Filtracja, Sączenie i Sedymentacja: Różnice i Zastosowania
- Szczegóły
W przyrodzie niezwykle trudno jest znaleźć pożądane substancje w stanie czystym, niewymagające dodatkowego oczyszczenia przed zastosowaniem. Najczęściej występują w przeróżnych typach mieszanin. Nazywa się nią układ dwóch lub więcej pierwiastków lub związków chemicznych, które są zmieszane ze sobą w dowolnym stosunku.
W zależności od jednorodności składu mieszaniny dzielimy na jednorodne (homogeniczne) i niejednorodne (heterogeniczne).
Mieszaniny Jednorodne i Niejednorodne
Mieszaniny można podzielić na:
- jednofazowe (jednorodne, homogeniczne), czyli takie których składniki stanowią jedną fazę i których nie można rozróżnić gołym okiem ani za pomocą prostych przyrządów opycznych (np. lupy). Do mieszanin jednorodnych zaliczamy np.
- wielofazowe (heterogeniczne, niejednorodne), czyli takie układy, których składniki stanowią odrębne fazy, które można rozróżnić gołym okiem lub za pomocą prostych przyrządów optycznych (np. lupy).
Przykłady Mieszanin
- Mieszaniny jednorodne:
- roztwory właściwe różnych substancji w rozpuszczalniku: np. sól rozpuszczona w wodzie,
- stopy metali: np. stal, która jest mieszaniną żelaza i węgla,
- mieszaniny gazów, np. powietrze: mieszanina tlenu, azotu, dwutlenku węgla, pary wodnej i innych gazów.
- Mieszaniny niejednorodne:
- zawiesiny: np. mąka w wodzie,
- emulsje: np. mleko (tłuszcz w wodzie),
- aerozole: np. dym (cząsteczki ciał stałych w gazie).
Aby ustalić skład próbki mieszaniny, należy rozdzielić ją na składniki i dokonać identyfikacji zawartych w niej substancji. Metody służące do rozdzielania substancji opierają się na różnicach we właściwościach fizykochemicznych.
Metody Rozdzielania Mieszanin Niejednorodnych
W celu rozdzielenia mieszanin niejednorodnych wykorzystuje się różnice właściwości składników tworzących tą mieszaninę. Do takich różnic należą:
Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej
- Wygląd
- Właściwości magnetyczne
- Rozpuszczalność
Można dokonać rozdziału mechanicznego lub ręcznego np. rozdział ziaren grochu od piasku przy użyciu sita. Przy zastosowaniu magnesu można oddzielić np. żelazo od soli. Stosując różnice wynikające z rozpuszczalności substancji można np. z mieszaniny chlorku soli, siarki i wody oddzielić wszystkie składniki.
Do sposobów rozdziału mieszanin niejednorodnych zaliczamy:
Sączenie (filtracja)
W metodzie sączenia wykorzystywane są różnice w stanie skupienia składników. Cała mieszanina przenoszona jest na sączek z bibuły lub sączek ze szklanym porowatym dnem. Ciało stałe zostaje na sączku, a ciecz tworzy klarowny przesącz. Jako przykład z życia codziennego można podać filtry do kawy.
Dekantacja
Rozdzielenie ciała stałego od cieczy, przez powolne zlewanie cieczy znad ciała stałego w taki sposób, aby osad pozostał na dnie. Tym sposobem można rozdzielić substancje różniące się stanem skupienia i gęstością. W życiu codziennym ta metoda jest często wykorzystywana w kuchni podczas gotowania makaronu czy ziemniaków, po ugotowaniu zlewa się wodę.
Sedymentacja
Sedymentacja to proces opadania cząstek stałych na dno cieczy pod wpływem siły ciężkości. Po opadnięciu cząstek ciecz można ostrożnie zlać (dekantacja) znad osadu. Przykład: oddzielanie piasku od wody.
Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów
Sublimacja i resublimacja
Rozdzielanie substancji stałych, które podczas ogrzewania przechodzą w stan gazowy. Po osiągnięciu stanu gazowego substancja resublimuje, tworząc kryształy na ochłodzonej powierzchni. Można rozdzielić substancje różniące się zdolnością do sublimacji.
Elektroforeza
Metodę można zastosować dla substancji, których cząsteczki posiadają zdolność do przemieszczania się pod wpływem napięcia elektrycznego.
Flotacja
Mieszanina zostaje wprowadzona do wody i napowietrzona, wykorzystywana jest w tej metodzie zdolność do hydratacji. Substancje które jej ulegają tworzą zawiesinę w wodzie, a składnik słabo zwilżalny unosi się z pianą na powierzchni. Metoda zastosowana np.
Przesiewanie
Za pomocą sita o ustalonej wielkości oczek można dokonać rozdziału składników o różnym stopniu rozdrobnienia. Metoda ta stosowana jest na przykład przy produkcji materiałów budowlanych.
Metody Rozdzielania Mieszanin Jednorodnych
Sposoby rozdziału mieszanin jednorodnych:
Przeczytaj także: Optymalne rozcieńczenie bimbru
Odparowanie
Jest to metoda rozdziału roztworu właściwego, w którym rozpuszczone ciało stałe posiada wysoką temperaturę wrzenia. W wyniku takiego rozdziału możliwe jest również oddzielenie składników wodnego roztworu chlorku soli.
Odparowanie to proces polegający na ogrzewaniu mieszaniny składającej się z rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonej, w trakcie ogrzewania rozpuszczalnik ulega odparowaniu. Również w tym przypadku w zlewce z roztworem umieszcza się kamyczki wrzenne lub bagietkę w celu uniknięcia przegrzania cieczy. Przykład: otrzymywanie soli kuchennej z wody morskiej, produkcja powideł.
Destylacja
Jednak metoda ta słynie z rozdziału mieszanin ciekłych, jak np. Destylacja to proces polegający na odparowywaniu cieczy z mieszaniny składników pozostających w stanie ciekłym i następnie kondensacji pary. Wykorzystuje różnicę w temperaturach wrzenia składników. Przykład: destylacja wody z roztworu soli, destylacja ropy naftowej.
Poniżej przedstawiono uproszczony schemat jak wygląda układ destylacyjny. W kolbie okrągłodennej z mieszaniną substancji umieszcza się kamyczki wrzenne, które zapobiegają przegrzaniu się substancji. Układ taki ogrzewa się do momentu aż osiągniemy temperaturę wrzenia jednego ze składników mieszaniny, następnie w chłodnicy (która podłączona jest do obiegu zimnej wody) następuje kondensacja pary, a rozdzielony składnik skrapla się w odbieralniku cieczy.
Rektyfikacja
Jest to odmiana destylacji, pozwalająca na rozdział składników o bardzo niewielkich różnicach w temperaturach wrzenia. Rozdział ten jest możliwy dzięki specjalnym kolumnom rektyfikacyjnym, których wnętrze wypełniają przestrzenie, a w nich wielokrotnie skraplane i odparowywane są składniki mieszaniny.
Wymiana jonowa
Jest to metoda, która polega na wymianie ruchliwych jonów, obecnych w roztworze, na inne jony o tym samym znaku, znajdujące się na jonicie. Jonity to polimery (żywice jonowymienne), które na swojej powierzchni posiadają jony H+ (kationity) lub OH- (anionity). Przykładem zastosowania tej metody jest otrzymywanie wody demineralizowanej, poprzez przepuszczenie zasolonej wody (przez NaCl) przez warstwę jonitu, co powoduje wiązanie kationów sodowych oraz anionów chlorkowych przez żywicę.
Krystalizacja
Jest to proces polegający na wydzielaniu się fazy krystalicznej rozpuszczonej substancji stałej z roztworu. Możliwa jest na skutek zatężenia roztworu, oziębienia roztworu lub po jego wysoleniu (w wyniku dodania innej substancji zmniejszającej rozpuszczalność substancji, którą chcemy oddzielić). Przykładem tego procesu jest krystalizacja soli z roztworu solanki.
Krystalizacja to proces tworzenia kryształów z roztworu. Gdyby w danej ilości rozpuszczalnika znajdowało się więcej substancji rozpuszczonej aniżeli wynika to z rozpuszczalności, dla danych warunków ciśnienia i temperatury, to w większości przypadków substancja rozpuszczona uległaby wytrąceniu w takiej ilości, aby roztwór pozostał nasycony Przykład: otrzymywanie soli z wody morskiej.
Początkowy etap tworzenia się nowej fazy z roztworu nasyconego nazywamy zarodkowaniem. Proces zarodkowania może być zapoczątkowany przez obecność cząstek pyłu i innych substancji (tak zwane zarodki krystalizacji) czy też bodziec mechaniczny. Następnie następuje propagacja krystalizacji oraz powstawanie mikrostruktur krystalicznych, prowadzące do powstania pojedynczych kryształów, które łączą się tworząc większe struktury.
Adsorpcja
Jest to metoda polegająca na wykorzystaniu podłoża do przyczepienia do swojej powierzchni składników mieszaniny. Substancje, mające zdolności do adsorpcji składników na swojej powierzchni, nazywa się adsorbentami. Typowym adsorbentem stosowanym w laboratoriach, jak i na skalę przemysłową, jest węgiel aktywny.
Chromatografia
Jest to metoda służąca do rozdziału mieszanin poprzez wykorzystanie różnic w szybkości przemieszczania się składników mieszaniny względem podłoża (np. bibuły, silikażel lub tlenek glinu na szklanej płytce, silikażel w szklanej kolumnie chromatograficznej) po zastosowaniu odpowiednio dobranego eluentu.
Chromatografia to metoda rozdzielania składników mieszaniny ciekłej lub stałej, na podstawie ich różnej zdolności do przemieszczania się w fazie stacjonarnej i ruchomej. Rozdział substancji następuje w wyniku przepuszczenia roztworu badanej mieszaniny przez specjalnie przygotowaną fazę rozdzielczą (złoże), zwaną fazą stacjonarną. Fazą rozdzielczą są substancje wykazujące zdolności sorpcyjne lub zdolne do innych oddziaływań na substancje przepływające. Podczas przepływu eluentu (fazy ruchomej, rozpuszczalnika) przez fazę rozdzielczą następuje proces wymywania zaadsorbowanych (lub związanych) substancji. Szybkość tego procesu jest różna dla poszczególnych składników mieszaniny, w zależności od tego jak dany składnik oddziałuje z użytym złożem. Jeżeli powinowactwo do fazy stacjonarnej danego składnika mieszaniny jest silne, zostanie on „wymyty” przez eluent później. Jedne składniki są więc zatrzymywane w fazie stacjonarnej dłużej, a inne krócej, dzięki czemu może następować ich separacja. Przykład: rozdzielanie barwników w tuszu.
Podstawowy podział chromatografii zależy od fazy ruchomej, która przemieszcza się podczas tego procesu razem z substancjami oznaczanymi po nieruchomej fazie stacjonarnej. Wyróżnia się chromatografię gazową, w której fazą ruchomą jest gaz; chromatografię cieczową, gdy fazą ruchomą jest ciecz oraz chromatografię nadkrytyczną, gdzie fazą ruchomą jest substancja w stanie nadkrytycznym, czyli takim, w którym dana substancja wykazuje właściwości pośrednie między gazem a cieczą.
W zależności od użytej fazy stacjonarnej wyróżnia się kilka rodzajów chromatografii, między innymi:
- chromatografie cienkowarstwowa TLC (ang. thin layer chromatography) - w której fazę rozdzielczą stanowi cienka warstwa fazy stałej naniesiona na sztywną płytkę. Na tak spreparowaną płytkę nanosi się próbkę roztworu, po czym na skutek działania sił kapilarnych następuje rozdział mieszaniny;
- chromatografia bibułowa - w której fazę rozdzielczą stanowi pasek lub arkusz bibuły filtracyjnej lub specjalnego typu bibuły chromatograficznej;
- chromatografia kolumnowa - w której faza rozdzielcza jest umieszczona w specjalnej kolumnie wypełnionej złożem (na przykład krzemionką), na którą nakłada się stężony roztwór mieszaniny i przez którą przepuszcza eluent (na przykład mieszanina rozpuszczalników organicznych).
Ekstrakcja
Jest to metoda polegająca na wyodrębnianiu jednego lub więcej składników mieszaniny poprzez zastosowanie dyfuzji tego składnika do cieczy lepiej go rozpuszczającej.
Ekstrakcja to proces polegający na wymywaniu rozpuszczalnikiem pożądanych składników z mieszaniny stałej lub ciekłej oraz następującym potem odparowaniu rozpuszczalnika. Przykład: oddzielanie kofeiny z ziaren kawy przy użyciu rozpuszczalnika, parzenie herbaty.
Techniki Rozdzielania w Życiu Codziennym
Techniki rozdzielania mieszanin mają szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach życia:
- Przemysł spożywczy: Oczyszczanie soków, produkcja cukru.
- Medycyna: Oczyszczanie leków, badania laboratoryjne.
- Ochrona środowiska: Oczyszczanie wody, powietrza, gleby, recykling materiałów.
Podsumowanie
Poznanie rodzajów mieszanin i metod ich rozdzielania to kluczowy element w nauce chemii. Rozumienie tych procesów umożliwia lepsze wykorzystanie zasobów, rozwój technologii oraz ochronę środowiska.
tags: #filtracja #sączenie #sedymentacja #różnice #wikipedia
