Обзор известных физических методов разделения смесей веществ, используемых в химии и химической технологии

Агрегатное сос-тояние составных частей смеси	Физическое свойс-тво, используемое для разделения	Метод разделения
Твердое – твердое	Плотность	Отстаивание, седиментация
	Смачиваемость	Флотация, пенная флотация
	Размер частиц	Просеивание
	Растворимость	Экстракция, выщелачивание
	Магнетизм	Магнитная сепарация
Твердое – жидкое	Плотность	Седиментация, декантация (сливание жидкости с осадка), центрифугирование
	Температура кипения жидкости	Выпаривание, дистилляция, осушка
	Размер частиц	Фильтрование
	Растворимость твердого вещества	Кристаллизация
Твердое – газообразное	Плотность	Седиментация, центробежная сепарация
	Размер частиц	Фильтрование
	Электрический заряд	Электрофильтрование
Жидкое – жидкое	Плотность	Отстаивание (в делительной воронке, в маслоотделителе), центрифугирование
	Температура кипения	Дистилляция
	Растворимость	Экстракция
	Плотность	Седиментация, центробежная сепарация
Жидкое – газообразное	Растворимость газа	Отгонка газа (путем повышения температуры), промывание с помощью другой жидкости
Газообразное – газообразное	Температура конденсации	Конденсация
	Абсорбируемость	Абсорбция (поглощение объемом сорбента)
	Адсорбируемость	Адсорбция (поглощение поверхностью сорбента)
	Размер частиц	Диффузия
	Масса	Центрифугирование

 

 

Раздел 5. Химия и производство

10.   Проектная задача «Полимеры»

Кейс

В 1934 году в лабораториях корпорации DuPont ученые пытались создать искусственный шелк. Несколько месяцев напряженной работы не принесли результатов: полимер, который получали после экспериментов, не могли перевести из жидкого состояния в твердое.

Руководитель проекта уже был готов прекратить поиски. После тщетных усилий исследователи переключились на тестирование других веществ.

Как-то раз молодой работник лаборатории взял стеклянную палочку и вытянул из капли клейкого вещества длинную нить. Это занятие так захватило команду исследователей, что однажды во время отсутствия руководителя группы они устроили соревнование – кто вытянет самую длинную нить. И когда соревнующиеся уже заплели нитями весь коридор, их осенила мысль, что вот он, способ переведения вещества из жидкого сос-тояния в твердое. Нити оказались достаточно крепкими, чтобы их можно было ткать. А первую полностью синтетическую ткань назвали нейлон.

Вывод: игривое развлечение привело к открытию первой синтетической ткани, которое, в свою очередь, перевернуло жизнь человека. В науке, как мы видим, есть место для несерьезности и легкой безответственности, ведь в правильном соотношении со знаниями и упорством они могут сотворить чудеса.

Задания:

1. Изучите теоретический вопрос по данной теме.

2. В ходе выполнения практической работы получите нити медно –аммиачного шелка.

3. Предположите, какие синтетические волокна (нити) вы могли бы получить в химической лаборатории?

 

Информационный материал

Если вы встретите человека, на котором каучуковый плащ, каучуковые брюки, каучуковая шляпа и каучуковые туфли – то это Чарльз Гудьир. Так говорили современники про одного весьма экстравагантного человека. Чарльз Гудьир не был ученым, он был изобретателем. И в один прекрасный момент он решил заняться каучуком. Каучук – это застывший сок южноамериканского растения гевея. Если пропитать соком гевеи ткань и высушить, то вода не будет через нее проходить. Из такой ткани можно сшить водонепроницаемый плащ. Только носить его будет очень неудобно. При малейшем морозе каучук затвердевает и такой плащ станет хрупким и будет ломаться. А в жару каучук расплавится и буквально стечет с модной обновки, заодно испачкав владельца. Гудьир решил улучшить каучук и стал смешивать его с разными наполнителями. Оказалось, что если добавить к нему сажу, то получившийся материал уже можно использовать. Для одежды он все же подходил не очень хорошо, такую одежду носил только сам изобретатель, за что его и прозвали каучуковым человеком. А вот для крыш был в самый раз. Смесь каучука и сажи наносили на картон и получались легкие и совершенно водонепроницаемые листы, которые к тому же еще и склеивались сами друг с другом на крыше. Такую крышу было сделать гораздо проще, чем металлическую или черепичную. Люди не могли нарадоваться на новые крыши, пока не наступило одно очень жаркое лето. И весь каучук стек с крыш на стены. Представьте себе, что крыша вашего дома не только испортилась сама, оставив лишь бесполезную бумагу, но еще и так испачкала стены дома, что отмыть их уже невозможно. Вряд ли вы будете довольны человеком, который такую крышу придумал и продал вам.

В общем Чарльз Гудьир остался ни с чем и понял, что надо более серьезно изучить проблему. На все деньги он закупал каучук и пытался улучшить его так, чтобы он сохранил эластичность, но стал более прочным и не боялся жары и холода. Чего он только не делал, говорят, что он даже варил его в гороховом супе. Но ничего не получалось. Но однажды он по пути домой уронил каучуковые пластины в грязь. Надо сказать, что каучук тогда продавали в виде квадратных пластин, пересыпанных серой, чтобы они не слипались друг с другом. Так вот, Гудьир помыл свои каучуковые пластины и положил их сушиться на каминную полку. И тут домой пришла его жена, которой, надо думать, уже до смерти надоели эксперименты мужа – тот самый вышеупомянутый суп вряд ли стал вкуснее от таких кулинарных экспериментов. И она, недолго думая, выкинула каучук в камин. Надо сказать, что горит каучук очень неприятно, с густым черным дымом. Поэтому Чарльзу пришлось срочно вытаскивать остатки своих рабочих материалов и выкидывать на улицу. Тут то и оказалось, что из каучука получился новый и очень интересный материал, упругий, легко переносящий и жару и холод – резина. Гудьир понял, что ему улыбнулась удача – если нагревать каучук с серой, то получается именно такой материал, который был нужен. Причем степень эластичности зависит от того, сколько серы добавить. Добавим немного – получится упругая резина, добавим много – твердый эбонит. Эбонит легко обрабатывался и из него стали делать самые разные вещи – от шахматных фигур до пуговиц. А вот резина пригодилась не только для резиновых сапог и плащей. Из нее стали делать шины для первых автомобилей. Сначала целиком из резины, а потом придумали сделать из нее трубку и надуть воздухом. Такие шины оказались гораздо лучше и мягче цельнорезиновых. Посмотрите на автомобильные шины, скорее всего вы увидите на них надпись Goodyear. Это не пожелание хорошего года. Фирма, которая одной из первых стала выпускать шины для автомобилей, названа именем изобретателя резины, Чарльза Гудьира.

Мы с вами, в отличие от Чарльза Гудьира, попробуем разобраться, что же он такое придумал. Каучук с точки зрения химика – полимер, он состоит из очень длинных молекул, сделанных из повторяющихся кусочков. Чтобы вещество было эластично, молекулы должны легко растягиваться и сжиматься, и у каучука они действительно похожи на маленькие пружинки. Только растягиваются они слишком легко и поэтому каучук непрочен и сделать из него ничего не получится. Значит надо эти пружинки укрепить, связать между собой. И сера при нагревании образует мостики между молекулами-пружинками и они уже не так сильно растягиваются. И получается резина. А если мостиков очень много (мы добавили много серы), то образуется прочная сетка, и пружинки вовсе перестают растягиваться и получается твердый эбонит.

Если мы сегодня посмотрим вокруг, то обнаружим множество самых разных полимеров. Полиэтиленовый пакет, одноразовая посуда, пластиковые бутылки, синтетические ткани, корпуса телефонов и телевизоров, компьютерные мыши – все они сделаны из разных полимеров. Ученые придумали, как делать полимеры с самыми разными полезными свойствами – прочные, выдерживающие высокие температуры, упругие. Антипригарное покрытие на сковороде – это тоже специальный полимер – он очень скользкий и вода его не смачивает, поэтому к нему ничего не прилипает. Иногда даже говорят, по аналогии с каменным и бронзовым веком, что сейчас наступил век полимеров. На самом деле это не совсем верно, человек всегда пользовался полимерами, даже еще тогда, когда слова такого не было. Полимеры бывают трех типов – такие, которые полностью придумал человек, природные и такие, которые человек сделал из природных. Без природных полимеров человек не смог бы ничего сделать. Все натуральные ткани – хлопок, лен, шелк, шерсть – это именно полимеры, они состоят из длинных молекул и поэтому образуют длинные и прочные нити. Дерево – это тоже полимер, причем молекулы, его составляющие, очень похожи на молекулы хлопковых нитей. Получается, что из дерева можно сделать ткань? Это же здорово – дерева много, берем опилки и… Не все так просто. Когда ученые стали решать эту задачу, то они уже умели делать тонкие нити – это не слишком сложно. Надо только подобрать такие условия, чтобы то вещество, из которого мы хотим сделать нить, стало жидким. Например, нагреть, чтобы оно расплавилось. Или растворить. Потом жидкость можно пропустить через тонкое отверстие, и охладить, чтобы она застыла. Или нагреть, чтобы растворитель улетел. И мы получим нить. Но если мы будем нагревать дерево – оно обуглится или загорится, но жидким оно не станет. И растворить его вроде бы не в чем? Значит надо его изменить, модифицировать так, чтобы получилось новое вещество, которое будет или плавиться, или растворяться. Химики стали искать решение, и обнаружили, что если дерево, бумагу и хлопковые ткани обработать азотной кислотой, то получится вещество - нитроцеллюлоза, которое можно растворить и получить из него нить, или прозрачную пленку. Из нитей стали ткать ткани, красивые и блестящие, очень похожие на шелк. А из пленки – делать киноленту. Только у этих материалов быстро обнаружился один серьезный недостаток – достаточно было поднести к платью спичку и оно моментально сгорало. Это неудивительно, ведь это вещество называлось еще бездымным порохом. Сейчас нитроцеллюлозу уже не используют для того, чтобы делать ткани. Вскоре химики придумали, в чем можно растворить дерево и как можно переработать опилки, старую бумагу и много всего другого в новые и красивые ткани. Если смешать раствор аммиака и медный купорос, то в полученном густо-синем растворе можно растворить опилки, бумагу и любые хлопковые обрезки. А когда мы продавим получившийся раствор через тонкую дырочку в воду, то получится прочная нить. Ткань из таких нитей за свой блеск стали называть шелком, а за способ получения – медно-аммиачным шелком. Эта ткань уже не вспыхивала с такой легкостью.