La separazione di un solido da un liquido è tra le operazioni più comuni in tutta la chimica applicata. Gli impianti di trattamento delle acque lasciano decantare i sedimenti dall'acqua grezza prima di filtrare ciò che rimane; le operazioni minerarie decantano e filtrano enormi volumi per recuperare minerali preziosi; e nell'industria farmaceutica, quasi ogni sintesi termina con un precipitato che deve essere separato nettamente dalla soluzione che lo ha prodotto. Le due tecniche utilizzate ovunque per questo compito sono quelle di questo laboratorio: la decantazione e la filtrazione.
Entrambi sfruttano le differenze fisiche tra le fasi di una miscela eterogenea, quindi nessuno dei due modifica l'identità chimica di alcuna sostanza. La decantazione sfrutta la densità: un solido sospeso più denso del liquido si deposita per gravità e, una volta raccolto sul fondo, il liquido sovrastante — il surnatante — può essere semplicemente travasato. La filtrazione sfrutta le dimensioni delle particelle: le molecole del liquido passano liberamente attraverso i pori microscopici di un filtro di carta, mentre le particelle solide, enormemente più grandi, vengono trattenute.
In questo laboratorio separerete una miscela di idrossido di cobalto (II) e acqua in due fasi — prima decantando la miscela depositata, poi filtrando il residuo rimasto — e vedrete voi stessi perché i due metodi vengono usati in sequenza anziché singolarmente.
Obiettivi Educativi
Familiarizzazione con l'ambiente di laboratorio
- Identificare la disposizione e le attrezzature del laboratorio di separazione, inclusi i becher, l'imbuto e il filtro, e la beuta Erlenmeyer da 250 mL.
Accurata manipolazione di liquidi e sospensioni
- Versare il surnatante con delicatezza e continuità, senza inclinare il becher al punto tale da trascinare il solido depositato sul fondo.
- Trasferire una miscela su un filtro abbastanza lentamente da evitare che trabocchi o aggiri la carta.
Padronanza del vocabolario della separazione
- Utilizzare correttamente i termini miscela eterogenea, deposito, surnatante, filtrato e residuo, collegando ciascuno di essi a ciò che è stato osservato nell'esperimento.
Comprendere il principio alla base di ogni tecnica
- La decantazione separa i componenti sfruttando la differenza di densità: le sostanze più dense si depositano sul fondo per gravità (sedimentazione), mentre quelle meno dense rimangono in superficie. La filtrazione, invece, separa i materiali basandosi sulla differenza tra le dimensioni delle particelle: i pori del filtro trattengono le particelle più grandi (come i solidi sospesi), lasciando passare quelle più piccole a livello molecolare (come il solvente o i soluti dissolti).
- Spiega perché nessuna delle due tecniche funzionerebbe su una sostanza disciolta e nomina il tipo di tecnica che invece funzionerebbe.
Metodi di separazione in sequenza
- Giustificare perché la decantazione viene eseguita per prima e la filtrazione per seconda, e valutare cosa ciascun metodo da solo avrebbe lasciato.
Protocollo
Lo scopo di questo laboratorio è separare i costituenti di una miscela di idrossido di cobalto (II) e acqua.
PARTE 1: Decantazione
Questo metodo permette di effettuare una prima separazione, poiché l'idrossido di cobalto (II) (Co(OH)2non è solubile in acqua.
- Una soluzione acquosa con un deposito di idrossido di cobalto(II) è rimasta a riposo per almeno 5 minuti (becher Co(OH)2).
- Versare delicatamente la parte liquida (acqua) della miscela in un secondo becher (becher 2).
Non inclinare troppo il becher per evitare che particelle solide finiscano nel becher 2.
- Lascia il becher Co(OH)2 contenente l'idrossido di cobalto a riposare sul bancone. L'acqua residua può evaporare.
Questo è il primo metodo di separazione (decantazione).
PARTE 2: Filtrazione
- Riempire il becher Co(OH)2 che contiene il deposito di idrossido di cobalto(II) fino a 100 mL con acqua distillata.
- Attacca l'imbuto alla parte superiore del pallone di Erlenmeyer da 250 mL.
- Inserisci il filtro nell'imbuto.
- Versare lentamente la miscela contenuta nel becher Co(OH)2 sulla parte spessa del filtro.
- Lasciare passare la miscela attraverso il filtro.
- Il liquido ottenuto si chiama filtrato
- La parte solida rimasta nel filtro è il residuo
- Questo è un secondo metodo di separazione (filtrazione)
Risultati Previsti
Risultati attesi. La miscela si separa nettamente nei suoi due componenti: l'acqua, recuperata prima come surnatante decantato e poi come filtrato, e il cobalto(II) idrossido solido, recuperato come residuo rosa sulla carta da filtro.
| Tecnica | Proprietà fisica sfruttata | Cosa dovresti osservare | Limitazione |
|---|---|---|---|
| Decantazione | densità — il solido si deposita sotto il liquido | la maggior parte dell'acqua defluisce limpida, lasciando il deposito rosa | alcune particelle fini vengono trascinate nel becher 2; dell'acqua rimane con il solido |
| Filtrazione | dimensione delle particelle — il solido non può passare attraverso i pori del filtro | un filtrato limpido si raccoglie nella beuta di Erlenmeyer; il residuo rosa rimane sulla carta | lento per grandi volumi; il residuo trattiene un po' di liquido fino all'essiccazione |
Perché la miscela può essere separata. Idrossido di cobalto(II), Co(OH)₂2, è praticamente insolubile in acqua — la sua solubilità all'equilibrio è dell'ordine di un milligrammo per litro. Praticamente tutto ciò rimane quindi sotto forma di particelle solide distinte sospese nell'acqua, ma non disciolte in essa: una miscela eterogenea. Poiché le due fasi mantengono la propria identità, le differenze fisiche tra di esse — densità, dimensioni delle particelle — possono essere utilizzate per separarle. Non è coinvolta alcuna reazione chimica e non si forma alcuna nuova sostanza in alcun momento.
Perché la decantazione funziona e perché è imperfetta. Le particelle solide sono più dense dell'acqua, quindi per gravità si depositano sul fondo del beaker — la sosta di cinque minuti nel protocollo esiste per dar loro il tempo di farlo. Il liquido limpido sovrastante può quindi essere travasato. Ma la sedimentazione non è mai perfetta: le particelle più fini affondano estremamente lentamente, poiché la resistenza che una particella avverte cresce rispetto al suo peso man mano che diventa più piccola. Inclinare eccessivamente il beaker rimobilita inoltre il deposito. La decantazione rimuove pertanto la maggior parte del liquido in modo rapido ed economico, a scapito di una separazione imperfetta tra le fasi.
Perché la filtrazione completa l'opera. Il liquido che passa attraverso è chiamato filtrare; il solido trattenuto sulla carta è residuo. La filtrazione produce una separazione molto più netta rispetto alla decantazione, ma è più lenta — motivo per cui il protocollo decanta prima e filtra solo il residuo concentrato.
Riepilogo del compito per intervallo di voti
Classe 9-10
- Concentrazione: le miscele possono essere separate in base alle loro proprietà fisiche e al vocabolario della separazione.
- Attività: eseguire la decantazione e la filtrazione seguendo il protocollo; identificare per nome il deposito, il surnatante, il filtrato e il residuo man mano che compaiono; indicare quale costituente della miscela rappresenta ciascuna frazione recuperata; descrivere ciò che è stato trattenuto da ciascun metodo.
Undicesimo anno
- Concentrazione: i principi fisici — densità, sedimentazione e dimensioni delle particelle — alla base delle tecniche.
- Attività: La miscela deve riposare prima della decantazione per consentire alla gravità di separare i componenti solidi più pesanti dal liquido, depositandoli sul fondo. Le particelle fini sedimentano lentamente perché la loro massa ridotta fa sì che la forza di gravità sia quasi bilanciata dall'attrito e dai moti casuali delle molecole del liquido (moto browniano). La filtrazione funziona separando i materiali in base alle dimensioni: il filtro possiede pori di dimensioni specifiche che lasciano passare le particelle più piccole (come il liquido), trattenendo invece le particelle più grandi che non riescono a passarvi attraverso. L'ordine delle operazioni prevede prima la decantazione e poi la filtrazione perché, rimuovendo la maggior parte del sedimento solido sul fondo durante la decantazione, si evita di intasare rapidamente il filtro con una quantità eccessiva di solido, rendendo il processo di filtrazione molto più efficiente. Se la miscela venisse filtrata direttamente senza decantare, il filtro si intaserebbe quasi all'istante a causa dell'alta concentrazione di particelle, rallentando drasticamente il processo o lacerando il filtro stesso.
12ª classe / Livello universitario
- Concentrazione: scelta e valutazione dei metodi di separazione.
- Attività: classificare la miscela e giustificare perché si applica la separazione fisica, facendo riferimento all'insolubilità del Co(OH)₂2; valutare la purezza di ciascuna frazione recuperata e identificare dove si verificano le perdite; proporre come il solido recuperato potrebbe essere essiccato e il bilancio di massa verificato; determinare quali tecniche di separazione sarebbero richieste se il solido fosse solubile, e perché.
Materiale essenziale di laboratorio
Strumenti
- Becher (100 ml)
- Erlenmeyer (250 ml)
- Imbuto
- Imbuto filtro
Prodotti
- Idrossido di cobalto (II)
- Acqua distillata