Oddělení pechých látek od kapaliny patří mezi nejběžnější operace v celé aplikované chemii. Úpravny vody nechávají sediment usadit ze surové vody, než přefiltrují to, co zbývá; hornické provozy dekantují a filtrují obrovská množství za účelem získání cenných nerostů; a ve farmaceutickém průmyslu téměř každá syntéza končí sraženinou, která musí být čistě oddělena od roztoku, jenž ji vytvořil. Dvě techniky používané všude pro tento úkol jsou ty v této laboratoři: dekantace a filtrace.
Oba využívají fyzikální rozdíly mezi fázemi heterogenní směsi, takže ani jeden nemění chemickou identitu ničeho. Dekantace využívá hustotu: suspenzovaná pevná látka, která je hustší než kapalina, se usazuje vlivem gravitace, a jakmile se shromáždí na dně, kapalina nahoře – supernatant – se může jednoduše slít. Filtrace využívá velikost částic: molekuly kapaliny volně procházejí mikroskopickými póry papírového filtru, zatímco pevné částice, které jsou nesrovnatelně větší, jsou zachyceny.
V této laboratoři oddělíte směs hydroxidu kobaltnatého a vody ve dvou fázích – nejprve dekantací usazené směsi a poté filtrací zbývajícího podílu – a sami uvidíte, proč se tyto dvě metody používají postupně, a nikoli samostatně.
Vzdělávací cíle
Seznámení s laboratorním prostředím
- Identifikujte uspořádání a vybavení separační laboratoře, včetně kádinek, nálevky a filtru a 250ml Erlenmeyerovy baňky.
Opatrná manipulace s kapalinami a suspenzemi
- Sleďte supernatant jemně a plynule, aniž byste kádinku naklonili natolik, aby se usazená pevná látka vyplavila.
- Přeneste směs na filtr dostatečně pomalu, aby nepřetekla nebo neprotekla kolem papíru.
Zvládnutí slovní zásoby oddělení
- Použijte správně termíny heterogenní směs, usazenina, supernatant, filtrát a reziduum a přiřaďte každý k tomu, co bylo pozorováno v experimentu.
Pochopení principu každé techniky
- Dekantace je metoda oddělování látek založená na rozdílu v hustotě a usazování (sedimentaci). Těžší pevné částice se vlivem gravitační síly usazují na dně nádoby a vytvářejí sediment, zatímco lehčí kapalina (nebo čirejší vrstva) zůstává nahoře. Poté lze kapalinu opatrně slít (dekantovat) stranou, aniž by došlo k víření usazeniny. Filtrace je metoda založená na rozdílu mezi velikostí molekul a velikostí částic. Směs prochází přes porézní médium (filtr), jehož póry fungují jako síto. Větší pevné částice (které jsou výrazně větší než molekuly kapaliny) neprojdou a zůstanou zachyceny na filtru jako podíl, zatímco samotné molekuly kapaliny nebo rozpuštěné látky, které jsou mnohem menší, póry snadno projdou a tvoří filtrát.
- Vysvětlete, proč by ani jedna technika nefungovala na rozpuštěnou látku, a uveďte typ techniky, která by fungovala.
Metody separace sekvencí
- Zdůvodněte, proč se nejdříve provádí dekantace a až poté filtrace, a vyhodnoťte, co by každá metoda zanechala samostatně.
Protokol
Účelem tohoto laboratorního cvičení je oddělení složek směsi hydroxidu kobaltnatého a vody.
ČÁST 1: Dekantace
Tato metoda umožňuje provést první separaci, protože hydroxid kobaltnatý (Co(OH)2) není rozpustný ve vodě.
- Vodný roztok se sraženinou hydroxidu kobaltnatého se nechal stát alespoň 5 minut (kádinka Co(OH)2).
- Tekutou část (vodu) směsi opatrně nalijte do druhé kádinky (kádinka 2).
Nenaklánějte kádinku příliš, abyste zabránili vniknutí pevných částic do kádinky 2.
- Nechte kádinku s Co(OH)2 obsahujícím hydroxid kobaltnatý, který se usadí na dně nádoby. Zbytková voda se může odpařit.
Toto je první separační metoda (dekantace).
ČÁST 2: Filtrace
- Nalejte do kádinky Co(OH)2 který obsahuje usazeninu hydroxidu kobaltnatého do 100 ml s destilovanou vodou.
- Připevněte nálevku k hrdlu Erlenmeyerovy baňky o objemu 250 ml.
- Vložte filtr do nálevky.
- Pomalu vlijte směs obsaženou v kádince Co(OH)2 na silnou část filtru.
- Nechte směs projít filtrem.
- Získaná kapalina se nazývá filtrát
- Pevný zbytek zůstávající ve filtru je sediment
- Toto je druhá metoda separace (filtrace)
Předvídané výsledky
Očekávané výsledky. Směs se čistě rozdělí na své dvě složky: vodu, která se nejprve získá jako dekantovaný supernatant a poté jako filtrát, a pevný hydroxid kobaltu (II), který se získá jako růžový zbytek na filtračním papíře.
| Technika | Využitá fyzikální vlastnost | Čho byste si měli všimnout | Omezení |
|---|---|---|---|
| Dekantace | hustota — pevná látka se usazuje pod kapalinou | většina vody odtéká čirá a zanechává za sebou růžový usazeninu | Některé jemné částice jsou přeneseny do kádinky 2; určitá část vody zůstává s pevnou látkou. |
| Filtrace | velikost částic – pevná látka nemůže projít póry filtru | V Erlenmeyerově baňce se zachytí čirý filtrát; růžový zbytek zůstává na papíru | pomalé pro velké objemy; zbytek si po vysušení uchovává trochu tekutiny |
Proč je vůbec možné směs oddělit. Hydroxid kobaltnatý, Co(OH)22, je ve vodě prakticky nerozpustná – její rovnovážná rozpustnost se pohybuje v řádu miligramů na litr. V podstatě veškerá proto zůstává ve formě samostatných pevných částic, které jsou vštěpené ve vodě, ale nejsou v ní rozpuštěné: jde o heterogenní směs. Protože si obě fáze zachovávají svou vlastní totožnost, lze k jejich oddělení využít fyzikální rozdíly mezi nimi – hustotu, velikost částic. Nejedná se o žádnou chemickou reakci a v žádném bodě nevzniká žádná nová látka.
Proč dekantace funguje a proč není dokonalá. Pevné částice jsou hustší než voda, takže pod vlivem gravitace klesají na dno kádinky – pětiminutový odpočinek v protokolu existuje proto, aby na to měly dost času. Čirou kapalinu nahoře lze pak slít. Usazování však není nikdy dokonalé: nejjemnější částice klesají extrémně pomalu, protože odpor, který částice pociťuje, roste vzhledem k její hmotnosti, jak se zmenšuje. Přílišné naklonění kádinky navíc usazeninu opět víří. Dekantace proto odstraňuje většinu kapaliny rychle a levně za cenu nedokonalého oddělení fází.
Proč filtrace dokončí práci. Papírový filtr je rohož z celulózových vláken, jejichž póry mají velikost několika mikrometrů. Molekuly vody, tisíckrát menší, procházejí bez překážky, zatímco pevné částice jsou zachyceny. Kapalina, která prochází, se nazývá filtrát; pevná látka zachycená na papíře je zbytek. Filtrace provádí mnohem ostřejší separaci než dekantace, je však pomalejší – proto protokol nejprve dekantuje a filtruje pouze zahuštěný zbytek.
Shrnutí úkolů podle věkové kategorie
9. až 10. ročník
- Zaměření Směsi lze oddělit na základě jejich fyzikálních vlastností a terminologie separace.
- Aktivity: proveďte dekantaci a filtraci podle protokolu; identifikujte usazeninu, supernatant, filtrát a zbytek podle názvu, jakmile se objeví; uveďte, kterou složku směsi každá získaná frakce představuje; popište, co po každé z těchto metod zůstalo.
11. ročník
- Zaměření fyzikální principy — hustotu, sedimentaci a velikost částic — které stojí za těmito technikami.
- Aktivity: Směs musí před stáčením (dekantací) odstát, aby se pevné částice vlivem gravitace usadily na dně. Jemné částice se usazují pomalu, protože mají velmi malou hmotnost, velký poměr povrchu k objemu a jsou neustále naráženy molekulami kapaliny (Brownův pohyb), což brání jejich rychlému pádu. Filtrace funguje na principu porovnání velikosti pórů filtračního média a velikosti částic: póry fungují jako síto, které propouští kapalinu (nebo menší rozpuštěné látky), ale zachytává pevné částice, jejichž rozměr je větší než velikost pórů. Pořadí operací (nejprve dekantace, potom filtrace) je opodstatněno tím, že odstranění většiny kapaliny a usazených větších částic přeléváním zabrání předčasnému ucpání pórů filtru jemným sedimentem, což by výrazně zpomalilo nebo zastavilo proces filtrace. Pokud by byla směs filtrována přímo bez předchozího usazení a dekantace, velké množství jemných částic by okamžitě zaneslo a ucpalo póry filtru, čímž by se filtrace stala extrémně pomalou a neefektivní.
12. ročník / Úroveň college
- Zaměření výběr a hodnocení metod separace.
- Aktivity: klasifikujte směs a odůvodněte, proč se na ni vztahuje fyzikální separace, s odkazem na nerozpustnost Co(OH)2; vyhodnotit čistotu každé znovuzískané frakce a určit, kde dochází ke ztrátám; navrhnout, jak by se znovuzískaná pevná látka dala vysušit a zkontrolovat hmotnostní bilanci; určit, jaké separační techniky by byly nutné, pokud by pevná látka byla rozpustná, a proč.
Laboratorní potřeby
Nástroje
- Kádinky (100 ml)
- Erlenmeyerova baňka (250 ml)
- Trychtýř
- Trychtýřový filtr
Produkty
- Hydroxid kobaltnatý
- Deminerializovaná voda