مخلوط وجداسازی مواد

     مخلوط به معنی آمیخته شدن دو ماده...      

 
                                                                                                      

مخلوط

معلق ماندن آرد در آب، مخلوط ناهمگن

مخلوط به معنی آمیخته شدن دو ماده یا همان شوریده می باشد.^[۱] در شیمی، مخلوط کردن دو یا چند ماده مختلف که با یکدیگر ترکیب می شوند را مخلوط می گویند، اما نه آنگونه که ترکیب شیمیایی بوجود آمده باشد.مخلوط اشاره ای است به ترکیب فیزیکی دو یا چند ماده که هویتشان (هرچند به سختی قابل تشخیص می باشد) باقی‌مانده است.

مخلوط، محصول ترکیبات فیزیکی و یا ترکیب مواد شیمیایی است به گونه ای که بعد از مرحله ترکیب عناصر، ترکیبات شیمیایی یا فیزیکی به تغییرات شیمیایی دیگر تبدبل نمی‌شوند و خواص اولیه خود را حفظ می کنند.^[۲] به رغم تغییر نکردن خاصیت شیمیایی این ساختار، ممکن است از لحاظ فیزیکی تغییر کند، از جمله این تغییرات می توان تغییر خاصیت نقطه ذوب مواد را نام برد.

مخلوط را می توان به دو گونه همگن یا ناهمگن نام گذاری کرد.در مخلوط همگن، تمامی مواد به صورت یکسان با یکدیگر ترکیب می شوند و مخلوطی یکدست و غیر قابل تشخیص (به صورت چشمی) به دست می آید. اما در مخلوط ناهمگن نوع مواد و ترکیباتی که در آن استفاده شده است را به راحتی می توان مشخص کرد و در آن، مواد به صورت کامل با یکدیگر مخلوط نشده اند.

عناصر و موادی که باعث ایجاد مخلوط همگن می شوند عبارتند از: مخلوط اکسیژن و نیتروژن، شکر، نمک، و بسیاری از مواد حل شونده در آب، مخلوطی همگن هستند به گونه ای که مواد به صورت یکدست در آن حل می شوند.

مخلوط ها

مخلوط ها با مخلوط کردن فیزیکی (و نه شیمیایی) مواد با هم به وجود می آیند. مواد موجود در مخلوط می توانند به هر نسبتی باشند. خواص مواد در مخلوط تغییر نمی کند. اجزای مخلوط را می توان با روش های ساده فیزیکی از هم جدا کرد.

 

مخلوط ها به دو دسته همگن و ناهمگن طبقه بندی می شوند. اجزای مخلوط ناهمگن مشخص بوده و در سرتاسر آن به صورت یکنواخت توزیع نشده اند. سیمان، سنگ های کنگلومرا و نیز مخلوط روغن و سرکه همگی مخلوط های ناهمگن‏اند. اجزای آن ها آن‏قدر بزرگ اند که دیده می شوند و می توان آن ها را در این نوع مخلوط از هم جدا کرد.

شکل های زیر نمونه هایی از مخلوط هستند.

 

اجزای مخلوط های همگن، به خوبی با هم مخلوط شده اند. محلول ها، مخلوط های همگن هستند. در یک محلول، یک ماده در ماده دیگری حل شده است. ذرات در محلول، اتم ها، یون ها یا مولکول ها هستند. ذرات به قدری کوچک اند که دیده نمی شوند و نمی توان آن ها را از داخل محلول برداشت.

هر محلول از دو بخش تشکیل شده است:

1. -حل شونده: ماده ای که در حلال حل می شود:

1. -حلال: ماده ای که مواد در آن حل می شوند: 

 

مشاهده فیلم

آب حلالی است که می تواند هزاران ماده را در خود حل کند. به همین دلیل به حلال جهانی شهرت دارد زیرا که مواد بسیاری را در خود حل می کند. موادی (مانند روغن) که در آب حل نمی شوند، نامحلول نامیده می شوند.

 

یکی از مهم ترین ویژگی های آب، قطبی بودن آن است. این ویژگی به دلیل ساختار آب است. سر اکسیژن آب دارای مقداری جزیی، بار منفی و سر هیدروژن آن دارای مقداری جزیی، بار مثبت است. سر مثبت مولکول آب، سر منفی مولکول دیگر آب را جذب می کند. مولکول های قطبی دیگر نیز از سر مثبت و منفی خود جذب دو سر منفی و مثبت مولکول آب می شوند.

دو ویژگی مهم آب با ماهیت قطبی آن توجیه می شود. یکی، پیوستگی آب به معنی جذب یک مولکول آب به مولکول دیگر است. چسبندگی ویژگی دیگری است که آب در اثر آن به مواد دیگر می چسبد، مانند چسب زخم که به پوست می‏چسبد.

جداسازی

روش های جداسازی مخلوط ها

هدف از جداسازی ، حذف مزاحمت*ها ، غلیظ کردن محلول مورد نظر و یا سایر موارد است. برای جداسازی از اختلاف در خصوصیات فیزیکی استفاده می*شود، مثل فراریت ، حلالیت و ضریب تقسیم مواد__ و ... . در آنالیز و جداسازی مواد مختلف از تکنیک*های ویژه*ای برحسب نوع و ساختار مواد و مخلوط*ها استفاده می*شود که برخی از آنها که معروف بوده و حائز اهمیت بیشتری هستند، در زیر می*آوریم.

تبلور

هدف از تبلور ، جداسازی ناخالصی از اجسام جامد است. در این روش ، ابتدا جامد ناخالص را در یک حلال گرم حل می*کنند، سپس محلول را صاف می*کنند. ناخالصی*ها در فاز مایع باقی می*مانند. اگر تبلور طی چند مرحله صورت گیرد، به آن تبلور جزء به جزء می*گویند. در این روش انتخاب حلال از اهمیت بالایی برخوردار است. اگر از تکنیک ذوب برای جداسازی ناخالصی از جامد استفاده شود، به آن تصفیه ذوب گویند.

این روش در جدا کردن ناخالصی*های ژرمانیم و اسید بتروییک کاربرد دارد. در این فرآیند ، ضریب تقسیم برابر با نسبت غلظت ناخالصی در فاز جامد به غلظت ناخالصی در فاز مایع است.

تقطیر

اگر هدف از تقطیر ، جداسازی یک مخلوط به اجزای بالا باشد، از تقطیر ساده برای جداسازی اجزاء استفاده می*شود. اما اگر همه اجزاء فرار باشند، از تقطیر جزء به جزء برای جداسازی استفاده می*شود. اگر یک مخلوط تولید آزئوتروپ کند، ( مثل آب و الکل) نمی*توان از روش تقطیر جزء به جزء ، اجزای آن را جدا کرد. برای جداسازی این مخلوط از روش*های تقطیر با بخار آب ، تقطیر در خلاء و تقطیر ناگهانی استفاده می*کنند.

در تقطیر با بخار آب هیچگاه درجه حرارت تقطیر از نقطه جوش آب بیشتر نمی*شود. ترکیباتی نظیر تولوئن ، اتیلن ، گلیسیرین و اسیدهای چرب از این طریق جدا می*شوند. برای جلوگیری از تجزیه مایعاتی که دارای نقطه جوش بالایی هستند از تقطیر در خلاء استفاده می*شود. با کاهش فشار ، نقطه جوش مایع کاهش پیدا می*کند.

در تهیه آب آشامیدنی از آب دریا و تهیه آب مقطر نیروگاه*ها از تقطیر ناگهانی استفاده می*شود. در این روش مایع بطور مداوم وارد و بخار بطور مداوم خارج می*شود.

رسوب دادن

نوعی روش جداسازی است که اساس آن اختلاف حلالیت اجسام می*باشد. یعنی جزیی که حلالیت کمتری دارد زودتر جدا می*شود. با افزایش نیروی جاذبه سرعت ته*نشین شدن افزایش پیدا می*کند. عمل سانتریفوژ در واقع بر همین اساس است.



استخراج

اساس این روش ، اختلاف حلالیت یک جزء در دو حلال غیر قابل حل در یکدیگر است. اگر دو حلال غیر قابل استخراج ، مایع باشند، به این روش استخراج مایع ـ مایع گویند و اگر یک جسم جامد به وسیله یک حلال استخراج شود، به آن استخراج جامد ـ مایع گویند (مثل استخراج اسانس*ها ، عصاره*ها و روغن از دانه*های گیاهی). عموما دو فاز مورد استفاده ، یکی آب است و دیگری یک حلال آلی.

مقداری از جسم در فاز آبی و مقداری نیز در فاز آلی می*باشد. بازده استخراج با ضریب تقسیم نسبت مستقیم دارد. دوبار استخراج با حجم کمتر از حلال آلی همیشه موثر از یک بار استخراج با حجمی مساوی دو برابر حجم اول است. چون در حالت اول ، مقدار وزن ماده باقی*مانده محلول در آب ، کمتر از حالت دوم خواهد بود.

کروماتوگرافی

اساس کروماتوگرافی ، جذب سطحی مواد و توزیع آنها در دو فاز می*باشد. یکی از فازها ثابت و فاز دیگر متحرک است که نمونه مورد نظر در فاز متحرک جدا می*شود. فاز ثابت یا جامد است و یا مایع و فاز متحرک یا مایع است و یا گاز . اگر فاز ثابت ، جامد و فاز متحرک ، مایع باشد، به آن کروماتوگرافی مایع ـ جامد ( LSC ) گویند. اگر فاز متحرک ، گاز و فاز ثابت ، جامد باشد، به آن کروماتوگرافی گاز - جامد ( GSC ) گویند. اگر فاز متحرک ، مایع و فاز ثابت نیز مایع باشد به آن کروماتوگرافی مایع ـ مایع ( LLC یا HPLC ) گویند و در نهایت اگر فاز متحرک ، گاز و فاز ثابت ، مایع باشد، به آن کروماتوگرافی گاز - مایع ( GLC یا VPC ) گویند.

در LSC ، جدا شدن بر اساس جذب سطحی یا تعریض یون*ها و یا تشکیل کمپلکس می*باشد. در GSC اساس ، جداسازی جذب سطحی است. در LLC و GLC ، مواد بر اساس توزیع بین دو فاز جدا می*شوند. پس کروماتوگرافی روشی برای جداسازی مخلوط بدلیل اختلاف تحرک آنها می*باشد.

کروماتوگرافی LSC در واقع نوعی کروماتوموگرافی جذبی است که مواد بر اساس اختلاف در قابلیت جذب خود روی سطح جامد از یکدیگر جدا می*شوند. در GSC نیز اساس جداسازی جذب سطحی فاز گاز روی سطح جامد است. از این روش برای خالص سازی گازها استفاده می*شود.

کروماتوگرافی تبادل یونی

کروماتوگرافی تبادل یونی ، روشی است که در آن ، یون*ها بین یک محلول و یک فاز جامد ( رزین ) مبادله می*شوند. این تبادل ، برگشت پذیر است. فاز جامد در آب ، غیر محلول بوده و دارای بنیان*های اسیدی و بازی باشد. نوع معدنی این مواد جامد ، ممکن است شبیه زئولیت*ها باشند و نوع جدید آنها از مشتقات هستند و برای جداسازی فلزات قلیایی خاکی بکار می*روند. رزین*های تبادل یونی ، منشا آلی دارند و از پلیمرهای با وزن مولکولی بالا ساخته می*شوند.

تشکیل این رزین*ها بر اساس پلیمریزاسیون پلی*استیرن و وینیل*بنزن استوار است. رزین*ها به دو نوع تعویض کننده آنیونی و کاتیونی تقسیم می*شوند. هر کدام از این تعویض کننده*ها به نوع بازی ضعیف و قوی و اسیدی ضعیف و قوی تقسیم می*شوند.



حال به توضیح برخی از روش های جداسازی اشاره شده می پردازیم:

تقطیر:

تقطیر یک فرایند فیزیکی برای جداسازی اجسام با دمای جوش متفاوت است. برای پی بردن به این که فرایند تقطیر چگونه انجام می*گیرد باید به رفتار محلول*ها هنگام جوشیدن و متراکم شدن توجه کرد.

محلول*هایی با نسبت*های متفاوت از دو ماده را می*گذاریم تا در دمای جوش با بخار خود به تعادل درآیند. سپس ترکیب فاز مایع و فاز بخار را اندازه می*گیریم و نمودار تغییر درصد مولی هریک از فاز مایع و فاز بخار را در دماهای مختلف رسم می*کنیم.

در آزمایشگاه برای جداسازی مایعات فرار، اغلب از دستگاه تقطیر جزء به جزء استفاده می*شود. یک ستون تقطیر یا جداسازی شامل یک استوانه عمودی حاوی دسته*ای از بشقابک*ها، یا حلقه*های فولادی زنگ*نزن، گلوله*های شیشه*ای و یا تکه*های سرامیک می*باشد. که این مواد دارای سطح ویژه گسترده*ای بوده و تماس خوبی را بین مایع - بخار در طول واحد تقطیر ممکن می*سازند. در بالای ستون یک مبرد و در پایین آن یک واحد تبخیر کننده به نام بازجوشان reboiler قراردارد.

بالای ستون چون از منبع گرمایش دورتر است سردتر از پایین ستون می*باشد و ترکیب درصد مایع و بخار در حال تعادل در بالای ستون با ترکیب درصد مایع و بخار در حال تعادل در پایین ستون متفاوت می*باشد. بنابراین در بالای ستون درصد ماده*ای که دمای جوش کمتری دارد بیشتراست.

در صنعت برای تقطیر در مقیاس تجارتی و جداسازی مخلوط چند ماده از برج تقطیر جزء به جزءاستفاده می*شود. در هر طبقه از برج از بشقابی حبابی به کار رفته*است. با اجرای مراحل گوناگون تقطیر نفت خام به فراورده*های سودمندی تفکیک می*شود. و بر مبنای دمای جوش خود از ترازهای مختلف برج خارج می*شود.

تقطیر در فشار محیط: در این روش، فرآیند تقطیر در فشار محیط صورت می*گیرد.
تقطیر با بخار آب: وقتی که تقطیر در مجاورت بخار ماده مخلوط نشدنی صورت می*گیرد. فشار بخار یکی تحت تأثیر دیگری قرار نگرفته و مخلوط در دمایی که مجموع فشارهای جزئی آنها برابر فشار محیط گردد تقطیر می*شود.
تقطیر در خلاء: در این روش فرآیند تقطیر در خلاء (در فشار ۴۰ میلیمتر جیوه) صورت می*گیرد.
تقطیر در خلاء و بخار: این روش با انتقال گرما توسط بخار آب و با استفاده هم*زمان از پمپ خلا جهت کاهش فشار کلی صورت می*گیرد. بطور کلی این روش دارای اشکالاتی بوده و از آن زیاد استفاده نمی*شود.
تقطیر در فشار: این روش برعکس تقطیر در خلا بوده و باعث می*شود که فرایند تقطیر در دمای بیشتری نسبت به آن در فشار محیط صورت گیرد و دمای بالاتر باعث گسسته شدن مولکول*های نفت گردیده و ترکیب آنها را تغییر می*دهد.
روشهای جدید تقطیر: این روشها شامل یک یا دو مرحله تقطیر در فشار محیط بوده که توسط تقطیر با بخار همراه می*شود.

تقطیربا بخار آب:

تقطیر با بخار آب

غالبا به کمک تقطیر با بخار آب میتوان ترکیبات آلی فراری را که با آب مخلوط نمیشوند یا تقریبا با آن غیر قابل اختلاط هستند تفکیک و تخلیص کرد. در این روش مخلوط آب و جسم آلی با هم تقطیر میشوند. که به دو صورت امکان پذیر است:

1) روش مستقیم: که مخلوط آب و ماده آلی با همدیگر حرارت داده میشوند (تقطیر بوسیله آب).

2) روش غیر مستقیم: که بخار آب را در ظرف دیگری ایجاد کرده و از داخل ماده آلی عبور میدهند.

در تقطیر با بخار آب طبق قانون دالتون فشار بخارهای حاصله در درجه حرارت معین، برابر با مجموع فشارهای جزئی همان بخارها است: PT = P1 + P2 + P3 + …

از این عبارت چنین بر می آید که همواره در هر درجه حرارتی فشار بخار کل مخلوط حتی از فشار بخار فرار ترین جزء در آن درجه حرارت بیشتر است، زیرا که فشار بخار اجزای دیگر مخلوط هم دخالت میکنند. بنابر این باید درجه جوش مخلوط ترکیبهای غیر قابل اختلاط کمتر از جزئی باشد که کمترین نقطه جوش را دارد.

آب (با نقطه جوش 100 درجه) و بروموبنزن (با نقطه جوش 156 درجه) در یکدیگر نامحلولند. این مخلوط در حدود 95 درجه سانتیگراد میجوشد. در این درجه، فشار بخار کل مخلوط برابر با فشار آتمسفر است. همانگونه که طبق نظریه دالتون پیش بینی میشد این درجه کمتر از نقطه جوش هر یک از این دو ماده به صورت خالص است.

مزیت استفاده از تقطیر با بخار آب در این است که در جه حرارت در این تقطیر نسبتا پایین است (کمتر از 100 درجه) و این روش برای خالص سازی موادی به کار میرود که نسبت به حرارت حساسند و در حرارتهای بالا تجزیه میشوند. همچنین این روش برای جدا کردن ترکیب، از مخلوط واکنشی که محتوی مقدار زیادی از مواد قیر مانند باشد مفید است.