Sešit pro laboratorní práci z chemie téma: Oddělování složek směsí autor: MVDr. Alexandra Gajová vytvořeno při realizaci projektu: Inovace školního vzdělávacího programu biologie a chemie registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.1.38/01.0002 projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Oddělování složek směsí Teorie Směs je soustava chemických látek. Když se dají jednotlivé složky rozlišit okem, lupou nebo mikroskopem jedná se o směs heterogenní různorodou. Takovou směs mohou vytvářet i stejné látky různého skupenství (voda a led). Když jednotlivé složky nelze rozlišit jedná se o směs homogenní stejnorodou (benzín, minerální voda). Přechod mezi heterogenní a homogenní směsí, když velikost částic se pohybuje v rozmezí 10-7 až 10-9 m jsou směsi s označením koloidní (mléko, vodní roztok vaječného bílku). Základní metody oddělování složek směsi jsou: - krystalizace využívá rozdílné rozpustnosti látek při různé teplotě. Z roztoku stejnorodé směsi postupně krystalizují látky podle rozpustnosti, nejdříve nejméně rozpustná látka. Vyvoláme ji ochlazením za horka nasyceného roztoku, nebo odpařováním rozpouštědla. Využití výroba cukru, získávání soli z mořské vody, čištění krystalických látek. - extrakce (vyluhování) složky směsi oddělujeme vhodnými rozpouštědly, získaný roztok rozpuštěné látky v rozpouštědle, ve kterém se ostatní složky nerozpustí, pak oddělíme filtrací a následným odpařením rozpouštědla. Využití získávání tuků a olejů, příprava výluhů čaje a léčivých bylin, získávání barviv z přírodních materiálů. - filtrace pevné složky se oddělují ze směsí kapalných a plynných látek, pevné látky se zachytí na filtru (filtrační papír, tkanina, vata, písek, aktivní uhlí,...), kapalné složky protečou filtrem a označujeme ji filtrát. Filtraci můžeme urychlit snížením tlaku pod filtrem, nebo zvýšením tlaku nad filtrem. Využití příprava sypaného čaje, čistění vody ve vodárnách, vysávání prachu, čištění vzduchu a oleje v automobilech. - sublimace oddělovaná složka směsi přechází při zahřívání přímo ze skupenství pevného v plynné. Tuto schopnost mají například jod a naftalen. Využití přečišťování pevných sublimujících látek. - oddělování složek z emulze provádíme v dělících nálevkách, nebo v odstředivkách. Využití oddělování smetany a tuku při odstřeďování mléka. - usazování (sedimentace) oddělování částic pevných rozptýlených v kapalině nebo plynu působením gravitačních sil, ze směsi se nejdříve usazují částice s největší hustotou (příprava tzv. turecké kávy). Využití příprava tzv. turecké kávy, čištění vody v čističkách a vodárnách. - Destilace je oddělování kapalných složek směsi na základě jejich rozdílné teploty varu. Při zahřívání směsi se nejdříve uvolňují nejtěkavější složky, ty které mají nejnižší bod varu. Vznikající páry se pak odvádějí do chladiče, kde kondenzují. Když oddělujeme postupně více složek (frakcí) ze směsi, tento typ destilace označujeme frakční destilace (zpracování ropy, získávání plynů ze zkapalněného vzduchu). http://www.youtube.com/watch?v=dl9igmmd2us Využití příprava destilované vody, získávání lihu po etanolovém kvašení cukru, získávání benzínu, nafty a petroleje z ropy.
Laboratorní cvičení Příprava směsí látek Podle pokynů vyučujícího se každá skupina bude zabývat jedním způsobem oddělování směsí, po provedení práce, pak postupně referují vedoucí skupin ostatním žákům o principu, postupu, průběhu a výsledku provedených technik separace. 1. skupina destilace: připravíme roztok barviva o objemu asi 0,5 cm 3 a nalijeme ho do kádinky s asi 100 ml destilované vody. 2. skupina filtrace: do zkumavky dáme práškové železo o hmotnosti 0,3 g, přidáme asi 3 cm 3 20% kyseliny chlorovodíkové. Opatrně zahřejeme, až veškeré železo zreaguje. Pak přidáme několik kapek 3% peroxidu vodíku, až roztok zežloutne. Nakonec přidáváme 10% roztok amoniaku, dokud se tvoří hnědá sraženina hydroxidu železitého. Dokážete vysvětlit, na jakém principu docházelo postupně k reakcím? Který plyn se uvolňoval v první fázi výroby této látky ve zkumavce? 3. skupina separace v dělící nálevce a sublimace Provedeme emulgaci. Připravíme si minimálně 500 ml kádinku, připravíme si emulzi, směs vody a oleje tak že smícháme asi 200 ml vody (nemusí být destilovaná) s malým množstvím barviva (kvůli zvýraznění předělu). Pak přidáme asi 30 ml oleje a promícháme tyčinkou. Pro další způsob sublimaci si připravíme směs krystalického jódu 1 g a 20 g jemného písku. Navážíme, dáme do kádinky a promícháme tyčinkou. Provedení separace 1. skupina destilace Sestavíme destilační aparaturu podle nákresu v teoretické části, směs nalije do destilační baňky. Opatrně zahříváme, a postupně vydestilujeme veškerou vodu. Zapíšeme čas, a také množství destilátu, který se nám podařilo vydestilovat. 2. skupina filtrace Připravíme si filtrační aparaturu dle schématu. Do nálevky vložíme připravený filtr z filtračního papíru. Okraj musí sahat asi 1 cm pod okraj. Pomocí střičky ho zvlhčíme, aby přilnul k nálevce. Pod nálevku umístíme kádinku, tak aby se stonek dotýkal stěny kádinky. Po tyčince naléváme na filtrační papír připravenou směs, nejvýše 1 cm pod okraj filtračního papíru. Po průtoku veškeré směsi jsme získali filtrát a na filtru se zachytává pevná látka. Filtr pak dáme vysušit do sušičky. Pevnou látku seškrábneme a zvážíme. Zapíšeme do protokolu. (aparatura a filtr viz přílohy) 3. skupina separace v dělící nálevce a sublimace Emulzi vlijeme do dělící nálevky, protřepeme, umístíme na stojan a necháme dojít samovolnému usazováni. Pak ze spodní části odpustíme kohoutkem vodu s barvivem a olej vlijeme do odměrného válce a zjistíme jeho objem. Mezitím si připravíme aparaturu pro sublimaci tak, že směs dáme do kádinky, kterou umístíme na stojan s podložkou. Na kádinku dáme varnou baňku naplněnou ledem. Pod kádinkou zapálíme kahan a opatrně zahříváme. Na dně chladící baňky nám krystalizuje jod. Necháme ho chladnout, kádinku opatrně odstraníme. Jod seškrábneme na kousek filtračního papíru, který jsme předtím zvážili a seškrabek zvážíme. Vše zapíšeme do protokolu.
Úkoly: 1. Přečtěte si teorii. 2. Vypracujte laboratorní protokol. 3. Vyhledejte v literatuře, nebo na internetu konkrétní způsoby oddělování směsi a konkrétní příklady technologií v praxi. Každý student napíše pracovní protokol, podle toho, který druh dělení směsi se ve skupině prováděl. (předloha laboratorního protokolu v příloze). Protokol vypracuje každý student samostatně, a odevzdá ho vyučujícímu před následujícím cvičením společně s krátkým kontrolním testem ze zadaných úkolů.
Pracovní (laboratorní) protokol musí obsahovat: jméno studenta a číslo pracovní skupiny: datum provedené práce: název laboratorního cvičení: princip: chemikálie: pomůcky: pracovní postup v krocích: 1. 2. 3. 4. Závěr:
Metodické poznámky pro vyučující - Z bezpečnostních i časových důvodů může být v každé skupině proveden pouze 1 2 způsoby oddělování směsí. - Je vhodné na příslušné stanoviště dodat nákresy příslušných aparatur. - Předem určíme vedoucího skupiny, který před koncem cvičení zopakuje všem žákům princip separační metody, kterou se skupina zabývala. - Druhá skupina, která si připravila z práškového železa hydroxid železitý, má vysvětlit princip změn, které se odehrály ve zkumavce. Správné vysvětlení: Jedná se o redox reakci, při reakci železa s kyselinou chlorovodíkovou se uvolnil vodík a Fe 0 se oxidovalo na Fe II. Poté působením H 2 O 2 došlo k oxidaci Fe II na Fe III. Nakonec reakcí železitých iontů s roztokem amoniaku vzniká Fe(OH) 3 červenohnědá sraženina ve zkumavce.
Cvičení v laboratoři předchází vždy teoretická příprava toto cvičení není náročné na vybavení laboratoře
Ukázka zachycené sraženiny hydroxidu železitého na filtru (s rozdílným záchytem )
Ekologie Separační metody jsou důležitou součástí průmyslové výroby i běžného života. Frakční destilací se upravuje ropa, získává se kyslík, dusík a vzácné plyny ze zkapalněného vzduchu. Destilací se získává destilovaná voda a ethanol, extrahují se různé látky z rostlin ve farmaceutickém průmyslu a vyrábí se rostlinné oleje. Filtrace se používá při výrobě pitné vody, při výrobě cukru z řepy, využívá se ve vzduchotechnice, automobilovém průmyslu. Krystalizací se získává mořská sůl, cukr z cukerné šťávy, čisté chemikálie, vyrábí se monokrystaly křemíku, gallia a germania, získávají se takto syntetické diamanty. Plavení se používá při oddělování rudy od hlušiny. Při ochraně životního prostředí má význam separace usazování oddělování složek směsi při čištění odpadních vod v separačních nádržích. Existují sublimační technologie tisku. Pro kontrolu aditiv využívaných v potravinářství lze využít separaci kyseliny benzoové, (která je vyšší koncentraci zdraví škodlivá), protože má schopnost sublimace. Tato kyselina byla dříve využívaná hojně, dnes omezeně, přesto ji můžeme najít v běžně prodávaném výrobku Deko určeném k nakládání zeleniny v domácnostech (výrobce udává obsah do 5,5 %).
Zdroje: FLEMR, V., DUŠEK, B. Chemie obecná a anorganická. 1. vyd. Praha: SPN, 2001. ISBN 80-7235- 147-8. MAREČEK, A., HONZA, J. Chemie pro čtyřletá gymnázia 1. díl. 3. vyd. Olomouc: Nakladatelství Olomouc s.r.o., 2002. ISBN 80-7182-055-5. MAREČEK, A., HONZA, J. Chemie pro čtyřletá gymnázia 2. díl. 3. vyd. Olomouc: Nakladatelství Olomouc s.r.o., 2005. ISBN 80-7182-141-1. MAREČEK, A., HONZA, J. Chemie pro čtyřletá gymnázia 3. díl. 1. vyd. Olomouc: Nakladatelství Olomouc s.r.o., 2000. ISBN 80-7182-057-1. MAREČEK, A., HONZA, J. Sbírka příkladů pro studenty středních škol. 1. vyd. Brno: Proton, 2001. ISBN 80-902402-2-4. ČTRNÁCTOVÁ, H., HALNÝCH, J., HUDEČEK, J., ŠÍMOVÁ, J. Chemické pokusy pro školu a zájmovou činnost. 1. vyd. Praha: Prospektrum, 2000. ISBN 80-7175-057-3. VACÍK, J. a kolektiv Přehled středoškolské chemie. 3. vyd. Praha: SPN, 1995. ISBN 80-85937-08-5. autor fotografií z pilotní výuky MVDr. A. Gajová