Химия · Основы химии · 7 класс

Чистые вещества и смеси

Как выделить чистую поваренную соль из мутной каменной?

Ситуация

В горах Кухитанг в Сурхандарье находится Ходжаиконское месторождение каменной соли. Добытая в горах каменная соль серая и мутная: в ней примешаны песок и глина. А белая поваренная соль из магазина — почти чистое вещество. Как выделить чистую соль из мутной? Вообще, как мы узнаём, чистое ли перед нами вещество или смесь, и какими способами разделяют смеси?

Тема

Чистое вещество и смеси: способы разделения. Очистка загрязнённой каменной соли: растворение, фильтрование и выпаривание соли из Ходжайкана (Сурхандарья); отделение железных опилок магнитом, перегонка спирта

Ключевые понятия

Однородные и неоднородные смеси
Фильтрование и выпаривание
Выход, %

Формулы

η = \frac{m_{чист}}{m_{обр}} \cdot 100 %

Выход (доля очищенного вещества): отношение массы полученной чистой соли к массе взятого образца.

s (NaCl) = 35,9 г / 100 г воды (20 °C)

Растворимость: наибольшая масса соли, растворяющаяся в 100 г воды (при 100 °C — 39,0 г).

ρ = \frac{m}{V}

Плотность — физическое свойство, по которому узнают вещество: железо 7,87, песок 2,65, поваренная соль 2,17, этанол 0,789 г/см³.

R_{f} = \frac{ℓ_{пятна}}{ℓ_{р-ля}}

В хроматографии — отношение пути пятна от стартовой линии к пути границы растворителя.

p_{воды} + p_{орг} = p_{атм}

Перегонка с водяным паром: смесь кипит ниже 100 °C, когда сумма давлений паров обеих жидкостей становится равной атмосферному давлению.

Теория

Вещество и его свойства

Вещество — то, из чего состоят тела: гвоздь — из железа, стакан — из стекла. Каждое вещество узнают по его свойствам: цвету, запаху, агрегатному состоянию, плотности, температурам плавления и кипения, растворимости в воде, электро- и теплопроводности, притяжению магнитом. Например, железо серое, его плотность 7,87 г/см³, оно плавится при 1538 °C и притягивается магнитом; сера жёлтая, не растворяется в воде и, не смачиваясь, плавает порошком на её поверхности; поваренная соль белая, плавится при 801 °C, в 100 г воды при 20 °C растворяется 35,9 г. Испытайте в режиме «Свойства».

Чистые вещества и смеси

Чистое вещество состоит только из одинаковых частиц и имеет постоянные свойства: дистиллированная вода при нормальном атмосферном давлении кипит ровно при 100 °C и замерзает при 0 °C. Смесь — механическое соединение нескольких веществ без химической связи: каждое вещество сохраняет свои свойства, поэтому их можно разделить физическими методами. В однородной смеси (раствор соли, воздух, спирт с водой) части невозможно различить даже под микроскопом. В неоднородной смеси части видны глазом, в лупу или под микроскопом: вода с песком (суспензия), молоко (эмульсия — капли жира ≈ 1–10 мкм), порошок железа и серы.

Способы разделения смесей

Отстаивание — тяжёлые твёрдые частицы оседают на дно жидкости. Фильтрование — нерастворимые твёрдые частицы остаются на фильтровальной бумаге, раствор (фильтрат) проходит. Выпаривание — из раствора испаряется вода, растворённое вещество кристаллизуется. Магнит отделяет железо от серы. Перегонка (дистилляция) основана на разнице температур кипения: спирт (78,4 °C) испаряется раньше воды (100 °C), пар в холодильнике превращается в жидкость и стекает в приёмник. Хроматография — красители поднимаются по бумаге вместе с растворителем с разной скоростью. Способ выбирают в зависимости от того, чем именно различаются свойства веществ.

Практическая работа: очистка загрязнённой поваренной соли

Образец (10,00 г) взвешивают и растворяют в 30 мл воды (при 20 °C в 30 г воды растворяется до 10,8 г соли). Песок и глина не растворяются — раствор фильтруют, фильтровальную бумагу промывают небольшим количеством воды (иначе на влажной бумаге остаётся солевой раствор). Фильтрат выпаривают в фарфоровой чашке; в конце его перемешивают и уменьшают пламя, чтобы кристаллы не разбрызгивались. Сухую соль взвешивают и вычисляют выход: $η = m_{чист} / m_{обр} \cdot 100 %$ . Безопасность: горячую чашку и треножник берите щипцами, не наклоняйтесь над выпариваемой чашкой, наденьте защитные очки.

Вуз: очистка и физические константы

Перекристаллизация: вещество полностью растворяют в горячем растворителе, при охлаждении растворимость уменьшается, выделяются чистые кристаллы, а примеси остаются в растворе. Бензойная кислота растворяется в воде при 100 °C в количестве 5,63 г/100 мл, а при 0 °C — всего 0,17 г/100 мл. Температура плавления — критерий чистоты: примесь понижает её и расширяет интервал плавления ( $Δ T \approx K x$ , $K = R T_{s}^{2} / Δ_{пл} H \approx 72$ К для бензойной кислоты). Перегонка: в идеальной смеси $p = x_{1} p_{1}^{0} + x_{2} p_{2}^{0}$ (закон Рауля), пар обогащён более летучим компонентом. В вакууме температура кипения понижается (толуол при 20 кПа кипит при ≈ 62 °C), так перегоняют термически нестойкие вещества. Перегонка с водяным паром: анилин с водой кипит при 98,4 °C, в дистилляте на 1 г воды приходится ≈ 0,31 г анилина. Возгонка (сублимация): твёрдое вещество испаряется, не плавясь, и кристаллизуется на холодной поверхности (нафталин, бензойная кислота).

Модель и источники

Растворимости, плотности и температуры — по CRC Handbook и NIST WebBook; давления паров — по уравнению Антуана (справочник Ланге); равновесие этанол–вода — по таблице измерений из справочника Перри. Модель: процессы показаны ускоренными (перегонка ×10, выпаривание ×10, кристаллизация и плавление ×20); потери тепла не учитываются; сжатие объёма при смешивании жидкостей не учитывается; смеси ацетон–толуол, хлороформ–толуол и бензол–анилин приняты идеальными (по Раулю); «начало» плавления — момент, когда расплавлено 25 % образца; потери в практической работе (раствор, оставшийся на влажном фильтре, разбрызгивание) — качественные оценки. Красители на хроматограмме и их значения $R_{f}$ — типовые; состав чернил зависит от марки.

Знаете ли вы?

Хроматографию в начале XX века изобрёл русский ботаник Михаил Цвет для разделения растительных пигментов; название происходит от греческих слов «chroma» — цвет и «grapho» — пишу.
Средняя солёность океанской воды ≈ 35 ‰: в каждом килограмме морской воды растворено ≈ 35 г солей, основная часть которых — хлорид натрия. Во многих странах поваренную соль получают, выпаривая морскую воду на солнце.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Кабинет химии и безопасность — 7 класс
Физические и химические явления — 7 класс
Химическая формула и валентность — 7 класс
Моль, молярная масса и объём — 7 класс
От алхимии до периодического закона — 1 курс