Смеси и способы их разделения: от фильтрования до хроматографии

Воздух, морская вода, нефть, молоко, гранит, сталь — всё это смеси. Чистые вещества в природе встречаются редко, а для работы химику нужно именно чистое вещество с известными свойствами. Поэтому одна из первых задач химии — понять, чем смесь отличается от чистого вещества, как описать её состав и как разделить её на компоненты. В этой статье материал изложен по порядку: чистое вещество и его признаки → смеси и их классификация (однородные и неоднородные, дисперсные системы) → способы выражения состава смеси → общий принцип разделения → способы разделения, сгруппированные по свойству, на котором они основаны → составление плана разделения → разделение смесей в промышленности → типичные ошибки → раздел для олимпиад → задания с разбором.

• 1. Чистое вещество
• 2. Смесь и её отличие от соединения
• 3. Однородные и неоднородные смеси
• 4. Дисперсные системы
• 5. Как выразить состав смеси
• 6. Принцип разделения
• 7. Способы разделения
• 8. Как составить план разделения
• 9. Разделение смесей в промышленности
• 10. Типичные ошибки
• 11. Для олимпиад
• Задания с разбором

1. Чистое вещество

Чистое вещество состоит из частиц одного вида (молекул, атомов или ионов одного состава) и имеет постоянные физические свойства: определённые температуры плавления и кипения, плотность, растворимость. Вода при нормальном давлении кипит при 100 °C, а пока она кипит, температура не меняется. По этому признаку чистое вещество отличают от смеси: смесь плавится и кипит в интервале температур, и её свойства зависят от состава.

Абсолютно чистых веществ не бывает: в любом есть примеси. Степень чистоты реактивов указывают на этикетке:

Кремний для микросхем очищают до 99,9999999 % («девять девяток»): один посторонний атом на миллиард атомов кремния. Даже такой малой примеси достаточно, чтобы изменить электрические свойства полупроводника.

2. Смесь и её отличие от соединения

Смесь нужно отличать от химического соединения. Возьмём железные опилки и порошок серы.

3. Однородные и неоднородные смеси

• Однородные (гомогенные) смеси: компоненты нельзя различить ни глазом, ни в обычный микроскоп; состав и свойства во всех частях одинаковы. Это растворы (соли или сахара в воде, спирта в воде), смеси газов (воздух), большинство сплавов (латунь, бронза).
• Неоднородные (гетерогенные) смеси: частицы компонентов видны глазом или в микроскоп, между ними есть границы раздела. Смесь песка с водой, молоко, гранит, дым.

4. Дисперсные системы

Смеси, в которых одно вещество раздроблено и распределено в другом, называют дисперсными системами. Раздробленное вещество — дисперсная фаза, вещество, в котором оно распределено, — дисперсионная среда. По размеру частиц различают:

Эффект Тиндаля легко увидеть дома: луч лазерной указки в стакане с водой почти незаметен, а в стакане с разбавленным молоком или раствором крахмала виден как светящаяся полоса. Так же видны солнечные лучи в пыльной комнате или в лесу в туман.

5. Как выразить состав смеси

• Массовая доля компонента: w = m(компонента) / m(смеси). Морская вода содержит в среднем 3,5 % солей по массе.
• Объёмная доля (для газов и жидкостей): φ = V(компонента) / V(смеси). Воздух: азот 78 %, кислород 21 %, аргон 0,9 %, углекислый газ около 0,04 % по объёму.
• Мольная доля: χ = n(компонента) / n(смеси). Для идеальных газов мольная доля равна объёмной.

Расчёты с долями — в уроках ОГЭ «Массовая доля растворённого вещества» и ЕГЭ «Объёмные отношения газов, смеси газов».

6. Принцип разделения

Компоненты смеси сохраняют свои свойства, поэтому разделить её можно, если найти свойство, которым компоненты различаются, и способ, использующий это различие. Чем больше различие, тем проще разделение. Физические способы не изменяют веществ; если физическими способами компоненты разделить нельзя, используют химические реакции: один компонент переводят в другое вещество, отделяют, а затем возвращают в исходную форму.

7. Способы разделения

По плотности: отстаивание, декантация, делительная воронка, центрифугирование

Отстаивание — смесь оставляют в покое, и более тяжёлые частицы оседают на дно (песок в воде), а более лёгкие всплывают (сера, древесные опилки). Затем жидкость осторожно сливают с осадка — это декантация.

Делительная воронка — для двух несмешивающихся жидкостей (масло и вода, бензин и вода). Смесь отстаивается, образуя два слоя; открыв кран, сливают нижний (более плотный) слой, а верхний выливают через горло.

Центрифугирование — ускоренное отстаивание при быстром вращении: на частицы действует сила, в тысячи раз превышающая силу тяжести. Так отделяют клетки крови от плазмы, сливки от молока (сепаратор), очень мелкие взвеси.

По размеру частиц: фильтрование

Фильтрование — пропускание смеси жидкости с нерастворимым твёрдым веществом через пористую перегородку (фильтровальную бумагу, ткань, слой песка). Твёрдые частицы остаются на фильтре (осадок), жидкость проходит (фильтрат). Растворённые вещества проходят через фильтр вместе с растворителем, поэтому фильтрованием нельзя отделить соль от воды. Правила: бумажный фильтр плотно прилегает к воронке, край фильтра на 0,5–1 см ниже края воронки, жидкость льют по стеклянной палочке.

По магнитным свойствам: действие магнитом

Магнит притягивает железо, никель, кобальт и некоторые их соединения (магнетит). Так отделяют железные опилки от серы, песка, медных опилок; на обогатительных фабриках магнитной сепарацией отделяют железную руду от пустой породы.

По растворимости: растворение, экстракция

Если один компонент растворим в воде, а другой нет (соль и песок), смесь заливают водой и затем фильтруют. Экстракция — извлечение вещества из смеси растворителем, в котором оно растворяется лучше. Иод из водного раствора извлекают бензином или четырёххлористым углеродом в делительной воронке; кофеин из зёрен кофе извлекают сверхкритическим углекислым газом; заваривание чая — тоже экстракция.

По летучести: выпаривание, дистилляция, возгонка

Выпаривание — нагревание раствора, при котором растворитель испаряется, а растворённое твёрдое вещество остаётся. Так получают соль из раствора; растворитель при этом теряется.

Дистилляция (перегонка) — нагревание жидкой смеси до кипения с последующей конденсацией паров в холодильнике. Пары более летучего компонента переходят в приёмник, нелетучие вещества остаются в колбе. Так получают дистиллированную воду из водопроводной, а при фракционной перегонке разделяют жидкости с разными температурами кипения (спирт и воду, фракции нефти). Правила: в колбу кладут «кипелки» (кусочки пористого фарфора) для равномерного кипения; шарик термометра — на уровне отводной трубки; вода в холодильник подаётся снизу, чтобы он был полностью заполнен.

Возгонка (сублимация) — переход вещества из твёрдого состояния сразу в газообразное при нагревании и обратно на холодной поверхности. Возгоняются иод, нафталин, хлорид аммония (последний, строго говоря, разлагается и снова образуется). Так иод отделяют от песка или соли.

По зависимости растворимости от температуры: кристаллизация

Кристаллизация — выделение вещества из раствора в виде кристаллов при охлаждении насыщенного раствора или при испарении растворителя. Перекристаллизация — способ очистки: загрязнённое вещество растворяют в горячем растворителе, горячий раствор фильтруют от нерастворимых примесей и охлаждают; основное вещество выпадает в виде чистых кристаллов, а растворимые примеси, которых мало, остаются в растворе.

По сродству к сорбенту: хроматография

Хроматографию изобрёл в 1903 году русский ботаник Михаил Цвет. Он пропускал вытяжку из листьев через стеклянную трубку, заполненную порошком мела, и увидел, что пигменты разделяются на цветные полосы: зелёные хлорофиллы и жёлтые каротиноиды удерживаются мелом с разной силой и движутся с разной скоростью. Отсюда название — «запись цвета». Сегодня хроматографией определяют допинг, состав нефти, примеси в лекарствах, загрязнения в воде. Простейшая бумажная хроматография: капля чернил на полоске бумаги, нижний край опущен в воду — поднимаясь, вода разделяет краску на цветные полосы.

По смачиваемости: флотация

Флотация — способ обогащения руд. Измельчённую руду взбалтывают с водой и пенообразователем, продувают воздух; частицы плохо смачиваемого водой минерала прилипают к пузырькам и всплывают с пеной, а хорошо смачиваемая пустая порода оседает.

Повторить тему можно в уроках ОГЭ «Чистые вещества и смеси» и «Способы разделения смесей».

8. Как составить план разделения

1. Выпишите компоненты и их свойства: растворимость в воде, магнитные свойства, плотность, температуры кипения и возгонки.
2. Найдите компонент, который отличается от всех остальных одним свойством, и отделите его первым (обычно магнитом или возгонкой — они не требуют растворения).
3. Если в смеси есть растворимые и нерастворимые вещества — растворите, отфильтруйте; растворимое получите выпариванием фильтрата.
4. Каждый шаг должен давать отдельный компонент в исходном виде; если для этого нужна реакция, предусмотрите обратную реакцию.

Пример: смесь поваренной соли, песка и железных опилок. 1) Магнитом извлекают железо. 2) Остаток заливают водой: соль растворяется, песок — нет. 3) Песок отделяют фильтрованием. 4) Фильтрат выпаривают — остаётся соль.

9. Разделение смесей в промышленности

• Воздух сжижают при сильном охлаждении и разгоняют: азот кипит при −196 °C, аргон при −186 °C, кислород при −183 °C.
• Нефть разделяют перегонкой на фракции с разными интервалами кипения: газ, бензин, лигроин, керосин, дизельное топливо, мазут.
• Питьевую воду очищают отстаиванием, коагуляцией (мелкие частицы слипаются в хлопья и оседают), фильтрованием через песок и обеззараживанием.
• Руды обогащают флотацией и магнитной сепарацией.
• Морскую воду опресняют дистилляцией или обратным осмосом — продавливанием через мембрану, которая пропускает воду и задерживает соли.
• Сахар извлекают из свёклы горячей водой (экстракция), очищают и кристаллизуют.

10. Типичные ошибки

11. Для олимпиад

Перекристаллизация и её выход

Выход перекристаллизации рассчитывают по таблице растворимости. Растворимость нитрата калия — 31,6 г в 100 г воды при 20 °C и 169 г при 80 °C, а у хлорида натрия она почти не меняется (36,0 и 38,0 г). Поэтому нитрат калия хорошо очищается перекристаллизацией от примеси хлорида натрия: при охлаждении выпадает почти только нитрат калия.

Азеотропные смеси

Не всякую жидкую смесь можно полностью разделить перегонкой. Смесь 95,6 % этанола и 4,4 % воды кипит при постоянной температуре 78,15 °C (ниже, чем чистый спирт), и пар имеет тот же состав, что и жидкость. Такие смеси называют азеотропными. Безводный спирт получают, связывая воду химически, например оксидом кальция, с последующей перегонкой.

Химическое разделение

Смесь оксида алюминия и оксида железа(III) обрабатывают щёлочью: оксид алюминия растворяется, оксид железа — нет. Из раствора углекислым газом осаждают гидроксид алюминия, который затем прокаливают. Так получают глинозём из бокситов (способ Байера).

Задания с разбором

Сначала ответьте сами, затем откройте разбор.

Задание 1

Выберите две однородные смеси: 1) раствор сахара в воде; 2) молоко; 3) воздух; 4) смесь мела с водой; 5) дым.

Задание 2

Каким способом можно разделить смесь: а) подсолнечного масла и воды; б) поваренной соли и речного песка; в) железных и медных опилок?

Задание 3

Верны ли суждения? А. Фильтрованием можно отделить растворённую в воде соль. Б. Дистилляцией можно получить чистую воду из морской.

Задание 4

Предложите план разделения смеси серы, железных опилок и поваренной соли.

Задание 5

Как отличить коллоидный раствор крахмала от истинного раствора сахара, если оба прозрачны?

Задание 6

Чем отличается смесь железа и серы от сульфида железа(II)? Как это доказать?

Задание 7

На каком свойстве основано разделение воздуха на азот и кислород? Какой газ испарится из жидкого воздуха первым?

Задание 8

Иод растворили в воде (раствор бледно-жёлтый), затем добавили бензин, встряхнули и дали отстояться. Верхний слой окрасился в фиолетово-розовый цвет, нижний обесцветился. Объясните наблюдения и назовите способ.

Задание 9 (олимпиадное)

Растворимость нитрата калия — 169 г на 100 г воды при 80 °C и 31,6 г при 20 °C. Какая масса кристаллов выпадет при охлаждении до 20 °C 538 г насыщенного при 80 °C раствора? Какая доля соли выделится?

Задание 10 (олимпиадное)

Почему перегонкой нельзя получить из водного раствора этанола спирт крепче 95,6 %? Как получают безводный спирт?

Задание 11 (олимпиадное)

Предложите схему разделения смеси порошков: оксид кремния(IV), карбонат кальция, хлорид натрия и иод. Каждый компонент нужно получить в исходном виде.