Глава I. Первоначальные химические понятия. § 4. Физические явления — основа разделения смесей в химии — с. 28
§ 4. Проверьте свои знания.
1. Какие типы смесей различают по агрегатному состоянию образующих их веществ?
По агрегатному состоянию компонентов различают смеси: твёрдые вещества с твёрдыми (гранит, смесь песка и сахара, сплавы); твёрдые с жидкими (раствор соли в воде, взвесь глины в воде); жидкие с жидкими (смесь воды и спирта, молоко, смесь воды и бензина); газы с газами (воздух, природный газ); газы с жидкими веществами (газированная вода, туман); газы с твёрдыми веществами (дым, пыль в воздухе). Кроме того, смеси делят на гомогенные (однородные: воздух, морская вода) и гетерогенные (неоднородные: молоко, гранит, мутная вода).
§ 4. Проверьте свои знания.
2. Перечислите способы разделения смесей. Какие свойства компонентов лежат в основе каждого способа?
Отстаивание — основано на различной плотности компонентов: тяжёлые частицы оседают, лёгкие остаются сверху (разделение воды и песка, воды и масла; в делительной воронке — несмешивающихся жидкостей). Фильтрование — основано на различии размеров частиц и нерастворимости одного из компонентов в жидкости: крупные частицы задерживаются фильтром, раствор проходит через него. Выпаривание и кристаллизация — основаны на различной летучести: растворитель испаряется, нелетучее вещество (соль) остаётся. Дистилляция (перегонка) — основана на различии температур кипения компонентов (получение дистиллированной воды из морской, разделение нефти на фракции). Действие магнитом — основано на магнитных свойствах (железо притягивается, медь и сера нет). Хроматография — основана на различной скорости перемещения компонентов в слое поглощающего материала (бумаги). Флотация — основана на различной смачиваемости водой.
§ 4. Проверьте свои знания.
3. Назовите как можно больше бытовых приборов и приспособлений, действие которых основано на одном из способов разделения смесей.
Фильтрование: бытовой фильтр для воды, пылесос с фильтром, воздушные фильтры кондиционера и вытяжки, кофеварка, чайное ситечко, дуршлаг, медицинская маска, респиратор, сито для муки. Отстаивание: отстойник, жироуловитель, отстаивание заварки или мутной воды, отделение сливок от молока. Центрифугирование (ускоренное отстаивание): отжим белья в стиральной машине, сепаратор для сливок. Выпаривание: выпаривание соли из морской воды в солеварнях. Дистилляция: бытовой дистиллятор для получения дистиллированной воды. Магнитное разделение: магнитный сепаратор для отделения железных частиц, магнит для сбора иголок и скрепок.
§ 4. Проверьте свои знания.
4. На надгробной плите одного из отечественных учёных высечены слова: «Ему было дано открыть хроматографию, разделяющую молекулы, объединяющую людей». Кто этот учёный?
Это русский учёный (ботаник и биохимик) Михаил Семёнович Цвет (1872—1919). В начале XX века он открыл метод хроматографии: разделил на компоненты смесь растительных пигментов (хлорофиллов и каротиноидов), пропуская их раствор через слой адсорбента. Метод основан на различии скорости перемещения компонентов смеси в слое поглощающего материала и сегодня широко применяется для разделения и анализа веществ.
§ 4. Примените свои знания.
5. Проведите домашний эксперимент, соблюдая технику безопасности. Укрепите в подсвечниках свечи небольшого диаметра из воска и парафина и одновременно подожгите их. Наблюдайте за горением свечей. Постройте графики зависимости плавления горения свечей от времени. Предложите таблицу «Сравнение процессов горения свечей из парафина и воска» и заполните её. Обсудите результаты работы в классе.
Ход работы. Две свечи одинакового диаметра и высоты (10 см) укрепляют в подсвечниках на негорючей подставке, поджигают одновременно и каждые 10 минут измеряют линейкой высоту свечи, отмечая, сколько вещества расплавилось и стекло. Техника безопасности: свечи ставят вдали от горючих предметов, волосы убирают, огонь не оставляют без присмотра, гасят колпачком.
Наблюдения: у обеих свечей верхняя часть плавится, расплав поднимается по фитилю, испаряется, и горят именно пары. Парафиновая свеча плавится и сгорает быстрее, пламя ярче, возможна копоть. Восковая свеча горит ровнее и медленнее, есть слабый запах мёда, копоти меньше. Результаты сведены в таблицу (образец).
Графики: по оси x откладывают время горения (мин), по оси y — высоту свечи (см). Обе зависимости близки к прямым, идущим вниз; у парафиновой свечи линия круче, так как она сгорает быстрее. Если построить график массы расплавленного вещества от времени, линия идёт вверх, у парафина быстрее.
Вывод: при горении свечи происходят физические явления (плавление, испарение, застывание) и химическое явление — горение паров с образованием углекислого газа и воды. Скорость горения зависит от вещества, из которого сделана свеча.
Оговорка: числа в таблице образцовые, в вашем опыте они будут немного отличаться.
Наблюдения: у обеих свечей верхняя часть плавится, расплав поднимается по фитилю, испаряется, и горят именно пары. Парафиновая свеча плавится и сгорает быстрее, пламя ярче, возможна копоть. Восковая свеча горит ровнее и медленнее, есть слабый запах мёда, копоти меньше. Результаты сведены в таблицу (образец).
Графики: по оси x откладывают время горения (мин), по оси y — высоту свечи (см). Обе зависимости близки к прямым, идущим вниз; у парафиновой свечи линия круче, так как она сгорает быстрее. Если построить график массы расплавленного вещества от времени, линия идёт вверх, у парафина быстрее.
Вывод: при горении свечи происходят физические явления (плавление, испарение, застывание) и химическое явление — горение паров с образованием углекислого газа и воды. Скорость горения зависит от вещества, из которого сделана свеча.
Оговорка: числа в таблице образцовые, в вашем опыте они будут немного отличаться.
§ 4. Примените свои знания.
6. Предложите способы разделения следующих смесей: а) железные и медные стружки; б) песок и древесные опилки; в) бензин и вода; г) раствор этилового спирта в воде.
а) Железные и медные стружки: подействовать магнитом. Железо притягивается к магниту, медь не притягивается.
б) Песок и древесные опилки: высыпать смесь в воду. Песок тяжелее воды и оседает на дно, опилки легче воды и всплывают; опилки снимают с поверхности, воду с песком фильтруют, песок высушивают (отстаивание и фильтрование).
в) Бензин и вода: отстаивание в делительной воронке. Жидкости не смешиваются, бензин легче воды и собирается сверху; нижний слой (воду) сливают через кран воронки.
г) Раствор этилового спирта в воде: дистилляция (перегонка). Спирт кипит при 78 °С, вода при 100 °С, поэтому спирт отгоняется первым, пары конденсируются в холодильнике.
б) Песок и древесные опилки: высыпать смесь в воду. Песок тяжелее воды и оседает на дно, опилки легче воды и всплывают; опилки снимают с поверхности, воду с песком фильтруют, песок высушивают (отстаивание и фильтрование).
в) Бензин и вода: отстаивание в делительной воронке. Жидкости не смешиваются, бензин легче воды и собирается сверху; нижний слой (воду) сливают через кран воронки.
г) Раствор этилового спирта в воде: дистилляция (перегонка). Спирт кипит при 78 °С, вода при 100 °С, поэтому спирт отгоняется первым, пары конденсируются в холодильнике.
§ 4. Примените свои знания.
7. Старатели отделяют золото от пустой породы, взбалтывая грунт в воде и сливая мутную жидкость с осадка. Так появилось выражение «мыть золото». На каком свойстве золотого песка основано его отделение от пустой породы?
Отделение основано на большой плотности золота (около 19,3 г/см³) по сравнению с плотностью пустой породы (песок, глина — примерно 2,5 г/см³). При взбалтывании в воде тяжёлые золотинки быстро оседают на дно, а лёгкие частицы породы остаются во взвеси и уносятся водой при сливании. Это способ отстаивания, основанный на различии плотностей. Кроме того, золото не растворяется в воде.
§ 4. Примените свои знания.
8. Установите последовательность проведения операций для разделения смеси речного песка, порошка серы и поваренной соли: фильтрование, растворение в воде, флотирование, выпаривание, отстаивание.
Порядок операций: 1) растворение в воде; 2) флотирование; 3) отстаивание; 4) фильтрование; 5) выпаривание.
1) Смесь высыпают в воду и перемешивают: соль растворяется, песок тонет, порошок серы водой не смачивается.
2) Флотирование: порошок серы остаётся на поверхности воды, его снимают (собирают с поверхности) и высушивают.
3) Отстаивание: песок оседает на дно, раствор соли осторожно сливают с осадка.
4) Фильтрование: раствор пропускают через бумажный фильтр, чтобы удалить остатки частиц песка; песок на фильтре промывают и сушат.
5) Выпаривание: фильтрат (раствор соли) выпаривают в фарфоровой чашке, остаётся поваренная соль в виде кристаллов.
1) Смесь высыпают в воду и перемешивают: соль растворяется, песок тонет, порошок серы водой не смачивается.
2) Флотирование: порошок серы остаётся на поверхности воды, его снимают (собирают с поверхности) и высушивают.
3) Отстаивание: песок оседает на дно, раствор соли осторожно сливают с осадка.
4) Фильтрование: раствор пропускают через бумажный фильтр, чтобы удалить остатки частиц песка; песок на фильтре промывают и сушат.
5) Выпаривание: фильтрат (раствор соли) выпаривают в фарфоровой чашке, остаётся поваренная соль в виде кристаллов.
§ 4. Примените свои знания.
9. Определите, какие смеси являются гетерогенными, а какие — гомогенными: а) природный газ; б) молоко; в) морская вода; г) зубная паста; д) стиральный порошок.
Гомогенные (однородные, составные части не различимы даже в микроскоп): а) природный газ (смесь газов — метана, этана и др.); в) морская вода (раствор солей в воде).
Гетерогенные (неоднородные, есть границы раздела фаз): б) молоко (капельки жира в воде — эмульсия, видны под микроскопом); г) зубная паста (твёрдые частицы мела в жидкой основе — суспензия); д) стиральный порошок (смесь твёрдых частиц разных веществ).
Гетерогенные (неоднородные, есть границы раздела фаз): б) молоко (капельки жира в воде — эмульсия, видны под микроскопом); г) зубная паста (твёрдые частицы мела в жидкой основе — суспензия); д) стиральный порошок (смесь твёрдых частиц разных веществ).
§ 4. Используйте дополнительную информацию.
10. В период эпидемии заболевания, передающегося воздушно-капельным путём, врачи рекомендуют носить медицинские маски. Аргументируйте, с какой целью это делается. Какие правила необходимо соблюдать при использовании таких масок?
При разговоре, кашле и чихании из дыхательных путей выделяются мельчайшие капли слюны и слизи, в которых могут находиться вирусы и бактерии. Маска работает как фильтр: ткань задерживает капли, и болезнетворные микроорганизмы не попадают в воздух от больного и не попадают в дыхательные пути здорового человека. Это пример фильтрования газовой смеси.
Правила: надевать маску так, чтобы она закрывала нос и рот и плотно прилегала к лицу; не касаться её лицевой стороны руками; не опускать на подбородок; менять каждые 2—3 часа или раньше, если она стала влажной (влажная маска не задерживает капли); использовать только один раз и после снятия выбросить в закрытый мусорный контейнер; после снятия вымыть руки с мылом.
Правила: надевать маску так, чтобы она закрывала нос и рот и плотно прилегала к лицу; не касаться её лицевой стороны руками; не опускать на подбородок; менять каждые 2—3 часа или раньше, если она стала влажной (влажная маска не задерживает капли); использовать только один раз и после снятия выбросить в закрытый мусорный контейнер; после снятия вымыть руки с мылом.
§ 4. Используйте дополнительную информацию.
11. Подготовьте сообщение по одной из тем: а) «Краски в руках художника»; б) «Знаменитые парфюмеры».
Тема а) «Краски в руках художника». Краски — это смеси красящих веществ (пигментов) со связующими веществами. С древности пигменты получали из природных материалов: охра и мумия — из глин, ультрамарин — из лазурита, кармин — из насекомых, чёрную краску — из сажи. Со временем химики научились получать красители искусственно: берлинскую лазурь, кобальтовую синь, титановые белила. Для масляных красок пигмент смешивают с растительным маслом, для акварели — с гуммиарабиком и водой, для темперы — с яичным желтком. Чтобы разделить красители, например в фломастере, применяют хроматографию. Знание химии помогает реставраторам распознавать пигменты и восстанавливать картины.
Тема б) «Знаменитые парфюмеры». Духи — смесь душистых веществ, спирта и воды. Ароматные масла получают из лепестков, листьев, плодов и корней растений перегонкой с водяным паром, экстракцией и отжимом. Парфюмеры составляют композиции из нот: верхних, средних и базовых. Всемирно известны французские парфюмеры Эрнест Бо, создавший в 1921 г. духи «Шанель № 5», и Жан-Поль Герлен; в России — Огюст Мишель и Генрих Брокар, основатели фабрик в Москве, позднее ставших «Новой Зарёй» и «Свободой». Работа парфюмера основана на методах разделения смесей: дистилляции и экстракции.
Тема б) «Знаменитые парфюмеры». Духи — смесь душистых веществ, спирта и воды. Ароматные масла получают из лепестков, листьев, плодов и корней растений перегонкой с водяным паром, экстракцией и отжимом. Парфюмеры составляют композиции из нот: верхних, средних и базовых. Всемирно известны французские парфюмеры Эрнест Бо, создавший в 1921 г. духи «Шанель № 5», и Жан-Поль Герлен; в России — Огюст Мишель и Генрих Брокар, основатели фабрик в Москве, позднее ставших «Новой Зарёй» и «Свободой». Работа парфюмера основана на методах разделения смесей: дистилляции и экстракции.