Mieszaniny – rodzaje mieszanin i sposoby ich rozdzielania

Czy zastanawialiście się kiedyś jak powstają mieszaniny i jak można dokonywać ich rozdziału na składniki? W tym artykule przybliżymy Wam jakie są rodzaje mieszanin oraz zapoznamy z metodami ich rozdzielania.

Rodzaje mieszanin

Mieszaniny to układy złożone z dwóch lub więcej substancji, które zachowują swoje właściwości chemiczne. W zależności od jednorodności składu mieszaniny dzielimy na jednorodne (homogeniczne) i niejednorodne (heterogeniczne).

Mieszaniny jednorodne

Mieszaniny jednorodne mają jednolity skład i wygląd w całej objętości. Składniki są rozmieszczone równomiernie i nie można ich łatwo odróżnić. Przykłady mieszanin jednorodnych to:

• 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

Mieszaniny niejednorodne mają niejednolity skład. Składniki są rozmieszczone nierównomiernie i można je zazwyczaj łatwo odróżnić gołym okiem lub za pomocą prostych przyrządów optycznych. Przykłady to:

• zawiesiny: np. mąka w wodzie,
• emulsje: np. mleko (tłuszcz w wodzie),
• aerozole: np. dym (cząsteczki ciał stałych w gazie).

Metody rozdzielania mieszanin

Każda metoda rozdzielania mieszanin opiera się na różnicach we właściwościach fizycznych składników mieszaniny, takich jak stan skupienia, rozpuszczalność, temperatura wrzenia czy wielkość cząsteczek.

Metody rozdzielania mieszanin niejednorodnych

Mieszaninę niejednorodną można rozdzielić przez filtrację, sedymentację lub dekantację.

Sedymentacja i dekantacja

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.

Mieszaninę składającą się z dwóch faz ciekłych, której składniki różnią się gęstością i tworzą wyraźną granicę pomiędzy fazami (na przykład woda z olejem, można rozdzielić poprzez dekantację lub stosując urządzenie zwane rozdzielaczem (rysunek poniżej)). 

Filtracja

Filtracja polega na przepuszczaniu mieszaniny przez materiał porowaty (filtr), który zatrzymuje cząstki stałe o odpowiednich rozmiarach (większych niż pory filtra), a przepuszcza ciecz lub gaz. Przykład: oddzielanie fusów kawy od naparu, oddzielenie kryształów od roztworu.

Metody rozdzielania mieszanin jednorodnych

Mieszaniny jednorodne rozdzielić można przez: destylację, odparowanie rozpuszczalnika, krystalizację, ekstrakcję lub chromatografię.

Destylacja

Destylacja to proces polegający na odparowywaniu cieczy z mieszaniny składników pozostających w stanie ciekłym i następnie kondensacji pary. Wykorzystuje różnice
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.

Odparowanie

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.

Krystalizacja

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.

Chromatografia

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

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.

Zastosowanie technik 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.

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. 

Zadania w stylu maturalnym

Zadanie 1.

Do probówki zawierającej wiórki magnezowe dodano pewną ilość 0,1 molowego kwasu solnego. Wiórki magnezowe uległy roztworzeniu i powstał klarowny roztwór.
Zapisz równanie zachodzącej reakcji w sposób cząsteczkowy oraz zaproponuj metodę rozdzielenia powstałego produktu jonowego.

Równanie reakcji:

Sposób wyodrębnienia produktu:

Rozwiązanie:

Równanie reakcji:

Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂

Sposób wyodrębnienia produktu:

Odparowanie wody.

Zadanie 2.

Do roztworu soli glinu dodano nadmiar wodnego roztworu KOH. 

Rozstrzygnij i uzasadnij czy w wyniku reakcji otrzymano mieszaninę jednorodną. 

Rozstrzygniecie:

Odpowiedź:

Rozstrzygniecie: Tak, początkowo powstający wodorotlenek glinu ma charakter amfoteryczny więc roztworzy się w nadmiarze wodnego stężonego roztworu KOH, w wyniku reakcji otrzymanoby mieszaninę jednorodną. 

Zadanie 3.

W schemacie doświadczenia, zaznacz odczynniki tak, aby w wyniku przeprowadzenia opisanego doświadczenia, powstała mieszanina niejednorodna. Zaproponuj metodę rozdzielenia tej mieszaniny.

Metoda rozdzielenia:

Rozwiązanie:

Metoda rozdzielenia:

Sączenie, filtracja lub dekantacja.

Komentarz:

W wyniku reakcji wytraci się czarny osad siarczku miedzi(II), a wcześniej obserwowany niebieski kolor roztworu zaniknie.