Как сделать фильтрование в химии
Обновлено: 02.07.2024
Соли – сложные вещества, образованные атомами металла и кислотными остатками.
Классификация:
а)растворимые KCl, Ba(NO3)2
а)средние или нормальные Na2SO4(сульфат натрия),MgCl2
б)кислые KHSO4(гидросульфат калия),Ca(H2PO4)2 (дегидрофосфат кальция)
в)основные CuOHCl(хлорид гидроксомеди), Al(OH)2NO3 (нитрат дегидроксоалюминия
Получение:
1)Взаимодействие неметаллов с металлами Fe+S → FeS(сульфат железа)
2)Вз - е металлов с кислотами Zn+H2SO4 → ZnSO4 + H2↑
3)Вз - е металлов с растворами солей Fe+CuSO4→FeSO4+Cu
4)Вз - е кислот с основаниями HCl+NaOH→ NaCl+H2O(реакция нейтрализации)
5)Вз - е кислот с основными оксидами H2SO4+CaO →CaSO4+H2O
6)Вз - е кислот с растворами солей H2SO4+BaCl2→ BaSO4↓+HCl
7)Вз – е оснований с растворами солей 2NaOH+CuSO4→ Cu(OH)2↓+NA2SO4
8)Вз - е оснований с кислотными оксидами Ca(OH)2+CO2→ CaCO3↓+H2O
9)Вз – е основных оксидов с кислотными оксидами CaO+CO2 →CaCO3
10)Вз-е неметаллов с растворами солей 2KBr+Cl2 →2KCl+Br2
11)Вз-е солей друг с другом NaCl+AgNO3→ AgCl↓+NaNO3
12)Получение солей аммония NH3+HCl →NH4Cl(хлорид аммония)
Фильтрование.Основные правила фильтрования.
Для фильтрования осадков в количеств. анализе используют так называемые беззольные фильтры, остаток после озоления которых меньше чувствительности аналитических весов (0,00003 – 0,00007г).В зависимости от размеров частиц полученного осадка применяют бумажные фильтры разной степени пористости:
1)синяя лента – для мелкозернистых осадков – наиболее плотные фильтры,
2)белая лента(менее плотные) – для осадков крупнокристаллических и аморфных.
Размер фильтра определяется величиной осадка, а не объёмом фильтруемой жидкости.Только1/3 фильтра должна быть заполнена осадком.Размер воронки подбирают так,чтобы края фильтра были на 0,5 – 1 см ниже края воронки.
При сливании жидкости на фильтр пользуются стеклянной палочкой.Нижний конец палочки должен близко подходить к фильтру, но не касаться бумаги. Правой рукой берут стакан с фильтруемой жидкостью, прикладывают носик стакана к палочке и осторожно сливают жидкость на фильтр, пока он не будет наполнен на 2/3. Осадок на фильтре промывают небольшими порциями промывной жидкости,т.к. при одинаковом объёме промывной жидкости, многократная промывка небольшими порциями более эффективна.
Научные методы исследования химических веществ и превращений. Методы разделения смесей и очистки веществ.
1. Разделение жидкостей
Перегонка – разделение жидкостей, различающихся по температуре кипения.
Дистилляция – очистка воды от твердых примесей.
2. Разделение жидкостей и твердых веществ
Фильтрование – метод разделения жидкостей и твердых веществ.
Выпаривание – метод разделения жидкостей и твердых веществ.
Декантация – с ливание жидкости с отстоявшегося осадка. К ней целесообразно прибегать в тех случаях, когда в сравнительно большом количестве жидкости находится немного твердого вещества, которое легко оседает на дно.
3. Разделение смесей твердых веществ
Сублимация (возгонка) — очистка твердых веществ, способных при нагревании переходить непосредственно из твердой фазы в газообразную, минуя жидкую фазу. Образующийся газ конденсируется охлаждаемой частью прибора. Сублимацию обычно проводят при температуре, близкой к температуре плавления вещества. Возгонкой можно очистить йод, серу, хлорид аммония.
Перекристаллизация. При повышенной температуре готовят насыщенный раствор очищаемого вещества, затем для удаления нерастворимых примесей раствор фильтруют через воронку для горячего фильтрования и охлаждают до низкой температуры. При понижении температуры растворимость вещества понижается, и основная часть очищаемого вещества выпадает в осадок, растворимые примеси остаются в растворе.
Хроматография. Метод разделения и анализа смесей веществ, который основан на распределении веществ между двумя фазами – неподвижной (твердая фаза или жидкость, связанная на носителе) и подвижной (газовая или жидкая фаза, элюент).
Для того, чтобы создать лекарства, синтетические ткани, пластмассы, пищевые добавки нужно использовать определенные чистые вещества. Но абсолютно чистых веществ в природе нет, они встречаются в виде смесей.
С развитием науки пополнялся список способов разделения смесей. И в настоящее время не найти промышленного производства, где бы не разделяли смеси.
Разделение используется для выделения всех компонентов из смеси, а очистка для выделения одного компонента из смеси.
Способы разделения смесей делятся на химические (разделение основано на разнице в химических свойствах) и физические (разделение основано на разнице в физических свойствах). Неоднородные смеси разделять легче, чем однородные. К распространенным способам разделения неоднородных смесей относятся отстаивание, фильтрование, применение магнита. К распространенным способам разделения однородных смесей относятся выпаривание, кристаллизация, плавление, возгонка, перегонка, хроматография.
В однородной смеси мы не можем обнаружить разные частицы невооруженным глазом или при помощи микроскопа
В неоднородной смеси мы не можем обнаружить разные частицы невооруженным глазом или при помощи микроскопа
Методы разделения
Разделение смеси используют для выделения всех ее составляющих в чистом виде. При очистке выделяют одно вещество, а примеси удаляют.
Так как вещества в смеси сохраняют свои свойства, то все способы разделения смесей основаны на различиях в физических и химических свойствах компонентов, входящих в смесь.
Химические методы разделения основаны на разнице в химических свойствах. При разделении к смеси добавляют реагент, протекает химическая реакция с участием реагента и определенных компонентов в смеси, появляются новые компоненты.
Физические методы разделения основаны на разнице в физических свойствах – здесь к смеси не будут добавлять реагентов, следовательно, не будет химических превращений. Легче разделять неоднородные смеси, так как их частицы видны невооруженным глазом.
В этом уроке будут разобраны самые распространенные физические способы разделения смесей.
Разделение гетерогенных смесей
Самыми распространенными способ разделения гетерогенных смесей являются отстаивание, фильтрование, действие магнитом. Эти способы разделения широко используются в промышленных масштабах.
Отстаивание – один из самых простых способов разделения неоднородных систем, основанный на различной плотности компонентов. Более плотный компонент в смеси будет иметь большую массу, следовательно, на него будет оказываться большая сила тяжести, поэтому этот компонент смеси первый пойдет ко дну. Используется для разделения неоднородных смесей жидкого и твердого вещества или двух жидкостей.
Декантация – отделение твердой фазы суспензии/взвеси от жидкой фазы, осуществляемое выливанием раствора с осадка после отстаивания.
При отстаивании смеси жидкости и твёрдого вещества на дне сосуда оседает вещество с большей плотностью. Верхний слой осторожно отделяют. Таким способом можно разделить смесь мела и воды, песка и воды.
Также декантация – отделение двух несмешивающихся жидкостей, осуществляемое сливанием более плотной жидкости после отстаивания.
Для разделения смеси двух жидкостей (растительное масло и вода, бензин и вода, нефть и вода) используется делительная воронка — сосуд с краном внизу. Сливают сначала более тяжёлый нижний слой, а затем — лёгкий верхний. Подобным образом в деревнях отделяли сливки от молока.
В первых двух случаях показаны по два сосуда, чтобы показать, как с течением времени из-за различной плотности вещества разделяются на слои.
1) Твердые нерастворимые вещества разной плотности (железные и древесные опилки)
2) Твердые вещества, одно из которых растворимо (соль и опилки)
3) Несмешивающиеся жидкости с разной плотностью (нефть и вода)
Фильтрование — это отделение жидкости или газа от взвешенных в них твёрдых частиц при пропускании через пористые материалы (фильтры). Этот способ разделения основан на различной растворимости и различных размерах частиц. Фильтры задерживают частицы, если их размеры больше размера пор. Для фильтрования можно использовать специальную бумагу, ткань, марлю, вату, песок, уголь, пористую керамику.
Простейший прибор для фильтрования состоит из воронки с фильтром и сосуда для собирания фильтрата. При использовании бумажного фильтра смесь осторожно наливают в воронку по стеклянной палочке. Вода проходит через фильтр, а частицы твёрдого вещества задерживаются на нём. Для ускорения процесса фильтрования скошенный конец воронки следует прижать к стенке химического стакана.
В лабораториях этим способом отделяют образовавшиеся в реакциях осадки.
Фильтрование используется в промышленности (в производстве растительного масла, творога). В качестве фильтров там используются ткани.
На одной из стадий очистки питьевой воды в водопроводах её пропускают через слой чистого песка. В домашних условиях для очистки питьевой воды применяется бытовой фильтр.
С помощью фильтрования очищают воздух от примесей. На фильтровании воздуха основана работа пылесоса, противогаза. Для удаления нежелательных примесей часто используют адсорбенты.
Смесь также можно разделить действием магнита. Этот способ разделения основан на различных магнитных свойствах. Один из компонентов смеси притягивается к магниту, а остальные нет. Этот метод используется в производстве, чтобы разделить железо от пустой породы.
Разделение гомогенных систем
Разделить однородные (гомогенные) смеси сложнее, так как их частицы не видны. Такие смеси устойчивые и не разделяются при долгом хранении. Для разделения однородных смесей могут быть использованы другие способы: выпаривание, кристаллизация, плавление, возгонка, перегонка (дистилляция), хроматография.
Выпаривание используется для выделения твердых веществ из растворов. Раствор помещается в фарфоровую чашку и нагревают. По мере испарения растворителя (например, воды) на стенках чашки образуются мелкие кристаллы твердого вещества. При этом твердое вещество не должно разлагаться при нагревании.
Кристаллизация применяется для выделения крупных кристаллов твёрдого вещества. Воду испаряют лишь частично. Горячий раствор оставляют открытым на длительное время. Вода медленно испаряется, и из раствора выпадают кристаллы вещества.
Перекристаллизация основана на различной растворимости и температуре кипения, её используют для очистки твердых веществ от примесей. Смесь растворяют в воде или другом растворителе и нагревают. По мере нагревания необходимое вещество растворяется, а примеси нет. Потом раствор аккуратно сливают в другой сосуд и охлаждают. При охлаждении выделяемое твердое вещество выпадает в осадок, который потом отфильтровывают. Может быть обратная ситуация: смесь растворяют в горячем растворителе, выделяемое вещество имеет меньшую растворимость, чем примеси и первым кристаллизуется из раствора, однако тогда нельзя допускать испарение воды, чтобы очистка была более эффективной.
Выпаривание и кристаллизация используются для выделения солей из морской воды и соленых озер, при производстве сахара. Также кристаллизация используется в лабораториях для очистки твердых веществ от примесей.
Плавление и последующая кристаллизация используются для получения сверхчистых металлов, необходимых, например, для надежной работы ядерных реакторов. Метод основан на различной температуре плавления веществ. Твердую смесь плавят. В ходе плавления необходимое веществ (металл) принимает жидкое агрегатное состояние, а примеси нет. Эту жидкую фазу отделяют и охлаждают.
Возгонка (сублимация) и последующую после охлаждения кристаллизацию используют для очистки веществ с низкой температурой возгонки, например кристаллического йода.
При нагревании твердой смеси необходимое вещество возгоняется и принимает газообразное состояние, потом его охлаждают. Отличительной особенностью сублимации является то, что вещество, подвергнутое возгонке, переходит из твердого состояния в газ, минуя жидкую стадию.
Перегонка (дистилляция) — разделение жидких однородных смесей, основанное на различных температурах кипения жидкостей.
Простейший прибор для дистилляции состоит из двух сосудов (например, пробирок), пробки с газоотводной трубкой и стакана с холодной водой для охлаждения паров. Смесь нагревается в одном сосуде, а пары более летучего вещества конденсируются в другом. Так можно отделить жидкость от растворённых в ней веществ.
В более сложных приборах для охлаждения паров используют специальный холодильник, через кожух которого проходит проточная вода. При нагревании смеси сначала испаряется вещество с самой низкой температурой кипения. Его пары охлаждаются в холодильнике, и в сосуде собирается чистое вещество. Затем нагревание усиливают и отделяют следующее вещество с более высокой температурой кипения.
Применение перегонки (дистилляции)
1) В химических лабораториях при производстве лекарств таким методом получают дистиллированную воду (без примесей растворённых солей).
2) Перегонка используется для опреснения морской воды в тех странах, где питьевой воды не хватает.
3) Перегонка является одним из основных способов переработки нефти. С помощью перегонки из неё выделяют разные виды топлива.
Хроматография – метод разделения смесей, основанный на распределении веществ между двумя фазами подвижной и неподвижной.
Рассмотрим принцип хроматографии на примере колоночной хроматографии. Хроматографическую колонку забивают определенным твердым веществом, которое будет исполнять роль неподвижной фазы. Через это вещество пропускают жидкое вещество (элюент), которое будет исполнять роль подвижной фазы, со смесью веществ. Элюент меньше всего связывается с неподвижной фазой, поэтому из колонки всегда выходит первым. Потом из колонки выходит тот компонент смеси, который лучше связывался с подвижной фазой (элюентом) и слабо связывался с неподвижной фазой. Так компоненты смеси выходят по очереди, самым последним из колонки выйдет компонент, который более слабо связывался с подвижной фазой и более сильно с неподвижной фазой.
С помощью хроматографии можно разделять жидкие и газовые смеси, даже те, разделение которых другими методами разделения невозможно. Хроматография используется в химической, фармацевтической, пищевой промышленности, для очистки растворов, а также удаления солей из сахарных сиропов и молока. С помощью хроматографии можно выделять ценные соединения из природных растворов и отработанных вод производств. В химических лабораториях хроматография также используется для качественного и количественного определения состава смесей.
Фильтрование
При фильтровании суспензий отделяемые от жидкости твёрдые частицы чаще всего образуют на ФП слой влажного осадка, который при необходимости может промываться водой и др. жидкостями или продуваться воздухом с целью его осушки. Твёрдые частицы очень вязких и малоконцентрированных тонкодисперсных суспензий могут проникать в поры ФП и задерживаться там, не образуя осадка. Возможно также фильтрование, при котором твёрдые частицы одновременно проникают в поры и образуют осадок. Для предотвращения или замедления закупорки пор применяют вспомогательные вещества (диатомит, перлит, асбест, целлюлозу и др.), которые либо наносят на ФП, либо добавляют в суспензию. Принцип действия этих материалов заключается в том, что они образуют защитные сводики над порами. Жидкость, прошедшая через ФП, называется фильтратом.
Фильтруемая жидкость при движении через слой осадка и ФП встречает гидравлическое сопротивление, для преодоления которого необходимо создание перепада давления (вакуума под ФП или избыточного давления над ней). При постоянном перепаде давления скорость фильтрования падает по мере увеличения толщины слоя осадка и, следовательно, возрастания гидравлического сопротивления. В случае подачи суспензии на ФП поршневым насосом фильтрование происходит при непрерывном росте перепада давления с постоянной скоростью. Если же суспензия подаётся центробежным насосом, изменяются непрерывно как перепад давления, так и скорость фильтрования. С повышением температуры скорость фильтрования возрастает благодаря понижению вязкости суспензии.
Различают следующие виды фильтрования: а) собственно разделение суспензий – отделение содержащихся в них твёрдых частиц, задерживаемых на ФП, через которую удаляется подавляющее количество жидкости; б) сгущение суспензий – повышение в них концентрации твёрдой фазы путём удаления через ФП некоторой части жидкой фазы; в) осветление жидкостей – очистка от содержащегося в них небольшого количества тонких взвесей. Осадки, получаемые при фильтровании, бывают несжимаемые (их пористость в процессе фильтрования постоянна) и сжимаемые (пористость уменьшается). В случае несжимаемых осадков (например, частиц песка, кристаллов карбоната кальция) поток жидкости через ФП ламинарен и скорость фильтрования пропорциональна перепаду давления и высоте слоя осадка. В случае сжимаемых осадков (например, гидроокисей металлов) эта зависимость более сложна и индивидуальна для каждой суспензии. Сжатие осадка приводит к увеличению гидравлического сопротивления и уменьшению скорости фильтрования. Для предотвращения сжатия к тонкодисперсным суспензиям добавляют коагулянты и флокулянты, способствующие агрегированию мелких частиц и повышению пористости осадка.
Фильтрование – эффективный метод разделения жидких неоднородных систем, широко применяемый в лабораторных и промышленных условиях (в химической, пищевой, нефтеперерабататывающей, горнорудной и др. областях промышленности). Фильтрование используется также для газов очистки.
Лит.: Жужиков В. А., Фильтрование. Теория и практика разделения суспензий, 2 изд., М., 1968; Малиновская Т. А., Разделение суспензий в промышленности органического синтеза, М., 1971; Касаткин А. Г., Основные процессы и аппараты химической технологии, 8 изд., М., 1971.
Читайте также: