Разделение смеси

На уроках по этой теме должны решаться следующие учебные задачи:

1. Закрепление знаний о чистом веществе и смеси.

2. Обучение умению применять полученные знания молекулярной теории для решения практических задач, например очистки веществ.

3. Приобретение умений выполнять некоторые операции, связанные с процессом фильтрования, изготовления бумажного фильтра, фильтрование.

4. Ознакомление с примерами связи науки и техники при разработке способов очистки веществ в химических лабораториях и на заводах.

Из способов очистки веществ, применяемых в лабораториях и на заводах, учащиеся средней школы изучают: 1) разделение смесей твердых веществ, нерастворимых в воде и различающихся по плотности; 2) разделение твердых растворимых веществ от нерастворимых в воде или в других жидкостях; 3) разделение несмешивающихся жидкостей; 4) разгонку жидкой смеси. Перед ознакомлением со способами разделения смеси нужно разъяснить значение очистки для научных исследований и для производства многих веществ, применяемых в медицине, в химической и пищевой промышленности. Выявляя взаимосвязь науки и техники на первых же уроках химии, не следует чрезмерно загромождать содержание уроков производственным материалом, описанием сложных аппаратов, применяемых в производствах.

При ознакомлении со способами выделения чистых веществ из смесей важно довести до сознания учащихся, что все эти способы основаны на различии свойств чистых веществ, входящих в состав смеси. Прежде всего можно показать это на разделении таких механических смесей, которые состоят из веществ нерастворимых в воде и значительно отличающихся по плотности. Примером таких смесей может быть смесь древесных опилок с медными опилками или песком. Так как учащимся известно, что древесные опилки и медные опилки различны по плотности и нерастворимы в воде, то они могут сами предложить способ разделения этих смесей, учитель в качестве иллюстрации к сказанному демонстрирует этот опыт.

Следует сообщить, что на разности плотностей компонентов смеси основан способ отделения золота от песка промыванием смеси струей воды, а также отделение каменного угля от пустой породы при обогащении углей. Чтобы учащиеся глубже поняли принцип описанного способа разделения смеси, нужно обратить их внимание на то, что вода в этих случаях не взаимодействует с разделяемыми веществами. По этому же принципу можно разделять смеси, пользуясь более тяжелой или более легкой жидкостью.

Другую роль выполняет вода при разделении смеси, состоящей из растворимых и нерастворимых веществ, так как в этом случае она взаимодействует с одними компонентами смеси, не действуя на другие. Не вдаваясь в подробности процесса растворения, следует лишь отметить, что под действием молекул воды растворяемое вещество измельчается до таких частиц, которые проходят через фильтр, а крупные частицы нерастворяющегося вещества задерживаются на нем.

Для обобщенных знаний о процессах фильтрования учащимся необходимо усвоить, что: 1) фильтрование основано на использовании пористых материалов, через поры которых проходит жидкость и задерживаются крупинки твердого вещества, превосходящие по своим, размерам частицы, из которых состоит жидкость, 2) для прохождения фильтруемой смеси через фильтр должна быть разность давления на фильтруемую смесь и на прошедшую через жидкость - на фильтрат.

Чтобы установить связь в изучении этих процессов с жизненным опытом учащихся, следует предложить им рассказать о том, что они знают о фильтровании. Они обычно приводят следующие примеры: процеживание молока, пропускание мутной воды через песок, фильтрование через бумажный фильтр. При обсуждении этих примеров обращается внимание учащихся на зависимость величины проходящих через фильтр частиц от диаметра пор. Сложней добиться обобщенных знаний учащихся о причинах прохождения жидкости через поры фильтра, хотя в курсе физики VI класса формируются понятия и об атмосферном давлении, и о силе тяжести. Для упражнений в применении этих знаний на уроках химии можно предложить учащимся решить задачи следующих типов: учитель показывает опыты или рисует на классной доске два прибора для фильтрования. В одном приборе узкий конец воронки проходит через пробку, которая плотно закрывает горло колбы, в другом приборе пробка отсутствует. Почему в первом приборе фильтрование скоро прекращается, а в другом продолжается?

В качестве второй задачи можно предложить объяснение опыта фильтрования с применением вакуума. Для закрепления этих знаний и приобретения навыков на основе химического эксперимента и умений самостоятельно выполнять опыты следует провести лабораторную работу по очистке калиевой селитры от нерастворимых примесей. Это первое лабораторное занятие следует вести так, чтобы все практические действия учащихся были строго регламентированы и выполнялись только с разрешения учителя.

Чтобы практические действия учащихся были осмысленны, вначале необходимо разъяснить сущность и основные этапы предстоящей работы. Учитель сообщает, что работа состоит в освобождении калиевой селитры от примесей твердых веществ, нерастворимых в воде. Занятие следует разделить на пять этапов: растворение калиевой селитры в воде, приготовление фильтра, фильтрование, выпаривание, сравнение чистой полученной соли с той, которую очищали. Затем следует расчленение каждого опыта на отдельные операции.

В зависимости от состояния оборудования химического кабинета занятия могут быть звеньевые или индивидуальные. Опыт учителей, у которых хорошо оборудован кабинет и есть лаборанты, показал преимущества индивидуальных работ учащихся. Они обязаны выполнять определенные действия по указанию и под контролем учителя. Учащиеся особенно внимательно относятся к устным инструкциям и к последующему обсуждению, кто и как выполнил тот или иной опыт. Но из этого не следует, что другие формы организации этого лабораторного занятия неприменимы. Опыт многих учителей, проводивших занятия по тому же плану, показал, что можно получить хорошие результаты при работе учащихся звеньями по два-три человека. В этом случае устанавливается очередность выполнения опыта между членами звена: например, растворение селитры поручается одному учащемуся, изготовление фильтра другому и т. д. В то время как один выполняет какую-либо операцию, остальные наблюдают и записывают результаты наблюдений в своих тетрадях, зарисовывают приборы, записывают последовательность действий и их результаты.

На первом лабораторном занятии имеет большое значение способ ознакомления учащихся с заданием для самостоятельной работы, и в частности с инструкциями к проведению опытов. Учащиеся, увидев на своем столе приборы и реактивы, стремятся скорее приступать к действиям и плохо слушают устные указания учителя, невнимательно читают описание опытов в задании. Чтобы приучить их к внимательной подготовке к практическим действиям, рекомендуется на первом занятии запретить всякие практические действия учащихся без разрешения, требовать внимательно слушать указания. Только после повторенных учащимися указаний учителя о том, что и как нужно делать, учитель дает разрешение приступать к практическим действиям.

В зависимости от подготовленности учащихся по технике химического эксперимента им предлагается выполнять определенную часть операций, из которых состоит практическая работа. Например, при отсутствии предварительных работ, на которых учащиеся обучались собирать приборы, пользоваться газовой горелкой, рекомендуется ограничить их самостоятельные работы только изготовлением фильтра, фильтрованием и упариванием раствора. Приборы следует давать в готовом к употреблению виде; зажигать и гасить газовую горелку должен лаборант или учитель.

План практической работы на тему "Очистка селитры от нерастворимых в воде примесей"

Цель работы: 1) ознакомить учащихся со способом отделения растворимых твердых веществ от нерастворимых в воде; 2) научить их делать простой бумажный фильтр, фильтровать через него и выпаривать раствор; 3) приучить учащихся внимательно слушать и точно выполнять указания учителя.

Подготовка к практическим занятиям: химический (или чайный) стакан, стеклянная палочка с резиновой трубкой на конце, фарфоровая чашка, воронка, штатив с кольцом и с асбестированной сеткой, спиртовая горелка, кружок фильтровальной бумаги, колба или стакан с чистой водой, неочищенная селитра, мензурка.

Порядок выполнения работы: работа должна выполняться по частям. После чтения учащимися заданий каждой части они должны быть готовы рассказать о том, что будут делать, а затем, получив разрешение, приступают к работе. По окончании работы записывают результат и ждут указания учителя.

Выполнение работы.

1. Сравнение чистой и загрязненной селитры.

а) Насыпьте на листик белой бумаги немного чистой, а рядом загрязненной селитры;

б) рассмотрите внимательно оба образца вещества и отметьте, какие примеси обнаружены вами в загрязненной селитре;

в) результаты сравнения запишите в тетради и будьте готовы сообщить об этом учителю.

2. Растворение загрязненной селитры.

а) Всыпьте в стакан чайную ложку селитры, налейте в мензурку 50 мл воды и вылейте ее в стакан с солью, размешайте стеклянной палочкой (на конце которой находится отрезок резиновой трубочки);

б) не дожидаясь, пока все растворится, запишите то, что наблюдаете;

в) обратите внимание на помутнение раствора.

3. Приготовление фильтра.

а) Данный вам для опыта бумажный кружочек сложите вчетверо, и обрежьте, как изображено на рисунке 17, отделите один листик от трех так, чтобы получился бумажный конус;

Рис. 17. Изготовление бумажного фильтра

б) полученный конус вставьте в воронку и, придерживая го пальцами (рис. 18), смочите водой, чтобы он плотно пристал к стенкам воронки;

Рис. 18. Бумажный фильтр вложен в воронку

в) край фильтра должен быть немного (на ¹/₂ см) ниже края воронки;

г) покажите учителю приготовленный фильтр.

4. Фильтрование.

а) Вставьте воронку с фильтром в кольцо штатива, укрепите ее на такой высоте, чтобы конец трубки воронки касался краев стакана с внутренней стороны;

б) чтобы фильтруемая жидкость попадала только на фильтр, следует выливать ее по стеклянной палочке, как указано на рисунке 19. Тогда струя жидкости будет направлена в то место фильтра, куда нужно. Если не пользоваться стеклянной палочкой, то при выливании жидкости из стакана она может стекать по наружной стороне стенки стакана. В воронке должно быть столько жидкости, чтобы она не доходила до краев фильтра приблизительно на 0,5 см;

Рис. 19. Отделение жидкости от примеси твердых нерастворимых веществ

в) если фильтрат (отфильтрованная жидкость) окажется мутным, следует еще раз пропустить его через фильтр;

г) зарисуйте прибор, используйте для этого время, пока жидкость фильтруется. Укажите, что осталось на фильтре и чем отличается фильтрат от той жидкости, которую фильтровали.

5. Упаривание раствора.

а) Чтобы получить твердую селитру из раствора, нужно удалить из него воду. Сделать это можно осторожным кипячением раствора в фарфоровой чашечке, так как стеклянный стакан может лопнуть при нагревании. Прибор для упаривания раствора соберите с помощью учителя. Когда прибор будет собран, перелейте раствор из стакана в фарфоровую чашечку, попросите учителя или лаборанта зажечь горелку и установить пламя нужного размера, чтобы наиболее горячая часть его касалась донышка фарфоровой чашки. Наблюдая за тем, что происходит с нагреваемым раствором, не наклоняйтесь над чашкой, чтобы случайные брызги горячего раствора не попали в лицо. Если кипение усилится настолько, что будет разбрызгиваться раствор, уберите горелку и пригласите учителя или лаборанта, чтобы получить указания, как уменьшить пламя горелки или поднять выше кольцо с находящейся на нем чашкой;

б) когда количество раствора уменьшится наполовину, прекратите нагревание и дайте остыть чашке, не снимая ее с кольца штатива.

6. Составление отчета.

Чтобы не терять время на охлаждение, продолжайте составлять отчет. Нарисуйте прибор, обозначьте, где находится раствор. Опишите кратко, что наблюдали при упаривании растворами, что получилось после удаления воды из раствора. Прочитайте еще раз соответствующий параграф учебника, проверьте правильность сделанных вами записей и рисунков.

Ввиду сложности и трудоемкости эту работу можно разделить на две части (на два урока): в первую часть нужно включить работы, обозначенные в пунктах 1, 2, 3 и 4, а во вторую - работы, обозначенные в пунктах 5 и 6, и заключительную беседу по всей работе. Для ознакомления учащихся с разделением нерастворимых друг в друге жидкостей следует также сначала показать, как о делается в лаборатории, а затем в заводских условиях, качестве объекта можно взять смесь бензина с водой и отлить бензин от воды при помощи делительной воронки или при помощи приспособления, изображенного на рисунке 20.

Рис. 20. Приборы для разделения несмешивающихся жидкостей

Перед рассмотрением способов разделения взаимно растворимых жидкостей нужно напомнить учащимся, что жидкие смеси состоят из различных чистых веществ, каждое из которых имеет свою определенную температуру кипения. Отсюда следует, что для разделения такой смеси ее надо нагреть до кипения и отбирать погоны с определенной температурой кипения. Для демонстрации опыта разгонки двух взаимно растворимых жидкостей наиболее удачным является смесь спирта с водой, так как исходные вещества более доступны, температуры кипения воды и спирта известны учащимся, спирт легко отличить от воды по запаху и горючести. Для демонстрации этого опыта можно воспользоваться прибором, состоящим из колбы Вюрца емкостью в 200-250 мл и холодильника. Термометр, проходящий через пробку, должен быть опущен в колбу так, чтобы нижняя его часть со ртутью находилась в парах кипящей жидкости. Для испытания полученного вещества достаточно поместить в фарфоровую чашечку один-два миллилитра его и поджечь.

После этого можно ознакомить в общих чертах с принципом разгонки нефти. При этом нужно обратить внимание на то, что нагревают нефть до высокой температуры, а затем, охлаждая пары, получают бензин, керосин и другие нефтепродукты.

Если представляется возможность выполнить опыт разделения смеси спирта и воды, то можно воспользоваться прибором, изображенным на рисунке 21. Прибор лучше дать в готовом виде и показать на этом уроке, как следует пользоваться газовой или спиртовой горелкой. На таких уроках обычно выявляются учащиеся, особо интересующиеся химией. Этот пока поверхностный интерес при благоприятных условиях может перерасти в увлечение при организации внеклассных занятий: чтения дополнительной литературы, практических занятий по изготовлению образцов чистых веществ, таблиц и плакатов, приборов, а затем и более серьезных работ с элементами исследований.

Рис. 21. Прибор для перегонки жидкостей