Как выглядит состав чистых веществ. Чистые вещества и смеси
Вся наша жизнь в буквальном смысле построена на работе различных химических веществ. Мы дышим воздухом, который содержит в себе множество различных газов. На выходе получается углекислый газ, который затем перерабатывается растениями. Мы пьем воду или молоко, которое представляет собой смесь воды с другими компонентами (жиром, минеральными солями, белком и так далее).
Банальное яблоко - это целый комплекс которые взаимодействуют друг с другом и нашим организмом. Как только что-то попадает в наш желудок, вещества, входящие в продукт, поглощенный нами, начинают взаимодействие с желудочным соком. Абсолютно каждый объект: человек, овощ, животное - это набор частиц и веществ. Последние делятся на два разных типа: чистые вещества и смеси. В данном материале разберемся, какие вещества чистые, а какие из них относятся к категории смесей. Рассмотрим А также взглянем на типичные примеры чистых веществ.
Чистые вещества
Итак, в химии чистые вещества - это те вещества, что всегда состоят только из одного-единственного вида частиц. И это первое важное свойство. Чистым веществом является вода, например, которая состоит исключительно из молекул воды (то есть своих собственных). Также чистое вещество всегда имеет постоянный состав. Таким образом, каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода и из одного атома кислорода.
Свойства чистых веществ, в отличие от смесей имеют постоянный характер и изменяются при появлении примесей. Только дистиллированная вода имеет температуру кипения, а морская кипит при более высокой температуре. При этом стоит учитывать, что любое чистое вещество не является абсолютно чистым, так как даже чистый алюминий имеет примесь в составе, хоть она и имеет долю в 0.001 %. Возникает вопрос, как выяснить массу чистого вещества? Формула для вычисления выглядит следующим образом - m (масса) чистого вещества = W (концентрация) чистого вещества * смесь / 100 %.
Также существует такой тип чистых веществ, как особо (ультрачистые, высокочистые). Такие вещества используются в производстве полупроводников в различных измерительных и вычислительных устройствах, атомной энергетике и во многих других профессиональных областях.
Примеры чистых веществ
Мы уже выяснили, что чистым веществом является то, что содержит в себе элементы одного вида. Хорошим примером чистого вещества может послужить снег. По сути это та же вода, но в отличие от той воды, с которой мы сталкиваемся ежедневно, эта вода гораздо чище и не содержит примесей. Алмаз тоже является чистым веществом, поскольку он содержит в себе только углерод без примесей. Это же относится и к горному хрусталю. На ежедневной основе мы сталкиваемся с еще одним примером чистого вещества - рафинированным сахаром, который содержит в себе одну лишь сахарозу.
Смеси
Мы уже рассмотрели чистые вещества и примеры чистых веществ, теперь перейдем к другой категории веществ - смесям. Смесь - это когда несколько веществ смешиваются друг с другом. Мы сталкиваемся со смесями на постоянной основе даже в быту. Тот же чай или мыльный раствор представляют собой смеси, которые мы применяем ежедневно. Смеси могут быть созданы человеком, а могут быть природными. Они находятся в твердом, жидком и газообразном состоянии. Как уже было сказано выше, тот же чай является смесью воды, сахара и чая. Это пример смеси, созданной человеком. Молоко является природной смесью, так как оно появляется без участия человека в процессе выработки и содержит в себе множество разных компонентов.
Смеси созданные человеком почти всегда долговечны, а природные под воздействием тепла начинают распадаться на отдельные частицы (молоко, к примеру, прокисает через несколько дней). Смеси также делятся на гетерогенные и гомогенные. Гетерогенные смеси являются неоднородными, а их компоненты видны невооруженным взглядом и под микроскопом. Такие смеси именуют взвесями, которые в свою очередь делят на суспензии (вещество в твердом состоянии и вещество в жидком состоянии) и эмульсии (два вещества в жидком состоянии). Гомогенные смеси однородные, а их отдельные компоненты невозможно рассмотреть. Их также именуют растворами (могут быть веществами в газообразном, жидком или твердом состоянии).
Характеристики смеси и чистых веществ
Для удобства восприятия информация представлена в виде таблицы.
Сравнительный признак | Чистые вещества | Смеси |
Состав веществ | Сохраняют постоянный состав | Имеют непостоянный состав |
Виды веществ | Включают в себя различные вещества |
|
Физические свойства | Сохраняют постоянные физические свойства | Имеют непостоянные физические свойства |
Изменение энергии вещества | Изменяется при образовании энергии | Не изменяется |
Способы получения чистых веществ
В природе многие вещества существуют в Они применяются в фармакологии, промышленном производстве.
Для получения чистых веществ применяются различные методы разделения. Гетерогенные смеси делят с помощью отстаивания и фильтрования. Гомогенные смеси делят с помощью выпаривания и дистилляции. Рассмотрим каждый способ отдельно.
Отстаивание
Этот метод используется для разделения суспензий, таких как смесь речного песка с водой. Главным принципом, на котором основывается процесс отстаивания, является разница в плотностях тех веществ, которые будут разделены. Например, одно тяжелое вещество и вода. Какие чистые вещества тяжелее воды? Это песок, например, который в силу своей массы начнет оседать на дно. Таким же образом разделяют различные эмульсии. Например, от воды можно отделить растительное масло или нефть. Эти вещества в процессе разделения образуют небольшую пленку на поверхности воды. В лабораторных условиях этот же процесс проводят с использованием делительной воронки. Этот способ разделения смесей работает и в природе (без участия человека). Например, осаждение сажи из дыма и отстаивание сливок в молоке.
Фильтрование
Этот метод подходит для получения чистых веществ из гетерогенных смесей, например, из смеси воды с поваренной солью. Итак, каким образом работает фильтрация в процессе разделения частиц смеси? Суть заключается в том, что у веществ различные уровни растворимости и размеры частиц.
Фильтр конструируется таким образом, чтобы через него могли пройти только частицы с той же растворимостью или тем же размером, что он может пропустить. Более крупные и другие неподходящие частицы не смогут пройти через фильтр и будут отсеяны. Роль фильтров могут играть не только специализированные устройства и растворы в пределах лаборатории, но и знакомые всем вещи, такие как вата, уголь, обожженная глина, спрессованное стекло и другие пористые объекты. Фильтры используются в реальной жизни гораздо чаще, чем может показаться.
По такому принципу работает всем нам знакомый пылесос, который отделяет крупные частицы мусора и ловко всасывает мелкие, неспособные повредить механизм. Когда вы болеете, то надеваете марлевую повязку, которая может отсеять бактерии. Рабочие, чья профессия связана с распространением опасных газов и пыли, носят защищающие их от отравления.
Воздействие магнита и воды
Таким способом можно разделить смесь порошка железа и серы. Принцип разделения основан на воздействии магнита на железо. Частицы железа притягиваются к магниту, в то время как сера останется на месте. Этот же метод можно использовать для отделения других металлических деталей из общей массы разных материалов.
Если порошок серы, смешанный с порошком железа высыпать в воду, то несмачиваемые частицы серы всплывут на поверхность воды, в то время как тяжелое железо сразу же ляжет на дно.
Выпаривание и кристаллизация
Этот способ работает с такими как раствор соли в воде. Это работает в естественных природных процессах и лабораторных условиях. Например, некоторые озера при нагревание испаряют воду, а на ее месте остается поваренная соль. С точки зрения химии, этот процесс основывается на том, что разница между температурой кипения двух веществ, не позволяет им испариться единовременно. Уничтоженная вода обратится в пар, а оставшаяся соль останется в своем обычном состоянии.
Если вещество, которое нужно извлечь (сахар, например) плавится при нагревании, то воду не испаряют полностью. Смесь сначала прогревают, а затем получившуюся модифицированную смесь настаивают, чтобы частицы сахара осели на дне. Иногда стоит более сложная задача - отделение вещества с более высокой температурой кипения. Например, отделение воды от соли. В таком случае, испаренное вещество необходимо собрать, охладить и сконденсировать. Этот метод разделения гомогенных смесей называют дистилляцией (или просто перегонкой). Существуют специальные устройства, которые дистиллируют воду. Такая вода (дистиллированная) активно используется в фармакологии или в автомобильных системах охлаждения. Естественно, этим же методом люди перегоняют спирт.
Хроматография
Последний метод отделения - хроматография. Он основан на том, что некоторые вещества имеют свойство поглощать другие компоненты веществ. Это работает следующим образом. Если вы возьмете кусочек бумаги или ткани, на которой что-то написано чернилами и погрузите ее часть в воду, то заметите следующее: вода начнет впитываться бумагой или тканью и будет ползти вверх, а вот красящее вещество будет немного отставать. Используя данную методику ученый М. С. Цвет смог отделить хлорофилл (вещество, дающее зеленый окрас растениям) от зеленых частей растения.
Чистое вещество содержит частицы только одного вида. Примерами могут служить серебро (содержит только атомы серебра), серная кислота и оксид углерода (IV) (содержат только молекулы соответствующих веществ). Все чистые вещества имеют постоянные физические свойства, например, температуру плавления (Т пл) и температуру кипения (Т кип).
Вещество не является чистым, если содержит какое-либо количество одного или нескольких других веществ – примесей .
Загрязнения понижают температуру замерзания и повышают температуру кипения чистой жидкости. Например, если в воду добавить соль, температура замерзания раствора понизится.
Смеси состоят из двух или более веществ. Почва, морская вода, воздух – все это примеры различных смесей. Многие смеси могут быть разделены на составные части – компоненты – на основании различия их физических свойств.
Различают гомогенные (однородные) и гетерогенные (неоднородные) смеси. Особенностью гомогенной смеси является то, что между компонентами такой смеси не наблюдается поверхности раздела. В этом случае говорят, что данная смесь является однофазной (фаза часть системы отделенная от других частей видимой поверхностью раздела). В пределах одной фазы физические свойства компонентов сохраняются постоянными. К гомогенным системам относятся истинные растворы (размер частиц растворенного вещества соотносится с размерами частиц растворителя и составляет ≤10 -9 м).
Особенностью гетерогенной смеси является то, что мы можем наблюдать поверхность раздела между ее компонентами. При переходе из одной фазы компонента в другую его свойства резко изменяются. Гетерогенные смеси иначе называются дисперсные системы. Дисперсные системы состоят из дисперсионной среды (растворитель, непрерывная фаза) и дисперсной фазы (растворенного вещества или прерывистой фазы)
К гетерогенным смесям относятся дисперсные системы (размер частиц растворенного вещества значительно превышает размер частиц растворителя и составляет ≥10 -9 м). Смеси, в которых размер частиц вещества составляет 10 -7 -10 -9 м, относятся к коллоидным системам.
К дисперсным системам относятся:
Суспензии, смесь, состоящая из твердой и жидкой фазы (обозначение Т/Ж; Т- дисперсная фаза, Ж – дисперсионная среда)
Эмульсии, смесь из 2-х и более несмешивающихся жидкостей (обозначение – Ж/Ж. Дисперсная фаза и дисперсионная среда жидкости различающиеся по плотности и температурам кипения).
Более подробно данные системы будут рассмотрены в теме растворы и дисперсные системы.
1.5. Методы разделения смесей
Традиционными методами, которые используются в лабораторной практике с целью разделения смесей на отдельные компоненты, являются:
фильтрование,
декантация (в химической лабораторной практике и химической технологии механическое отделение твёрдой фазы дисперсной системы (суспензии) от жидкой путём сливания раствора с осадка),
разделение с помощью делительной воронки,
центрифугирование,
выпаривание,
кристаллизация,
перегонка (в том числе фракционная перегонка),
хроматография,
возгонка и другие.
Фильтрование. Для отделения жидкостей от взвешенных в ней мелких твердых частиц применяют фильтрование (рис.37) , т.е. процеживание жидкости через мелкопористые материалы – фильтры , которые пропускают жидкость и задерживают на своей поверхности твердые частицы. Жидкость, прошедшая через фильтр и освобожденная от находившихся в ней твердых примесей, называется фильтратом .
В лабораторной практике часто применяют гладкие и складчатые бумажные фильтры (рис.38) , сделанные из непроклеенной фильтровальной бумаги.
Для фильтрования горячих растворов (например, с целью перекристаллизации солей), применяют специальную воронку для горячего фильтрования (рис.39) с электрическим или водяным обогревом).
Часто применяют фильтрование под вакуумом . Фильтрование под вакуумом используют для ускорения фильтрования и более полного освобождения твердой фазы от жидкой. Для этой цели собирают прибор для фильтрования под вакуумом (рис.40) . Он состоит из колбы Бунзена, фарфоровой воронки Бюхнера, предохранительной склянки и вакуум-насоса (обычно водоструйного).
В случае фильтрования суспензии малорастворимой соли кристаллы последней могут быть промыты дистиллированной водой на воронке Бюхнера для удаления с их поверхности исходного раствора. Для этой цели используют промывалку (рис.41) .
Декантация . Жидкости могут быть отделены от нерастворимых твердых частиц декантацией (рис.42) . Этот метод можно применять, если твердое вещество имеет большую плотность, чем жидкость. Например, если речной песок добавить в стакан с водой, то при отстаивании он осядет на дно стакана, потому что плотность песка больше, чем воды. Тогда вода может быть отделена от песка просто сливанием. Такой метод отстаивания и последующего сливания фильтрата и называется декантацией.
Центрифугирование. Для ускорения процесса отделения очень мелких частиц, образующих в жидкости устойчивые суспензии или эмульсии, используют метод центрифугирования. Этим методом можно разделить смеси жидких и твердых веществ, различающихся по плотности. Разделение проводится в ручных или электрических центрифугах (рис.43) .
Разделение двух несмешивающихся жидкостей, имеющих различную плотность и не образующих устойчивых эмульсий, можно осуществить с помощью делительной воронки (рис.44) . Так можно разделить, например, смесь бензола и воды. Слой бензола (плотность = 0,879 г/см 3) располагается над слоем воды, которая имеет большую плотность ( = 1,0 г/см 3). Открыв кран делительной воронки, можно аккуратно слить нижний слой и отделить одну жидкость от другой.
Выпаривание (рис.45) – этот метод предусматривает удаление растворителя, например, воды из раствора в процессе нагревания его в выпарительной фарфоровой чашке. При этом выпариваемая жидкость удаляется, а растворенное вещество остается в выпарительной чашке.
Кристаллизация – это процесс выделения кристаллов твердого вещества при охлаждении раствора, например, после его упаривания. Следует иметь в виду, что при медленном охлаждении раствора образуются крупные кристаллы. При быстром охлаждении (например, при охлаждении проточной водой) образуются мелкие кристаллы.
Перегонка - метод очистки вещества основанный на испарении жидкости при нагревании с последующей конденсацией образовавшихся паров. Очистка воды от растворенных в ней солей (или других веществ, например, красящих) перегонкой называется дистилляцией , а сама очищенная вода – дистиллированной.
Фракционная перегонка (дистилляция) (рис.46) применяется для разделения смесей жидкостей с различными температурами кипения. Жидкость с меньшей температурой кипения закипает быстрее и раньше проходит через фракционную колонку (или дефлегматор ). Когда эта жидкость достигает верха фракционной колонки, то попадает в холодильник , охлаждается водой и через аллонж собирается в приемник (колбу или пробирку).
Фракционной перегонкой можно разделить, например, смесь этанола и воды. Температура кипения этанола 78 0 С, а воды 100 0 С. Этанол испаряется легче и первым попадает через холодильник в приемник.
Возгонка – метод применяется для очистки веществ, способных при нагревании переходить из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое состояние. Далее пары очищаемого вещества конденсируются, а примеси, не способные возгоняться, отделяются.
>> Чистые вещества и смеси. Отстаивание. Разделение смеси трех твердых веществ
Чистые вещества и смеси
Материал параграфа поможет вам:
> осознать, что абсолютно чистых веществ не существует;
> различать однородные и неоднородные смеси веществ;
> выяснить, в каких смесях физические свойства компонентов сохраняются, а в каких - нет;
> выбрать метод разделения смеси веществ
в зависимости от ее типа.
Чистые вещества и смеси.
Каждое вещество всегда содержит определенное количество примесей. Вещество, в котором почти нет примесей, называют чистым. С такими веществами работают в научной лаборатории, школьном химическом кабинете. Заметим, что абсолютно чистых веществ не существует.
Каждое вещество, содержащееся в смеси, называют компонентом.
Смеси, в которых компоненты невозможно обнаружить наблюдением, называют однородными.
Большинство металлических сплавов - также однородные смеси. Например, в сплаве золота с медью (его используют для изготовления ювелирных украшений) отсутствуют красные частицы меди и желтые частицы золота.
Из материалов, которые являются однородными смесями веществ, изготовляют много предметов разнообразного назначения (рис. 27).
К однородным смесям принадлежат все смеси газов , в том числе и воздух. Существует немало однородных смесей жидкостей.
Рис. 27. Предметы, изготовленные из однородных смесей
Такая смесь образуется при смешивании, например, спирта и воды.
Приведите свой пример однородной смеси.
Однородные смеси еще называют растворами, даже если они твердые или газообразные.
По некоторым физическим свойствам однородные смеси отличаются от их компонентов. Так, сплав олова со свинцом, используемый для паяния, плавится при более низкой температуре, чем чистые металлы. Вода закипает при температуре 100 °С, а водный раствор соли - при более высокой температуре. Если воду охладить до температуры 0 °С, она начнет превращаться в лед. Раствор соли при этих условиях остается жидкостью (он замерзает при температуре ниже 0 °С). В этом можно убедиться зимой, когда дороги и тротуары, покрытые льдом, посыпают смесью соли с песком. Лед под действием соли плавится; образуется водный раствор соли, не замерзающий на слабом морозе. А песок нужен для того, чтобы дорога не была скользкой.
Рис. 28. Неоднородная смесь мела и воды
Вам известно, что мел не растворяется в воде. Если его порошок всыпать в стакан с водой, то в образовавшейся смеси всегда можно обнаружить частицы мела, которые видны невооруженным глазом или в микроскоп (рис. 28).
Смеси, в которых компоненты можно обнаружить наблюдением, называют неоднородными.
К неоднородным смесям (рис. 29) относятся большинство минералов, почва, строительные материалы, живые ткани, мутная вода, молоко и другие продукты питания, некоторые лекарственные и косметические средства.
Приведите свой пример неоднородной смеси.
В неоднородной смеси физические свойства компонентов сохраняются. Так, железные опилки , смешанные с медными или алюминиевыми, не теряют способности притягиваться к магниту.
Рис. 29. Неоднородные смеси:
а - смесь воды и серы;
б - смесь растительного масла и воды;
в - смесь воздуха и воды
Вода в смеси с песком, мелом или глиной замерзает при температуре О 0C и закипает при 100 °С.
Некоторые виды неоднородных смесей имеют специальные названия: пена (например, пенопласт, мыльная пена), суспензия (смесь воды с небольшим количеством муки), эмульсия (молоко, хорошо взболтанные растительное масло с водой), аэрозоль (дым, туман).
В каких находятся компоненты в каждой названной смеси?
Материал, изложенный выше, обобщен в схеме 3.
Схема 3. Вещества и смеси
Часто возникает необходимость разделить смесь, чтобы получить ее компоненты или очистить вещество от примесей.
Существует много методов разделения смесей. Их выбирают, учитывая тип смеси, агрегатное состояние и различия в физических свойствах компонентов (схема 4). Некоторые методы вам известны из курса природоведения.
Схема 4. Методы разделения смесей
Объясните, благодаря каким свойствам компонентов возможно разделение каждой неоднородной смеси, указанной на схеме.
Рис. 30. Рабочий в распираторе
Рассмотрим, как используют некоторые методы разделения смесей.
Процесс фильтрования лежит в основе работы респиратора - устройства, которое защищает легкие человека, работающего в сильно запыленном помещении. В респираторе имеются фильтры, препятствующие попаданию пыли в легкие (рис. 30). Простейший респиратор - повязка из нескольких слоев марли. Фильтр, извлекающий пыль из воздуха, есть и в пылесосе.
С помощью магнита в промышленности обогащают железную руду - магнетит.
Благодаря способности притягиваться к магниту руда отделяется от песка, глины, земли и др. Таким способом извлекают железо из промышленных и бытовых отходов.
Важным методом разделения однородных смесей жидкостей является перегонка, или дистилляция1. Этот метод позволяет очистить природную воду от примесей. Полученную чистую (дистиллированную) воду используют в научно-исследовательских лабораториях, в производстве веществ для современной техники, в медицине для приготовления лекарств.
1 Термин происходит от латинского слова distillatio - стекание каплями.
В промышленности перегонкой нефти (смесь многих веществ, преимущественно - жидкостей) получают бензин, керосин, дизельное горючее.
В лаборатории перегонку осуществляют на специальной установке (рис. 31). При нагревании смеси жидкостей сначала закипает вещество с наиболее низкой температурой кипения. Его пар выходит из сосуда, охлаждается, конденсируется1, и образовавшаяся жидкость стекает в приемник. Когда этого вещества уже не будет в смеси, температура начнет повышаться, и со временем закипает другой жидкий компонент. Нелетучие жидкости остаются в сосуде.
Рис. 31.Лабораторная установка для перегонки:
а - обычная;
1 - смесь жидкостей с разными температурами кипения;
2 - термометр;
3 - водяной холодильник;
4 - приемник
6 - упрощенная
Разделение различных смесей происходит и в природе. Из воздуха оседают частицы пыли, а во время дождя и снега - капельки воды, снежинки. В результате отстаивания мутная вода становится прозрачной. От нерастворимых веществ вода очищается и при прохождении через песок. После испарения воды на берегах лиманов остаются соли, которые были растворены в ней. Из воды, вытекающей из скважины, выделяются растворенные газы.
1 Термин происходит от латинского слова condensatio - сгущение, уплотнение.
Выводы
Каждое вещество содержит примеси. Чистым считают вещество, в котором примесей почти нет.
Смеси веществ бывают однородными и неоднородными. В однородной смеси компоненты невозможно обнаружить наблюдением, а в неоднородной смеси это возможно.
Некоторые физические свойства однородной смеси отличаются от свойств компонентов. В неоднородной смеси свойства компонентов сохраняются.
Неоднородные смеси веществ разделяют отстаиванием, фильтрованием, иногда - действием магнита, а однородные - выпариванием и перегонкой (дистилляцией).
?
29. Какие типы смесей существуют и чем они отличаются?
30. Запишите приведенные слова и словосочетания в соответствующие столбцы помещенной ниже таблицы: алюминий, пепел, газетная бумага, ртуть, воздух, йодная настойка, гранит, лед из чистой воды, углекислый газ, железобетон.
| Чистые вещества | Смеси | |
| однородные | неоднородные | |
31. Назовите несколько продуктов питания, которые являются растворами.
32. Какой популярный напиток в зависимости от способа приготовления бывает однородной или неоднородной смесью?
33. Можно ли водный раствор поваренной соли превратить в неоднород ную смесь? Если можно, то как это сделать?
34. Какие смеси можно разделить фильтрованием: а) смесь песка и глины; б) смесь спирта и медных опилок; в) смесь воды и бензина; г) смесь воды с кусочками пластмассы? Назовите вещества, которые останутся на фильтре.
35. Как бы вы разделили смесь: а) поваренной соли и мела; б) спирта и воды? Какие различия в свойствах веществ дают возможность использовать выбранный вами метод?
36. Продумайте эксперимент по разделению смеси поваренной соли, песка, железных и древесных опилок. Составьте его план, кратко опишите каждый этап эксперимента и расскажите об ожидаемых результатах.
Экспериментируем дома
Отстаивание
В два стакана налейте воды. В один стакан насыпьте 1/2 чайной ложки песка, а в другой - столько же крахмала. Одновременно перемешайте обе смеси. С одинаковой ли скоростью оседают частицы веществ в воде? Если нет, то какие частицы оседают быстрее и почему?
Свои наблюдения запишите в тетрадь.
Разделение смеси трех твердых веществ
Смешайте небольшие количества измельченного пенопласта, песка и поваренной соли.
Какие методы можно использовать для разделения этой смеси?
Разделите смесь 1 . Если необходимо нагревание, осуществляйте его очень осторожно.
Каждый этап эксперимента опишите в тетради.
Попель П. П., Крикля Л. С., Хімія: Підруч. для 7 кл. загальноосвіт. навч. закл. - К.: ВЦ «Академія», 2008. - 136 с.: іл.
Существуют ли абсолютно чистые вещества? Вещества абсолютно чистые, в составе которых нет ни единого постороннего атома или молекулы? В природе таких веществ не существует. Любое вещество содержит определенное количество примесей. Даже хорошо очищенная вода не может считаться чистым веществом, так как в ней растворены кислород, углекислый газ, и другие газы, содержащиеся в воздухе. Все вещества в природе в том или ином виде являются смесями.
Если в веществе содержание посторонних веществ незначительно, то такие вещества условно считают чистыми.
Если из водопроводной воды в значительной мере удалить все растворенные в ней вещества, то такую воду можно считать чистым веществом. Растворимость газов воздуха в воде крайне мала и ею можно пренебречь.
Таким образом, все вещества и материалы в природе можно разделить на индивидуальные вещества и смеси веществ.
Представление о смесях и чистых веществах имели еще древнегреческие ученые. Согласно этим представлениям, чистое вещество состоит из частиц одного вида, а смеси состоят из различных частиц. Итак, чистое вещество состоит из одинаковых молекул, а смеси – из разных.
В смесях веществ свойства отдельных компонентов не меняются.
Смеси, в свою очередь, делят на однородные (гомогенные) и неоднородные (гетерогенные).
– смесь, в которой ее компоненты невозможно различить визуально
– смесь, в которой компоненты смеси можно различить визуально
Гомогенные смеси можно делить по агрегатному состоянию на твердые, жидкие и газообразные. Например, воздух – это гомогенная смесь различных газов. Гомогенными смесями являются сплавы металлов, растворы соли, сахара в воде.
Гетерогенные смеси могут быть различными. Рассмотрим два примера таких смесей. Первая смесь – смесь муки и воды. В данной смеси, после ее перемешивания, частицы муки какое-то время равномерно распределены в воде. Такие смеси называют суспензиями.
Суспензия – гетерогенная смесь, в которой частицы твердого вещества равномерно распределены в жидкости
Вторая смесь состоит из воды и подсолнечного масла. Данные жидкости не смешиваются друг с другом. Но если смесь энергично перемешать, то какое-то время капельки масла будут равномерно распределены в воде. Такие смеси называются эмульсиями.
Эмульсия – гетерогенная смесь, в которой частицы одной жидкости равномерно распределены в другой
Гетерогенные смеси могут состоять и из компонентов, находящихся в одном агрегатном состоянии. Например, смесь песка и древесных опилок – гетерогенная, так как ее компоненты легко различить визуально.
Существует множество способов, при помощи которых смеси веществ можно разделить на отдельные компоненты.
Способы разделения смесей
Действие магнита (магнитная сепарация)
Если в состав смеси входят порошки металлов, обладающих магнитными свойствами, то при помощи магнита эти металлы можно извлечь из смеси. Магнитными свойствами обладают такие металлы как железо, кобальт, никель . Необходимо просто рассыпать смесь по ровной поверхности и провести над ней магнитом. Частицы металла притянутся к магниту.
Отстаивание и декантация
Некоторые смеси можно разделить при помощи отстаивания и последующего сливания слоя жидкости с осевшего вещества (декантации). Данный способ основан на различной плотности веществ. Например, смесь древесных опилок и песка можно разделить при помощи данного метода. Смесь необходимо высыпать в стакан с водой. Тяжелые частицы песка осядут на дно, а легкие опилки будут плавать на поверхности воды. Осторожным сливанием верхнего слоя с опилками смесь будет разделена
Смесь двух твёрдых веществ, сильно различающихся по плотности, удобно разделять, пропуская через неё поток воды. Раньше так выделяли крупинки золота из измельчённой золотоносной породы. Золотоносный песок помещали на наклонный жёлоб, по которому пускали струю воды. Поток воды подхватывал и уносил пустую породу, а тяжёлые крупинки золота оседали на дне жёлоба.
Разделение смеси малорастворимых друг в друге жидкостей можно провести в делительной воронке. Например, смесь бензина и воды или подсолнечного масла и воды. Такие смеси быстро расслаиваются. При помощи делительной воронки нижний слой жидкости можно аккуратно слить, а верхний слой останется в воронке.
Фильтрование
Смеси, содержащие нерастворимые в воде вещества, можно разделить фильтрованием. В лаборатории для фильтрования используют стеклянную воронку, в которую вставлен фильтр - сложенный вчетверо круг фильтровальной бумаги. Фильтровальная бумага, в отличие от обычной, не содержит клеящих веществ, поэтому легко впитывает и пропускает жидкость. Размер пор в ней таков, что позволяет отделять от раствора частицы размером больше 0,01 мм.
Например, смесь из песка и поваренной соли следует всыпать в стакан с водой и хорошо перемешать стеклянной палочкой до полного растворения соли, песок при этом не растворится. Далее песок необходимо отделить от раствора соли, это можно сделать при помощи фильтрования. Фильтром будет служить специальная фильтровальная бумага.
После фильтрования раствора песок остается на бумажном фильтре, а раствор соли будет собран в стакане или колбе.
Фильтрованием легко очистить воду или раствор от попавших туда пылинок и других загрязнений, а также отделить осадок от раствора.
В промышленности в качестве фильтров часто используют ткани. Например, на маслобойных заводах измельчённые семена подсолнечника оборачивают плотной суконной тканью и сжимают между стальными плитами.
Растительное масло проходит через ткань, а внутри остаётся твёрдая масса - жмых.
Выпаривание
Метод выпаривания применяют для выделения растворителя из раствора, концентрирования раствора, кристаллизации растворенных веществ.
Раствор поваренной соли выливают в фарфоровую чашку, помещают в штативное кольцо и нагревают до полного испарения воды.
Перегонка
Способ разделения гомогенных смесей, основанный на различных температурах кипения веществ, называется перегонкой или дистилляцией.
Предположим, необходимо разделить смесь спирта и воды. Ни один из ранее рассмотренных способов не годится для разделения этой смеси.
Спирт и вода имеют различные температуры кипения. Так, вода кипит при +100°С а спирт при +78°С. При нагревании такой смеси спирт закипит раньше и начнет испаряться. Пары спирта поступают в холодильник – трубку, охлаждаемую проточной водой. В холодильнике пары спирта конденсируются в жидкость и собираются в колбе-приемнике. Вода остается в реакционной колбе. Таким образом, можно отделить спирт от воды. Схема установки для перегонки, представлена на рисунке.
- В природе нет абсолютно чистых веществ
- Однородная (гомогенная) смесь – смесь, в которой все ее компоненты находятся в одном агрегатном состоянии
- Неоднородная (гетерогенная) смесь – смесь, в которой компоненты смеси находятся в различных агрегатных состояниях
- Суспензия – гетерогенная смесь, в которой частицы твердого вещества равномерно распределены в жидкости
- Эмульсия – гетерогенная смесь, в которой частицы одной жидкости равномерно распределены в другой
- Основные способы разделения смесей: действие магнита, декантация, фильтрование, выпаривание, перегонка, экстракция
В нашей статье мы рассмотрим, что такое чистые вещества и смеси, способы разделения смесей. В повседневной жизни их использует каждый из нас. А встречаются ли вообще в природе чистые вещества? И как отличить их от смесей?
Чистые вещества и смеси: способы разделения смесей
Чистыми называют вещества, которые содержат частицы только определенного вида. Ученые считают, что в природе их практически не существует, поскольку все они, хоть и в ничтожных долях, содержат примеси. Абсолютно все вещества также являются растворимыми в воде. Даже если погрузить в эту жидкость, к примеру, серебряное кольцо, ионы этого металла перейдут в раствор.
Признаком чистых веществ являются постоянство состава и физических свойств. В процессе их образования происходит изменение количества энергии. Причем она может как увеличиваться, так и уменьшаться. Разделить чистое вещество на отдельные составляющие можно только с помощью химической реакции. К примеру, только дисциллированная вода обладает типичной для этого вещества температурой кипения и замерзания, отсутствием вкуса и запаха. А разложить ее кислород и водород можно только путем электролиза.
А чем отличаются от чистых веществ их совокупности? Ответить на этот вопрос нам поможет химия. Способы разделения смесей являются физическими, поскольку они не приводят к изменению химического состава веществ. В отличие от чистых веществ, смеси имеют непостоянный состав и свойства, а разделить их можно физическими методами.
Что такое смесь
Смесью называют совокупность индивидуальных веществ. Ее примером является морская вода. В отличие от дисциллированной, она обладает горьким или соленым вкусом, кипит при более высокой, а замерзает при более низкой температуре. Способы разделения смесей веществ являются физическими. Так, из морской воды можно добыть чистую соль путем выпаривания и последующей кристаллизации.
Виды смесей
Если добавить в воду сахар, через некоторое время его частички растворятся и станут невидимыми. В результате их невозможно будет отличить невооруженным глазом. Такие смеси называют однородными, или гомогенными. Их примерами также являются воздух, бензин, бульон, духи, сладкая и соленая вода, сплав меди и алюминия. Как видите, могут находиться в разных агрегатных состояниях, но чаще всего встречаются жидкости. Их также называют растворами.
В неоднородных, или гетерогенных смесях можно различить частицы индивидуальных веществ. Железные и деревянные опилки, песок и поваренная соль являются их типичными примерами. Неоднородные смеси также называют взвесями. Среди них различают суспензии и эмульсии. В состав первых входит жидкость и твердое вещество. Так, эмульсией является смесь воды и песка. Эмульсией называют совокупность двух жидкостей с разной плотностью.
Существуют неоднородные смеси и со специальными названиями. Так, примером пены является пенопласт, а к аэрозолям относятся туман, дым, дезодоранты, освежители воздуха, антистатики.
Способы разделения смесей
Безусловно, многие смеси обладают более ценными свойствами, чем отдельно взятые индивидуальные вещества, входящие в их состав. Но даже в быту возникают ситуации, когда их необходимо разделить. А в промышленности на этом процессе основаны целые производства. К примеру, из нефти в результате ее переработки получают бензин, газойль, керосин, мазут, соляровое и машинное масло, ракетное топливо, ацетилен и бензол. Согласитесь, выгоднее использовать эти продукты, чем бездумно сжигать нефть.
Теперь давайте разберемся, существует ли такое понятие, как химические способы разделения смесей. Допустим, из водного раствора соли нам необходимо получить чистые вещества. Для этого смесь необходимо нагреть. В результате вода превратится в пар, а соль кристаллизируется. Но при этом не произойдет превращения одних веществ в другие. Это значит, что основой данного процесса являются физические явления.
Способы разделения смесей зависят от агрегатного состояния, способности к растворимости, разнице в температуре кипения, плотности и состава ее компонентов. Рассмотрим каждый из них более подробно на конкретных примерах.
Фильтрование
Этот способ разделения подходит для смесей, в состав которых входят жидкость и нерастворимое в нем твердое вещество. К примеру, вода и речной песок. Эту смесь необходимо пропустить через фильтр. В результате чистая вода свободно пройдет через него, а песок останется.
Отстаивание
Некоторые способы разделения смесей основаны на действии силы тяжести. Таким образом на можно разложить суспензии и эмульсии. Если в воду попало растительное масло, такую смесь сначала необходимо взболтать. Потом оставьте ее на некоторое время. В результате вода окажется на дне сосуда, а масло в виде пленки будет покрывать ее.
В лабораторных условиях для отстаивания используют В результате ее работы более плотная жидкость сливается в сосуд, а легкая остается.
Отстаивание характеризуется низкой скоростью протекания процесса. Необходимо определенное время, чтобы сформировался осадок. В промышленных условиях этот способ осуществляют в специальных конструкциях, которые называются отстойники.
Действие магнитом
Если в состав смеси входит металл, то ее можно разделить при помощи магнита. К примеру, отделить железные и деревянные опилки. Но все ли металлы обладают такими свойствами? Вовсе нет. Для этого способа подойдут только смеси, содержащие ферромагнетики. Кроме железа к ним относятся никель, кобальт, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий.
Дистилляция
Это название в переводе с латинского языка означает "стекание каплями". Дистилляция представляет способы разделения смесей, основанные на разнице в температурах кипения веществ. Таким образом, даже в домашних условиях можно разделить спирт и воду. Первое вещество начинает испаряться уже при температуре 78 градусов по Цельсию. Касаясь холодной поверхности пары спирта конденсируются, переходя в жидкое состояние.
В промышленности таким способом получают продукты переработки нефти, душистые вещества, чистые металлы.
Выпаривание и кристаллизация
Эти способы разделения смесей подходят для жидких растворов. Вещества, которые входят в их состав, отличаются температурой кипения. Таким образом, можно получить кристаллы соли или сахара из воды, в которой они растворены. Для этого растворы нагревают и выпаривают до насыщеного состояния. В этом случае кристаллы осаждаются. Если же необходимо получить чистую воду, тогда раствор доводят до кипения с последующей конденсацией паров на более холодной поверхности.
Способы разделения газовых смесей
Газообразные смеси разделяют лабораторными и промышленными способами, поскольку этот процесс требует наличия специального оборудования. Сырьем природного происхождения является воздух, коксовый, генераторный, попутный и природный газ, представляющий собой совокупность углеводородов.
Физические способы разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии следующие:
- Конденсация - это процесс постепенного охлаждения смеси, в ходе которого происходит конденсация ее составляющих. При этом в первую очередь в жидкое состоние переходят высококипящие вещества, которые собираются в сепараторах. Таким образом получают водород из а также отделяют аммиак из непрореагировавшей части смеси.
- Сорбирование - это поглощение одних веществ другими. Этот процесс имеет противоположные составляющие, между которыми в ходе реакции устанавливается равновесие. Для прямого и обратного процесса необходимы различные условия. В первом случае это сочетание высокого давления и низкой температуры. Такой процесс называют сорбцией. В обратном случае используют противоположные условия: низкое давление при высокой температуре.
- Мембранное разделение - способ, при котором используют свойство полупроницаемых перегородок избирательно пропускать молекулы различных веществ.
- Дефлегмация - процесс конденсации высококипящих частей смесей в результате их охлаждения. При этом температура перехода в жидкое состояние отдельных компонентов должна отличаться в значительной степени.
Хроматография
Название этого способа можно перевести как "пишу цветом". Представьте, что в воду добавлены чернила. Если опустить в такую смесь конец фильтровальной бумаги, она начнет впитываться. При этом вода будет поглощаться быстрее чернил, что связано с разной степенью сорбируемости этих веществ. Хроматография является не только способом разделения смесей, но и методом изучения таких свойств веществ, как диффузия и растворимость.
Итак, мы познакомились с такими понятиями, как "чистые вещества" и "смеси". Первые представляют собой элементы или соединения, состоящие только из частиц определенного вида. Их примерами являются соль, сахар, дистиллированная вода. Смеси - это совокупность индивидуальных веществ. Для их разделения используют ряд методов. Способ их разделения зависит от физических свойств его составляющих. К основным из них относятся отстаивание, выпаривание, кристаллизация, фильтрование, дистилляция, действие магнитом и хроматография.