4.1.2 Научные методы исследования химических веществ и превращений. Методы разделения смесей и очистки веществ

Лекция: Научные методы исследования химических веществ и превращений. Методы разделения смесей и очистки веществ

Научные методы исследования химических веществ

В процессе изучения и познания химии достаточно широко используются такой метод познания, как наблюдение. 

Для того чтобы наблюдение в последующем дало верные результаты необходимо: 

• четко выявить объект наблюдения. То есть определить то, на что будет прицелено внимание наблюдателя. Будет ли он обращать внимание, на какое-либо вещество, его свойства или превращение; 

• точно понимать, для чего проводится наблюдение. То есть, следует четко представить его цель и составить определенный план наблюдения. Для успешного составления плана, необходимо выдвинуть гипотезу о том, каким образом будет проходить наблюдаемое явление. 

Научное наблюдение несколько отличается от наблюдения в типичном смысле данного слова. Научное наблюдение должно обязательно проводиться в строго контролируемых условиях. Но, данные условия можно менять по желанию наблюдателя. 

С помощью эксперимента становится возможным подтверждение или, наоборот, опровержение гипотезы. Таким образом, формулируется и вывод. 

Бывает, что некоторые наблюдения не представляется возможным проводить в природе, поэтому в изучении химии, достаточно большую роль играет моделирование. В лабораторных условиях применяют специальные приборы, а также установки и предметы — модели. В данных приборах копируются самые необходимые признаки и свойства объектов изучения. 

Условно, данные химические модели можно поделить на группы: 

• предметные (модели атомов, молекул, кристаллов, химических установок и т.д.); 

• знаковые или символьные (символы химических элементов, формулы веществ, уравнения реакций). 

Методы разделения смесей и очистки веществ

В жизни, чаще всего, встречаются не чистые вещества, а со смесями веществ. Данные смеси способны быть неоднородными и однородными. 

Среди однородных смесей можно выделить: 

• жидкие, 

• твердые и 

• газообразные. 

Воздух является важнейшей газообразной семью, а также представляет собой смесь азота, кислорода, углекислого газа, аргона. А к твердым смесям следует отнести стекло и различные сплавы. Состав таких смесей может быть достаточно разнообразным. Составы в отличие от чистых веществ, имеют несколько иные свойства. Например, чистая вода замерзает при 0° по Цельсию. А в случае растворения в воде поваренной соли, можно получить значительное понижение температуры замерзания. 

Химический анализ. Состав всех необходимых для изучения смесей устанавливают с использованием определенного химического анализа. Химический анализ используется достаточно широко при решении хозяйственных и научно-технических задач. Например, химический анализ горных пород и руд применяется при разведке полезных ископаемых. При использовании специализированных методов химического анализа, получают чистые вещества. В данных веществах содержание примесей, влияющих на их специфические свойства, не превышает одной стотысячной процента. Эти химические вещества обладают важными свойствами в атомной энергетике, полупроводниковой промышленности. Некоторые свойства чистых веществ, широко применяются при создании новых приборов или технологических процессов. Методы разделения смесей и очистки веществ. 

Отстаивание. Для начала, необходимо определить, в чем заключается различие между «методами разделения смесей» и «методами очистки веществ». В случае метода разделения смесей, важным становится получение в чистом виде всех составляющих смесь компонентов. В случае произведения очистки вещества получение в чистом виде примесей, чаще всего, не используют. Так же, метод отстаивания применяют при разделении смесей нерастворимых в воде твердых веществ с разной плотностью. В качестве примера можно взять разделение смесей железных и древесных опилок. В данном случае, древесные опилки в воде обязательно начнут всплывать, а железные, напротив, осядут. Смесь растительного масла и воды так же возможно разделить с помощью метода отстаивания. Так как масло не растворяется в воде и имеет меньшую плотность. Следовательно, можно получить, что отстаиванием, возможно разделять смеси нерастворимых друг в друге жидкостей с различной плотностью. 

Фильтрование. В процессе разделения смеси поваренной соли и речного песка можно использовать метод отстаивания, но лучше будет отделить песок от раствора соли иным методом. Например, с помощью метода фильтрования. Фильтрование такой смеси, возможно провести с использованием бумажного фильтра и воронки. Крупинки песка останутся на фильтровальной бумаге. При этом, раствор поваренной соли пройдет через фильтр. В таком случае, речной песок будет осадком, а раствор соли будет являться фильтратом. Фильтрование так же возможно проводить с применением иных пористых или сыпучих материалов. Некоторые смеси, возможно поделить с помощью метода «горячее фильтрование». 

Выпаривание. Выделить соль из фильтрата так же возможно с использованием выпаривания. То есть, при нагревании смеси вода начнет испаряться. Соль, при этом, останется на фарфоровой чашке. Иногда применяют метод упаривания, то есть частичного испарения воды. В результате данного метода, появляется более концентрированный раствор. В случае охлаждения данного раствора, растворенное ранее вещество выделится в виде кристаллов. 

Использование магнита. Данный метод применим, когда в смеси содержится вещество, способное к намагничиванию. Это значит, что это вещество достаточно легко выделится в чистом виде с помощью магнита. Например, таким образом, удастся разделить смесь порошков серы и железа. 

Флотация. Выше указанную смесь возможно разделить с помощью еще одного метода. Здесь необходимо применить знание о смачиваемости компонентов смеси водой. Железо, как известно, способно смачиваться водой. Это значит, что вода растекается по поверхности железа. Сера же, наоборот, водой не смачивается. В случае помещения куска серы в воду - он утонет. Это произойдет из - за того, что плотность серы несколько больше плотности воды. А, например, порошок серы всплывет. Это произойдет из - за того, что к несмачивающимся водой крупинкам серы будут прилипать пузырьки воздуха. Также, эти пузырьки воздуха будут выталкивают их на поверхность. Для разделения данной смеси ее необходимо погрузить в воду. Как и было сказано выше, порошок серы всплывет, а железо, напротив, потонет. 

Перегонка. Данный метод является одним из самых древних. С помощью него становится возможным разделение компонентов, растворимых друг в друге, имеющих различные температуры кипения. Этот способ также используется для получения дистиллированной воды. Такая воды получается при перегонке паров воды в другой сосуд где она остается без примесей. 

Хроматография. Компоненты смесей, свойства которых близки, можно разделить способом хроматографии. Хроматография основана на различном поглощении разделяемых веществ поверхностью другого вещества. Например, синие чернила можно разделить на два компонента - воду и красящее вещество. Для осуществления этого метода разделения веществ используется специльный прибор - хроматограф. Основными частями хроматографа являются хроматографическая колонка и детектор. 

Адсорбция. Для очистки смесей газов или жидкостей в химии широко используется адсорбция. В процессе адсорбции адсорбируемое вещество накапливается на поверхности другого. К адсорбентам относятся, например, активированный уголь, силикагель и различные поглотители. Процесс адсорбции можно наблюдать при помещении активированного угля в сосуд с подкрашенной водой. При таком эксперименте, вода, являющаяся фильтратом, после удаления активированного угля станет бесцветной. В данном случае адсорбция происходит за счет притягивания атомов красителя атомами активированного угля. В настоящее время адсорбция широко применяется для очистки воды и воздуха от вредных веществ. Например, в фильтрах для очистки воды и противогазовых коробках в качестве адсорбента используется активированный уголь.