Материал для учащихся
8 класс по теме «Очистка веществ»
Аннотация
В предлагаемом дополнительном материале дана классификация методов разделения и рассмотрены основные способы очистки веществ: отстаивание, фильтрование, выпаривание, кристаллизация, дистилляция, действие магнитом или водой. Рассмотрены природные смеси.
В природе вещества существуют в виде смесей. Для лабораторных исследований, промышленных производств, для нужд фармакологии и медицины нужны чистые вещества. Для различных целей необходимы вещества с различной степенью очистки. Воду для приготовления пищи достаточно отстоять для удаления примесей и хлора, используемого для ее обеззараживания. Воду для питья нужно предварительно прокипятить. А в химических лабораториях для приготовления растворов и проведения опытов, в медицине необходима дистиллированная вода, максимально очищенная от растворенных в ней веществ. Особо чистые вещества, содержание примесей в которых не превышает одной миллионной процента, применяются в электронике, в полупроводниковой, ядерной технике и других точных отраслях промышленности.
Для очистки веществ применяются различные способы разделения смесей:
Эти способы основаны на различиях в физических свойствах компонентов смеси.
Отстаивание
Разделение отстаиванием основано на различных плотностях веществ. Более тяжелый песок оседает на дно. Так же можно разделить и эмульсию: отделить нефть или растительное масло от воды. В лаборатории это можно сделать с помощью делительной воронки. Нефть или растительное масло образует верхний, более легкий слой. В результате отстаивания выпадает роса из тумана, осаждается сажа из дыма, отстаиваются сливки в молоке. Пример смеси - смесь речного песка с водой.
Разделение смеси воды и растительного масла отстаиванием (смотреть видео)
Фильтрование
Разделение гетерогенных (неоднородных) смесей с помощью фильтрования основано на растворимости веществ в воде и на различных размерах частиц. Через поры фильтра проходят лишь соизмеримые с ними частицы веществ, в то время как более крупные частицы задерживаются на фильтре. Так можно разделить гетерогенную смесь поваренной соли и речного песка. В качестве фильтров можно использовать различные пористые вещества: вату, уголь, обожженную глину, прессованное стекло и другие. Способ фильтрования – это основа работы бытовой техники, например пылесосов. Его используют хирурги – марлевые повязки; буровики и рабочие элеваторов – респираторные маски. Пример смеси - смесь песка и поваренной соли в воде.
Разделение смеси крахмала и воды фильтрованием (смотреть видео)
Выпаривание
Этот способ используют для выделения твердых веществ из растворов. Выделить соль из фильтрата можно с помощью выпаривания, т. е. нагреть смесь и вода испарится, а соль останется на фарфоровой чашке.
Кристаллизация
Это процесс выделения твёрдой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов, в химической промышленности процесс кристаллизации используется для получения веществ в чистом виде. Кристаллизация из расплавов и растворов - основной способ образования кристаллов в природе. Так образуются из огненно-жидкого силикатного расплава (магмы) массивные кристаллические породы – граниты. На дне озер, заливов и в море отлагаются кристаллы солей. Из расплавов и растворов выращиваются искусственные кристаллы (например, технические и драгоценные камни: пьезокварц, карборунд, рубин, алмаз, сапфир и др.).
Дистилляция
Это метод разделения жидких веществ с разной температурой кипения. Дистилляция применяется в промышленности и в лабораторной практике для разделения и рафинирования сложных веществ: для разделение смесей органических веществ (например, разделение нефти на бензин, керосин, соляр и др.; получение ароматических веществ в парфюмерии; получение алкогольного спирта) и для получения высокочистых неорганических веществ (например, металлов: бериллий, цинк, магний, кадмий и др.).
Пример смеси - раствор соли в воде
Разделение однородных смесей (смотреть видео)
Действие магнитом или водой
Если в смеси присутствует вещество, способное к намагничиванию, то его легко выделить в чистом виде с помощью магнита, т. е. воспользоваться разницей в физических свойствах веществ. Такими свойствами могут быть удельный вес, способность намагничиваться или смачиваться водой. Например, так можно разделить смесь порошков серы и железа. Еще один способ разделения смеси серы и железа основан на разнице в смачиваемости и плотности этих веществ. Сера тяжелее воды, но не смачивается ею, порошок серы всплывает на поверхность. Железо тяжелее воды и смачивается ею, поэтому остается на дне. Такой способ разделения смесей называется флотацией. («Флотация» — слово, родственное слову «флот») Флотация применяется в горном деле: с помощью флотации обогащают руды — отделяют лишнюю породу.
Пример смеси - смесь порошка железа и серы
Разделение смеси серы и железа с помощью магнита и воды (смотреть видео)
Природные смеси.
Воздух — естественная смесь газов (главным образом азота и кислорода — 98-99 % в сумме, а также углекислого газа, воды, водорода и пр.) образующая земную атмосферу. Воздух необходим для нормального существования подавляющего числа наземных живых организмов: кислород, содержащийся в воздухе, в процессе дыхания поступает в клетки организма и используется в процессе окисления, в результате которого происходит выделение необходимой для жизни энергии (метаболизм, аэробы). В промышленности и в быту кислород воздуха используется для сжигания топлива с целью получения тепла и механической энергии в двигателях внутреннего сгорания. Из воздуха, используя метод сжижения, добывают инертные газы. В 1754 году Джозеф Блэк экспериментально доказал, что воздух представляет собой смесь газов, а не однородное вещество.
Состав воздуха: | |||
Вещество | Обозначение | По объёму, % | По массе, % |
Азот | N2 | 78,084 | 75,50 |
Кислород | O2 | 20,9476 | 23,15 |
Аргон | Ar | 0,934 | 1,292 |
Углекислый газ | CO2 | 0,0314 | 0,046 |
Неон | Ne | 0,001818 | 0,0014 |
Метан | CH4 | 0,0002 | 0,000084 |
Гелий | He | 0,000524 | 0,000073 |
Криптон | Kr | 0,000114 | 0,003 |
Водород | H2 | 0,00005 | 0,00008 |
Ксенон | Xe | 0,0000087 | 0,00004 |
Природный газ – смесь газов, образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ. Природный газ относится к полезным ископаемым. Природный газ в естественных условиях находится в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо в растворённом состоянии в нефти или воде. При стандартных условиях (101,325 кПа и 20°C) природный газ находится только в газообразном состоянии. Сэр Гемфри Дэви (ученый-химик) еще в 1813 г. заключил из своих анализов, что рудничный газ есть смесь метана CH4 с небольшим количеством азота N2 и углекислого газа СО2 – то есть, что он качественно тождественен по составу с газом, выделяющимся из болот. Основную часть природного газа составляет метан (CH4) – от 92 до 98 %. В состав природного газа могут также входить более тяжёлые углеводороды – гомологи метана: этан (C2H6), пропан (C3H8), бутан (C4H10); а также другие неорганические вещества: водород (H2), сероводород (H2S), диоксид углерода (СО2), азот (N2), гелий (Не).
Нефть – горючая маслянистая жидкость, представляющая смесь около 1000 индивидуальных веществ, из которых большая часть – жидкие углеводороды (> 500 или обычно 80-90% по массе) и гетероатомные органические соединения (4-5%), преимущественно сернистые (около 250), азотистые (> 30) и кислородные (около 85), а также металлоорганические соединения (в основном ванадиевые и никелевые); остальные компоненты — растворённые углеводородные газы (C1-C4, от десятых долей до 4%), вода (от следов до 10%), минеральные соли (главным образом хлориды, 0,1-4000 мг/л и более), растворы солей органических кислот и др., механические примеси (частицы глины, песка, известняка).
Элементный состав нефти (%): С – 82-87, Н – 11-14,5, S – 0,01-6 (редко до 8), N – 0,001-1,8, O – 0,005-0,35 (редко до 1,2) и др. Всего в нефти обнаружено более 50 элементов. Так, наряду с упомянутыми, в нефти присутствуют V (10-5-10-2%), Ni (10-4-10-3%), Cl (от следов до 2•10-2%) и т. д. Содержание указанных соединений и примесей в сырье разных месторождений колеблется в широких пределах, поэтому говорить о среднем химическом составе нефти можно только условно.
Природная вода – это смесь, которая имеет в своем составе растворенные газы и разнообразные химические соединения. Химический состав природных вод разнообразен. Воды Мирового океана отличаются от пресных вод степенью минерализации. В тоже время, воды морей могут различаться как по химическому составу, так и по степени минерализации. Состав пресных вод зависит от условий его формирования. Наиболее чиста природная вода – дождевая вода, но и она взаимодействует с находящимися в атмосфере веществами, поэтому проливается уже с небольшим количеством растворенных и взвешенных веществ: N2, О2, CO2, SO2 и т. д.
Подземные воды бывают солеными, солоноватыми (меньшей солености) и пресными; существующие геотермальные воды имеют повышенную температуру (более 30°С). Основную массу растворенных веществ составляют четыре катиона (Са2+ , Mg2+ , Na+, К+) и три аниона (НСО3– , Сl– и SO42–).
