Учебный эксперимент
в начале курса химии

Разделение смесей и очистка веществ

Продолжение. Начало см. в № 19/2007

В природе чистые вещества встречаются редко, чаще всего они входят в состав смесей. И в быту мы имеем дело в основном не с индивидуальными (отдельными) веществами, а со смесями или материалами сложного состава. Предметом же изучения науки химии является вещество и его превращения. Следовательно, учащиеся должны усвоить, что одной из важнейших задач химии является получение индивидуальных (чистых) веществ. Эта проблема имеет два решения:

• синтез веществ в лабораториях, на заводах, фабриках и комбинатах из других веществ и материалов;

• разделение смесей (природных или искусственных) на отдельные компоненты – индивидуальные вещества.

Напоминаем, что задания для углубления и систематизации знаний учащихся напечатаны курсивом.

Опыты по разделению смесей
и очистке веществ физическими методами

В зависимости от агрегатного состояния и свойств составляющих их компонентов смеси бывают однородными и неоднородными. В любом случае вещества в смеси сохраняют свои свойства.

Разделение смеси физическими или химическими методами возможно тогда, когда вещества (компоненты), их составляющие, обладают резко различными свойствами. Выбор метода разделения смесей зависит не только от типа смеси (однородные или неоднородные) и индивидуальных свойств компонентов, но и от того, какое вещество или вещества необходимо выделить в чистом виде. При этом надо учитывать, что полученные в результате разделения смеси вещества не будут абсолютно чистыми веществами, а будут содержать определенную долю примеси.

Изучите этикетки на упаковках различных веществ (химических реактивов) в химическом кабинете. Обратите внимание на цветовые и вербальные обозначения различной чистоты веществ и содержание в них примесей в соответствии со стандартом или техническим условием каждого реактива.

ОПЫТ 1. Вещества в смеси сохраняют свои индивидуальные свойства

Оборудование и материалы. Магнит, ступка с пестиком, стаканы, бумага; вода, сера, железо (порошок).

Проведение. Разотрите серу в ступке и высыпьте (2–3 г) на лист белой бумаги. На другой лист бумаги насыпьте порошок железа (2–3 г). Рассмотрите внешние признаки этих веществ. Здесь и далее в этом опыте обратите внимание на сходство и различие индивидуальных свойств железа и серы (агрегатное состояние, цвет, запах, растворимость в воде, смачиваемость водой, плотность, действие магнита и т.д.). Добавьте по щепотке серы и железа в стаканчики с водой. Накройте порции веществ на листках бумаги другими листками и прикоснитесь к ним сверху магнитом.

Разотрите в ступке порошок железа (2 г) с серой (2 г) и рассмотрите смесь. Бросьте щепотку полученной смеси в стаканчик с водой. Другую порцию смеси насыпьте на лист бумаги, накройте другим листом и поднесите магнит. Подробно опишите ваши наблюдения. Ответьте на вопросы.

1. Почему тонко измельченный порошок серы не тонет в воде? Обусловлено ли это свойство плотностью серы или здесь другая причина?

2. Какие свойства серы и железа вы установили в этом опыте?

3. Сохранились ли данные индивидуальные свойства компонентов в смеси?

4. Какие свойства серы и железа были использованы в этом опыте для разделения смеси железа с серой?

ОПЫТЫ 2–3. Неоднородные смеси можно разделить отстаиванием

Оборудование и материалы. Штатив, стаканы, цилиндры, делительные воронки; мутная (глина и песок) вода, смесь растительного масла и воды.

Проведение. Взболтайте мутную воду в стакане и вылейте суспензию в цилиндр. Перемешайте тщательно смесь масла с водой и перелейте эмульсию в делительную воронку, закрепленную в штативе.

Отметьте ваши наблюдения через 1, 2, 5 мин. Декантируйте жидкость из цилиндра в чистый стакан. Рассмотрите остаток в цилиндре и воду в стакане.

Повернув кран делительной воронки, слейте из нее нижний слой жидкости в стакан.

1. Какие свойства компонентов позволили разделить данные смеси?

2. Можно ли утверждать, что выделенные из смеси вещества (какие?) являются чистыми?

3. Приведите примеры разделения смесей методом отстаивания, применяемые на практике. На различии каких свойств веществ основан этот метод?

ОПЫТ 4. Разделение неоднородных смесей
можно ускорить центрифугированием

Оборудование и материалы. Центрифуга; мутная (глина) вода.

Проведение. Налейте суспензию в центрифужные пробирки, установите их в гнезда центрифуги и включите прибор в соответствии с инструкцией (или используйте ручную центрифугу) на 3–5 мин. Слейте воду в чистый стакан.

ОПЫТЫ 5–6. Суспензии можно разделить
на компоненты фильтрованием

Оборудование и материалы. Штатив с кольцом, воронка для фильтрования, стаканы, стеклянные палочки, фильтровальная бумага, вата, марля; мутная вода, 3%-й раствор сульфата меди(II).

Проведение. Соберите установку для фильтрования и проведите фильтрование мутной воды сначала через слой марли, затем – ваты и, наконец, используя фильтровальную бумагу с достаточно мелкими порами. Аналогичный опыт проведите с раствором сульфата меди(II).

Отметьте ваши наблюдения, сравните чистоту фильтрата при использовании различных фильтрующих материалов и применении различных методов для разделения смесей. Сделайте соответствующие выводы.

1. Можно ли разделить фильтрованием смесь воды и растительного масла или другие эмульсии?

2. Приведите примеры практического разделения смесей с помощью фильтрования. На чем основан этот метод разделения смесей?

3. Какие смеси можно разделить фильтрованием, а какие смеси невозможно разделить этим методом?

ОПЫТ 7. Некоторые смеси можно разделить с помощью магнита

Оборудование и материалы. Магнит, листочки бумаги 10х10 см; смесь порошка железа с песком, набор (смесь) монет различного достоинства, смесь магнетита с пустой породой.

Проведение. Смесь помещают на лист бумаги, накрывают другим листком, подносят магнит и, не убирая его, переворачивают верхний листок с веществом, притягивающимся к магниту.

Опишите ваши наблюдения. Проверьте, какие еще вещества и материалы притягиваются магнитом.

1. Какие вещества или материалы выделились из смесей с помощью магнита?

2. На чем основан метод магнитного разделения смесей? Приведите примеры использования этого метода на практике.

ОПЫТ 8. Флотация применяется
для обогащения полезных ископаемых

Оборудование и материалы. Высокий химический стакан, шпатель; смесь тонко измельченной серы с песком, вода.

Проведение. С помощью шпателя подсыпайте небольшими порциями смесь серы с песком в стакан с водой, каждый раз хорошо перемешивая содержимое стакана.

Опишите ваши наблюдения. Уточните по справочнику плотность песка, серы и воды и запишите их значения в тетрадь.

1. Заметили ли вы какие-либо противоречия между свойствами серы и плотностью этого вещества?

2. Приведите примеры практического применения флотации как метода разделения веществ при обогащении полезных ископаемых. На чем основан этот метод?

ОПЫТЫ 9–10. Можно ли выпариванием растворов
получить соль и сахарный песок?

Оборудование и материалы. Штатив с кольцом, сетка, фарфоровые чашки для выпаривания, спиртовка (горелка); 30%-й раствор поваренной соли, 40%-й раствор сахара.

Проведение. Соберите установку для выпаривания. Налейте 3–4 мл раствора поваренной соли в чашку и проведите выпаривание жидкости почти досуха. Тигельными щипцами снимите чашку с огня и убедитесь, что вода полностью выпарилась. В противном случае осторожно доведите опыт до конца, не допуская излишнего перегрева соли. (О с т о р о ж н о! Возможно разбрызгивание горячего концентрированного раствора.) После того как чашка с солью остынет, соберите сухой остаток на чистый лист бумаги. Аналогично (о с т о р о ж н о!) проведите выпаривание 3–4 мл раствора сахара. Попытайтесь и в этом случае собрать сухой остаток.

Опишите ваши наблюдения и сравните результаты выпаривания растворов поваренной соли и сахара. Обратите внимание на внешний вид полученных веществ. П о м н и т е, что пробовать вещества на вкус в лаборатории категорически запрещается!

1. Все ли твердые вещества, растворенные в воде, можно получить в чистом виде путем выпаривания раствора при обычных условиях?

2. Приведите примеры получения веществ в чистом виде методом выпаривания на практике. На чем основан этот метод?

ОПЫТ 11. Можно ли морскую воду превратить в пресную воду?

Оборудование и материалы. Установка для дистилляции воды, битый фаянс, предметные стекла, пипетки, тигельные щипцы; 3%-й раствор поваренной соли (имитация морской воды).

Проведение. Выпарьте каплю «морской воды» на предметном стекле и докажите, что данный образец жидкости является раствором. (На месте выпаренной капли останется «пятно» соли.) Соберите установку для дистилляции воды или ее упрощенный вариант, поместив предварительно в колбу для дистилляции кусочки битого фаянса (для равномерного кипения жидкости) и отгоните
2–3 мл дистиллята. Проверьте на чистоту пробу полученной порции дистиллированной воды путем выпаривания на предметном стекле.

Опишите наблюдения, сравните результаты выпаривания капель «морской» и дистиллированной воды, оцените эффективность данного метода очистки веществ.

1. Какие смеси (однородные или неоднородные) можно разделять методом дистилляции?

2. Какие компоненты смесей можно, а какие нельзя выделять путем дистилляции?

3. Приведите примеры практического применения дистилляции (перегонки). На чем основан этот способ очистки веществ?

ОПЫТ 12. Красивые кристаллы можно «вырастить» дома

Оборудование и материалы. Стаканы, нагревательный прибор, капроновая нить, стеклянная палочка; медный купорос, поваренная соль и другие соли, вода.

Проведение. Приготовьте 250–300 мл насыщенного при 30 °С раствора cоли (из имеющейся в наличии). Если раствор содержит видимые примеси, профильтруйте его в большой стакан.

К середине стеклянной палочки привяжите тонкую капроновую нить. Положите палочку на верх стакана, а свободный конец нити опустите в раствор почти до дна сосуда. Через 1–2 дня осмотрите нить и снимите с нее все кристаллики, кроме одного – самого крупного и самой правильной формы. Раствор можно вновь нагреть до растворения выпавших кристаллов и после охлаждения повторно опустить в него нить с кристаллом. Операцию проводят до получения крупного кристалла. Выращенные кристаллы лучше хранить в прозрачных закрытых сосудах, снабдив их этикетками.

Зарисуйте полученные кристаллы, сравните формы крупных и мелких кристаллов одного и того же вещества и формы кристаллов различных веществ. Сделайте соответствующие выводы.

Приведите примеры практического применения кристаллизации и перекристаллизации в качестве способа очистки веществ. На чем основан этот метод?

ОПЫТ 13. Растворимость йода в гексане выше, чем в воде

Оборудование и материалы. Делительная воронка, стакан; йодная вода, гексан (можно взять неокрашенный бензин или керосин прямой перегонки).

Проведение. Налейте в делительную воронку 5–10 мл йодной воды и осторожно по стенке сосуда добавьте 2–3 мл растворителя. Обратите внимание, что растворитель легче воды. Закройте воронку пробкой и осторожно, придерживая пробку, перемешайте смесь. Обратите внимание, что йод перешел из водного слоя в слой растворителя.

Опишите ваши наблюдения, сравните окраски исходных и полученных растворов. Объясните эти изменения. По словарю найдите толкование понятия «экстракция».

Приведите примеры практического применения экстракции как способа очистки и выделения веществ. На чем основан этот метод?

ОПЫТ 14. Черный уголь обесцвечивает чернила

Оборудование и материалы. Коническая колба, принадлежности для фильтрования; вода, чернила, таблетки активированного угля.

Проведение. Налейте в колбу 40–50 мл воды и добавьте 1–3 капли чернил, чтобы получился слабо окрашенный раствор. В колбу добавьте 3–5 таблеток активированного угля и круговыми движениями колбы интенсивно перемешайте смесь. Дайте смеси отстояться. Если обесцвечивания не произошло, добавьте еще несколько таблеток угля и повторите перемешивание. Убедившись, что адсорбция произошла полностью, профильтруйте смесь.

Опишите ваши наблюдения. Оцените эффективность метода адсорбции как одного из способов очистки веществ.

На чем основано явление адсорбции и где оно находит практическое применение?

ОПЫТ 15. Мы «пишем» красками

Оборудование и материалы. Фильтровальная бумага, пипетки, вода, фломастеры различных цветов.

Проведение. Несколькими прикосновениями цветного фломастера в одну и ту же точку получите на фильтровальной бумаге небольшое, но интенсивно окрашенное пятно. Капните каплю спирта или воды в центр пятна и по мере его расплывания добавляйте следующие капли растворителя. Если краситель однороден, то и цветное кольцо получится однородным. Если же краситель фломастера состоит из смеси нескольких красок, то вы получите хроматограмму из нескольких цветов, соответствующих составу красителя. Метод разделения сложных окрашенных смесей на составные части в данном случае называется бумажной хроматографией. Окрашенное пятно можно получить на бумаге также с помощью двух или более фломастеров и повторить опыт.

Опишите ваши наблюдения в эксперименте по разделению смеси методом хроматографии. Метод основан на различной степени адсорбции веществ специальными адсорбентами.

Приведите примеры разделения веществ методом хроматографии с помощью различных адсорбентов. На чем основан этот метод?

Вопросы и задания для систематизации
и обобщения понятий темы

1. Составьте план разделения следующих смесей:

д) железные опилки, поваренная соль, сера.

2. Если повар пересолил суп, то рекомендуется опустить в кастрюлю небольшой полотняный мешочек с рисом (20–30 г) на 10–15 мин. На чем основано действие этого «бабушкиного секрета»? Можете ли вы предложить другой способ, как исправить дело?

3. Муку перед приготовлением теста просеивают через сито. Можно ли просеивание отнести к одному из методов очистки веществ? Если да, то на чем основан этот метод?

4. В известных сказках мачеха или другие злыдни заставляли героиню разделять некоторые смеси на отдельные компоненты. Вспомните, какие это были смеси и на основе какого метода они были разделены?

Г.И.ШТРЕМПЛЕР,
профессор кафедры химии
и методики обучения
Саратовского государственного
университета

Печатается с продолжением