混合物の分離

ポイント

混合物のなかから、目的の純物質を取り出す操作を分離といいます。

純物質を分離するときに、不純物を取り除く操作を精製といいます。

分離する方法には、ろ過、蒸留、分留、再結晶、抽出、昇華法、クロマトグラフィーなどがあります。

ろ過とは、ろ紙などを用いて液体と固体を分離する操作です。

蒸留とは、混合物を加熱してそのなかにある目的の物質を気体とし、そのあと冷却して液体となった物質を集める操作です。

分留とは、液体同士の混合物を加熱して、沸点の低い物質の気体を分離し、そのあと冷却して液体となった物質を集める操作です。

再結晶とは、液体に溶ける物質の量が温度によって変わることを利用して、溶液中に溶けずに析出した物質を集める操作です。

抽出とは、混合物をある適切な溶媒に混ぜて、目的とする物質を溶媒に溶かし出して分離する操作です。

昇華法とは、固体から気体になる、または気体から固体になる物質の性質を利用して分離する操作です。

クロマトグラフィーとは、固体への吸着力の差を利用して、混合物のなかの物質を分離する操作です。

混合物から純物質を分離する

私たちの身の回りにある物質は、ほとんどが混合物です。混合物はさまざまな純物質が混じってできています。

混合物からそのなかに含まれる純物質を取り出すことを、分離といいます。

混合物のなかにあるさまざまな純物質はそれぞれ性質が違うので、その性質の差を利用して純物質を分離できます

分離する方法には、ろ過、蒸留、分留、再結晶、抽出、昇華法などがあります。

なお混合物から純物質を分離しても、純粋な状態で得られることはあまりありません。

そこで分離したあとに、不純物を取り除いて純粋な物質にする操作をします。このように純度の高い物質にする操作を精製といいます。

ろ過

砂と食塩が混ざった混合物から、砂を分離するにはどうしたらよいでしょうか。

食塩は水に溶けますが、砂は水に溶けません。そこで、砂と食塩が混ざった混合物を水に溶かし、これをろ紙の上に注いでみましょう。

ろ紙を2回折り返し、円錐の形をつくります。ろ紙をろうとの中に敷いて、溶液(今回は水)でろ紙を少し湿らせて、ろうとに密着させます。

砂と水溶液をかき混ぜたあと、ガラス棒をろうとの内側につけ、ガラス棒を伝わらせてろ紙の上に流し込みます。

砂はろ紙の上に残り、食塩は水に溶けてろ紙を通過し、ろうとの下にたまります。

ろ紙を使って水に溶ける固体と水に溶けない固体を分離しましたが、このような操作をろ過といいます。

蒸留

食塩水から純粋な水を手に入れるには、どうすればよいでしょうか。

水に固体の食塩が溶けた混合物が食塩水です。食塩水を加熱すると水蒸気が発生します。

水蒸気は水が気体となったものですから、この気体を冷却してもう一度液体に戻し集めると、純粋な水が得られます。

このように、混合物を加熱して目的の物質を気体に変え、そのあと気体を冷却して液体として物質を分離する操作を蒸留といいます

蒸留を行う装置は下の図のようになります。

ウィキペディア(Wikipedia)より、項目「リービッヒ冷却器」典型的な蒸留装置の模式図から引用

蒸留の注意点

蒸留は上のような実験装置で行われることが多いです。この蒸留操作における注意点があるので、確認しましょう。

ここでは、食塩水から水だけを分離する例で説明します。図の番号についての説明を以下に示します。

1 ガスバーナーなどで加熱しますが、枝付きフラスコを直接に加熱して割らないように、金網を敷きます

2 蒸留操作では枝付きフラスコを用います。

このフラスコ内に液体の混合物(ここでは食塩水)を入れます。このとき、液体の量はフラスコの容量の半分以下にします。液体を入れすぎると、加熱したときに混合物が冷却管の方へ流れてしまうからです。

また、フラスコの底には沸騰石を入れます。沸騰石は液体が突然に急激に沸騰すること(突沸)を防ぎます。

沸騰石は内部に空洞が多くあり空気を含んでいるため、液体が沸点を超えてから急に沸騰するのを予防します。

3 枝付きフラスコの上部から温度計を差し入れますが、この温度計の下端部を枝付きフラスコの枝の位置に合わせます

これは混合物から発生した気体(ここでは水蒸気)の温度を正確に測るためです。冷却器の方へ流れる気体の温度を測ります。

5 5 は発生した気体を冷やす部分で、リービッヒ冷却器といいます。リービッヒ冷却器はフラスコの枝から斜め下の方向に接続します。このとき、冷却水を下から上に(図では 6 から 7 )流します。

下から上に流すことで冷却水が冷却器のなかに溜まり、効率よく冷やすことができます。また、気体の流れる方向と水の流れる方向が逆であるのも、冷却効果を高めます。

8 発生した気体は冷却器で液体となり、(図では丸底フラスコですが)三角フラスコなどで回収します。

このとき、集める三角フラスコなどの口は、ゴム栓で密閉せずにアルミ箔などをかぶせます

ゴム栓で密閉すると、加熱のときにフラスコ内の圧力が高まり、実験装置が破損する危険性があります。圧力が高くならないように、アルミ箔などをかぶせましょう。

10 蒸留を始めると、冷却器からしばらくのあいだ液体が流れ込み続けますが、始めと終わりの液体は回収せず捨てます

蒸留で得られる液体は、始めと終わりに不純物が多くなりやすいです。

分留

液体の純物質がいくつか含まれている混合物では、純物質の沸点の差を利用し、蒸留することで沸点の低い物質から分離できます。この操作を分留といいます。

液体の混合物を加熱していくと、そのなかで一番沸点が低い物質が気体となります。その物質だけが得られるように加熱温度を調節し、その気体を集め冷却すると、ひとつの純物質が分離できます。

同様にさらに加熱すると、次に沸点の低い物質が気体となるので、これを集めて冷却し分離できます。

原油を加熱して、原油に含まれる軽油・灯油・ナフサ(粗製ガソリン)・石油ガスを分離する操作が分留の例です。

再結晶

溶液の中に溶ける物質の量が温度で変わることを利用して、目的の物質を析出させる操作を再結晶といいます

例として、塩化ナトリウムと硝酸カリウムの混合物を適量の熱水に溶かし、これを冷やしていきます。

塩化ナトリウムは水溶液の温度が下がっても溶液中に溶ける量はあまり変わりませんが、硝酸カリウムは水溶液の温度が下がると溶ける量が減ります。

そのため、硝酸カリウムは水溶液の温度が低くなると溶解できる量が減り、溶けなくなった固体が析出します。一方、塩化ナトリウムは溶解できる量があまり変わらないので、水溶液に溶けたままです。

冷やした水溶液をろ過すると、固体の硝酸カリウムがろ紙に残ります。この再結晶の操作で、塩化ナトリウムと硝酸カリウムの混合物から、硝酸カリウムを分離できます。

抽出

混合物を適切な溶媒に混ぜ、目的とする物質を溶かし出して分離する操作を抽出といいます。

お茶の葉に熱湯を注ぐと、お茶の葉に含まれている香りや味の物質が熱湯に溶け出してきます。この現象は抽出の例です。

昇華法

物質の状態が固体から(液体にならずそのまま)気体になる、あるいは気体から(液体にならずそのまま)固体になる変化のことを昇華といいます。

この性質を利用して、混合物から目的の物質を分離する操作が昇華法です。

固体のヨウ素と砂が混じった混合物を加熱すると、固体のヨウ素は気体となります。この気体を集めて冷やすと、気体のヨウ素は再び固体となります。この操作で砂と固体のヨウ素は分離できます。これは昇華法の例です。

ヨウ素を昇華する動画 ⇒ 科学技術館による実験映像

クロマトグラフィー

クロマトグラフィーとは、固体への吸着力の差を利用して、混合物のなかの物質を分離する操作です。

クロマトグラフィーの例は、ろ紙とインクで実験できます。

ろ紙を細長く切り取り、下部にインクで点をつけます。このろ紙を立てて、インクで点をつけた場所より低い位置で、適切な溶媒に浸します。

すると、溶媒がろ紙の上部へしみ込んでいきます。このとき、インクの点からいくつかの色素の物質が溶けだし、溶媒と一緒に上へ移動します。

色素の種類によってろ紙に吸着する強さが異なるので、時間がたつとそれぞれの色素の物質がろ紙の上に分かれた点になって分離できます。

問題演習

確認テスト1

次の混合物から純物質を分離するために、適切な操作を考えましょう。

  1. 海水から水を取り出す。
  2. 水性インクの色素をろ紙につけ、そのろ紙の片側を水に浸す。
  3. 少量の塩化ナトリウムと硝酸カリウムの混合物から、硝酸カリウムを取り出す。
  4. 砂とヨウ素の固体を加熱して、ヨウ素を分離する。
  5. 米ぬかや大豆をヘキサンという溶媒に混ぜて、油を取り出す。
  6. 砂の混ざった水から、砂を取り出す。
  7. 原油から重油、軽油、灯油、ガソリンなどの原料を分ける。
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  1. 蒸留
  2. クロマトグラフィー
  3. 再結晶
  4. 昇華法
  5. 抽出
  6. ろ過
  7. 分留

確認テスト2

蒸留の注意点を考えましょう。下の図は蒸留装置の模式図です。

  1. ガスバーナーでフラスコを加熱するときに、金網を敷くのはなぜか。
  2. 加熱する液体の量は、フラスコの容積の半分以下にする。この理由は何か。
  3. 加熱するときにフラスコに入れておくものは何か。
  4. 温度計の下端部を、枝付きフラスコの枝分かれの位置に合わせるのはなぜか。
  5. フラスコから発生した気体を、5 の冷却器で水を流して冷やす。水の流す向きはどちらか。
  6. 冷却器で冷やされ液体になった物質を、ビーカーなどで集める。このときビーカーをゴム栓で密閉してはいけない理由は何か。
  7. 蒸留で液体を集めるとき、始めと終わりに得られる液体は集めず捨てる。これはなぜか。
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1 直接フラスコを加熱すると、フラスコが割れるおそれがあります。それを防ぐために金網を敷きます。

2 フラスコに液体を入れすぎると、加熱の途中で液体が冷却器の方へ流れ込んでしまいます。それを避けるために、フラスコに入れる液体の量を 2 分の 1 以下にします。

3 沸騰石を入れます。沸騰石を入れると、フラスコ内の液体が突然に沸騰するのを防げます。

4 温度計で測るのは、蒸留で得られる気体の温度です。ですから、沸騰して発生した気体が冷却器側に流れていく位置で測定します。

5 冷却水は下から上に流します。

5 のリービッヒ冷却器で、発生した気体を冷やして液体にします。このとき下から上に流すことで、冷却器内に水が溜まり、効率よく冷やすことができます。

また、気体が流れてくる方向と水の流れる方向を逆にすると、効果的に冷却できます。

6 ビーカーをゴム栓などで密閉すると、加熱により実験器具内の圧力が高くなります。

圧力が高くなるとフラスコなどガラス器具が割れたり、ゴム栓などの接続部が飛んだりして危険です。そのためビーカーは密閉せず、アルミ箔などをかぶせるだけにします。

7 蒸留では、始めと終わりごろに出てくる液体には不純物が多く含まれます。そこで純度の高い物質を集めたいので、蒸留の始めと終わりで得られる液体を捨てます。

実践問題1(2020本第1問問5)

水道水を蒸留するために、次の手順Ⅰにより、図 2 のように装置を組み立てた。

手順Ⅰ 蒸留で得られる成分の沸点を正しく確認するために、穴をあけたゴム栓に通した温度計を枝付きフラスコに取り付け、温度計の下端部(球部)の位置を調節した。

手順Ⅱ 留出液(蒸留水)を得るために、受け器の三角フラスコを持ち上げてアダプターの先端を差し込んで、三角フラスコの下に台を置いた。

手順Ⅰに関する注意点()および手順Ⅱに関する注意点()について、最も適当なものの組合せを、下の①~⑥のうちから一つ選べ。

手順Ⅰに関する注意点】

 温度計の下端部を、水道水の中に差し込む。

 温度計の下端部を、水道水の液面にできるだけ近づける。

 温度計の下端部を、枝付きフラスコの枝の付け根の高さに合わせる。

手順Ⅱに関する注意点】

 アダプターと三角フラスコの間を、アルミニウム箔で覆うが密閉はしない。

 アダプターの先端を穴のあいたゴム栓に通し、三角フラスコに差し込んで密閉する。

(2020年度センター試験 本試験 化学基礎 第1問問5 より引用)

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正解 5

蒸留操作で沸点を測定するときは、温度計の下端部を枝付きフラスコの分岐する高さに合わせます。

これは冷却器の方向へ流れる気体の温度を正確に測るためです。

蒸留操作では、三角フラスコで集めた液体が何であるか確かめたいです。そのために、この液体の沸点を測定しておきます。

純物質は沸点が正確に決まっているので、それと比較して集めた液体が目的とする物質なのかを確認することができます。

この実験では蒸留水を集めることを目的としているので、加熱して沸騰したときに温度計が 100 ℃を示していれば、蒸留水が得られていると推測できます。

以上より、手順Ⅰに関する注意点の選択肢は ウ です。

次に、アダプターと三角フラスコの接続部をどうするかという設問です。

アダプターと三角フラスコをゴム栓でつないで密閉すると、加熱により実験装置内の圧力が高まって危険です。

実験装置を密閉して加熱すると、ガラス器具が割れたり、接続部分のゴム栓が吹き飛んだりする恐れがあります。

そこでこの実験では、異物が三角フラスコに入らないようにアルミ箔で覆うだけにとどめます。

したがって、手順Ⅱに関する注意点の選択肢は エ です。

実践問題2(2019本第1問問2)

次の分離操作の名称として最も適当なものを、下の①~⑤のうちから一つずつ選べ。

 固体が直接気体になる変化を利用して、混合物から目的の物質を分離する。

 溶媒に対する物質の溶けやすさの違いを利用して、混合物から目的の物質を溶媒に溶かし出して分離する。

① 吸着   ② 抽出   ③ 再結晶   ④ 昇華法(昇華)   ⑤ 蒸留

(2019年度センター試験 本試験 第1問問2 より引用)

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正解  4      2

 固体から気体への状態変化、または気体から固体への状態変化を昇華といいます。

多くの物質は、固体を加熱すると液体になり、さらに高温になると気体になります。しかし一部の物質は、固体を加熱すると直接気体になる変化(昇華)をします。

これを利用して分離する方法を、昇華法といいます。

したがって、アの選択肢は ④ です。

よく出る例として、固体の不純物と固体のヨウ素が混合しているとき、ヨウ素のみを分離する操作があります。

砂とヨウ素が混ざっているとき、この混合物を加熱すると、砂は固体のままですが、ヨウ素の一部は昇華して気体になります。

このヨウ素の気体を逃がさずに冷やすと、ヨウ素が冷えて固体に戻ります。この固体のヨウ素を回収すると、不純物のないヨウ素のみを分離することができます。

 液体の物質と固体の物質の組合せでは、溶けやすいものと溶けにくいものがあります。

例えば、油っぽい固体の物質は水には溶けにくいが油には溶けやすい性質があります。逆に水に溶けやすい固体は、油に溶けないことがあります。

これをもう少し正確に言えば、以下のようになります。

極性のある水と極性のない有機溶媒を混ぜると、極性のある物質は水溶液側に、極性のない有機化合物は有機溶媒側に溶けて分離します。

このようにして目的の物質を分離する方法を抽出といいます。

したがって、イの選択肢は ② です。

生活の中で見られる抽出の例では、お茶やコーヒーがあります。

茶葉やコーヒー豆を、お湯と混ぜ合わせます。この抽出の操作で、お茶やコーヒーの香りや味の成分が、お湯に溶け出してお湯のなかに移動します。

茶葉やコーヒー豆から、香りや味の成分という目的の物質を溶かし出して分離しているので、これは抽出です。

実践問題3(2016本第1問問7)

物質を分離する操作に関する記述として下線部が正しいものを、次の①~⑤のうちから一つ選べ。

① 溶媒に対する溶けやすさの差を利用して、混合物から特定の物質を溶媒に溶かして分離する操作を抽出という。

② 沸点の差を利用して、液体の混合物から成分を分離する操作を昇華法(昇華)という。

③ 固体と液体の混合物から、ろ紙などを用いて固体を分離する操作を再結晶という。

④ 不純物を含む固体を溶媒に溶かし、温度によって溶解度が異なることを利用して、より純粋な物質を析出させ分離する操作をろ過という。

⑤ 固体の混合物を加熱して、固体から直接気体になる成分を冷却して分離する操作を蒸留という。

(2016年度センター試験 本試験 化学基礎 第1問問7 より引用)

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正解 1

1 〇 正しい記述です。

抽出という操作は、茶葉やコーヒー豆から味や香りの成分をお湯に溶かし出す例などがあります。

溶媒に対する溶けやすさの差を利用する例では、混合物に水と油をそれぞれ接触させたとき、混合物中から水に溶けやすい成分は水のなかへ、油に溶けやすい成分は油のなかへと別々に溶けだす現象があります。

この抽出操作によって、混合物中にあった水に溶けやすい成分と油に溶けやすい成分は分離できます。

2 × 沸点の差を利用して、液体中の混合物から成分を分離する方法は分留(または蒸留)です。

原油を加熱して、原油に含まれる軽油・灯油・ナフサ(粗製ガソリン)・石油ガスを分離する操作が分留の例です。

3 × 固体と液体の混合物から、ろ紙などで固体を分離する方法はろ過です。

砂の混ざった水をろ過すると、固体の砂と液体の水に分離できます。

ろ過のほかの例では、水溶液中で沈殿や結晶が生成したときにろ過をすると、水溶液から固体の沈殿や結晶を分離することができます。

4 × 不純物を含む固体を溶媒に溶かし、温度によって溶解度が異なることを利用してより純粋な物質を析出させる操作は、再結晶といいます。

再結晶の例では、塩化ナトリウムと硝酸カリウムの混合物である固体を熱水に溶かす例があります。

水溶液の温度を下げていくと、硝酸カリウムを溶解できる量が減ってくるので、硝酸カリウムの結晶が析出してきます。

この結晶は、水溶液をろ過することで分離できます。

5 × 固体の混合物を加熱して、固体から直接気体になる成分を冷却して分離する操作は、昇華法といいます。

昇華法の例では、砂とヨウ素の混合物を加熱して、ヨウ素の気体を発生させる例があります。

ヨウ素の気体を冷却すれば、ヨウ素だけの固体を分離できます。

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