Separarea unui solid de un lichid este printre cele mai comune operațiuni din întreaga chimie aplicată. Stațiile de tratare a apei permit sedimentelor să se depună din apa brută înainte de a filtra ceea ce rămâne; operațiunile miniere decantează și filtrează volume enorne pentru a recupera minerale valoroase; iar în industria farmaceutică, aproape fiecare sinteză se încheie cu un precipitat care trebuie separat curat de soluția care l-a produs. Cele două tehnici utilizate pretutindeni pentru această sarcină sunt cele din acest laborator: decantarea și filtrarea.
Ambele exploatează diferențele fizice dintre fazele unui amestec heterogen, astfel încât niciuna nu modifică identitatea chimică a vreunei substanțe. Decantarea utilizează densitatea: un solid suspendant mai dens decât lichidul se depune sub acțiunea gravitației, iar odată ce s-a adunat la fund, lichidul de deasupra — supernatantul — poate fi pur și simplu turnat. Filtrarea utilizează dimensiunea particulelor: moleculele lichidului trec liber prin porii microscopici ai unui filtru de hârtie, în timp ce particulele solide, mult mai mari, sunt reținute.
În acest laborator veți separa un amestec de hidroxid de cobalt (II) și apă în două etape — mai întâi prin decantarea amestecului sedimentat, apoi prin filtrarea depozitului rămas — și veți vedea singuri de ce cele două metode sunt folosite succesiv și nu separat.
Obiective educaționale
Familiarizarea cu mediul de laborator
- Identificați dispunerea și echipamentul laboratorului de separare, inclusiv paharele de laborator, pâlnia și filtrul, precum și balonul Erlenmeyer de 250 mL.
Manipularea atentă a lichidelor și a suspensiilor
- Turnați lichidul supernatant cu grijă și în mod continuu, fără a înclina paharul de laborator atât de mult încât solidul depus să fie antrenat.
- Transferați un amestec pe un filtru suficient de lent încât să nu dea pe dinafară sau să ocolească hârtia.
Măiestria vocabularului separării
- Folosește corect termenii amestec erogen, depozit, lichid supernatant, filtrat și reziduu, atașând fiecare dintre ele la elementul observat în experiment.
Înțelegerea principiului din spatele fiecărei tehnici
- Decantarea se bazează pe diferențele de densitate și pe sedimentare: componentele unui amestec eterogen se separă în timp ce particulele mai dense se depun la fundul recipientului sub acțiunea gravitației (sedimentare), permițând turnarea lichidului mai puțin dens (limpede) în alt recipient. Filtrarea se bazează pe diferența dintre dimensiunile particulelor: un mediu poros (filtru) reține particulele solide mai mari, permițând trecerea moleculelor lichidului și a particulelor dizolvate de dimensiuni mult mai mici, la nivel molecular sau ionic.
- Explicați de ce niciuna dintre tehnici nu ar funcționa pe o substanță dizolvată și numiți tipul de tehnică care ar funcționa.
Metode de separare prin secvențiere
- Justificați de ce decantarea se efectuează prima și filtrarea a doua și evaluați ce ar fi lăsat în urmă fiecare metodă în parte.
Protocol
Scopul acestui laborator este de a separa constituenții unui amestec de hidroxid de cobalt (II) și apă.
PARTEA 1: Decantare
Această metodă permite efectuarea unei prime separări, deoarece hidroxidul de cobalt (II) (Co(OH)2) nu este solubil în apă.
- O soluție apoasă cu un depozit de hidroxid de cobalt (II) a stat timp de cel puțin 5 minute (pahar Co(OH)2).
- Toarnă ușor partea lichidă (apa) din amestec într-un al doilea pahar (paharul 2).
Nu înclinați prea mult eprubeta pentru a preveni ca particulele solide să ajungă în eprubeta 2.
- Lăsați epruveta Co(OH)2 care conține hidroxidul de cobalt să se așeze pe blat. Apa reziduală se poate evapora.
Aceasta este prima metodă de separare (decantarea).
PARTEA 2: Filtrare
- Umpleți paharul Co(OH)2 care conține depozitul de hidroxid de cobalt (II) până la 100 mL cu apă distilată.
- Atașează pâlnia deasupra balonului Erlenmeyer de 250 mL.
- Introduceți filtrul în pâlnie.
- Toarnă încet amestecul conținut în eprubeta Co(OH)2 pe partea groasă a filtrului.
- Lasă amestecul să treacă prin filtru.
- Lichidul obținut se numește filtrat
- Partea solidă rămasă în filtru este reziduul
- Aceasta este o a doua metodă de separare (filtrare)
Rezultate anticipate
Rezultate așteptate. Amestecul se separă curat în cei doi constituenți ai săi: apă, recuperată mai întâi ca supernatant decantat și apoi ca filtrat, și hidroxid de cobalt (II) solid, recuperat sub formă de reziduu roz pe hârtia de filtru.
| Tehnică | Proprietate fizică exploatată | Ce ar trebui să observați | Limitare |
|---|---|---|---|
| Decantare | densitate — solidul se depune sub lichid | cea mai mare parte a apei se scurge limpede, lăsând în urmă depozitul roz | unele particule fine sunt antrenate în paharul de laborator 2; o parte din apă rămâne cu solidul |
| Filtrare | dimensiunea particulelor — solidul nu poate trece prin porii filtrului | un filtrat limpede se colectează în balonul Erlenmeyer; reziduul roz rămâne pe hârtie | lent pentru volume mari; reziduul reține puțin lichid până la uscare |
De ce amestecul poate fi separat în general. Hidroxid de cobalt (II), Co(OH)22, este practic insolubil în apă — solubilitatea sa de echilibru este de ordinul unui miligram pe litru. Prin urmare, practic totul rămâne sub formă de particule solide distincte, suspensate în apă, dar nedizolvate în aceasta: un amestec heterogen. Deoarece cele două faze își păstrează propriile identități, diferențele fizice dintre ele — densitatea, dimensiunea particulelor — pot fi utilizate pentru a le separa. Nu este implicată nicio reacție chimică și nu se formează nicio substanță nouă în niciun moment.
De ce funcționează decantarea și de ce este imperfectă. Particulele solide sunt mai dense decât apa, așa că sub acțiunea gravitației se depun pe fundul paharului de laborator — pauza de cinci minute din protocol există tocmai pentru a le oferi timp să facă acest lucru. Lichidul limpede de deasupra poate fi apoi turnat. Însă decantarea nu este niciodată perfectă: cele mai fine particule se scufundă extrem de încet, deoarece rezistența pe care o resimte o particulă crește în raport cu greutatea sa pe măsură ce aceasta devine mai mică. Înclinarea excesivă a paharului remobilizează de asemenea depozitul. Prin urmare, decantarea îndepărtează cea mai mare parte a lichidului rapid și ieftin, cu prețul unei separări imperfecte între faze.
De ce filtrarea duce treaba la bun sfârșit. lichidul care trece prin filtru se numește filtrat; solidul reținut pe hârtie este reziduu. Filtrarea realizează o separare mult mai netă decât decantarea, dar este mai lentă — motiv pentru care protocolul decantează mai întâi și filtrează doar reziduu concentrat.
Rezumatul temei pe intervale de note
Clasele a IX-a și a X-a
- Concentrare: amestecurile pot fi separate prin proprietățile lor fizice și prin vocabularul separării.
- Activități: efectuați decantarea și filtrarea urmând protocolul; identificați prin denumire depozitul, supernatantul, filtratul și reziduul pe măsură ce apar; precizați ce constituent al amestecului reprezintă fiecare fracțiune recuperată; descrieți ce a rămas în urmă prin fiecare metodă.
Clasa a XI-a
- Concentrare: principiile fizice — densitatea, sedimentarea și dimensiunea particulelor — din spatele tehnicilor.
- Activități: Amestecul trebuie să se odihnească înainte de decantare pentru a permite particulelor solide mai grele să se sedimenteze pe fundul vasului sub acțiunea gravitației, separându-se astfel de lichidul limpede. Particulele fine se așază lent deoarece au o masă mică și o suprafață mare în raport cu greutatea lor, ceea ce înseamnă că rezistența opusă de fluid (forța de frecare) este semnificativă în comparație cu forța gravitațională care le trage în jos; de asemenea, mișcarea termică a moleculelor (mișcarea browniană) poate menține particulele foarte mici în suspensie pentru o perioadă lungă de timp. Filtrarea funcționează prin compararea dimensiunii porilor medii ai materialului filtrant cu dimensiunea particulelor din amestec: dacă dimensiunea particulei este mai mare decât diametrul porului, particula este reținută pe filtru ca reziduu, în timp ce fluidul și particulele mai mici decât porii trec prin filtru formând filtratul. Ordinea celor două operațiuni (mai întâi decantarea, apoi filtrarea) este justificată din punct de vedere practic prin eficiență: decantarea îndepărtează majoritatea solidului grosier, lăsând doar o cantitate mică de lichid cu particule fine de trecut prin filtru. Dacă amestecul ar fi filtrat direct fără a fi lăsat în prealabil să se decanteze, cantitatea mare de particule solide aflate în suspensie ar bloca rapid (ar colmata) porii filtrului. Acest lucru ar face ca procesul de filtrare să devină extrem de lent sau să se oprească complet, necesitând înlocuirea frecventă a filtrelor și crescând riscul ca particulele fine să treacă prin filtru sub presiune.
Clasa a XII-a / Nivel universitar
- Concentrare: alegerea și evaluarea metodelor de separare.
- Activități: clasificați amestecul și justificați de ce se aplică separarea fizică, referindu-vă la insolubilitatea Co(OH)₂2; evaluați puritatea fiecărei fracțiuni recuperate și identificați unde apar pierderile; propuneți cum ar putea fi uscat solidul recuperat și verificat bilanțul de masă; determinați ce tehnici de separare ar fi necesare dacă solidul ar fi solubil și de ce.
Esențiale de laborator
Instrumente
- Pahare Berzelius (100ml)
- Eprubetă Erlenmeyer (250 ml)
- Pâlnie
- Filtru pâlnie
Produse
- Hidroxid de cobalt (II)
- Apă distilată