Разделение смеси с помощью магнита на каких свойствах основан
- Отстаивание
- Центрифугирование
- Фильтрование
- Действие магнитом
- Выпаривание. Кристаллизация
- Дистилляция (перегонка)
Для получения чистых веществ используют различные способы разделения смесей.
| Способы разделения смесей | |
|---|---|
| неоднородных (гетерогенных) | однородных (гомогенных) |
| — Отстаивание — Фильтрование — Действие магнитом — Центрифугирование | — Выпаривание. Кристаллизация. — Дистилляция (перегонка) |
Процессы разделения смесей основаны на различных физических свойствах компонентов, образующих смесь.
Отстаивание
Отстаивание — это разделение неоднородной жидкой смеси на компоненты, путём её расслоения с течением времени под действием силы тяжести.
Отстаиванием можно разделить смесь нерастворимых в воде веществ, имеющих разную плотность.
Пример. Смесь из железных и древесных опилок можно разделить, если высыпать её в сосуд с водой (1), взболтать и дать отстояться. Железные опилки опустятся на дно сосуда, а древесные будут плавать на поверхности воды (2), и их вместе с водой можно будет слить в другой сосуд (3):
На этом же принципе основано разделение смесей малорастворимых друг в друге жидкостей.
Пример. Смеси бензина с водой, нефти с водой, растительного масла с водой быстро расслаиваются, поэтому их можно разделить с помощью делительной воронки:
Отстаиванием также можно разделить вещества, которые осаждаются в воде с различной скоростью.
Пример. Смесь из глины и песка можно разделить, если высыпать её в сосуд с водой (1), взболтать и дать отстояться. Песок оседает на дно значительно быстрее глины (2):
Этот способ используется для отделения песка от глины в керамическом производстве (производство глиняной посуды, красных кирпичей и др.).
Центрифугирование
Центрифугирование — это разделение неоднородных жидких смесей путём вращения.
Пример. Если компоненты неоднородной жидкой смеси очень малы, такие смеси разделяют центрифугированием. Такие смеси помещают в пробирки и вращают с большой скоростью в специальных аппаратах — центрифугах.
Перед центрифугированием частицы смеси распределены по объёму пробирки равномерно. После центрифугирования более лёгкие частицы всплывают наверх, а тяжёлые оседают на дно пробирки.
С помощью центрифугирования, к примеру, отделяют сливки от молока.
Фильтрование
Фильтрование — это разделение жидкой неоднородной смеси на компоненты, путём пропускания смеси через пористую поверхность. В роли пористой поверхности может выступать бумажная воронка, марля, сложенная в несколько слоёв, или любой другой пористый материал, способный задержать один или несколько компонентов смеси.
Фильтрованием можно разделить неоднородную смесь, состоящую из растворимых и нерастворимых в воде веществ.
Пример. Чтобы разделить смесь, состоящую из поваренной соли и песка, её можно высыпать в сосуд с водой, взболтать и затем эту смесь пропустить через фильтровальную бумагу. Песок остаётся на фильтровальной бумаге, а прозрачный раствор поваренной соли проходит через фильтр:
При необходимости, растворённую поваренную соль из воды можно выделить выпариванием.
Действие магнитом
С помощью магнита из неоднородной смеси выделяют вещества, способные к намагничиванию.
Пример. C помощью магнита можно разделить смесь, состоящую из порошков железа и серы:
Выпаривание. Кристаллизация
Выпаривание — это способ разделения жидких смесей путём испарения одного из компонентов. Скорость испарения можно регулировать с помощью температуры, давления и площади поверхности испарения.
Пример. Чтобы растворённую в воде поваренную соль выделить из раствора, последний выпаривают:
Вода испаряется, а в фарфоровой чашке остаётся поваренная соль. Иногда применяют упаривание, т. е. частичное испарение воды. В результате образуется более концентрированный раствор, при охлаждении которого растворённое вещество выделяется в виде кристаллов. Этот процесс получил название кристаллизации.
Дистилляция (перегонка)
Дистилляция (перегонка) — это способ разделения жидких однородных смесей путём испарения жидкости с последующим охлаждением и конденсацией её паров. Данный способ основан на различии в температурах кипения компонентов смеси.
Пример. При нагревании жидкой однородной смеси сначала закипает вещество с наиболее низкой температурой кипения. Образующиеся пары конденсируются при охлаждении в другом сосуде. Когда этого вещества уже не останется в смеси, температура начнёт повышаться, и со временем закипает другой жидкий компонент:
Таким способом получают, к примеру, дистиллированную воду.
Источник
Новое исследование описывает новый подход для очистки редкоземельных металлов, важнейших компонентов технологии, которые требуют экологически опасных процедур добычи. Полагаясь на магнитные поля металла во время процесса кристаллизации, исследователи смогли эффективно и избирательно разделять смеси редкоземельных металлов.
Семьдесят пять из 118 элементов периодической таблицы несут в карманах и кошельках более 100 миллионов пользователей iPhone в США каждый день. Некоторые из этих элементов в изобилии, такие как кремний в компьютерных чипах или алюминий для корпусов, но некоторые металлы, которые необходимы для четких дисплеев и чистых звуков, трудно получить. Семнадцать элементов, известных как редкоземельные металлы, являются важными компонентами многих технологий, но их нет в концентрированных отложениях, и, поскольку они более рассредоточены, для их извлечения требуются токсичные и вредные для окружающей среды процедуры.
С целью разработки более совершенных способов переработки этих металлов новое исследование, проведенное в лаборатории Эрика Шелтера, описывает новый подход к разделению смесей редкоземельных металлов с помощью магнитного поля. Подход, опубликованный в международном издании Angewandte Chemie, увидел удвоение производительности разделения и является отправной точкой для более чистой и более круговой экономики редкоземельных металлов.
Стандартный подход для разделения смесей элементов заключается в проведении химической реакции, которая вызывает изменение фазы одного из элементов, например переход от жидкости к твердому веществу, что позволяет разделять элементы с использованием физических методов, таких как фильтрация. Этот тип подхода используется для разделения редкоземельных металлов; смеси помещают в раствор кислоты, и органическое соединение и отдельные ионы металла медленно выходят из кислотной фазы в органическую фазу с различными скоростями, основанными на химических свойствах металла.
Трудно то, что многие химические свойства, такие как растворимость или то, как они реагируют с другими элементами, очень похожи между редкоземельными металлами. Отсутствие сильной химической разницы означает, что разделение редкоземельных металлов – это процесс, требующий много времени и энергии, который также приводит к образованию значительного количества кислотных отходов. «Это хорошо работает, когда вы делаете это 10000 раз, но каждый отдельный шаг неэффективен», – говорит Шелтер.
Отличие отдельных редкоземельных металлов заключается в их парамагнетизме или в том, насколько они притягиваются к магнитным полям. Исследователи были заинтересованы в поиске способов использования парамагнетизма для выделения различных редкоземельных элементов, но предыдущие усилия не нашли способов связать парамагнетизм с химической реакцией или фазовым сдвигом.
Ключевым открытием стало то, что объединение магнитного поля с понижением температуры привело к кристаллизации ионов металла с различной скоростью. Кристаллизация элементов путем понижения температуры является широко используемым подходом в лаборатории, но величина его воздействия была неожиданной. «Мы используем более низкие температуры для кристаллизации многих наших материалов», – объясняет докторский исследователь Роберт Хиггинс, который руководил исследованием. «Это была одна из вещей, которую я мог потенциально использовать, но вначале я не осознавал, насколько это важно на самом деле».
Используя этот подход, исследователи могут эффективно и избирательно отделять тяжелые редкоземельные элементы, такие как тербий и иттербий, от более легких металлов, таких как лантан и неодим. Самым поразительным результатом было взятие смеси лантана и диспрозия в соотношении 50/50 и возврат 99,7% диспрозия за один шаг – «повышение на 100%» по сравнению с тем же методом, но без использования магнита.
Поскольку химические механизмы существующих подходов к разделению недостаточно понятны, исследователи надеются, что их системный подход может превратить технологии разделения металлов из «магических» в нечто более контролируемое, конкурентоспособное и экономически эффективное. «Если бы вы могли рационально разработать способы улучшения разделения металлов, это было бы огромным преимуществом», – говорит Шелтер. «Наша позиция заключается в рассмотрении нишевых применений, связанных с химическим разделением, с использованием подхода, который может применяться к новым системам разделения в дополнение к существующей технологии».
В настоящее время Хиггинс ищет способы повысить эффективность реакции, изучая, как магнитные поля взаимодействуют с этими химическими растворами. Он рассматривает это исследование и другие фундаментальные химические открытия как важный первый шаг к тому, чтобы сделать переработку редкоземельных металлов более эффективной и устойчивой. «Чем быстрее мы сможем найти новые способы более эффективного разделения, тем быстрее мы сможем улучшить некоторые геополитические и климатические проблемы, связанные с добычей и переработкой редкоземельных элементов» , – говорит Хиггинс.
Источник: phys.org
Источник
1. На каких свойствах веществ основано разделение смесей?
- Растворимость и нерастворимость — фильтрование, декантация, центрифугирование.
- Различная растворимость — осаждение (при охлаждении раствора двух солей, первой в осадок выпадать будет та, которая меньше растворима).
- Различное агрегатное состояние.
Газ / жидкость — конденсация (водяного пара из воздуха), газ / твердые частицы — фильтрование (противогаз).
Жидкость / газ — нагревание (при нагревании растворимость газа в жидкости уменьшается), жидкость / твердые частицы — фильтрование, декантация, центрифугирование.
Твердое тело / газ — нагревание (активированный уголь адсорбирует газы, но при нагревании «отдает» их назад).
- Несмешиваемость (для жидкостей) — отстаивание (например, масло и вода).
- Магнетизм — разделение магнитом (сера и порошок железа).
- Различный размер частиц (для сыпучих тел) — отсеивание (мука и сахар).
2. Приведите примеры разделения смесей с помощью просеивания, известные вам из повседневной жизни.
Просеивание муки, строительного песка.
3. Для отделения золота от пустой породы золото «моют». Какие свойства золота и частиц горной породы используют при этом?
Золото — очень тяжелый металл, его плотность намного выше, чем у горной породы. Базальтовые камни, песчаник и другие породы обычно весят меньше. Поэтому при промывке они просто стекают с водой. Само же золото остается на дне лотка.
4. Что такое отстаивание и декантация? Приведите примеры.
Отстаивание это выделение из жидкостей нерастворимых веществ. Если частички твердого вещества достаточно крупные, они быстро оседают на дно, а жидкость становится прозрачной. Ее можно осторожно слить с осадка, эта операция называется декантацией.
Примеры: обогащение породы, отстаивание масла или бензина. Есть такая любопытная задача: как при помощи бочки и гвоздя разделить бензин и воду? Ответ прост: дать отстояться, пробить бочку гвоздем снизу и слить воду.
5. Что такое фильтрование и фильтрат? Какие вещества и материалы могут использоваться для изготовления фильтра?
Фильтрование — отделение твердых частиц от жидкой фракции при помощи фильтра. Полученную в этом процессе жидкость называют фильтратом.
В качестве фильтра можно использовать фильтровальную бумагу, вату, ткань, марлю, песок, уголь.
6. Приведите примеры способов фильтрования воздуха, которые используются в быту и на производстве.
В быту: салонный фильтр в автомобиле, ватно-марлевая повязка, марлевая повязка (аптечная или самодельная) или даже платок.
В производстве: респираторы, системы очистки воздуха промышленных предприятий.
7. Что такое центрифугирование? На чем основан этот процесс? Где он применяется?
Центрифугирование — осаждение твердых частиц в жидкости под действием центробежной силы. Это процесс основан на различной плотности частиц — самые тяжелые будут оседать первыми, далее — оседают более легкие частицы. Таким образом можно разделять многокомпонентные смеси, например, кровь.
Применяется в пищевой промышленности (сепарация молока), медицине (сыворотка и плазма крови), исследованиях.
8. Смешайте столовую ложку сухого молока и речного песка. Пересыпьте смесь в стакан с водой, но не перемешивайте. Для того чтобы песок полностью осел на дно, осторожно постучите по внешней стенке стакана ложкой. Какой из компонентов смеси остался на поверхности воды? Почему?
На поверхности остается сухое молоко. Причины: низкая плотность и несмачиваемость.
9. В стеклянный стакан насыпьте немного порошка для чистки посуды и налейте полстакана воды. Образуется мутная смесь. Жидкость станет прозрачной только на следующий день. Почему смесь отстаивается так долго?
Частички порошка очень мелкие, а значит обладают очень маленькой массой. Для их осаждения требуется больше времени.
10. Растолките пять таблеток активированного угля и смешайте их с четвертью стакана окрашенной газированной воды, например пепси-колы. Интенсивно перемешивайте смесь ложечкой. Что наблюдается? Сравните окраску отстоявшегося раствора с окраской исходного напитка.
Раствор теряет окраску. Это связано с адсорбцией — способностью активированного угля поглощать своей поверхностью газообразные или растворенные вещества. Проще говоря, активированный уголь поглотил вещества, которые придают окраску напитку.
Источник
В природе вещества обычно встречаются в виде смесей. Чтобы получить чистое вещество, надо его из смеси выделить.
Разделение смеси производят для выделения в чистом виде всех её составных частей. При очистке выделяют одно вещество, а примеси удаляют.
В составе смесей вещества сохраняют свои свойства. Способы разделения и очистки веществ основаны на их различиях.
Одним из самых простых способов разделения неоднородных смесей является отстаивание.
Используется для разделения неоднородных смесей жидкого и твёрдого вещества или двух жидкостей, которые различаются по плотности.
При отстаивании смеси жидкости и твёрдого вещества на дне сосуда оседает вещество с большей плотностью. Верхний слой осторожно отделяют.
Отстаивание смеси песка и воды
Таким способом можно разделить смесь мела и воды, песка и воды.
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.
Делительная воронка
Фильтрование — это отделение жидкости или газа от взвешенных в них твёрдых частиц при пропускании через пористые материалы (фильтры). Фильтры задерживают частицы, если их размеры больше размера пор. Для фильтрования можно использовать специальную бумагу, ткань, марлю, вату, песок, уголь, пористую керамику.
Механизм фильтрования
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.
Простейший прибор для фильтрования
((1) — смесь, (2) — стеклянная палочка, (3) — воронка с фильтром, (4) — фильтрат)
С помощью фильтрования можно очистить воду от попавших в неё пылинок, частиц песка и других примесей. В лабораториях этим способом отделяют образовавшиеся в реакциях осадки.
Фильтрование используется в промышленности (в производстве растительного масла, творога). В качестве фильтров там используются ткани.
В двигателях автомобилей через фильтры обязательно проходит топливо и масло.
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.
Бытовой фильтр для очистки воды
С помощью фильтрования очищают также воздух от примесей. На фильтровании воздуха основана работа пылесоса, противогаза.
Для удаления нежелательных примесей часто используют адсорбенты. Так, в противогазах воздух проходит через слой активированного угля, который имеет много мелких пор и способен поглощать газообразные и растворённые вещества. Уголь применяется в производстве сахара для очистки сахарного сиропа от содержащихся в нём примесей.
Если частицы неоднородной смеси малы, то её сложно разделить отстаиванием или фильтрованием. В этом случае используют центрифугирование. Смесь помещают в сосуды, которые вращают с большой скоростью в центрифуге. Более тяжёлые частицы оседают на дне.
Центрифуга
Такой способ находит применение для разделения молока. При вращении в специальной центрифуге (сепараторе) отделяются сливки, и остаётся обезжиренное молоко.
Универсальных методов разделения смесей нет. В каждом конкретном случае основываются на различиях в свойствах веществ.
Смесь железных опилок с серой можно разделить, используя магнитные свойства железа. Если к поверхности смеси поднести магнит, то частицы железа притянутся к нему, а сера останется.
Смесь серы и железа
Железо и сера
Можно эту же смесь разделить с помощью воды. Железо тяжелее воды и оседает на дне. Сера водой не смачивается и остаётся на поверхности. Способ разделения смесей, основанный на различии смачиваемости компонентов, называется флотацией.
Источник