Страница 48 - гдз по химии 7 класс учебник Габриелян, Остроумов

Лабораторный опыт № 6

Вам выдана смесь порошков железа и серы. Разделите её на отдельные вещества.

Решение

Смесь порошков железа и серы является гетерогенной (неоднородной), так как её компоненты не вступают в химическую реакцию и сохраняют свои индивидуальные физические свойства. Разделить такую смесь можно физическими методами, основанными на различиях в этих свойствах.

Способ 1: Магнитная сепарация

Данный способ основан на том, что железо обладает магнитными свойствами (является ферромагнетиком), а сера — нет. Для разделения необходимо высыпать смесь на лист бумаги и поднести к ней магнит, который можно предварительно обернуть полиэтиленовой пленкой для удобства. Частицы железа ($Fe$) притянутся к магниту, в то время как не обладающая магнитными свойствами сера ($S$) останется на бумаге. После этого магнит с прилипшим железом переносят в другую емкость и очищают от порошка. Этот метод является наиболее простым и безопасным.

Ответ: Смесь разделяют с помощью магнита, который притягивает к себе частицы железа, оставляя порошок серы.

Способ 2: Отстаивание в воде

Этот метод использует различие в плотности веществ: плотность железа ($ρ_{Fe} \approx 7,87~г/см^3$) значительно выше плотности серы ($ρ_{S} \approx 2,07~г/см^3$). Смесь помещают в стакан с водой и перемешивают. Тяжелые частицы железа быстро осядут на дно. Частицы серы, которые плохо смачиваются водой, будут оседать медленнее или плавать на поверхности. Аккуратно слив воду (декантация), можно отделить большую часть серы от железа. Для более полного разделения процедуру повторяют несколько раз. Затем оба вещества высушивают. Этот метод менее эффективен и не обеспечивает полного разделения.

Ответ: Смесь разделяют, заливая ее водой; тяжелые частицы железа оседают на дно, а более легкие частицы серы удаляются вместе с водой путем декантации.

Способ 3: Растворение и фильтрование

Метод основан на различной растворимости компонентов. Сера хорошо растворяется в некоторых органических растворителях, например, в сероуглероде ($CS_2$), в то время как железо в нем нерастворимо. Смесь заливают сероуглеродом, при этом сера переходит в раствор. Полученную суспензию фильтруют. На фильтре остается нерастворившийся порошок железа ($Fe$). Фильтрат (раствор серы в сероуглероде) собирают в отдельную емкость. Чтобы выделить чистую серу ($S$), растворитель (сероуглерод) выпаривают. Важно: данный опыт необходимо проводить в вытяжном шкафу, так как сероуглерод токсичен и легко воспламеняется.

Ответ: Смесь разделяют, обрабатывая её сероуглеродом, в котором растворяется только сера; затем нерастворившееся железо отделяют фильтрованием, а серу получают выпариванием растворителя.

Какие свойства этих веществ позволят разделить смесь?

Для разделения смеси необходимо использовать различия в физических или химических свойствах её компонентов. Выбор метода разделения зависит от агрегатного состояния веществ и типа смеси (гомогенная или гетерогенная).

Решение

Основные свойства веществ, которые позволяют разделить смесь:

• Различие в размерах частиц

  Это свойство используется для разделения гетерогенных (неоднородных) смесей. Если компоненты смеси – твёрдые вещества с частицами разного размера, их можно разделить методом просеивания через сита (например, отделить песок от щебня). Если смесь состоит из нерастворимого твёрдого вещества и жидкости, её разделяют фильтрованием (например, песок и вода). Жидкость проходит через поры фильтра, а твёрдые частицы задерживаются на нём.

  Ответ: Различие в размерах частиц.

• Различие в растворимости

  Если в смеси твёрдых веществ один компонент растворяется в определённом растворителе (например, в воде), а другой – нет, то смесь можно обработать этим растворителем. Растворимое вещество перейдёт в раствор, после чего нерастворимый остаток можно отделить фильтрованием. Растворённое вещество затем выделяют из раствора выпариванием или кристаллизацией. Пример: разделение смеси поваренной соли и речного песка с помощью воды.

  Ответ: Различие в растворимости компонентов в выбранном растворителе.

• Различие в плотности

  Это свойство используется для разделения гетерогенных смесей, компоненты которых не смешиваются и имеют разную плотность. Метод отстаивания применяют для разделения суспензий (например, вода и песок) или эмульсий (например, вода и растительное масло). Более плотное вещество оседает на дно или образует нижний слой. Для разделения несмешивающихся жидкостей удобно использовать делительную воронку.

  Ответ: Различие в плотности несмешивающихся компонентов.

• Наличие магнитных свойств у одного из компонентов

  Если один из компонентов смеси является ферромагнетиком (притягивается магнитом), а остальные – нет, их можно разделить с помощью магнита. Классический пример – разделение смеси порошков железа и серы.

  Ответ: Наличие магнитных свойств у одного из компонентов.

• Различие в температурах кипения

  Это свойство лежит в основе разделения гомогенных (однородных) жидких смесей методом дистилляции (перегонки). Жидкость с более низкой температурой кипения испаряется первой, её пары охлаждают и конденсируют, собирая в отдельный приёмник. Так можно разделить, например, воду и спирт (фракционная перегонка) или получить чистый растворитель из раствора (простая дистилляция, например, опреснение солёной воды).

  Ответ: Различие в температурах кипения компонентов.

• Различие в смачиваемости

  Некоторые твёрдые частицы могут хорошо смачиваться водой (гидрофильные), а другие – плохо (гидрофобные), но хорошо прилипать к пузырькам воздуха. Это свойство используется в методе флотации. Через суспензию, содержащую специальные реагенты, продувают воздух. Частицы одного вида прилипают к пузырькам и всплывают на поверхность, образуя пенный слой, который удаляют. Так обогащают многие руды.

  Ответ: Различная смачиваемость компонентов.

• Различие в способности к адсорбции

  Некоторые вещества (адсорбенты), например, активированный уголь, обладают способностью поглощать на своей поверхности другие вещества (адсорбаты). Это свойство используется для очистки веществ или разделения сложных смесей. Метод, основанный на этом свойстве, – хроматография. Например, с помощью бумажной хроматографии можно разделить красители, входящие в состав чернил.

  Ответ: Различная адсорбционная способность (поглощаемость) компонентов.

Лабораторный опыт № 7

Смесь тонко измельчённой серы и речного песка поместите в стакан с водой. Что наблюдаете? Какие свойства веществ позволяют разделить смесь?

Что наблюдаете?

При добавлении смеси тонко измельчённой серы и речного песка в стакан с водой можно наблюдать расслоение смеси. Речной песок, как более плотное и хорошо смачиваемое водой вещество, опускается на дно стакана. Частицы серы, несмотря на то что их плотность больше плотности воды, не смачиваются водой (являются гидрофобными). Благодаря силам поверхностного натяжения воды, мелкие частицы серы остаются плавать на её поверхности, образуя жёлтый слой.

Ответ: Речной песок оседает на дно стакана, а сера плавает на поверхности воды.

Какие свойства веществ позволяют разделить смесь?

Разделить данную смесь позволяют следующие физические свойства её компонентов:

• Нерастворимость в воде. И сера, и речной песок (в основном диоксид кремния $SiO_2$) не растворяются в воде, поэтому они остаются в виде твёрдых частиц, что делает возможным их механическое разделение.
• Различная смачиваемость водой. Сера является гидрофобным веществом (отталкивает воду, не смачивается), в то время как песок — гидрофильным (притягивает воду, хорошо смачивается). Это ключевое свойство, которое позволяет частицам серы оставаться на поверхности, а частицам песка — опускаться на дно.
• Различная плотность. Речной песок имеет плотность (около 2,6 г/см³), которая значительно больше плотности воды (1 г/см³), поэтому он тонет. Плотность серы (около 2,1 г/см³) также больше плотности воды, но из-за её гидрофобности это свойство не приводит к её оседанию в данном эксперименте.

Этот метод разделения, основанный на различной смачиваемости, называется флотацией.

Ответ: Смесь позволяют разделить такие свойства веществ, как их нерастворимость в воде и различная смачиваемость водой (сера не смачивается водой, а песок смачивается).

Какой способ разделения смеси можно предложить в этом случае?

Решение

Выбор способа разделения смеси зависит от ее типа (гомогенная или гетерогенная) и физических свойств компонентов, входящих в ее состав (агрегатное состояние, растворимость, плотность, температура кипения, магнитные свойства и т.д.). В зависимости от конкретного случая можно предложить следующие способы:

Отстаивание

Этот метод основан на разнице в плотностях компонентов смеси. Его применяют для разделения неоднородных (гетерогенных) смесей. Например, для смеси твердого вещества и жидкости, в которой оно нерастворимо (песок и вода). Со временем более плотные частицы песка осядут на дно, и воду можно будет аккуратно слить (декантировать). Также метод подходит для двух несмешивающихся жидкостей с разной плотностью (масло и вода). Более плотная жидкость (вода) окажется внизу, а менее плотная (масло) — сверху, и их можно разделить с помощью делительной воронки.

Фильтрование

Метод используется для разделения неоднородных смесей, состоящих из жидкости и нерастворимого в ней твердого вещества. Смесь пропускают через фильтр (например, фильтровальную бумагу), который задерживает частицы твердого вещества, а жидкость (фильтрат) проходит сквозь него. Классический пример: отделение осадка мела от воды.

Действие магнитом

Этот способ подходит для разделения неоднородных смесей, в которых один из компонентов обладает магнитными свойствами (например, железо), а другие — нет. Пример: разделение смеси железных опилок и серы или песка с помощью магнита.

Выпаривание

Применяется для выделения растворенного твердого вещества из раствора (однородной, гомогенной смеси), если растворитель (жидкость) не требуется сохранять. Раствор нагревают, жидкость испаряется, а твердое вещество остается. Пример: получение поваренной соли из ее водного раствора.

Кристаллизация

Метод похож на выпаривание, но позволяет получить твердое вещество в виде правильных кристаллов. Для этого насыщенный раствор медленно охлаждают или медленно выпаривают растворитель. При этом растворенное вещество начинает кристаллизоваться. Метод часто используется для очистки веществ.

Дистилляция (перегонка)

Этот способ основан на разнице в температурах кипения компонентов однородной смеси. Его используют, во-первых, для разделения смеси двух или более жидкостей с разными температурами кипения (например, спирта и воды). При нагревании сначала испаряется жидкость с более низкой температурой кипения, ее пары охлаждают (конденсируют) и собирают в отдельный сосуд. Во-вторых, его применяют для выделения чистого растворителя из раствора (например, получение дистиллированной воды из морской).

Хроматография

Это метод, основанный на разной скорости движения компонентов смеси через неподвижную фазу (например, бумагу или специальный сорбент) под действием подвижной фазы (растворителя). Компоненты разделяются, так как по-разному адсорбируются (взаимодействуют) с неподвижной фазой. Пример: разделение красителей в чернилах фломастера с помощью бумажной хроматографии.

Таким образом, для выбора конкретного способа необходимо точно знать состав и свойства разделяемой смеси.

Ответ: Выбор способа разделения смеси (например, отстаивание, фильтрование, действие магнитом, выпаривание, кристаллизация, дистилляция или хроматография) зависит от ее агрегатного состояния, типа (гомогенная или гетерогенная) и физических свойств ее компонентов (плотность, растворимость, температура кипения, магнитные свойства и т.д.).