《化学知识普及二:混合物的分离与提纯之一》

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我们都知道自然界中的物质绝大多数以混合物的形式存在,单纯的混合虽然不会改变其中某组分的性质,但是对于研究其中某物质的性质或将其应用于生产和生活中时,就会受到影响。

比如,我们都知道氧气的化学性质是支持可燃物燃烧和供给生物体呼吸,氧气和含有空气的氧气二者所表现出来的反应现象和功能是不同的,如木炭、氢气、硫磺分别在氧气和空气中的燃烧现象是不同的,氧气能使带火星的木条复燃,而空气不能,呼吸困难的患者用氧气提供呼吸用气而不能用空气。

作导线用的铜和铝都要求纯度,纯度越高,导电性能越好。在生产上,活法制得粗铜再经过精炼变为精铜;用于计算机芯片的单晶硅也要求有极高的纯度,粗硅经过提纯变为纯硅才能应用。

需要说明的是,我们通常所说的纯净物,理论上是指含量为百分之百的某物质,事实上,我们根本就没有办法得到这样的物质,所以才有了提纯和纯度的概念,不同纯度级的物质应用于不同的场合,提纯是指通过除去杂质来提高我们所需要的那种物质的纯度。

在实际上,如果纯度高到不影响该物质性质时就认为是纯净物了,纯净物都可以用化学式来表示,能用化学式来表示的物质也都是纯净物。

根据纯度的含义,我们还可以推出求算某物质纯度的公式:某物质纯度=该物质的质量/混合物的总质量*100%;

需要说明的是,混合物的分离仅仅是指将混合物的各成分分开来,提纯和除杂都是指将我们所需要的那种物质之外其他物质都除去的意思,只是二者对纯度的要求不同,才有了不同的名字。

此外,混合物的杂质是指除我们需要的物质之外的其他物质均被称为杂质。杂质并不是指有害的或无价值的物质。比如金矿石中金子是我们所需要的,石头就是杂质,可是石头也是有价值的。

综上所述,不管是为了研究物质性质的需要,还是为了让物质达到物尽其用的功效,研究和掌握混合物的分离提纯方法都是必要的,在生产和科研上也早已形成了多种有效的分离技术。

化学即生活,理解并掌握生产生活科研中的最基本也是最重要的分离提纯方法就是化学学科本身的重要内容,现在我们来学习几种常见的最简单的分离提纯混合物的方法,分别是:过滤、蒸发、蒸馏、萃取。

1、过滤:适用于固固混合体系的分离,根据混合物中各物质的溶解性不同,固固混合物又可分为两类,一类是被分开的两种物质的溶解性不同,这类可以直接找到一种溶剂将混合物分成固液两相,再过滤分为滤渣(固相)和滤液(液相);另一类是被分开的两种物质溶解性相同,这类则需要加入化学试剂将其中的一部分转化成溶解性不同的物质,再过滤除去。

以粗盐提纯为载体来学习两种类型的固固分离。分析粗盐中有三类物质,第一类是不溶于水的杂质:泥沙;第二类是可溶于水的杂质:钙盐、镁盐和硫酸盐;第三类是我们要得到的食盐,粗盐提纯的目的是:除去两种类型的杂质,得到固体食盐。

首先是通过加入溶剂将不溶性固体与可溶性固体通过过滤直接分离提纯,其次是在可溶性固体混合物溶液中加入化学试剂,通过化学反应将其中的一部分转化为难溶物质,再通过过滤得到含有所要成分的滤液,最后将滤液蒸发即得纯净的食盐晶体。

整个过程涉及到的操作:溶解–过滤–在滤液里加入化学试剂–过滤–在滤液里加入盐酸调节至中性–蒸发结晶。要求掌握溶解、过滤、蒸发三种操作所需的仪器和规范操作方法。

本节的难点有两个:第一个是检验食盐中存在哪些可溶性杂质?第二个是除去这些可溶性杂质?

需要强调的是,虽然这两个点的研究对象都是杂质离子,但是因为二者目的不同,强调的角度就不同,检验要求有明显的特征现象,除杂则强调反应要进行彻底。所以二者所用试剂可能相同,也可能不同。

比如检验二氧化碳常用澄清石灰水,除去二氧化碳也要用浓的氢氧化钠溶液,前者有现象,但是反应程度小,后者反应程度大,但是没有明显现象。

难点分析:我们知道可溶于水的盐溶液是以金属离子和酸根离子的形式存在的,如果我们能检测到有杂质的某一种离子存在,则就可以知道对应的这种杂质存在了。

其次,溶液中的离子是微观的,肉眼看不见的,鉴定某种离子的存在,要依据于该离子对某一试剂反应时所产生的特征现象来推测这种离子的存在。

在多离子同时存在的溶液中,某一离子对所选定试剂的反应不是孤立进行的,在鉴定某离子的存在时,找出干扰离子,排除干扰,直接决定了实验结论的可信度,在鉴别类实验题目中属于必考点,也是设置障碍的点。

比如,NaCl中混有Na2SO4及极少量的Na2CO3的样品,我们该怎样检验样品溶液里有硫酸根离子的存在呢?

分析样品溶液里的所有阴离子:氯离子、碳酸根离子、硫酸根离子,查表可知,能与硫酸根反应的离子有钙离子和钡离子,根据产物溶解度大小,鉴别试剂用氯化钡溶液。但是溶液里同时存在碳酸根,硫酸钡和碳酸钡在水溶液里都呈现白色沉淀,显然碳酸根离子的存在干扰了硫酸根离子的鉴定。

那么,怎么才能排除碳酸根的干扰呢?查表可知,碳酸根可与氢离子反应生成二氧化碳气体而除去,选用哪种酸来除去碳酸根呢?盐酸?稀硫酸?稀硫酸不行!(虽然它能除去碳酸根,可是由它引入了外来的硫酸根,影响到了实验结论的可信度)。

综上所述,在可能有碳酸根存在时,硫酸根离子的鉴别程序应为:取少量待测试液,先加稀盐酸调节溶液呈酸性(排除碳酸根的干扰),然后向试管中滴入几滴氯化钡溶液,震荡观察现象,如果试管里出现白色沉淀,则可知原溶液中有硫酸根离子存在,就可以得出具有可信度的结论。

第二个难点是怎么除去可溶性杂质?

假定样品为NaCl(MgCl2、CaCl2、Na2SO4),根据物质的溶解度表可以查得氢氧化镁不溶于水,镁离子与氢氧根离子可以反应生成氢氧化镁;所以除去镁离子的试剂可以选择氢氧化钠(注意阳离子的确定,要以不引入新的杂质离子为依据)。

查表可知,能与钙离子反应的离子有氢氧根、硫酸根、碳酸根,根据它们的溶解性大小决定了三种反应的反应程度,进一步推断以生成碳酸钙的反应为除杂最彻底,除去钙离子的试剂选为碳酸钠溶液,除去硫酸根用氯化钡溶液。

需要强调说明的是,为了使杂质离子尽可能地被除尽,所加试剂应过量,过量试剂又带来了新的杂质,也需要除去,所以这三种除杂试剂的加入顺序需要恰当安排。过量钡离子除去了硫酸根离子之后,剩余的钡离子需要碳酸根来除,所以氯化钡溶液的加入顺序必须排在碳酸钠溶液之前,过量的氢氧化钠和过量的碳酸钠在除尽镁离子和钙离子之后,剩余的氢氧根和碳酸根均可以盐酸来除去,盐酸的量可以通过PH试纸来控制。

小结:

1、在确定除杂方案时,从物质性质的差异上寻找突破口,先物理性质,后化学性质。

2、在鉴定离子时,所加试剂与要鉴定的离子之间要有明显的特征现象,找到可能的干扰,再设法排除干扰,提高实验结论的可信度是重点也是难点更是考点。

3、除杂试剂要过量,过量试剂要除尽,在含有两种以上杂质要除去时,除杂试剂的顺序是难点也是重点。

知识拓展:

1、溶剂分类,溶解用到的溶剂通常有三类:第一类溶剂是水;第二类是有机溶剂,如酒精、汽油、苯、四氯化碳等,这两类溶剂不参与化学反应,仅仅是通过物理溶解过程将混合物分为固液两相;第三类溶剂是酸溶液或碱溶液,这种情况下混合物中的成分一般通过与酸或碱发生复分解反应而分为固液两相。

如混合物是粗铜,杂质是锌,可以选用稀硫酸来溶解锌(发生置换反应),再过滤得纯净的铜(依据是铜锌两种金属的活动性差异)。

2、过滤分类:普通过滤;抽滤;热过滤。

3、结晶分类:从溶液中得到晶体的途径有三类(1)蒸发结晶(从食盐水中得到食盐),直接得到晶体,可得到不含结晶水的晶体(2)冷却热饱和溶液结晶(溶解度受温度影响比较大的热溶液,如硝酸钾),连着要通过过滤取出晶体(3)蒸发浓缩,冷却结晶(适用于从稀溶液中获得含有结晶水的晶体),连着过滤取出晶体。

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