Способ разделения смеси железных и медных опилок. Способы разделения смесей

гетерогенные (неоднородные)	гомогенные (однородные)
Гетерогенными называют такие смеси, в которых можно выявить границу раздела между исходными компонентами либо невооруженным глазом, либо под лупой или микроскопом:	Вещества в таких смесях смешаны друг с другом максимально возможно, можно сказать, на молекулярном уровне. В таких смесях нельзя выявить границу раздела исходных компонентов даже под микроскопом:
Примеры
Суспензия (твердое + жидкость) Эмульсия (жидкость + жидкость) Дым (твердое + газ) Смесь порошков твердых веществ (твердое+твердое)	Истинные растворы (например, раствор поваренной соли в воде, раствор спирта в воде) Твердые растворы (сплавы металлов, кристаллогидраты солей) Газовые растворы (смесь не реагирующих между собой газов)

Методы разделения смесей

Гетерогенные смеси типов газ-жидкость, жидкость-твёрдое, газ-твёрдое неустойчивы во времени под действием силы тяжести. В таких смесях составные компоненты с меньшей плотностью постепенно поднимаются вверх (всплывают), а с большей — опускаются вниз (оседают). Такой процесс самопроизвольного разделения смесей с течением времени называют отстаиванием . Так, например, смесь мелкого песка и воды довольно быстро самопроизвольно делится на две части:

Для ускорения процесса осаждения вещества с большей плотностью из жидкости в лабораторных условиях чаще прибегают к более продвинутой версии метода отстаивания — центрифугированию . Роль силы тяжести в центрифугах играет центробежная сила, всегда возникающая при вращении. Поскольку центробежная сила напрямую зависит от скорости вращения, ее можно делать многократно больше силы тяжести, просто увеличивая число оборотов центрифуги в единицу времени. Благодаря этому достигается намного более быстрое по сравнению с отстаиванием разделение смеси.

После отстаивания или центрифугирования надосадочную жидкость можно отделить от осадка методом декантации — аккуратным сливанием жидкости с осадка.

Разделить смесь двух нерастворимых друг в друге жидкостей (после ее отстаивания) можно с помощью делительной воронки, принцип действия которой понятен из следующей иллюстрации:

Для разделения смесей веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях, помимо отстаивания и центрифугирования также широко используют фильтрование. Метод заключается в том, что фильтр обладает различной пропускной способностью по отношению к компонентам смеси. Чаще всего это связано с различным размером частиц, но также может быть еще обусловлено тем, что отдельные компоненты смеси сильнее взаимодействуют с поверхностью фильтра (адсорбируются им).

Так, например, взвесь твердого нерастворимого порошка с водой можно разделить, используя пористый бумажный фильтр. Твердое вещество остается на фильтре, а вода проходит через него и собирается в в емкости, расположенной под ним:

В некоторых случаях гетерогенные смеси могут быть разделены благодаря разным магнитным свойствам компонентов. Так, например, смесь порошков серы и металлического железа можно разделить с помощью магнита. Частицы железа в отличие от частиц серы притягиваются и удерживаются магнитом:

Разделение компонентов смеси с применением магнитного поля называют магнитной сепарацией .

Если смесь представляет собой раствор тугоплавкого твердого вещества в какой-либо жидкости, выделить это вещество из жидкости можно выпариванием раствора:

Для разделения жидких гомогенных смесей используют метод, называемый дистилляцией, или перегонкой . Данный способ имеет принцип действия, схожий с выпариванием, но позволяет отделять не только летучие компоненты от нелетучих, но также и вещества с относительно близкими температурами кипения. Один из простейших вариантов дистилляционных аппаратов представлен на рисунке ниже:

Смысл процесса дистилляции заключается в том, что при кипении смеси жидкостей первыми улетучиваются пары более легкокипящего компонента. Пары этого вещества после прохождения через холодильник конденсируются и стекают в приемник. Метод дистилляции широко применяется в нефтяной промышленности при первичной переработке нефти для разделения нефти на фракции (бензин, керосин, дизель и т.д.).

Так же методом дистилляции получают очищенную от примесей (прежде всего солей) воду. Воду, прошедшую очистку дистилляцией, называют дистиллированной водой .

I. Новый материал

При подготовке урока использованы материалы автора: Н.К.Черемисиной,

учителя химии средней школы № 43

(г. Калининград),

Мы живем среди химических веществ. Мы вдыхает воздух , а это смесь газов (азота, кислорода и других), выдыхаем углекислый газ . Умываемся водой - это еще одно вещество, самое распространенное на Земле. Пьём молоко - смесь воды с мельчайшими капельками молочного жира , и не только: здесь еще есть молочный белок казеин , минеральные соли , витамины и даже сахар, но не тот, с которым пьют чай, а особый, молочный - лактоза . Едим яблоки, которые состоят из целого набора химических веществ - здесь и сахар , и яблочная кислота , и витамины ... Когда прожеванные кусочки яблока попадают в желудок, на них начинают действовать пищеварительные соки человека, которые помогают усваивать все вкусные и полезные вещества не только яблока, но и любой другой пищи. Мы не только живем среди химических веществ, но и сами из них состоим. Каждый человек - его кожа, мышцы, кровь, зубы, кости, волосы построены из химических веществ, как дом из кирпичей. Азот, кислород, сахар, витамины – вещества природного, естественного происхождения. Стекло , резина , сталь – это тоже вещества, точнее, материалы (смеси веществ). И стекло, и резина - искусственного происхождения, в природе их не было. Совершенно чистые вещества в природе не встречаются или встречаются очень редко.

Чем же отличаются чистые вещества от смесей веществ?

Индивидуальное чистое вещество обладает определённым набором характеристических свойств (постоянными физическими свойствами). Только чистая дистиллированная вода имеет tпл = 0 °С, tкип= 100 °С, не имеет вкуса. Морская вода замерзает при более низкой, а закипает при более высокой температуре, вкус у нее горько-соленый. Вода Черного моря замерзает при более низкой, а закипает при более высокой температуре, чем вода Балтийского моря. Почему? Дело в том, что в морской воде содержатся другие вещества, например растворенные соли, т.е. она представляет собой смесь различных веществ, состав которой меняется в широких пределах, свойства же смеси не являются постоянными. Определение понятия «смесь» было дано в XVII в. английским ученым Робертом Бойлем : «Смесь – целостная система, состоящая из разнородных компонентов».

Сравнительная характеристика смеси и чистого вещества

Признаки сравнения	Чистое вещество	Смесь
Состав	Постоянный	Непостоянный
Вещества	Одно и то же	Различные
Физические свойства	Постоянные	Непостоянные
Изменение энергии при образовании	Происходит	Не происходит
Разделение	С помощью химических реакций	Физическими методами

Смеси отличаются друг от друга по внешнему виду.

Классификация смесей показана в таблице:

Приведём примеры суспензий (речной песок + вода), эмульсий (растительное масло + вода) и растворов (воздух в колбе, поваренная соль + вода, разменная монета: алюминий + медь или никель + медь).

В суспензиях видны частицы твердого вещества, в эмульсиях – капельки жидкости, такие смеси называются неоднородными (гетерогенными), а в растворах компоненты не различимы, они являются однородными (гомогенными) смесями.

Способы разделения смесей

В природе вещества существуют в виде смесей. Для лабораторных исследований, промышленных производств, для нужд фармакологии и медицины нужны чистые вещества.

Для очистки веществ применяются различные способы разделения смесей

Эти способы основаны на различиях в физических свойствах компонентов смеси.

Рассмотрим способы разделения гетерогенных и гомогенных смесей .

Пример смеси	Способ разделения
Суспензия – смесь речного песка с водой	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. Разделение смеси воды и растительного масла отстаиванием
Смесь песка и поваренной соли в воде	Фильтрование На чем основано разделение гетерогенных смесей с помощью фильтрования ?На различной 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. С помощью чайного ситечка для фильтрования чаинок Остапу Бендеру – герою произведения Ильфа и Петрова – удалось забрать один из стульев у Эллочки Людоедки («Двенадцать стульев»).
Смесь порошка железа и серы	Действие магнитом или водой Порошок железа притягивался магнитом, а порошок серы – нет . Несмачивающийся порошок серы всплывал на поверхность воды, а тяжелый смачивающийся порошок железа оседал на дно . Разделение смеси серы и железа с помощью магнита и воды
Раствор соли в воде – гомогенная смесь	Выпаривание или кристаллизация Вода испаряется, а в фарфоровой чашке остаются кристаллы соли. При выпаривании воды из озер Эльтон и Баскунчак получают поваренную соль. Этот способ разделения основан на различии в температурах кипения растворителя и растворенного вещества.Если вещество, например сахар, разлагается при нагревании, то воду испаряют неполностью – упаривают раствор, а затем из насыщенного раствора осаждают кристаллы сахара.Иногда требуется очистить от примесей растворители с меньшей температурой кипения, например воду от соли. В этом случае пары вещества необходимо собрать и затем сконденсировать при охлаждении. Такой способ разделения гомогенной смеси называется дистилляцией, или перегонкой . В специальных приборах – дистилляторах получают дистиллированную воду , которую используют для нужд фармакологии, лабораторий, систем охлаждения автомобилей . В домашних условиях можно сконструировать такой дистиллятор: Если же разделять смесь спирта и воды, то первым будет отгоняться (собираться в пробирке-приемнике) спирт с t кип = 78 °С, а в пробирке останется вода. Перегонка используется для получения бензина, керосина, газойля из нефти. Разделение однородных смесей

Особым методом разделения компонентов, основанным на различной поглощаемости их определенным веществом, является хроматография .

Дома вы можете проделать следующий опыт. Подвесьте полоску из фильтровальной бумаги над сосудом с красными чернилами, погружая в них лишь конец полоски. Раствор впитывается бумагой и поднимается по ней. Но граница подъема краски отстает от границы подъема воды. Так происходит разделение двух веществ: воды и красящего вещества в чернилах.

С помощью хроматографии русский ботаник М. С. Цвет впервые выделил хлорофилл из зеленых частей растений. В промышленности и лабораториях вместо фильтровальной бумаги для хроматографии используют крахмал, уголь, известняк, оксид алюминия. А всегда ли требуются вещества с одинаковой степенью очистки?

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 .

Прочитайте стихотворение Л. Мартынова «Дистиллированная вода»:

Вода
Благоволила
Литься!
Она
Блистала
Столь чиста,
Что ни напиться,
Ни умыться.
И это было неспроста.
Ей не хватало
Ивы, тала
И горечи цветущих лоз,
Ей водорослей не хватало
И рыбы, жирной от стрекоз.
Ей не хватало быть волнистой,
Ей не хватало течь везде.
Ей жизни не хватало
Чистой –
Дистиллированной воде!

Применение дистиллированной воды

II. Задания для закрепления

1) Поработайте с тренажёрами №1-4 (необходимо загрузить тренажёр, он откроется в браузере Internet Explorer)

Теоретический блок.

Определение понятия «смесь» было дано в XVII в. английским ученым Робертом Бойлем : «Смесь – целостная система, состоящая из разнородных компонентов».

Сравнительная характеристика смеси и чистого вещества

Признаки сравнения	Чистое вещество	Смесь
	Постоянный	Непостоянный
Вещества	Одно и то же	Различные
Физические свойства	Постоянные	Непостоянные
Изменение энергии при образовании	Происходит	Не происходит
Разделение	С помощью химических реакций	Физическими методами

Смеси отличаются друг от друга по внешнему виду.

Классификация смесей показана в таблице:

Способы разделения смесей

Для очистки веществ применяются различные способы разделения смесей

Выпаривание - выделение растворенных в жидкости твердых веществ способом ее превращения в пар.

Дистилляция- перегонка, разделение содержащихся в жидких смесях веществ по температурам кипения с последующим охлаждением пара.

В природе вода в чистом виде (без солей) не встречается. Океаническая, морская, речная, колодезная и родниковая вода – это разновидности растворов солей в воде. Однако часто людям необходима чистая вода, не содержащая солей (используется в двигателях автомобилей; в химическом производстве для получения различных растворов и веществ; при изготовлении фотографий). Такую воду называют дистиллированной, а способ ее получения – дистилляцией.

Фильтрование- процеживание жидкостей (газов) через фильтр с целью их очистки от твердых примесей.

Эти способы основаны на различиях в физических свойствах компонентов смеси.

Рассмотрим способы разделения гетерогенных и гомогенных смесей .

Пример смеси	Способ разделения
Суспензия – смесь речного песка с водой	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. Разделение смеси воды и растительного масла отстаиванием
Смесь песка и поваренной соли в воде	Фильтрование На чем основано разделение гетерогенных смесей с помощью фильтрования ?На различной 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. С помощью чайного ситечка для фильтрования чаинок Остапу Бендеру – герою произведения Ильфа и Петрова – удалось забрать один из стульев у Эллочки Людоедки («Двенадцать стульев»). Разделение смеси крахмала и воды фильтрованием
Смесь порошка железа и серы	Действие магнитом или водой Порошок железа притягивался магнитом, а порошок серы – нет. Несмачивающийся порошок серы всплывал на поверхность воды, а тяжелый смачивающийся порошок железа оседал на дно. Разделение смеси серы и железа с помощью магнита и воды
Раствор соли в воде – гомогенная смесь	Выпаривание или кристаллизация Вода испаряется, а в фарфоровой чашке остаются кристаллы соли. При выпаривании воды из озер Эльтон и Баскунчак получают поваренную соль. Этот способ разделения основан на различии в температурах кипения растворителя и растворенного вещества. Если вещество, например сахар, разлагается при нагревании, то воду испаряют неполностью – упаривают раствор, а затем из насыщенного раствора осаждают кристаллы сахара. Иногда требуется очистить от примесей растворители с меньшей температурой кипения, например воду от соли. В этом случае пары вещества необходимо собрать и затем сконденсировать при охлаждении. Такой способ разделения гомогенной смеси называется дистилляцией, или перегонкой . В специальных приборах – дистилляторах получают дистиллированную воду, которую используют для нужд фармакологии, лабораторий, систем охлаждения автомобилей. В домашних условиях можно сконструировать такой дистиллятор: Если же разделять смесь спирта и воды, то первым будет отгоняться (собираться в пробирке-приемнике) спирт с tкип = 78 °С, а в пробирке останется вода. Перегонка используется для получения бензина, керосина, газойля из нефти. Разделение однородных смесей

С помощью хроматографии русский ботаник впервые выделил хлорофилл из зеленых частей растений. В промышленности и лабораториях вместо фильтровальной бумаги для хроматографии используют крахмал, уголь, известняк, оксид алюминия. А всегда ли требуются вещества с одинаковой степенью очистки?

Способы выражения состава смесей.

· Массовая доля компонента в смеси - отношение массы компонента к массе всей смеси. Обычно массовую долю выражают в %, но не обязательно.

ω [«омега»] = mкомпонента / mсмеси

· Мольная доля компонента в смеси - отношение числа моль (количества вещества) компонента к суммарному числу моль всех веществ в смеси. Например, если в смесь входят вещества А, В и С, то:

χ [«хи»] компонента А = nкомпонента А / (n(A) + n(B) + n(С))

· Мольное соотношение компонентов. Иногда в задачах для смеси указывается мольное соотношение её составляющих. Например:

nкомпонента А: nкомпонента В = 2: 3

· Объёмная доля компонента в смеси (только для газов) - отношение объёма вещества А к общему объёму всей газовой смеси.

φ [«фи»] = Vкомпонента / Vсмеси

Практический блок.

Рассмотрим три примера задач, в которых смеси металлов реагируют с соляной кислотой:

Пример 1. При действии на смесь меди и железа массой 20 г избытком соляной кислоты выделилось 5,6 л газа (н. у.). Определить массовые доли металлов в смеси.

В первом примере медь не реагирует с соляной кислотой, то есть водород выделяется при реакции кислоты с железом. Таким образом, зная объём водорода, мы сразу сможем найти количество и массу железа. И, соответственно, массовые доли веществ в смеси.

Решение примера 1.

n = V / Vm = 5,6 / 22,4 = 0,25 моль.

2. По уравнению реакции:

3. Количество железа тоже 0,25 моль. Можно найти его массу:
mFe = 0,25 56 = 14 г.

Ответ: 70% железа, 30% меди.

Пример 2. При действии на смесь алюминия и железа массой 11 г избытком соляной кислоты выделилось 8,96 л газа (н. у.). Определить массовые доли металлов в смеси.

Во втором примере в реакцию вступают оба металла. Здесь уже водород из кислоты выделяется в обеих реакциях. Поэтому прямым расчётом здесь нельзя воспользоваться. В таких случаях удобно решать с помощью очень простой системы уравнений, приняв за х - число моль одного из металлов, а за у - количество вещества второго.

Решение примера 2.

1. Находим количество водорода:
n = V / Vm = 8,96 / 22,4 = 0,4 моль.

2. Пусть количество алюминия - х моль, а железа у моль. Тогда можно выразить через х и у количество выделившегося водорода:


	2HCl = FeCl2 +

4. Нам известно общее количество водорода: 0,4 моль. Значит,
1,5х + у = 0,4 (это первое уравнение в системе).

5. Для смеси металлов нужно выразить массы через количества веществ.
m = M n
Значит, масса алюминия
mAl = 27x,
масса железа
mFe = 56у,
а масса всей смеси
27х + 56у = 11 (это второе уравнение в системе).

6. Итак, мы имеем систему из двух уравнений:

7. Решать такие системы гораздо удобнее методом вычитания, домножив первое уравнение на 18:
27х + 18у = 7,2
и вычитая первое уравнение из второго:

8. (56 − 18)у = 11 − 7,2
у = 3,8 / 38 = 0,1 моль (Fe)
х = 0,2 моль (Al)

mFe = n M = 0,1 56 = 5,6 г
mAl = 0,2 27 = 5,4 г
ωFe = mFe / mсмеси = 5,6 / 11 = 0,50,91%),

соответственно,
ωAl = 100% − 50,91% = 49,09%

Ответ: 50,91% железа, 49,09% алюминия.

Пример 3. 16 г смеси цинка, алюминия и меди обработали избытком раствора соляной кислоты. При этом выделилось 5,6 л газа (н. у.) и не растворилось 5 г вещества. Определить массовые доли металлов в смеси.

В третьем примере два металла реагируют, а третий металл (медь) не вступает в реакцию. Поэтому остаток 5 г - это масса меди. Количества остальных двух металлов - цинка и алюминия (учтите, что их общая масса 16 − 5 = 11 г) можно найти с помощью системы уравнений, как в примере №2.

Ответ к Примеру 3: 56,25% цинка, 12,5% алюминия, 31,25% меди.

Пример 4. На смесь железа, алюминия и меди подействовали избытком холодной концентрированной серной кислоты. При этом часть смеси растворилась, и выделилось 5,6 л газа (н. у.). Оставшуюся смесь обработали избытком раствора едкого натра. Выделилось 3,36 л газа и осталось 3 г не растворившегося остатка. Определить массу и состав исходной смеси металлов.

В этом примере надо помнить, что холодная концентрированная серная кислота не реагирует с железом и алюминием (пассивация), но реагирует с медью. При этом выделяется оксид серы (IV).
Со щелочью реагирует только алюминий - амфотерный металл (кроме алюминия, в щелочах растворяются ещё цинк и олово, в горячей концентрированной щелочи - ещё можно растворить бериллий).

Решение примера 4.

1. С концентрированной серной кислотой реагирует только медь, число моль газа:
nSO2 = V / Vm = 5,6 / 22,4 = 0,25 моль


	2H2SO4 (конц.) = CuSO4 +

2. (не забудьте, что такие реакции надо обязательно уравнивать с помощью электронного баланса)

3. Так как мольное соотношение меди и сернистого газа 1:1, то меди тоже 0,25 моль. Можно найти массу меди:
mCu = n M = 0,25 64 = 16 г.

4. В реакцию с раствором щелочи вступает алюминий, при этом образуется гидроксокомплекс алюминия и водород:
2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na + 3H2

Al0 − 3e = Al3+

5. Число моль водорода:
nH2 = 3,36 / 22,4 = 0,15 моль,
мольное соотношение алюминия и водорода 2:3 и, следовательно,
nAl = 0,15 / 1,5 = 0,1 моль.
Масса алюминия:
mAl = n M = 0,1 27= 2,7 г

6. Остаток - это железо, массой 3 г. Можно найти массу смеси:
mсмеси = 16 + 2,7 + 3 = 21,7 г.

7. Массовые доли металлов:

ωCu = mCu / mсмеси = 16 / 21,7 = 0,7,73%)
ωAl = 2,7 / 21,7 = 0,1,44%)
ωFe = 13,83%

Ответ: 73,73% меди, 12,44% алюминия, 13,83% железа.

Пример 5. 21,1 г смеси цинка и алюминия растворили в 565 мл раствора азотной кислоты, содержащего 20 мас. % НNО3 и имеющего плотность 1,115 г/мл. Объем выделившегося газа, являющегося простым веществом и единственным продуктом восстановления азотной кислоты, составил 2,912 л (н. у.). Определите состав полученного раствора в массовых процентах. (РХТУ)

В тексте этой задачи чётко указан продукт восстановления азота - «простое вещество». Так как азотная кислота с металлами не даёт водорода, то это - азот. Оба металла растворились в кислоте.
В задаче спрашивается не состав исходной смеси металлов, а состав получившегося после реакций раствора. Это делает задачу более сложной.

Решение примера 5.

1. Определяем количество вещества газа:
nN2 = V / Vm = 2,912 / 22,4 = 0,13 моль.

2. Определяем массу раствора азотной кислоты, массу и количество вещества растворенной HNO3:

mраствора = ρ V = 1,115 565 = 630,3 г
mHNO3 = ω mраствора = 0,2 630,3 = 126,06 г
nHNO3 = m / M = 126,06 / 63 = 2 моль

Обратите внимание, что так как металлы полностью растворились, значит - кислоты точно хватило (с водой эти металлы не реагируют). Соответственно, надо будет проверить, не оказалась ли кислота в избытке , и сколько ее осталось после реакции в полученном растворе.

3. Составляем уравнения реакций (не забудьте про электронный баланс ) и, для удобства расчетов, принимаем за 5х - количество цинка, а за 10у - количество алюминия. Тогда, в соответствии с коэффициентами в уравнениях, азота в первой реакции получится х моль, а во второй - 3у моль:


	12HNO3 = 5Zn(NO3)2 +

Zn0 − 2e = Zn2+


	36HNO3 = 10Al(NO3)3 +

Al0 − 3e = Al3+

5. Тогда, учитывая, что масса смеси металлов 21,1 г, их молярные массы - 65 г/моль у цинка и 27 г/моль у алюминия, получим следующую систему уравнений:

6. Решать эту систему удобно, домножив первое уравнение на 90 и вычитая первое уравнение их второго.

7. х = 0,04, значит, nZn = 0,04 5 = 0,2 моль
у = 0,03, значит, nAl = 0,03 10 = 0,3 моль

8. Проверим массу смеси:
0,2 65 + 0,3 27 = 21,1 г.

9. Теперь переходим к составу раствора. Удобно будет переписать реакции ещё раз и записать над реакциями количества всех прореагировавших и образовавшихся веществ (кроме воды):

10. Следующий вопрос: осталась ли в растворе азотная кислота и сколько её осталось?
По уравнениям реакций, количество кислоты, вступившей в реакцию:
nHNO3 = 0,48 + 1,08 = 1,56 моль,
т. е. кислота была в избытке и можно вычислить её остаток в растворе:
nHNO3ост. = 2 − 1,56 = 0,44 моль.

11. Итак, в итоговом растворе содержатся:

нитрат цинка в количестве 0,2 моль:
mZn(NO3)2 = n M = 0,2 189 = 37,8 г
нитрат алюминия в количестве 0,3 моль:
mAl(NO3)3 = n M = 0,3 213 = 63,9 г
избыток азотной кислоты в количестве 0,44 моль:
mHNO3ост. = n M = 0,44 63 = 27,72 г

12. Какова масса итогового раствора?
Вспомним, что масса итогового раствора складывается из тех компонентов, которые мы смешивали (растворы и вещества) минус те продукты реакции, которые ушли из раствора (осадки и газы):

13.
Тогда для нашей задачи:

14. mнов. раствора = масса раствора кислоты + масса сплава металлов - масса азота
mN2 = n M = 28 (0,03 + 0,09) = 3,36 г
mнов. раствора = 630,3 + 21,1 − 3,36 = 648,04 г

ωZn(NO3)2 = mв-ва / mр-ра = 37,8 / 648,04 = 0,0583
ωAl(NO3)3 = mв-ва / mр-ра = 63,9 / 648,04 = 0,0986
ωHNO3ост. = mв-ва / mр-ра = 27,72 / 648,04 = 0,0428

Ответ: 5,83% нитрата цинка, 9,86% нитрата алюминия, 4,28% азотной кислоты.

Пример 6. При обработке 17,4 г смеси меди, железа и алюминия избытком концентрированной азотной кислоты выделилось 4,48 л газа (н. у.), а при действии на эту смесь такой же массы избытка хлороводородной кислоты - 8,96 л газа (н. у.). Определите состав исходной смеси. (РХТУ)

При решении этой задачи надо вспомнить, во-первых, что концентрированная азотная кислота с неактивным металлом (медь) даёт NO2, а железо и алюминий с ней не реагируют. Соляная кислота, напротив, не реагирует с медью.

Ответ к примеру 6: 36,8% меди, 32,2% железа, 31% алюминия.

Задачи для самостоятельного решения.

1. Несложные задачи с двумя компонентами смеси.

1-1. Смесь меди и алюминия массой 20 г обработали 96 %-ным раствором азотной кислоты, при этом выделилось 8,96 л газа (н. у.). Определить массовую долю алюминия в смеси.

1-2. Смесь меди и цинка массой 10 г обработали концентрированным раствором щелочи. При этом выделилось 2,24 л газа (н. y.). Вычислите массовую долю цинка в исходной смеси.

1-3. Смесь магния и оксида магния массой 6,4 г обработали достаточным количеством разбавленной серной кислоты. При этом выделилось 2,24 л газа (н. у.). Найти массовую долю магния в смеси.

1-4. Смесь цинка и оксида цинка массой 3,08 г растворили в разбавленной серной кислоте. Получили сульфат цинка массой 6,44 г. Вычислите массовую долю цинка в исходной смеси.

1-5. При действии смеси порошков железа и цинка массой 9,3 г на избыток раствора хлорида меди (II) образовалось 9,6 г меди. Определите состав исходной смеси.

1-6. Какая масса 20%-ного раствора соляной кислоты потребуется для полного растворения 20 г смеси цинка с оксидом цинка, если при этом выделился водород объемом 4,48 л (н. у.)?

1-7. При растворении в разбавленной азотной кислоте 3,04 г смеси железа и меди выделяется оксид азота (II) объемом 0,896 л (н. у.). Определите состав исходной смеси.

1-8. При растворении 1,11 г смеси железных и алюминиевых опилок в 16%-ном растворе соляной кислоты (ρ = 1,09 г/мл) выделилось 0,672 л водорода (н. у.). Найдите массовые доли металлов в смеси и определите объем израсходованной соляной кислоты.

2. Задачи более сложные.

2-1. Смесь кальция и алюминия массой 18,8 г прокалили без доступа воздуха с избытком порошка графита. Продукт реакции обработали разбавленной соляной кислотой, при этом выделилось 11,2 л газа (н. у.). Определите массовые доли металлов в смеси.

2-2. Для растворения 1,26 г сплава магния с алюминием использовано 35 мл 19,6%-ного раствора серной кислоты (ρ = 1,1 г/мл). Избыток кислоты вступил в реакцию с 28,6 мл раствора гидрокарбоната калия с концентрацией 1,4 моль/л. Определите массовые доли металлов в сплаве и объем газа (н. у.), выделившегося при растворения сплава.

Материал урока содержит сведения о различных способах разделения смесей и очистки веществ. Вы научитесь использовать знания о различиях свойств компонентов смеси для выбора оптимального метода разделения данной смеси.

Тема: Первоначальные химические представления

Урок: Методы разделения смесей и очистки веществ

Определим различие между «методами разделения смесей» и «методами очистки веществ». В первом случае важно получить в чистом виде все составляющие смесь компоненты. При очистке вещества получением в чистом виде примесей, как правило, пренебрегают.

ОТСТАИВАНИЕ

Как разделить смесь, состоящую из песка и глины? Это одна из стадий в керамическом производстве (например, в производстве кирпичей). Для разделения такой смеси используют метод отстаивание. Смесь помещают в воду и перемешивают. Глина и песок с разной скоростью оседают в воде. Поэтому песок осядет значительно быстрее глины (Рис.1).

Рис. 1. Разделение смеси глины и песка методом отстаивания

Метод отстаивания используют также для разделения смесей нерастворимых в воде твердых веществ с разной плотностью. Например, так можно разделить смесь железных и древесных опилок (древесные опилки в воде всплывут, а железные осядут).

Смесь растительного масла и воды тоже можно разделить методом отстаивания, т.к масло не растворяется в воде и имеет меньшую плотность (Рис. 2). Таким образом, отстаиванием можно разделять смеси нерастворимых друг в друге жидкостей с различной плотностью.

Рис. 2. Разделение смеси растительного масла и воды методом отстаивания

Для разделения смеси поваренной соли и речного песка можно воспользоваться методом отстаивания (при смешении с водой соль растворится, песок осядет), но надежнее будет отделить песок от раствора соли другим методом – методом фильтрования.

Фильтрование данной смеси можно провести с помощью бумажного фильтра и воронки, опущенной в стакан. Крупинки песка остаются на фильтровальной бумаге, а прозрачный раствор поваренной соли проходит через фильтр. В данном случае речной песок – это осадок, а раствор соли – фильтрат (Рис. 3).

Рис. 3. Использование метода фильтрования для отделения речного песка от раствора соли

Фильтрование можно проводить не только с помощью фильтровальной бумаги, но и с использованием других пористых или сыпучих материалов. Например, к сыпучим материалам относится кварцевый песок, а к пористым – стекловата и обожженная глина.

Некоторые смеси можно разделить с помощью метода «горячее фильтрование». Например, смесь порошков серы и железа. Железо плавится при температуре более 1500 С, а сера – около 120 С. Расплавленную серу можно отделить от порошка железа с помощью подогреваемой стекловаты.

Выделить соль из фильтрата можно с помощью выпаривания, т.е. нагреть смесь и вода испарится, а соль останется на фарфоровой чашке. Иногда применяют упаривание, частичное испарение воды. В результате образуется более концентрированный раствор, при охлаждении которого растворенное вещество выделяется в виде кристаллов.

Если в смеси присутствует вещество, способное к намагничиванию, то его легко выделить в чистом виде с помощью магнита. Например, так можно разделить смесь порошков серы и железа.

Эту же смесь можно разделить еще одним методом, используя знание о смачиваемости компонентов смеси водой. Железо смачивается водой, т.е. вода растекается по поверхности железа. Сера же водой не смачивается. Если поместить в воду кусок серы, то он утонет, т.к. плотность серы больше плотности воды. А вот порошок серы всплывет, т.к. к несмачивающимся водой крупинкам серы прилипают пузырьки воздуха и выталкивают их на поверхность. Для разделения смеси нужно поместить ее в воду. Порошок серы всплывет, а железо утонет (Рис. 4).

Рис. 4. Разделение смеси порошков серы и железа методом флотации

Метод разделения смесей, основанный на различии смачиваемости компонентов, называется флотацией (франц. flotter – плавать). Рассмотрим еще несколько методов разделения и очистки веществ.

Один из древнейших методов разделения смесей – перегонка (или дистилляция). С помощью этого метода можно разделять компоненты, растворимые друг в друге, имеющие разные температуры кипения. Именно таким способом получают дистиллированную воду. Воду с примесями кипятят в одном сосуде. Образующиеся водяные пары конденсируются при охлаждении в другом сосуде в виде уже дистиллированной (чистой) воды.

Рис. 5. Получение дистиллированной воды

Близкие по свойствам компоненты можно разделить с помощью метода хроматографии. Этот способ основан на различном поглощении разделяемых веществ поверхностью другого вещества.

Например, красные чернила можно разделить на компоненты (воду и красящее вещество) посредством хроматографии.

Рис. 6. Разделение красных чернил методом бумажной хроматографии

В химических лабораториях хроматографию осуществляют с помощью специальных приборов – хроматографов, основные части которого – хроматографическая колонка и детектор.

Для очистки некоторых веществ в химии широко используется адсорбция. Это накопление одного вещества на поверхности другого вещества. К адсорбентам относится, например, активированный уголь.

Попробуйте опустить таблетку активированного угля в сосуд с подкрашенной водой, перемешайте, отфильтруйте и увидите, что фильтрат стал бесцветным. Атомы угля притягивают к себе молекулы, в данном случае, красителя.

В настоящее время адсорбция широко применяется для очистки воды и воздуха. Например, фильтры для очистки воды содержат в качестве адсорбента активированный уголь.

1. Сборник задач и упражнений по химии: 8-й класс: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия, 8 класс» / П.А. Оржековский, Н.А. Титов, Ф.Ф. Гегеле. – М.: АСТ: Астрель, 2006.

2. Ушакова О.В. Рабочая тетрадь по химии: 8-й кл.: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / О.В. Ушакова, П.И. Беспалов, П.А. Оржековский; под. ред. проф. П.А. Оржековского - М.: АСТ: Астрель: Профиздат, 2006. (с.10-11)

3. Химия: 8-й класс: учеб. для общеобр. учреждений / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, Л.С. Понтак. М.: АСТ: Астрель, 2005.(§4)

4. Химия: неорг. химия: учеб. для 8 кл. общеобр. учреждений / Г.Е. Рудзитис, ФюГю Фельдман. – М.: Просвещение, ОАО «Московские учебники», 2009. (§2)

5. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред.В.А. Володин, вед. науч. ред. И. Леенсон. – М.: Аванта+, 2003.

Дополнительные веб-ресурсы

1. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов ().

2. Электронная версия журнала «Химия и жизнь» ().

Домашнее задание

Из учебника П.А. Оржековского и др. «Химия, 8 класс» с. 33 №№ 2,4,6,Т.

1. Заполните пропуски в тексте, используя слова "компоненты", "различиях", "двух", "физических".

Смесь может быть приготовлена путем смешивания как минимум двух веществ. Смеси могут быть разделены на отдельные компоненты с помощью физических методов, основанных на различиях физических свойствах компонентов.

2. Допишите предложения.

а) Метод отстаивания основан на том, что частички твердого вещества достаточно крупныеЮ они быстро оседают на дно, а жидкость можно осторожно слить с осадка.

б) Метод центрифугирования основан на действиии центробежной силы - более тяжелые частички оседают, а легкие оказываются сверху.

в) Метод фильтрования основан на пропускании раствора твердого вещества через фильтр, где твердые частицы задерживаются на фильтре.

3. Вставьте пропущенное слово:

а) мука и сахарный песок - сито; сера и железные опилки - магнит .

б) вода и подсолнечное масло - делительная воронка; вода и речной песок - фильтр .

в) воздух и пыль - респиратор; воздух и ядовитый газ - абсорбент .

4. Составьте перечень необходимого оборудования для фильтрования.

а) бумажный фильтр
б) стакан с раствором
в) стеклянная воронка
г) чистый стакан
д) стеклянная палочка
е) штатив с лапкой

5. Лабораторный опыт. Изготовление обычного и складчатого фильтров из фильтровальной бумаги или бумажной салфетки.

Как вы считаете, через какой фильтр раствор будет проходить быстрее - обычный или складчатый? Почему?

Через складчатый - площадь соприкосновения фильтрования больше, чем у обычного фильтра.

6. Предложите способы разделения смесей, указанных в таблице 16.

Способы разделения некоторых смесей

7. Домашний опыт. Адсорбация активированным углем красящих веществ пепси-колы.

Реактивы и оборудование: газированный напиток, активированный уголь; кастрюля, воронка, фильтровальная бумага, электрическая (газовая) плита.

Ход работы. Налейте в кастрюлю полстакана (100 мл) газированного напитка. Добавьте туда же 5 таблеток активированного угля. Нагревайте кастрюлю в течение 10 мин на плите. Отфильтруйте уголь. Объясните результаты опыта.

Раствор обесцветился з счет поглощения красящих веществ с помощью активированного угля.

8. Домашний опыт. Адсорбация кукурузными палочками паров пахучих веществ.

Реактивы и оборудование : кукурузные палочки, духи или одеколон; 2 одинаковые стеклянные банки с крышками.

Ход работы. В две стеклянные банки капните по капле духов. В одну из банок положите 4-5 кукурузных палочек. Обе банки закройте крышками. Банку, в которой находятся кукурузные палочки, немного потрясите. Для чего?

Для увеличения скорости адсорбации.

Откройте обе банки. Объясните результаты опыта.

В банке, где были кукурузные палочки, нет запаха, так как она адсорбировали запах духов.

Способ разделения смеси железных и медных опилок. Способы разделения смесей

гетерогенные (неоднородные)

гомогенные (однородные)

Методы разделения смесей