Физические явления
Урок 25. Химия 8 класс
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Физические явления»
Физические явления отличаются от химических. При физических явлениях не происходит образование новых веществ, а изменяется агрегатное состояние тел, их форма, размеры.
Эти свойства широко используют в различных областях промышленности: пластичность алюминия позволяет вытягивать его в проволоку или выкатывать в фольгу; электропроводность и легкость алюминия используется для изготовления линий электропередач; его сплавы используют в самолетостроении, а неядовитость и пластичность используется при изготовлении посуды.
Многие способы разделения смесей относятся к физическим явлениям. Например, такой способ, как дистилляция, основанный на различных температурах кипения веществ, используется для получения дистиллированной воды, т.е. воды, не содержащей растворенных в ней веществ. Такую очищенную воду используют для приготовления лекарственных средств и в системе охлаждения автомобилей. Посмотрите, как происходит этот процесс: нагреваясь, вода превращается в пар, который проходит через специальное устройство – холодильник, где пары воды конденсируются и на выходе мы получаем жидкость – очищенную воду.
Такой способ как перегонка, используется для разделения природной нефти на отдельные компоненты. Промышленная установка для перегонки нефти состоит из трубчатой печи для нагревания нефти и разделительной, или ректификационной, колонны, где нефть разделяется на фракции (дистилляты). В этой трубчатой печи в виде змеевика расположен длинный трубопровод, печь обогревается горящим мазутом или газом. По трубопроводу подается нефть, где она нагревается до 320 – 350 0 С и в виде жидкости и паров поступает в ректификационную колонну. Колонна представляет собой стальной цилиндрический аппарат высотой около 40 м, имеет внутри несколько десятков горизонтальных перегородок с отверстиями, которые называют тарелками. В этой колонне пары нефти проходят через отверстия в тарелках, постепенно охлаждаются при движении вверх, сжижаются на определенных тарелках в зависимости от температуры кипения и плотности. Углеводороды менее летучие, уже на первых тарелках сжижаются, образуя газойлевую фракцию, более летучие собираются выше, образуя керасиновую фракцию, которые собираются еще выше – лигроиновую фракцию, а наиболее летучие, выходят из колонны в виде паров и образуют бензин. Внизу собирается густая черная жидкость – мазут. Ее используют в качестве топлива и для получения смазочных масел.
Для очистки солей используют такой метод, как кристаллизация. При этом природную соль растворяют в воде, а затем фильтруют. На фильтре остаются частички нерастворенных в воде примесей. Затем соль отделяют методом выпаривания, когда в фарфоровую чашку наливают раствор соли, нагревают его, вода испаряется, а кристаллы соли остаются в фарфоровой чашке.
Такой метод как фильтрование, основан на разной пропускной способности фильтра. При очистке питьевой воды на станциях, фильтром служит слой песка, в пылесосах используются бумажные или матерчатые фильтры, очищая воздух от пыли, в медицине используют многослойные марлевые повязки.
Такой метод, как возгонка, или сублимация, используется для получения чистого йода и серы, когда вещество при нагревании испаряется, а при охлаждении, минуя жидкую фазу, конденсируется в кристаллы. Лед тоже способен к возгонке, потому как мокрое белье на морозе высыхает. Метод возгонки используют для получения «сухого льда», который необходим для хранения продуктов, в частности мороженого.
С помощью метода отстаивания возможно разделения смеси растительного масла и воды, нефти и воды. Эти расслаивающие жидкости отделяют с помощью делительной воронки.
Методом центрифугирования тоже можно разделить смесь на компоненты. Для этого в специальный прибор – центрифугу, помещают пробирки со смесью. После включения прибор раскручивает пробирки и под действием центробежных сил частицы получают различное ускорение и смесь, таким образом, разделяется.
К физическим явлениям относятся следующие процессы: таяние мороженого, сплющивание металла от удара молота, дробление сахара, выплавка металлов и сплавов, испарение воды, таяние льда.
Проведем эксперимент: расплавим парафин в пламени спиртовки. Что же происходит с парафином? Он перешел в жидкое состояние, но изменение состава вещества не произошло. При остывании он опять станет твердым, т.е. произошел переход вещества из твердого в жидкое и наоборот, поэтому это физическое явление.
Растворение марганцовки в воде тоже, с одной стороны является физическим явлением, т.к. объясняется явлением диффузии. Если мы бросим кристалл «марганцовки» в воду, то постепенно она окрасится в фиолетовый цвет. А если мы распылим аэрозоль в виде душистых веществ на горящую лампочку, то капельки веществ, сразу начинают испаряться, т.е. превращаются опять в газ. При этом состав вещества не изменяется. Все эти процессы называют физическими явлениями.
Многие вещества на нашей планете не встречаются в чистом виде, потому ученые придумали множество методов разделения смесей. Некоторые смеси состоят из видимых невооруженному глазу частей. Но есть вещества, однородность которых сохраняется только до наступления особого состояния.
К примеру, из чего состоит гранит, видно всем, а вот структура молока становится явной только при его скисании. Ниже мы рассмотрим, как можно разделить смешанные вещества, и для чего применяется каждый из методов.
Способы разделения однородных смесей
Для выделения из готового состава растворенных компонентов принято использовать химические процессы. Разберем основные химические способы.
Выпаривание
В основу выпаривания заложены физические свойства компонентов смеси, а именно способность кипеть при разных температурах.
В ходе такого процесса состав можно разделить на жидкие и растворимые вещества. Например, вода и соль, или вода и сахар.
Выпариванием пользуются при необходимости выделения из имеющейся смеси только твердого ингредиента.
С температурами кипения отдельных веществ можно предварительно ознакомиться в справочниках по химии или физике. Данные представлены в наглядных таблицах.
Кристаллизация
Кристаллизацией называют процесс формирования кристаллов из стекол, газов, расплавов и растворов. Такую же формулировку применяют при образовании кристаллов с полученной структурой из кристаллов другого структурного класса, так называемые полиморфные превращения, либо при смене состояния вещества из жидкого на твердое кристаллическое.
Методом кристаллизации пользуются для выделения больших образований твердого вещества. Жидкость испаряется частично.
Раствор нагревают до определенной температуры и оставляют открытым на долгий период времени. При медленном испарении жидкости растворенное вещество выпадает в осадок в виде кристаллов. Таким методом в промышленных масштабах добывают соль из природной соленой воды.
Дистилляция (перегонка)
Метод перегонки основан на испарении летучих жидкостей, которые в дальнейшем превращаются в конденсат.
При нагревании раствора летучий компонент превращается в пар и оседает на стенках сосудов в виде капель конденсата.
Дистилляцию применяют в процессе опреснения морской воды, что очень актуально для стран с острой нехваткой питьевой воды.
Дистилляция – это основной метод переработки нефти, которая, по сути, является многокомпонентной смесью. В результате перегонки получают различные виды топлива.
Хроматография
Хроматография основана на способности поверхности определенных веществ с разной интенсивностью поглощать разделяемые компоненты.
Процесс можно рассмотреть на простом практическом примере – разделении красителей фильтровальной бумагой. При погружении конца полоски бумаги в раствор, растворители будут подниматься на разную высоту и с различной скоростью.
В промышленных масштабах фильтровальную бумагу заменяют углем, мелом, известняком и прочими веществами. Для разделения многокомпонентных растворов используют хроматографы. Они не только разделяют смеси, но и устанавливают их состав.
Методы разделения неоднородных составов
Для разделения нерастворимой группы смесей применяют несколько иные методики. Их задача заключается в отделении твердых нерастворимых частиц от жидкостей или твердых частиц другого вида.
Отстаивание
Это наиболее простой метод, который отличается тем, что в процессе отстаивания частицы, имеющие больший вес, чем вода, опускаются на дно сосуда.
Более легкие частицы наоборот всплывают на поверхность, где их потом и собирают.
Чем меньшего размера твердые компоненты, тем дольше длится отстаивание. Поэтому для ускорения очищения жидкости могут применять различные абсорбенты, адсорбенты и прочие химические катализаторы.
Фильтрование
Фильтрование часто используется совместно с отстаиванием. Для его осуществления понадобятся всевозможные фильтры.
Наиболее результативными являются вакуумные, дисковые и ленточные. Они задерживают твердые частицы и пропускают жидкость в емкость. Чем больше размер фильтра, тем быстрее будет происходить фильтрация.
Центрифугирование
Работа высокоскоростных центрифуг заключается в разделении особо устойчивых эмульсий.
При помощи центробежной силы компоненты смеси, имеющие индивидуальную густоту, разделяются через воронки в разные емкости. В этом и состоит суть центрифугирования.
Для газовых взвесей лучше использовать скоростные циклоны. Они собирают твердые частицы на электродах или стенках устройства.
Другие методы разделения
Отделить нужный компонент из имеющейся смеси можно и другими способами.
Приведем несколько примеров:
Сушка – тепловое удаление жидкости из смесей. После сушки остается только твердый состав. Часто применяется на производстве непосредственно перед упаковкой продукции.
Электрофорез – сложное явление, заключающееся в электрокинетическом перемещении дисперсных частиц в жидком или газообразном веществе под воздействием электрического поля. Электрофорез применяется для разделения и изучения состава смеси в молекулярной биологии, химии и биохимии.
Методов разделения смесей намного больше, нежели описано в этой статье. Существуют очень сложные способы, которые предназначены для выделения из состава веществ со схожими свойствами или имеющихся в критически малых количествах в гетерогенных и гомогенных смесях.
Способы разделения смесей
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.
Методы разделения смесей и очистки веществ
Научные методы исследования химических веществ и превращений. Методы разделения смесей и очистки веществ.
Методы разделения смесей и очистки веществ
1. Разделение жидкостей
Перегонка – разделение жидкостей, различающихся по температуре кипения.
 | Перегонку проводят в приборе, состоящем из колбы Вюрца (или круглодонной колбы с газоотводной трубкой), прямого холодильника, колбы-приемника, аллонжа, термометра и нагревательного прибора. Смесь жидкостей нагревают в перегонной колбе до температуры кипения каждого компонента, пары отводят в холодильник и собирают сконденсировавшуюся жидкость в приемник, отдельно каждый компонент смеси. |
Дистилляция – очистка воды от твердых примесей.
 | Загрязненную жидкость нагревают в перегонной колбе до температуры кипения, пары отводят в холодильник и собирают сконденсировавшуюся жидкость в приемник. |
2. Разделение жидкостей и твердых веществ
Фильтрование – метод разделения жидкостей и твердых веществ.
 | Фильтрованием отделяют нерастворимые твердые вещества от жидкости. |
Выпаривание – метод разделения жидкостей и твердых веществ.
 | Выпариванием отделяют воду от растворенных в ней 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
| Отстаивание | Магнитная сепарация |
| Например, смесь хлорида натрия и карбоната кальция можно разделить растворением в воде и последующим отстаиванием | Например, смесь серы и железных опилок можно разделить с помощью магнита: |
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).
