Směsi
Hlavní záložky
1. Obecná charakteristika směsí
Směsí vznikají smísením dvou nebo více látek (složek), které lze od sebe separačními postupy oddělit (viz dále). Mezi jednotlivými složkami nedochází ke vzniku chemických vazeb, a tak si složky směsi zachovávají své původní vlastnosti.
Podle velikosti částic můžeme směsi dělit na homogenní (< 10-9 m), koloidní (10-9 - 10-7 m) a heterogenní (> 10-7 m).
Obr.: Rozdělení směsí dle velikosti částic složek
Jednotlivé složky homogenních (neboli stejnorodých) směsí nelze pouhým okem rozeznat. Můžeme je rozdělit na roztoky (např. sůl rozpuštěná ve vodě) a slitiny (např. bronz). Podle množství rozpuštěné látky v roztoku hovoříme o nenasyceném, nasyceném či přesyceném roztoku. V nenasyceném roztoku dochází k rozpouštění rozpouštěné látky. V nasyceném roztoku je rozpuštěno právě tolik látky, kolik plyne z chemické rovnováhy rozpouštěná látka-rozpouštědlo pro dané podmínky (teplota, tlak). V přesyceném roztoku se rozpouštěná látka dále nerozpouští (pro dané podmínky), dochází k vytvoření pevné fáze v roztoku a vzniká heterogenní směs (viz dále). Následující tabulka obsahuje přehled nejdůležitějších slitin a jejich složení:
Tab.: Názvy slitin a jejich složení
| Název slitiny | Složení slitiny |
| Bronz | Cu, Sn |
| Mosaz | Cu, Zn |
| Konstantan | Cu, Ni, Mn |
| Alpaka | Cu, Ni, Zn |
| Magnalium | Mg, Al |
| Dural | Mg, Al, Cu, Mn |
| Pájky | Sn, Pb |
| Liteřina | Sn, Pb, Sb |
Jestliže jsou velikosti částic složek v rozmezí 10-7 až 10-9 metru, jedná se o koloidy. V tomto případě můžeme okem identifikovat, že směs je tvořena více složkami, nicméně nejsme schopni určit jejich přesnou lokaci. Příkladem koloidních směsí je krev, mléko či bílek smísený s vodou.
Jednotlivé složky můžeme rozpoznat v heterogenních (různorodých) směsích. Podle skupenského stavu složek můžeme tyto směsi dále dělit na:
- Suspenzi: pevná látka usazená v kapalině (písek ve vodě)
- Emulzi: směs dvou vzájemně se nemísitelných kapalin rozdílné hustoty (olej na hladině vody)
- Pěnu: částice plynu rozptýlené v kapalině (našlehaný bílek)
- Aerosol: v plynu jsou rozptýlené buď pevné (dým) nebo kapalné částice (mlha)
Složky můžeme ze směsi získat využitím různých fyzikálně-chemických postupů.
Pro oddělení kapalných složek ze směsi na základě jejich rozdílné teploty varu se využívá destilace. Kapalina při zahřívání přechází v plynné skupenství, opouští varnou baňku. Páry se chladí buď vzduchem (vzdušný chladič), či cirkulující vodou (vodní chladič) a zkondenzované vystupují z chladiče. Zkondenzovaná kapalina, destilát, je bohatší na těkavější složku. Chemicky čistá látka vře při konstantní teplotě - teplotě varu. Bod varu je závislý na tlaku (společně s ním stoupá, a tak může voda za zvýšeného tlaku vřít například při 300 °C). Pro měření teploty ve varné baňce se použije teploměr, jehož spodní část je umístěna o něco níže, než je odvod napojený na chladič. Varná baňka se plní kapalinou maximálně z 3/4 objemu a umisťují se do ní varné kamínky, které zabraňují utajenému varu (zrakem nepozorované vření kapaliny).
Obr.: Destilační aparatura
"Do poloviny objemu varné baňky nalijeme 10 % roztok síranu měďnatého a vhodíme do něj i několik varných kamínků. Baňku uzavřeme destilačním nástavcem, do kterého je vsazen teploměr, a napojíme na vodní chladič. Zahájíme destilaci a pozorujeme kontrastní změny v destilační baňce. Rovněž si povšimneme zbarvení destilátu."
3.1.1 Destilace za sníženého tlaku
Některé látky mají svůj bod varu za běžného tlaku vyšší, než je teplota, při které se destilovaná látka rozkládá za vzniku jiných produktů. Proto je třeba snížit tlak při destilaci, čímž poklesne i bod varu dané látky. Destilační aparatura bývá napojena na vodní či olejovitou vývěvu přes pojistnou láhev.
Pro destilaci směsi nemísitelných kapalin se používá destilace vodní parou. Ta sloučenina, která se méně mísí s vodou, přechází společně s vodní párou do destilátu. Při tomto typu destilace se nesmí zaplnit varná baňka destilovanou směsí více jak z poloviny objemu baňky.
Pro oddělení složek suspenze, heterogenní směsi pevné a kapalné látky, se používá filtrace. Filtrovaná směs se nalévá pomocí tyčinky do nálevky s filtračním papírem. Částice pevné látky se zachytí na filtračním papíře, zatímco kapalina proteče skrz něj. Přefiltrovaná kapalina se nazývá filtrát, pevná látka na filtračním papíře se nazývá filtrační koláč. Pro rychlejší provedení filtrace se používá filtrace za sníženého tlaku - podtlak (vyvolaný vodní vývěvou) vzniklý v odsávací baňce způsobuje rychlejší nasávání filtrátu do ní.
Obr.: Filtrační aparatura
"V kádince slijeme po 20 ml roztoků dusičnanu olovnatého (w = 10 %) a jodidu draselného (w = 10 %). Vzniklou suspenzi (směs pevné látky nerozpuštěné v kapalné složce) následně přefiltrujeme. Pozorujeme zbarvení pevné látky usazené na filtrační papíře (filtračního koláče) a kapaliny v kádince (filtrátu) a porovnáme ho se zbarvením přefiltrované suspenze."
Mnohé směsi jsou tvořeny složkami, z nichž některé se rozpouští v daném rozpouštědle, zatímco ostatní ne. Takto můžeme například oddělit směs soli a písku přilitím vody (sůl se v ní rozpustí, písek nikoliv). Extrahovat lze látky pevné i kapalné.
"Připravíme si list červeného zelí a nastříháme ho na čtverečky o rozměru přibližně 1 x 1 cm. Nastříhané kousky nasypeme do krystalizační misky a naplníme ji do třetiny jejího objemu vodou. Krystalizační misku postavíme na keramickou síťku ležící na trojnožce a začneme ji zespodu zahřívat. Směs necháme 5 minut vřít, poté vzniklý roztok rozdělíme na 2 části. Do jedné části roztoku přilijeme ocet, do druhé přisypeme jedlou sodu. Vyvařením došlo k extrakci antokyanů (rostlinných barviv) z vakuol rostlinných buněk červeného zelí. Antokyany mění své zbarvení v závislosti na charakteru prostředí."
Pro čištění pevných látek se využívá krystalizace. Sloučenina se obvykle rozpustí v rozpouštědle (např. vodě) při vyšší teplotě (pokud není rozpouštědlem voda, provádí se zahřívání směsi v baňce se zpětným chladičem) a roztok se přefiltruje. Filtrát se poté nechá zchladnout a vyloučené krystaly se odsají.
"Do 3/4 objemu krystalizační misky nalijeme vodu a začneme do ní přisypávat pentahydrát síranu měďnatého CuSO4 · 5 H2O, dokud se bude ve vodě rozpouštět (vytvoříme nasycený roztok). Misku s jejím obsahem necháme několik dní volně stát, dokud se z roztoku neuvolní krystaly modré skalice (voda se samovolně odpaří)."
Některé sloučeniny (např. jod, chlorid amonný, naftalen) při zahřívání za běžného tlaku sublimují, tedy přecházejí ze skupenství pevného přímo do skupenství plynného. Ochlazením vzniklých par dochází zpětně k přechodu látky do pevného skupenství (desublimaci). Této vlastnosti se často využívá při čištění těchto látek.
"Do kádinky nasypeme 2 g jodu a kádinku postavíme na keramickou síťku ležící na trojnožce. Na hrdlo kádinky postavíme varnou baňku naplněnou studenou vodou. Zapálíme kahan a kádinku začneme zespodu zahřívat. Pozorujeme vznik fialových par. Po chvíli odejmeme varnou baňku z kádinky a všimneme si krystalků jodu na jejím dnu. Poté baňku vrátíme do ústí kádinky a zahřívání ukončíme."
Chromatografie je soubor separačních metod založených na dělení směsi mezi dvě rozdílné fáze. Jedna fáze je stacionární a druhá fáze je mobilní. Mobilní fáze protéká chromatografickou kolonou a prochází tak stacionární fází, která je v koloně fixována. Chromatografii je možné realizovat v řadě uspořádání, a tak dělit rozdílné směsi.
Papírová chromatografie je nejjednodušším provedením chromatografie. Místo kolony se používá chromatografický papír (není zde přítomna stacionární fáze), kterým postupně vzlíná mobilní fáze. Chromatografie se provádí tak, že tužkou nakreslíme startovní čáru přibližně centimetr od konce papíru. Na čáru naneseme vzorek k dělení a půl centimetru vedle naneseme vzorek standardu (obsahuje směs známých látek, které chceme v neznámé směsi prokázat). Papír pak přeneseme do chromatografické nádobky, do které jsme nalili roztok mobilní fáze. Necháme mobilní fázi vzlínat tak dlouho, než čelo (nejvýše zvlhčené místo papíru) dorazí asi jeden centimetr od horního okraje. Po skončení změříme vzdálenosti jednotlivých skvrn a čela mobilní fáze od startu. Pro každou skvrnu spočítáme tzv. retardační faktor Rf jako podíl vzdálenosti skvrny a vzdálenosti čela. Látky, které nejsou v mobilní fázi rozpustné, mají Rf=0, látky které jsou částečně rozpustné, mají Rf mezi 0-1, látky které jsou dokonale rozpustné s mobilní fází, mají Rf = 1.
"Ve zkumavce smícháme 1 ml síranu měďnatého CuSO4 (w = 10 %) a 1 ml síranu železnatého FeSO4 (w = 10 %). Připravíme si proužek filtračního papíru o rozměru, aby se svoji šířkou vešel do kádinky a výškou ji o 2 cm přečníval. Papír v jeho výšce 2 cm přehneme a připevníme ho pomocí kancelářské sponky ke špejli. Na druhou stranu filtračního papíru uděláme obyčejnou tužkou 1 cm od kraje čáru a do jejího středu naneseme pomocí skleněné tyčinky kapku připravené směsi ze zkumavky. Do kádinky nalijeme aceton tak, aby v něm byl ponořen začátek filtračního papíru, ale nesplýval s naneseným vzorkem. Pozorujeme, jak filtrační papír postupně nasakuje acetonem a obě složky směsi se od sebe oddělují."
