Приготовление смесей и способы их разделения

Изучая химию, я узнала, что чистых веществ в природе, технике, быту очень мало. Гораздо чаще встречаются смеси – сочетания двух или более компонентов, химически друг с другом не связанных. Смеси различаются величиной входящих в их состав частиц веществ, а также агрегатным состоянием компонентов. Для химических исследований необходимы чистые вещества. А как же их получить или выделить из смеси? На этот вопрос я и пыталась ответить в своей работе.

В повседневной жизни нас окружают смеси веществ. Воздух, которым мы дышим, пища, которую потребляем, вода – которую пьём, и даже мы сами – всё это с точки зрения химии смеси, содержащие от 2-3 до многих тысяч веществ.

Смеси – это системы, состоящие из нескольких компонентов, химически друг с другом не связанных. Смеси различают величиной входящих в их состав частиц веществ. Иногда эти частицы настолько велики, что их можно видеть невооружённым глазом. К подобным смесям, например, можно отнести стиральный порошок, кулинарные смеси для выпечки, строительные смеси. Порой частицы компонентов в смесях более мелкие, неразличимые глазом. Например, в состав муки входят крупицы крахмала и белка, которые невозможно различить невооружённым глазом. Молоко – это тоже водная смесь, в которой содержатся маленькие капельки жира, белок, лактоза и другие вещества. Увидеть капельки жира в молоке можно, если рассмотреть каплю молока под микроскопом. Агрегатное состояние веществ в смесях может быть различным. Зубная паста, например, - это смесь твёрдых и жидких составляющих. Есть смеси, при образовании которых вещества настолько «проникают друг в друга», что разбиваются на мельчайшие частицы, не различимые даже под микроскопом. Как бы мы не всматривались в воздух, различить составляющие его газы нам не удастся.

Таким образом, смеси классифицируются:

Смеси, в которых частички веществ, составляющие смесь, видны невооружённым глазом или под микроскопом, называются неоднородными или гетерогенными.

Смеси, в которых даже с помощью микроскопа нельзя увидеть частицы веществ, составляющих смесь, называются однородными или гомогенными.

Однородные смеси по агрегатному состоянию делятся: на газообразные, жидкие и твёрдые. Смесь любых газов гомогенна. Например, чистый воздух – это гомогенная смесь азота, кислорода, углекислого и благородных газов. А вот пыльный воздух – это уже гетерогенная смесь тех же газов, только содержащая ещё и частицы пыли. К жидким природным смесям относится нефть. В её состав входят сотни различных компонентов. Безусловно, самой распространённой жидкой смесью, а точнее раствором, является вода морей и океанов. В 1 литре морской воды содержится в среднем 35 грамм различных солей. С жидкими смесями в повседневной жизни мы встречаемся постоянно. Шампуни и напитки, микстуры и препараты бытовой химии – всё это смеси веществ. Даже воду из-под крана нельзя считать чистым веществом: в ней содержатся растворённые соли, мельчайшие нерастворимые примеси, а также микроорганизмы, которые обеззараживают хлорированием. Широко распространены и твёрдые смеси. Горные породы представляют собой смесь нескольких веществ. Почва, песок, глина – это твёрдые смеси. К твёрдым смесям можно отнести стекло, керамику, сплавы.

Химики составляют смеси простым перемешиванием различных веществ – составных частей, свойства которых могут быть различны. Важно, что в смесях сохраняются свойства их составных частей. Так, например, серая краска получается при смешивании чёрной и белой. Хотя мы и видим серый цвет, это не означает, что все частицы такой серой краски имеют серый цвет. Под микроскопом обязательно обнаружатся частицы чёрного и белого цветов, из которых состояли чёрная и белая краски.

Разделение смесей на составные части (индивидуальные вещества) – задача более сложная, чем приготовление смесей, но не менее важная. Важнейшие способы разделения смесей могут быть отражены схемой:

Применяя различные способы разделения смесей (отстаивание, фильтрование, перегонку, вымораживание и другие), получают масло из молока, золото – из речного песка, спирт – из браги, очищают воду от нерастворимых и растворимых примесей.

Для химических лабораторий и промышленности часто требуются чистые вещества. Чистыми называют вещества, которые обладают постоянными физическими свойствами, например дистиллированная вода. (Практически абсолютно чистые вещества не получены. )

Существуют различные способы разделения смесей. Ознакомимся более подробно с этими способами.

Выделение из неоднородной смеси.

1. Отстаивание.

а) Выделение веществ неоднородной смеси, образованной нерастворимыми в воде веществами с различной плотностью. Например, железные опилки от древесных можно отделить, взбалтывая эту смесь с водой, а затем отстаивая. Железные опилки опускаются на дно сосуда, а древесные всплывают, и их вместе с водой можно слить.

б) Некоторые вещества осаждаются в воде с различной скоростью. Если взболтать с водой глину с примесью песка, то песок оседает значительно быстрее. Этот способ используется в керамическом производстве для отделения песка от глины (производство красных кирпичей, глиняной посуды и др. ) в) Разделение смеси малорастворимых друг в друге жидкостей с различной плотностью. Смеси бензина с водой, нефти с водой, растительного масла с водой быстро расслаиваются, поэтому их можно разделить с помощью делительной воронки или колонки. Иногда жидкости с различной плотностью отделяют центрифугированием, например сливки от молока.

2. Фильтрование.

Выделение веществ из неоднородной смеси, образованной растворимыми в воде веществами.

Для выделения поваренной соли смесь её с песком взбалтывают в воде. Поваренная соль растворяется, а песок оседает.

Чтобы ускорить отделение нерастворимых частиц из раствора, смесь фильтруют. Песок остается на фильтровальной бумаге, а прозрачный раствор поваренной соли проходит через фильтр.

3. Действие магнитом.

Выделение из неоднородной смеси веществ, способных к намагничиванию. Если имеется, например, смесь порошков железы и серы, то их можно разделить при помощи магнита.

Выделение веществ из однородной смеси.

4. Выпаривание. Кристаллизация.

Чтобы растворенное вещество, например, поваренную соль, выделить из раствора, последний выпаривают. Вода испаряется, а в фарфоровой чашке остается поваренная соль. Иногда применяют упаривание, т. е. частичное испарение воды. В результате образуется более концентрированный раствор, при охлаждении которого растворенное вещество выделяется в виде кристаллов. Этот способ очистки веществ называют кристаллизацией.

5. Дистилляция.

Это способ разделения смесей основан на различии в температурах кипения растворимых друг в друге компонентов.

Дистилляция (перегонка) – прием разделения однородных смесей путем испарения летучих жидкостей с последующей конденсацией их паров. Например, получение дистиллированной воды.

Для этого воду с растворенными в ней веществами кипятят в одном сосуде. Образующиеся водяные пары конденсируются в другом сосуде в виде дистиллированной воды.

6. Хроматография.

Этот способ основан на том, что отдельные вещества с различной скоростью поглощаются (связываются) поверхностью другого вещества.

С сущностью этого способа можно познакомиться на следующем опыте.

Если полоску из фильтровальной бумаги подвесить над сосудом с красными чернилами и погрузить в них лишь конец полоски, то можно заметить, что раствор будет впитываться бумагой и подниматься по ней. Однако граница подъема краски будет отставать от границы подъема воды. Таким образом, происходит разделение двух веществ: воды и красящего вещества, придающего раствору красный цвет.

Экспериментальная часть.

Правила техники безопасности в домашней лаборатории.

Представить себе химию без химических опытов невозможно. Поэтому изучить эту науку, понять её законы и, конечно, полюбить её можно только через эксперимент. Сложилось мнение, что химический эксперимент – это сложное оборудование и недоступные реактивы, ядовитые соединения и страшные взрывы и для занятий химией необходимы особые условия. Тем не менее, более 300 химических опытов с самыми различными веществами можно выполнить в домашних условиях. В связи с тем, что в домашней лаборатории нет вытяжного шкафа и других специальных устройств, необходимо строго соблюдать правила техники безопасности:

1. Запрещается проводить опыты с ядовитыми и опасными веществами.

2. Нельзя накапливать и хранить дома большие количества реактивов.

3. Химические реактивы и вещества должны иметь этикетки с названиями, концентрацией и сроком изготовления.

4. Химические вещества нельзя пробовать на вкус.

5. Для определения запаха нельзя сосуд с веществом близко подносить к лицу. Нужно ладонью руки сделать несколько плавных взмахов от отверстия сосуда к носу.

6. Если пролилась кислота или щелочь, то вещество предварительно нейтрализуют или засыпают песком и удаляют тряпкой или собирают в совок.

7. Перед проведением эксперимента, каким бы простым он ни казался, нужно внимательно прочесть описание опыта и понять свойства применяемых веществ. Для этого есть учебники, справочники и другая литература.

Опыт №1. Разделение гетерогенных смесей.

А) Приготовить гетерогенную смесь песка и железного порошка.

Цель эксперимента: научиться разделять гетерогенные смеси разными способами.

Оборудование: речной песок, железный порошок, магнит, два химических стакана.

Методика проведения эксперимента:

В химический стакан внести по одной столовой ложке железного порошка и речного песка, осторожно перемешать смесь до равномерно окрашенного продукта. Отметить его цвет и испытать его магнитные свойства, поднося магнит к внешней стороне стакана. Определить какие вещества придают смеси цвет и магнитные свойства. Разделим приготовленную гетерогенную смесь с помощью магнита. Для этого поднесём к внешней стенке стакана магнит, и слегка постукивая магнитом по внешней стенке, соберём железный порошок на внутренней стенке стакана. Удерживая железо магнитом на внутренней стенке стакана, пересыпаем песок в другой стакан. Данные опыта заносим в таблицу.

Б) Приготовить смесь поваренной соли, земли и стружек, образующихся после заточки карандаша.

Оборудование: поваренная соль, земля, стружки после заточки карандаша, стакан, вода, фильтр, ложка, сковорода.

Методика проведения эксперимента:

Приготовьте смесь, перемешав по одной чайной ложке поваренной соли, земли и карандашных стружек. Растворите полученную смесь в стакане воды, всплывшие стружки удалите шумовкой и положите для сушки на лист бумаги. Изготовьте фильтр из бинта или марли, сложив 3-4 слоя, и не туго натяните его на другой стакан. Профильтруйте смесь. Фильтр с оставшейся землёй высушите, затем счистите её с фильтра. Отфильтрованную жидкость (фильтрат) перелейте из стакана в эмалированную миску или сковороду и выпарьте. Выделившиеся кристаллики соли соберите. Сравните количества веществ до и после проделанных опытов.

Опыт №2. Разделение гомогенных смесей методом бумажной хроматографии.

А) Разделить гомогенную смесь красного и зелёного красителя.

Оборудование: полоска фильтровальной бумаги, химический стакан, пробка на стакан, фломастеры красный и зелёный, спирт (70% водный раствор).

Методика проведения эксперимента:

Взять полоску фильтровальной бумаги, длина которой на 2-3 см больше высоты химического стакана. На середине этой полоски отметить простым карандашом точку, отступив от края 1. 5 см. В отмеченную точку нанести фломастерами пятна красителей диаметром не более 5 мм. Сначала сделать точку размером 1-2 мм красным фломастером, а затем поверх красного пятнышка нанести зелёное так, чтобы зелёное пятнышко выступало за границу красного примерно на 1 мм. Дать пятну смеси просохнуть (1-2 минуты) и затем осторожно, чтобы не повредить бумагу, обвести его простым карандашом по контуру.

В химический стакан налить спирт слоем 0,5-1 см. Поместить вертикально бумажную полоску с пятном смеси красителей в стакан и отогнуть выступающую часть полоски к наружной поверхности стакана. Пятно красителей должно быть над жидкостью на расстоянии 0,5 см. Накрыть стакан перевёрнутой пробкой. Наблюдать смачивание полоски бумаги и движение окрашенного пятна вверх с разделением его на два пятна. Для полного разделения смеси красителей потребуется около 20 минут. После того, как бумага полностью пропитается спиртом, вынуть её и дать просохнуть 5-10 минут. Отметить цвета разделения пятен. Результаты наблюдений занести в таблицу.

Б) Разделите методом хроматографии на бумаге следующие смеси: спиртовой раствор «зелёнки»; водный раствор чёрной туши для чертёжных работ.

Цель эксперимента: освоить метод бумажной хроматографии, научиться определять разницу между чистыми веществами и смесями.

Оборудование: химический стакан, полоска фильтровальной или промокательной бумаги, спиртовой раствор «зелёнки», водный раствор туши для чертёжных работ.

Методика проведения эксперимента:

Полоску из фильтровальной бумаги необходимо подвесить над сосудом с раствором «зелёнки» и чёрной туши так, чтобы бумага только касалась раствора.

Граница подъёма «зелёнки» и красящего вещества будут отставать от границы подъёма спирта и воды соответственно. Таким образом, происходит разделение двух веществ в составе однородных смесей: а) спирта и бриллиантового зелёного, б) воды и красящего вещества.

Опыт №3. Диффузия.

Цель эксперимента: изучить на практике процесс диффузии.

Оборудование: желатин пищевой, марганцовка, медный купорос, вода, кастрюля, ложечка из нержавеющей стали для перемешивания, электрическая или газовая плитка, пинцет, два прозрачных пузырька.

Методика проведения эксперимента:

Чайную ложечку желатина опустите в стакан с холодной водой и оставьте на час-другой, чтобы порошок успел набухнуть. Перелейте смесь в маленькую кастрюльку. Нагревайте смесь на слабом огне; следите, чтобы она ни в коем случае не закипела! Размешивайте содержимое кастрюльки до тех пор, пока желатин полностью не растворится. Горячий раствор перелейте в два пузырька. Когда он остынет, в середину одного из пузырьков быстрым и осторожным движением введите пинцет, в котором зажат кристаллик марганцовки. Слегка разожмите пинцет и быстро выньте его. В другой пузырёк внесите кристаллик медного купороса. Желатин замедляет процесс диффузии, и несколько часов подряд вы сможете наблюдать очень интересную картину: вокруг кристалликов будет расти окрашенный шар.

Опыт №4. Разделение гомогенных смесей методом кристаллизации.

Вырастить кристалл или кристаллы из насыщенного раствора поваренной соли, медного купороса или алюмокалиевых квасцов.

Цель эксперимента: научиться приготавливать насыщенный раствор поваренной соли или других веществ, выращивать кристаллы различных размеров, закрепить умения и навыки при работе с веществами и химическим оборудованием.

Оборудование: стакан и литровая банка для приготовления раствора, деревянная ложка или палочка для перемешивания, соль для эксперимента – поваренная соль, медный купорос или квасцы, горячая вода, затравка – кристаллик соли, подвешенный на нитке, воронка и фильтровальная бумага.

Методика проведения эксперимента:

Приготовьте насыщенный раствор соли. Для этого сначала налейте в банку горячей воды до половины её объёма, затем порциями добавляйте соответствующую соль, постоянно перемешивая. Добавляйте соли до тех пор, пока она не перестанет растворяться. Отфильтруйте полученный раствор в стакан через воронку с фильтровальной бумагой или ватой и оставьте раствор остывать на 2-3 часа. Внесите в остывший раствор затравку – кристаллик соли, подвешенный на нити, осторожно накройте раствор крышкой и оставьте на продолжительное время (2-3 дня и более).

Результаты работы и выводы:

Изучите свой кристалл и ответьте на вопросы:

• Сколько дней вы выращивали кристалл?

• Какова его форма?

• Какого цвета кристалл?

• Прозрачный он или нет?

• Каковы размеры кристалла: высота, ширина, толщина?

• Какова масса кристалла?

Зарисуйте или сфотографируйте свой кристалл.

Опыт №5. Разделение гомогенных смесей методом дистилляции.

Получить в домашних условиях 50 мл дистиллированной воды.

Цель эксперимента: научиться разделять однородные смеси методом дистилляции.

Оборудование: эмалированный чайник, две стеклянные банки.

Методика проведения эксперимента:

Налейте в эмалированный чайник на 1/3 объёма воды и поставьте на газовую плиту так, чтобы носик чайника выступал за край плиты. Когда вода закипит, нацепите на носик чайника стеклянную банку-холодильник, под которую приспособьте вторую банку для сбора конденсата. Для того чтобы банка-холодильник не перегревалась, на неё можно класть смоченную холодной водой салфетку.

Результаты работы и выводы:

Ответьте на поставленные вопросы:

• Что представляет собой водопроводная вода?

• Какими способами разделяют однородные смеси?

• Что представляет собой дистиллированная вода? Где и в каких целях она используется?

Зарисуйте проделанный вами опыт.

Опыт №6. Извлечение крахмала из картофеля.

Получить в домашних условиях небольшое количество крахмала.

Цель эксперимента: научиться извлекать вещества из растительного сырья.

Оборудование: 2-3 картофелины, тёрка, марля, небольшая кастрюлька, вода.

Методика проведения эксперимента:

Очищенный картофель натрите на мелкой тёрке и полученную массу размешайте в воде. Затем профильтруйте её через марлю и отожмите. Остаток массы в марле вновь перемешайте с водой. Дайте жидкости отстояться. Крахмал осядет на дно посуды. Слейте жидкость, а осевший крахмал вновь размешайте. Повторите операцию несколько раз, пока крахмал не станет совершенно чистым и белым. Профильтруйте и просушите получившийся крахмал.

Как вы думаете, из какого картофеля больше получится крахмала: из молодого (который недавно выкопали) или старого (который всю зиму находился в овощехранилище)?

Опыт №7. Извлечение сахара из сахарной свёклы.

Получить в домашних условиях небольшое количество сахара.

Цель эксперимента: научиться извлекать вещества из растительного сырья.

Оборудование: большая сахарная свёкла, активированный уголь, речной песок, кастрюлька, две банки, вата, ложка, воронка, марля.

Методика проведения эксперимента:

Разрежьте на небольшие кусочки свёклу, положите их в кастрюльку, налейте в неё стакан воды и кипятите 15-20 минут. Ломтики сваренной свёклы тщательно разотрите ложкой или пестиком. Эту массу тёмного цвета профильтруйте через воронку, в которой находится вата. Затем полученный раствор отфильтруйте через воронку, подготовленную специальным образом. В неё положите кусочек марли, на марлю – тонкий слой ваты, потом измельчённый активированный уголь (4-5 таблеток) и тонкий слой (1 см) чистого речного песка (речной песок заранее промыть и высушить). Полученный раствор (фильтрат) поместите в кастрюльку. Нужно выпарить его часть до появления прозрачных кристаллов. Это и есть сахар. Попробуйте его на вкус!

Как вы думаете, зачем нужна фильтрация жидкости через слой активированного угля?

Опыт №8. Извлечение творога из молока.

Получите несколько грамм творога в домашних условиях.

Цель эксперимента: научиться изготавливать творог в домашних условиях.

Оборудование: молоко, уксус, кастрюлька, марля, газовая плита.

Методика проведения эксперимента:

В молоке есть белок. Если молоко закипает, «убегает» через край, то при этом сразу же распространяется характерный для жжёного белка запах. Появление характерного запаха жжёного молока свидетельствует о том, что произошло явление денатурации (сворачивание белка и переход его в нерастворимую форму). Денатурация белка происходит не только из-за нагревания.

Проведём следующий опыт. Подогреем полстакана молока так, чтобы оно стало чуть тёплым, и добавим уксус. Молоко тот час же свернётся, образуя большие хлопья. (Если молоко оставить в тёплом месте, то белок тоже сворачивается, но уже по другой причине – это «работают» молочно-кислые бактерии). Содержимое кастрюльки отфильтровывают через марлю, придерживая её за края. Если потом соединить края марли, приподнять над стаканом и отжать, то на ней останется густая масса – творог.

Опыт №9. Получение сливочного масла.

Получить в домашних условиях небольшое количество сливочного масла.

Цель эксперимента: научиться в домашних условиях извлекать сливочное масло из молока.

Оборудование: молоко, стеклянная банка, небольшой прозрачный пузырёк с пробкой или плотно закрывающейся крышкой.

Методика проведения эксперимента:

Налейте в стеклянную банку свежего молока, поставьте её в холодильник. Через несколько часов, а лучше на следующий день посмотрите внимательно: что произошло с молоком? Объясните наблюдаемое.

Маленькой ложечкой осторожно соберите сливки (верхний слой молока) и перенесите их в пузырёк. Если необходимо сделать масло из сливок, то придётся долго и терпеливо встряхивать их в течение хотя бы получаса в пузырьке, закрытом крышкой, пока не образуется масляный комочек.

Опыт №10. Экстракция.

Провести на практике процесс экстракции.

Цель эксперимента: осуществить практически процесс экстракции.

А) Оборудование: семечки подсолнуха, бензин, пробирка, блюдце, ступка с пестиком.

Методика проведения эксперимента:

Измельчите в ступке несколько штук семечек подсолнуха. Измельчённые семечки переложите в пробирку, и залейте небольшим количеством бензина, хорошо встряхните несколько раз. Дадим пробирке постоять часа два (подальше от огня), не забывая время от времени её встряхивать. Слейте бензин на блюдце и выставьте на балкон. Когда бензин испарится, на дне останется немного масла, которое растворилось в бензине.

Б) Оборудование: йодная настойка, вода, бензин, пробирка.

Методика проведения эксперимента:

Бензином можно извлечь также йод из аптечной йодной настойки. Для этого налейте в пробирку воды на треть, добавьте примерно 1мл йодной настойки и к образовавшемуся буроватому раствору прилейте столько же бензина. Встряхните пробирку и оставьте её в покое. Когда смесь расслоится, то верхний бензиновый слой станет тёмно-бурым, а нижний, водный, - почти бесцветным: ведь йод в воде растворяется плохо, а в бензине – хорошо.

Что такое – экстракция? Процесс разделения смеси жидких или твёрдых веществ с помощью экстрагирования – избирательного растворения в определённых жидкостях (экстрагентах) того или иного компонента смеси. Чаще всего экстрагируют вещества из водных растворов органическими растворителями, обычно не смешивающимися с водой. Главные требования к экстрагентам: селективность (избирательность действия), нетоксичность, возможно малая летучесть, химическая инертность и низкая стоимость. Экстракцией пользуются в химической промышленности, нефтепереработке, производстве лекарств и особенно широко в цветной металлургии

Заключение.

Выводы по работе.

При выполнении этой работы я научилась готовить гетерогенные и гомогенные смеси, проводила исследование свойств веществ и выяснила, что при простом составлении смеси из двух компонентов эти вещества не передают своих свойств друг другу, а сохраняют их при себе. На свойствах исходных компонентов (таких как: летучесть, агрегатное состояние, способность к намагничиванию, растворимость в воде, размер частиц и другие) основаны и способы их разделения. При выполнении учебного исследования, я освоила следующие методики разделения гетерогенных смесей: действие магнитом, отстаивание, фильтрование и гомогенных смесей: выпаривания, кристаллизации, дистилляции, хроматографии, экстракции. Мне удалось выделить из пищевых продуктов чистые вещества: сахар из сахарной свёклы, крахмал из картофеля, творог и сливочное масло из молока. Я поняла, что химия – это очень интересная и познавательная наука, и что знания, полученные на уроках химии и во внеурочное время очень пригодятся мне в жизни.

Результаты разделения смеси железа и песка.

опыт №1 №1 №1 №2 №2

вещество железо песок смесь часть 1 часть 2

цвет серый жёлтый серо-жёлтая серый жёлтый притяжение к магниту есть нет есть есть нет вывод свойства железа и свойства железа и смеси присущи выделенное вещество - выделенное вещество -

песка различны песка различны свойства и железа, и железо песок песка

Результаты разделения красителей на бумаге.

опыт №1 №2 вещество смесь красителей до разделения смесь красителей после разделения цвет чёрный краситель №1 – красный краситель №2 - зелёный вывод данная смесь является гомогенной. смесь разделена на два исходных вещества; это красный и зелёный красители.