не притягивается. Хроматография использует другое различие: вещества неодинаково взаимодействуют с поверхностью и растворителем, поэтому перемещаются с разной скоростью. Из-за этого компоненты смеси разделяются на отдельные участки.

Способы разделения смесей и их применение

Пользуйся таблицей так: определи, какие вещества входят в смесь, и найди различие, которое можно использовать. Затем выбери соответствующий способ и проверь, что именно получится: осадок, очищенная жидкость, твёрдое вещество или собранная жидкость. Например, если нужно сохранить растворитель, выбирай перегонку, а не обычное выпаривание.

Разбор задач

Как отделить песок от воды?

Сначала определим свойства компонентов. Песок в воде не растворяется, а значит, смесь неоднородная и состоит из жидкости с твёрдыми частицами. Для такой смеси подходит фильтрование: поры фильтра пропустят воду, но задержат песчинки.

1. Подготовить фильтр и поместить его в воронку. Убедиться, что фильтр не порван и подходит по размеру.
2. Медленно перелить смесь через фильтр. Вода пройдёт в ёмкость, а песок останется на фильтре.
3. Проверить результат: в прошедшей жидкости не должно быть видимых частиц песка. Если песок нужно собрать, его можно снять с фильтра после отделения воды.

Ответ: песок от воды отделяют фильтрованием, потому что песок не растворяется и задерживается фильтром.

Как получить соль из раствора поваренной соли в воде?

В этом случае соль уже растворена, поэтому её частицы проходят через фильтр вместе с водой. Значит, фильтрование не даст нужного результата. Чтобы получить твёрдую соль, нужно удалить воду: при нагревании она испарится, а соль останется.

1. Налить раствор в подходящую ёмкость. Нагревать его следует осторожно, не наклоняясь над ёмкостью и соблюдая правила безопасности.
2. Продолжать нагревание, пока вода не испарится. При обычном выпаривании пар не собирают, поэтому он уходит в окружающий воздух.
3. Дать ёмкости остыть и проверить остаток. На дне останется твёрдая соль, но воду этим способом отдельно получить нельзя.

Ответ: воду из раствора выпаривают, а поваренная соль остаётся в ёмкости.

Как разделить смесь воды и спирта и собрать воду отдельно?

Вода и спирт — жидкости, поэтому фильтр не сможет разделить их. Чтобы собрать воду, нужно учитывать различие температур кипения: спирт закипает при более низкой температуре, чем вода, и испаряется раньше. Перегонка позволяет направить пар в холодную часть установки и получить жидкость после его конденсации.

1. Поместить смесь в перегонную установку и начать нагревание. Следить за температурой и соблюдать правила безопасности при работе с нагревательными приборами.
2. При нагревании первым преимущественно испаряется спирт, поскольку его температура кипения ниже. Если требуется собрать именно воду, перегонку продолжают и направляют соответствующий водяной пар в холодильник установки.
3. Охладить пар и собрать конденсат в отдельную ёмкость. Чтобы получить более чистую воду, важно правильно вести перегонку и не смешать собранные порции.

Ответ: используют перегонку, основанную на различии температур кипения и последующей конденсации пара.

Типичные ошибки

Пытаться отделить растворённую соль фильтрованием — ошибка, потому что соль проходит через поры вместе с водой. Её допускают, представляя раствор как смесь крупных частиц, которые можно задержать. Проверь себя: если вещество растворилось и раствор выглядит однородным, обычный фильтр его не отделит; воду нужно выпарить или перегнать.

Считать, что при выпаривании можно собрать растворитель, — значит путать его с перегонкой. При обычном выпаривании пар не направляют в охлаждаемое устройство, поэтому он теряется. Проверь, что требуется получить: если нужен только растворённый твёрдый остаток, подойдёт выпаривание, а если нужно сохранить жидкость, понадобится перегонка.

Отстаивание и фильтрование — не одно и то же. При отстаивании частицы оседают сами, а при фильтровании смесь пропускают через фильтр; эти способы могут дать похожий результат, но работают по-разному. Проверь себя вопросом: нужно ли пропускать смесь через пористый материал? Если нет, а осадок образуется при ожидании, речь идёт об отстаивании.

Выбирать способ, не учитывая свойства компонентов, тоже неверно. Например, магнит не отделит вещества, которые к нему не притягиваются, даже если приложить его надолго. Перед выбором проверь, какое именно различие использует метод: растворимость, плотность, температура кипения или магнитные свойства. Если такого различия нет, способ не сработает.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в разделении, нужно отличать чистые вещества от смесей, а однородные смеси — от неоднородных. Понимание растворимости, плотности и температур кипения объясняет, почему одни компоненты проходят через фильтр, другие оседают, а третьи испаряются при нагревании. Эти знания применяют в лабораторных опытах, при очистке воды и при получении веществ из природного сырья. Значит, свойства веществ помогают решать практические задачи, а не только описывать смеси.

Что запомнить

• Способ разделения выбирают по различию свойств компонентов смеси.
• Отстаивание подходит для неоднородных смесей, компоненты которых оседают или образуют слои.
• Фильтрование отделяет нерастворимые твёрдые частицы от жидкости.
• Выпариванием получают растворённое твёрдое вещество, удаляя растворитель.
• Перегонка позволяет испарить и затем сконденсировать жидкость.
• Магнитом можно отделить только компоненты, обладающие магнитными свойствами.