úvod
Keď si ráno pripravuješ čaj, sitko zachytí lístky. Kávovar s papierovým filtrom prepustí kávu, no zomletá káva zostane vo filtri. Cestoviny scedíš cez cedník a blato v kaluži sa po čase usadí na dne. Vo všetkých týchto prípadoch sa oddeľujú zložky zmesi. Chemici to robia rovnako, len presnejšie. V tejto lekcii zistíš, ako oddeliť nerozpustnú látku od kvapaliny, ako získať soľ z roztoku a ako rozdeliť zmes piesku, soli a železných pilín.
teória
Podľa čoho zložky oddelíme
V zmesi si každá zložka zachováva svoje vlastnosti, ako ukazuje lekcia o čistých látkach a zmesiach. Na oddelenie preto využijeme vlastnosť, v ktorej sa zložky líšia:
| Čím sa zložky líšia | Príklad zmesi | Metóda |
|---|---|---|
| veľkosť čiastočiek | piesok a voda | filtrácia |
| hustota | blatistá voda, olej a voda | usadzovanie a zlievanie, oddeľovací lievik |
| rozpustnosť vo vode | piesok a soľ | rozpustenie soli a filtrácia |
| prchavosť (voda sa vyparí, soľ nie) | soľ rozpustená vo vode | odparovanie |
| magnetické vlastnosti | železné piliny a síra | magnet |
Pri oddeľovaní zložiek nevznikajú nové látky, sú to fyzikálne deje. Takto sa preto dajú rozdeliť len zmesi. Chlorid sodný ako zlúčeninu na sodík a chlór filtráciou ani odparovaním nerozdelíš. Metódu vyberáme aj podľa toho, ktorú zložku chceme získať.
teória
Usadzovanie a zlievanie
Keď vo vode rozmiešaš hlinu alebo piesok, vznikne rôznorodá zmes, suspenzia. Nerozpustené čiastočky majú väčšiu hustotu ako voda, preto pomaly klesajú a usadia sa na dne. Kvapalinu nad usadeninou potom opatrne zlejeme do inej nádoby. Odborne sa usadzovanie volá sedimentácia a zlievanie dekantácia.
Usadzovanie je jednoduché, ale pomalé a nie celkom dokonalé: v usadenine zostane trochu vody a najjemnejšie čiastočky sa usádzajú veľmi dlho. Takto sa po daždi vyčíri voda v kaluži a na dne šálky tureckej kávy sa usadí zomletá káva. Úpravne vody aj čistiarne odpadových vôd majú na to obrovské usadzovacie nádrže.
Usadzovanie výrazne urýchli odstreďovanie. V odstredivke (centrifúge) sa skúmavky so zmesou točia veľmi rýchlo a ťažšie čiastočky sa za niekoľko minút usadia na dne. Tak sa v laboratóriách oddeľujú krvinky od krvnej plazmy a v mliekarňach smotana od mlieka. Aj práčka pri odstreďovaní točí bubnom tak rýchlo, že voda zo šiat odletí cez dierky v bubne.
Rýchlosť usadzovania závisí od veľkosti a hustoty čiastočiek. Zrnká piesku klesnú na dno za pár sekúnd, najjemnejšie čiastočky ílu sa vo vode vznášajú hodiny až dni. V odstredivke pôsobí na čiastočky odstredivá sila, ktorá môže byť aj tisíckrát väčšia ako ich tiaž, preto sa usadia oveľa rýchlejšie. Ľahšie zložky, napríklad tuk v mlieku, sa naopak zhromaždia bližšie k osi otáčania.
teória
Filtrácia
Filtrácia oddeľuje nerozpustenú tuhú látku od kvapaliny. Zmes lejeme na filtračný papier, ktorý má veľmi drobné póry. Kvapalina nimi pretečie, väčšie tuhé čiastočky papier zachytí. Kvapalina, ktorá pretečie, sa volá filtrát. Tuhá látka, ktorá zostane na papieri, je zvyšok na filtri.
Filtračnú aparatúru tvoria:
- stojan s filtračným kruhom, do ktorého vložíme lievik,
- lievik s filtračným papierom,
- kadička pod lievikom, do ktorej steká filtrát,
- sklenená tyčinka, po ktorej lejeme zmes na filter.
Filtračný papier najprv zlož: kruh prelož na polovicu a potom ešte raz na štvrtinu. Roztvor ho do kužeľa tak, aby na jednej strane bola jedna vrstva papiera a na druhej tri. Kužeľ vlož do lievika a navlhči ho trochou vody, aby priľnul k stene. Pri filtrácii potom dodržuj štyri pravidlá:
- Okraj filtračného papiera je asi 1 cm pod okrajom lievika.
- Šikmo zrezaný koniec stopky lievika sa dotýka steny kadičky. Filtrát tak steká po stene a nestrieka.
- Zmes lejeme pomaly po sklenenej tyčinke, ktorú opierame o miesto, kde je papier trojitý. Tam sa papier neroztrhne.
- Hladina v lieviku zostáva pod okrajom papiera, inak by zmes pretiekla popri papieri rovno do filtrátu.
vyskúšaj si
Filtračná aparatúra
Klikni na diely v poradí, v akom aparatúru zostavíš. Pri niektorých vyberieš aj to, ako ich umiestniš. Hotovo: 0 zo 6
Poskladaj filtračnú aparatúru zo súčiastok v správnom poradí a prefiltruj suspenziu. Všimni si, čo sa stane pri typických chybách, napríklad keď papier presahuje okraj lievika alebo keď sa stopka nedotýka steny kadičky.
Filtre používaš aj doma. Papierový filter v kávovare zachytí zomletú kávu, sitko na čaj lístky, cedník cestoviny a filter vo vysávači prach zo vzduchu. Filtrovať sa teda dajú kvapaliny aj plyny. Filtráciou však oddelíme len nerozpustené látky. Keď prefiltruješ slanú vodu, soľ prejde papierom spolu s vodou a filtrát je stále slaný.
Vyskúšaj to doma: v pohári zamiešaj do vody lyžičku piesku a lyžičku soli a zmes prefiltruj cez papierový filter na kávu. Piesok zostane vo filtri a filtrát bude číry. Keď necháš lyžičku filtrátu odpariť na tanieriku, zostanú po nej drobné kryštáliky soli.
Prečo filtrácia neoddelí roztok? Póry filtračného papiera majú rozmer rádovo niekoľko mikrometrov, teda tisícin milimetra. Rozpustené ióny Na⁺ a Cl⁻ alebo molekuly cukru merajú okolo jedného nanometra alebo menej, sú teda viac ako tisíckrát menšie. Prejdú spolu s molekulami vody a filtrát má rovnaké zloženie ako roztok. Z toho istého dôvodu prejdú papierom aj niektoré veľmi jemné čiastočky a niektoré zakalené kvapaliny sa filtráciou úplne nevyčíria.
Vákuová filtrácia (filtrácia za zníženého tlaku) je oveľa rýchlejšia. Použije sa porcelánový Büchnerov lievik s plochým dierkovaným dnom, na ktoré sa položí kruh filtračného papiera. Lievik je cez gumové tesnenie osadený v hrdle hrubostennej odsávacej banky. Jej bočný vývod je hadicou pripojený k vodnej výveve, ktorá z banky odsáva vzduch. Pod filtrom vznikne nižší tlak a atmosférický tlak zhora pretláča kvapalinu cez papier. Zvyšok na filtri sa zároveň dobre odsaje a rýchlo schne. Aby voda z vývevy nenatiekla späť do banky, pri ukončení filtrácie sa najprv odpojí hadica a až potom sa zastaví voda.
Aj obyčajnú filtráciu urýchli, keď zrazeninu necháme najprv usadiť a na filter zlejeme najskôr číru kvapalinu. Póry papiera sa tak neupchajú hneď na začiatku.
teória
Odparovanie a kryštalizácia
Rozpustenú tuhú látku z roztoku získame odparovaním. Roztok nalejeme do porcelánovej odparovacej misky a zahrievame ho alebo ho necháme odparovať na vzduchu. Voda sa vyparí a tuhá látka zostane v miske. Na rýchlu skúšku, či je v kvapaline niečo rozpustené, stačí odpariť niekoľko kvapiek na hodinovom sklíčku. Voda však pri odparovaní unikne do vzduchu. Ak ju chceme zachytiť, treba jej pary ochladiť, teda použiť destiláciu.
Odparovaním sa odpradávna získava morská soľ. V kilograme morskej vody je v priemere asi 35 g rozpustených solí, najviac chloridu sodného. Pri mori sa voda napúšťa do plytkých soľných paniev, kde ju slnko a vietor pomaly odparujú. Roztok hustne, až sa z neho začnú vylučovať kryštály soli, ktoré soliari zhrabujú. Na Slovensku sa soľ stáročia vyrábala v Solivare v Prešove: slanú vodu, soľanku, čerpali z podzemia a odparovali ju vo veľkých panviach vo varniach.
Pri pomalom odparovaní sa látka vylučuje v podobe kryštálov, ide teda o kryštalizáciu. Kryštály vzniknú aj pri ochladení horúceho nasýteného roztoku, ako ukazuje lekcia Rozpustnosť a nasýtený roztok. Nie každú látku môžeme odparovať do sucha: modrá skalica by pri silnom zahriatí stratila kryštálovú vodu a zbelela, cukor by sa pripálil. Takéto látky necháme kryštalizovať pri miernej teplote.
Doma to vyskúšaš s tanierikom: nalej naň lyžičku slanej vody a nechaj ho pár dní na teplom mieste. Voda sa odparí a na tanieriku zostanú drobné kryštáliky soli. Pod lupou uvidíš, že majú tvar kociek.
Kryštalizácia je aj najbežnejší spôsob, ako tuhú látku vyčistiť. Postup sa volá prekryštalizovanie (rekryštalizácia):
- Znečistenú látku rozpustíme v čo najmenšom množstve horúcej vody.
- Horúci roztok prefiltrujeme, nerozpustné nečistoty zostanú na filtri.
- Filtrát pomaly ochladíme. Hlavná látka vykryštalizuje a rozpustné nečistoty, ktorých je málo, zostanú v roztoku nad kryštálmi, v matečnom lúhu.
- Kryštály odsajeme na Büchnerovom lieviku, premyjeme trochou studenej vody a vysušíme.
Takto sa čistí napríklad dusičnan draselný so stopami chloridu sodného. Rozpustnosť KNO₃ klesne zo 110 g pri 60 °C na 31,6 g pri 20 °C (v 100 g vody), rozpustnosť NaCl sa takmer nezmení (37,1 g a 35,9 g). Pri ochladení preto vykryštalizuje takmer čistý KNO₃. Malé množstvo NaCl zostane rozpustené, lebo jeho roztok nie je nasýtený ani po ochladení.
Podobne sa správa morská voda v soľných panviach. Menej rozpustný uhličitan vápenatý a sadra sa vylučujú skôr, chlorid sodný až po odparení asi 90 % vody. Soli horčíka a draslíka, ktorých je oveľa menej, zostávajú v zvyšnom roztoku a soliari ho vypustia skôr, ako by znečistili soľ.
teória
Magnet a oddeľovací lievik
Magnet priťahuje železo a ostatné zložky nechá tak. Železné piliny preto zo zmesi so sírou alebo s pieskom vytiahneme magnetom. Magnet je dobré zabaliť do papiera alebo do fólie: keď obal stiahneme, piliny z neho ľahko odpadnú. Vo veľkom oddeľujú magnety železo na triediacich linkách, kde z odpadu vytiahnu oceľové plechovky a kúsky železa.
Oddeľovací lievik slúži na oddelenie dvoch kvapalín, ktoré sa nemiešajú, napríklad oleja a vody. Zmes nalejeme do lievika a necháme ho postáť, kým sa vytvoria dve vrstvy. Olej má menšiu hustotu ako voda (asi 0,92 g/cm³), preto je navrchu. Vyberieme zátku, otvoríme kohútik a spodnú vrstvu, vodu, vypustíme do kadičky. Keď rozhranie vrstiev dosiahne kohútik, zavrieme ho a olej vylejeme horným otvorom. Podobne v kuchyni tuk z vývaru vypláva na povrch a dá sa zobrať lyžicou.
Ktorá vrstva bude dolu, rozhoduje hustota, nie množstvo kvapaliny. S olejom tvorí spodnú vrstvu voda, s dichlórmetánom (hustota 1,33 g/cm³) je voda naopak navrchu. Ak to nevieme s istotou, stačí pridať kvapku vody a sledovať, ku ktorej vrstve sa pripojí. Oddeľovací lievik sa používa aj pri extrakcii, keď látku z roztoku vytrepeme do iného rozpúšťadla. Tú ukáže ďalšia lekcia.
teória
Keď jedna metóda nestačí
Zložitejšie zmesi rozdelíme tak, že spojíme niekoľko metód za sebou. Zmes piesku, soli a železných pilín rozdelíme v troch krokoch:
- Magnet: kým je zmes suchá, vytiahneme z nej železné piliny.
- Rozpustenie a filtrácia: zvyšok zamiešame do vody. Soľ sa rozpustí, piesok nie. Po filtrácii zostane piesok na filtri a slaný roztok steká do kadičky ako filtrát. Piesok na filtri premyjeme trochou vody a necháme vysušiť.
- Odparovanie: filtrát odparíme a v miske zostane soľ.
Na poradí záleží. Magnet použijeme, kým je zmes suchá: vo vlhkom piesku by sa piliny zbierali ťažšie a začali by hrdzavieť. Odparujeme až nakoniec, keď v roztoku už nie je piesok. Keby sme zmes odparili hneď, soľ by zostala zmiešaná s pieskom. Niekoľko metód za sebou spája aj úpravňa pitnej vody alebo čistiareň odpadových vôd.
vyskúšaj si
Vyber metódu
Pri každej zmesi vyber metódu, ktorou získaš požadovanú zložku. V poslednej úrovni rozdelíš zmes piesku, soli a železných pilín v troch krokoch.
rozšírenie Ako úpravňa čistí vodu z rieky
Na Slovensku pochádza viac ako 80 % pitnej vody z podzemných zdrojov, ktoré prirodzene prefiltrovali vrstvy hornín. Voda z riek a vodárenských nádrží je však zakalená, obsahuje jemné čiastočky ílu, organické látky a mikroorganizmy. V úpravni vody preto prechádza niekoľkými krokmi:
- Predčistenie: česle a sitá zachytia lístie, konáre a hrubé nečistoty, piesok sa usadí.
- Koagulácia a flokulácia: najjemnejšie čiastočky sa samy neusadia. Sú príliš malé a nesú záporný náboj, ktorým sa navzájom odpudzujú. Do vody sa preto pridá koagulant, najčastejšie síran hlinitý alebo soli železa, napríklad chlorid železitý. Kladné ióny kovu zrušia náboj čiastočiek. Síran hlinitý zároveň reaguje s hydrogenuhličitanom vápenatým, ktorý je v prírodnej vode rozpustený, a vzniká rosolovitý hydroxid hlinitý: Al₂(SO₄)₃ + 3 Ca(HCO₃)₂ → 2 Al(OH)₃ + 3 CaSO₄ + 6 CO₂. Pri pomalom miešaní sa z hydroxidu a nečistôt vytvoria veľké vločky.
- Usadzovanie: v usadzovacích nádržiach vločky klesnú na dno ako kal.
- Filtrácia: voda preteká pieskovými alebo viacvrstvovými filtrami, ktoré zachytia zvyšné vločky. Filtre sa pravidelne preplachujú spätným prúdom vody. Niekde nasleduje ešte aktívne uhlie, ktoré zachytí látky spôsobujúce pach a chuť.
- Dezinfekcia: chlór, chlórnan sodný, oxid chloričitý, ozón alebo ultrafialové žiarenie zničia choroboplodné mikroorganizmy. Malé množstvo chlóru zostáva vo vode a chráni ju aj cestou potrubím.
teória
Časté chyby
- „Filtráciou oddelím soľ od vody.“ Rozpustená soľ prejde filtračným papierom spolu s vodou a filtrát je stále slaný. Soľ získaš odparovaním, čistú vodu destiláciou.
- „Filtrát je to, čo zostane na filtri.“ Filtrát je kvapalina, ktorá filtrom pretečie. Na filtri zostáva nerozpustená tuhá látka, zvyšok na filtri.
- „Keď nalejem viac naraz, prefiltrujem to rýchlejšie.“ Hladina nesmie vystúpiť nad okraj filtračného papiera, inak zmes pretečie popri papieri a zakalí filtrát.
- „Odparovaním získam soľ aj vodu.“ Voda pri odparovaní unikne do vzduchu. Ak ju chceš zachytiť, treba destiláciu.
- „Magnet vytiahne zo zmesi každý kov.“ Magnet priťahuje železo, nikel a kobalt, ale nie hliník, meď ani zinok. Hliníkovú plechovku magnetom z odpadu nevytiahneš.
Čo je nasýtený roztok a prečo z neho pri ochladení rastú kryštály, vysvetľuje predchádzajúca lekcia Rozpustnosť a nasýtený roztok. V ďalšej lekcii Oddeľovanie zmesí: destilácia, sublimácia, chromatografia získaš zo slanej vody čistú vodu, oddelíš lieh od vody a rozložíš farbu fixky na farebné pásy.