kierunek: Mechanika i Budowa Maszyn

semestr : II( studia niestacjonarne)

prowadząca zajęcia:

opracował:

Ćwiczenie nr 5

Temat: Metody rozdzielania mieszanin

1. Teoria

2. Cel ćwiczenia

3. Wykonanie ćwiczenia

4. Wyniki pomiarów i obliczeń

5. Wnioski

Teoria-definicje

Mieszanina – układ dwóch lub więcej pierwiastków lub związków chemicznych zmieszanych ze sobą w dowolnym stosunku i wykazujących swoje indywidualne właściwości. Zazwyczaj mieszaninę można łatwo rozdzielić wykorzystując metody mechaniczne lub fizyczne, takimi jak:

• filtracja

• ekstrakcja

• sedymentacja

• destylacja

• krystalizacja

W oparciu o stopień rozdrobnienia wymieszanych substancji dokonano podziału mieszanin, na mieszaniny jednorodne i niejednorodne.

• Mieszanina jednorodna (homogeniczna) - ma jednakowe właściwości w całej rozciągłości, tzn. gołym okiem lub za pomocą lupy czy mikroskopu nie można rozróżnić jej składników. Mieszaniny jednorodne (homogeniczne) noszą nazwę roztworów

Przykładami mieszanin jednorodnych (homogenicznych) są:

• stopy metali (brąz)

• benzyna (mieszanina węglowodorów)

• solanka (roztwór wodny soli kamiennej)

• cukier w wodzie

• powietrze (mieszanina gazów)

• roztwory wodne soków

• ocet

W mieszaninie jednorodnej składnik występujący w nadmiarze nosi nazwę rozpuszczalnika a pozostałe składniki substancje rozpuszczone.

• Mieszaniny niejednorodne (heterogeniczne) - składają się z części o różnych właściwościach, w których można gołym okiem lub za pomocą lupy czy mikroskopu rozróżnić przynajmniej jeden składnik. Przykładem takiej mieszaniny są:

• opiłki żelaza zmieszane z cukrem,

• piasek z wodą,

• zaprawa murarska (piasek zmieszany z wodą, wapnem i cementem)

• emulsje (powstają w wyniku zmieszania dwóch nierozpuszczalnych wzajemnie cieczy, z których jedna jest rozproszona w drugiej). Mleko jest przykładem emulsji.

• piana (piana z mydła) składa się z pęcherzyków gazu rozproszonych w cieczy

• dym-zawiera drobiny ciał stałych rozproszone w fazie gazowej jaką jest powietrze.

• mgła-zawiesina bardzo małych kropel wody lub lodu w powietrzu.

• szlamy-osady pochodzenia organicznego lub nieorganicznego powstały na dnie zbiorników wodnych

Metody rozdzielania mieszanin:

• krystalizacja - proces powstawania kryształów w roztworach lub substancjach stopionych.(np.: sól i woda)

• destylacja i rektyfikacja - polega na ogrzaniu roztworu do wrzenia. Następuje przy tym przechodzenie łatwo lotnego składnika w pary, a następnie jej skraplanie w chłodnicy, jest to wykorzystanie różnic w temperaturach wrzenia (np.: alkohol i woda) Z technologicznego punktu widzenia można rozróżnić dwa rodzaje destylacji: destylację prostą i rektyfikację.

• sączenie – rodzaj filtracji z użyciem lejka z papierowym sączkiem lub lejka Buchnera. Przeprowadza się ją zwykle na małą skalę w laboratorium. (np. siarka i woda)

• sedymentacja – proces rozdzielania ciała stałego od cieczy. Kryterium podziału jest różnica gęstości. Pod wpływem działania siły grawitacji gęstsze składniki mieszaniny osadzają się na dnie zbiornika (np. woda i piasek)

• ekstrakcja - proces wyodrębniania z ciał stałych lub mieszanin związków chemicznych, polegający na ich płukaniu rozpuszczalnikiem. W trakcie ekstrakcji zachodzi fizyczny proces absorpcji i desorpcji, powodujący przenikanie cząsteczek rozdzielanego związku chemicznego do rozpuszczalnika.

• chromatografia - proces w którym najpierw rozdziela się badaną mieszaninę, a następnie przeprowadza się detekcję poszczególnych składników. Rozdział substancji następuje w wyniku przepuszczenia roztworu badanej mieszaniny przez specjalnie spreparowaną fazę rozdzielczą (złoże), zwaną też fazą stacjonarną.

• elektroforeza - technika analityczna, rzadziej preparatywna, stosowana w chemii i biologii molekularnej, zwłaszcza w genetyce. Jej istotą jest rozdzielenie mieszaniny związków chemicznych na możliwie jednorodne frakcje przez wymuszanie wędrówki ich cząsteczek w polu elektrycznym.

• odparowanie - proces polega na ogrzewaniu mieszaniny z której odparowuje woda a w naczyniu pozostaje substancja zawarta w roztworze (np. woda i sól).

• wymiana jonowa - proces wymiany ruchliwych jonów na inne jony tego samego znaku zachodzący na ciele stałym lub polimerze zawierającym odpowiednie grupy funkcyjne.

• adsorpcja — to proces wiązania się cząsteczek, atomów lub jonów na powierzchni lub granicy faz fizycznych, powodujący lokalne zmiany stężenia.

• osmoza - swobodna dyfuzja dowolnego indywiduum chemicznego (jonów lub cząsteczek) z jednego roztworu do drugiego przez membranę półprzepuszczalną.

• wirowanie - pozwala nam rozdzielić ciała stałe od cieczy. Wirowanie odbywa sie w wirówkach. W wyniku oddziaływania siły odśrodkowej zawiesina zostaje przemieszczona w kierunku dna naczynia, gdzie gromadzi się. Po odwirowaniu, ciecz zlewamy a osad usuwamy z naczynia(np. kredy w wodzie).

Roztwór, układ wieloskładnikowy jednofazowy (homogeniczny), o cząsteczkowej dyspersji. Składnik roztworu będący w przewadze ilościowej nosi nazwę rozpuszczalnika, pozostałe składniki są rozpatrywane jako substancje rozpuszczone. Rozróżnia się roztwory:

• ze względu na stan skupienia: roztwory gazowe, ciekłe i stałe

• ze względu na wielkość cząsteczek fazy rozproszonej: rzeczywiste, koloidalne (zawiesiny - nie należą do roztworów),

• ze względu na ilość substancji rozproszonej: przesycone, nasycone i nienasycone (stężone i rozcieńczone),

• ze względu na spełnienie warunku o jednakowym współczynniku aktywności wszystkich składników (równym jedności) i zachowaniu lub odstępstwie od prawa Raoulta (ciecze) i Daltona (gazy): roztwory doskonałe i rzeczywiste.

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest otrzymanie mieszaniny:

Chlorku sodu + Izooktanu + wody

A następnie rozdzielenie jej na poszczególne frakcje.

Obserwacja i ocena cech charakterystycznych, obliczenia stężenia molowego fazy wodnej.

Wykonanie ćwiczenia

Sprzęt i odczynniki:

• naczynko wagowe

• kolba stożkowa 250[cm³]

• cylinder miarowy

• cylinder

• rozdzielacz

• zestaw do destylacji

• czasza grzejna

• bagietka

• waga laboratoryjna

  • Na Cl - chlorek sodu

Masa molowa 58,44 g/mol

• C₈H₁₈ - Izooktan - jest bezbarwną cieczą o typowym zapachu charakteryzującym niższe węglowodory alifatyczne nasycone.

Masa molowa: 114,26 g/mol Gęstość:0,688 g/cm³

• Woda destylowana

Wykonanie doświadczenia:

• Otrzymaną sól NaCl, odważono wykorzystując naczynko wagowe i wagę laboratoryjną w ilości – 0,5g, którą następnie wsypano do kolby stożkowej.

• Odmierzono w cylindrze 30 cm³ Izooktanu - C₈H₁₈ i dodano do kolby stożkowej w której znajdowała się sól. Starannie wymieszano, kryształki soli nie rozpuściły się w izooktanie.

• Kolejnym krokiem było odmierzenie 50 cm³ wody destylowanej i

wlanie jej bardzo wolno do kolby z roztworem. Dokładne

wymieszanie spowodowało rozpuszczenie się soli i wydzielanie

charakterystycznego zapachu. Powstał roztwór niejednorodny z

efektem „oleistych plam”.

• Roztwór został przelany do rozdzielacza i po chwili rozdzielony, jako pierwszą odzyskano wodę z solą, która stanowiła cięższą frakcje w ilości nieco większej od ilości zadanej, czyli >50 cm³

• Z rozdzielacza wylano izooktan do cylindra, stwierdzając ilość zbliżoną do 30 cm³.Następnie izooktan zlano do zlewek.

• Fazę wodną roztworu poddaliśmy odparowaniu. Masa odzyskanej soli wyniosła 0,42g

• Naczynia i przyrządy laboratoryjne zostały umyte i odstawione na miejsce.

Wyniki pomiarów i obliczenia

Obliczamy stężenie molowe fazy wodnej NaCl:

M_NaCl = 58,44 [g/mol]

V_roztworu = 0,05 [dm³]

m_soli= 0,5 [g]

Stężenie molowe roztworu NaCl:

Cm = n / V [mol/dm3]

n = m_s / M = 0,5 [g] / 58,44 [g/mol] = 0,0086[mol]

Cm = 0,0086 [mol] / 0,05 [dm³] = 0,172 [mol/dm³]

Wnioski

• Rozpuszczenie Chlorku sodu - NaCl w wodzie jest reakcją zwaną solwatacją, polegającej na rozerwaniu (zniszczeniu) wiązań istniejących pomiędzy cząsteczkami lub atomami substancji rozpuszczonej i izolowaniu ich od siebie przez cząsteczki rozpuszczalnika. Z takim mechanizmem tworzenia roztworów spotykamy się podczas rozpuszczania substancji o budowie polarnej w rozpuszczalnikach polarnych.

Schemat procesu hydratacji i rozpuszczania w wodzie chlorku sodu

Reakcja solwatacji w przypadku wody jako rozpuszczalnika nosi nazwę reakcji hydratacji i polega na tym, że cząsteczki wody będące dipolami otaczają cząsteczkę rozpuszczonego związku. Rysunek przedstawia rozpuszczanie chlorku sodu w wodzie. Dipolowe cząsteczki wody zbliżają się swym dodatnim i ujemnym biegunem do jonów. Dodatni biegun zbliża się do ujemnego jonu chloru a ujemny biegun do dodatniego jonu sodu. Dzięki temu jony Na+ i Cl- zostają oderwane z powierzchni kryształu. Siła przyciągania elektrostatycznego jonów w wodzie zmniejsza się 80 razy.

„podobne rozpuszcza podobne"

Oznacza to, że rozpuszczanie występuje wówczas, gdy cząsteczki substancji rozpuszczanej mają strukturę i właściwości elektryczne podobne do cząsteczek rozpuszczalnika.

• Stwierdzamy że Izooktan C₈H₁₈ nie łączy się z wodą, ani z solą NaCl i nie reaguje z tymi substancjami.

• Izooktan posiada gęstość 0,688 g/cm³ więc to on tworzył „oleiste plamy” w roztworze unosząc się na wodzie jako frakcja lżejsza, co ułatwiło rozdzielenie substancji.

• Odzyskanie izooktanu w ilości zbliżonej do zadanej ok.30 cm³ wynika prawdopodobnie z braku doświadczenia w procesie rozdziela gdyż rozpuszczalność izooktanu w wodzie jest określony na poziomie 0,56 mg/l. Z takiej ilości wynika przekonanie o nierozpuszczalności izooktanu w wodzie. Najprawdopodobniej brakująca część izooktanu przedostała się w czasie rozdzielania do roztworu wody z solą, której wskazania były > 50 cm³ .

• Roztwór wody z sola i resztkami izooktanu został poddany odparowaniu(temperatura wrzenia izooktanu jest zbliżona do wody, wynosi ok. 99⁰C) i odzyskano 0,42g NaCl, co świadczy o zbyt małej dokładności zebrania wilgotnych „kryształków soli”. Ponieważ bilans masowy tego typu reakcji powinien wynieść „0”

• Stężenie molowe roztworu fazy wodnej NaCl określone zostało na poziomie 0,172 [mol/dm³]

„Chemia praktyczna jest barwna,

zaskakująca i wcale nie jest nudna”