Чистые вещества и смеси

В окружающем нас мире нет абсолютно чистых химических соединений. Обычно нас окружают смеси различных веществ. Так, смесями являются воздух, морская вода, газированные напитки, фруктовые соки, нефть, бензин, лекарства, молоко и даже оконное стекло и металлы.

Чистыми веществами называются вещества, которые физическими методами не разделяются на два или более других веществ и не изменяют своих физических свойств.

Постоянные физические свойства имеют только чистые вещества. Так, только чистая дистиллированная вода имеет t_плавл. = 0 °С и t_кип. = 100 °С. Если вы возьмёте морскую воду, то она замерзает при более низкой, а закипает при более высокой температуре, чем вода дистиллированная. Дело в том, что морская вода содержит множество других веществ (растворенных солей), т.е. она представляет собой смесь различных веществ, и состав этой смеси меняется в широких пределах. Так, вода Чёрного моря содержит больше растворённых солей по сравнению с водой Балтийского моря и поэтому кипит при более высокой температуре. Свойства смесей не являются постоянными. Так, нефть не имеет определённой температуры кипения и выкипает в широком интервале температур — от 40 до 450 °С. Это связано с тем, что нефть — не индивидуальное вещество, а смесь тысяч различных веществ, каждое из которых характеризуется своими свойствами.

Смеси веществ делятся на гомогенные (однородные) и гетерогенные (неоднородные). В гомогенных смесях составные части нельзя обнаружить ни визуально, ни с помощью оптических приборов, поскольку вещества находятся в раздробленном до молекулярного уровня состоянии. Гомогенными смесями являются смеси любых газов (например, воздух или азотноводородная смесь в синтезе аммиака), истинные растворы (раствор сахара или спирта в воде), а также сплавы.

В гетерогенных смесях либо визуально, либо с помощью оптических приборов можно различить включения или агрегаты разных веществ, разграниченные поверхностью раздела; каждая из этих областей называется фазой. Так, в граните можно невооружённым глазом заметить и красноватые зёрна полевого шпата, и тёмные чешуйки слюды, и бесцветные кристаллики кварца. Кажущееся нам однородным молоко под микроскопом ясно показывает свою сложную природу — в нём становятся видными мельчайшие капельки жира.

В таблице 3 приведены некоторые характерные примеры гомогенных и гетерогенных смесей.

Таблица 3

Примеры возможных смесей веществ в разных агрегатных состояниях

Агрегатное состояние составных частей	Гомогенная смесь	Гетерогенная смесь
Твёрдое — твёрдое	Сплавы (например, нихром, бронза, латунь)	Горные породы (например, гранит, глина, бокситы)
Твёрдое — жидкое	Жидкие растворы (например, водные растворы солей)	Суспензии или взвеси (например, частицы глины в воде)
Твёрдое — газообразное		Аэрозоли, в том числе дым, пыль, смог
Жидкое — жидкое	Жидкие растворы (например, уксус - раствор уксусной кислоты в воде)	Эмульсии (например, молоко - капли жидкого жира в воде)
Жидкое — газообразное	Жидкие растворы (например, раствор кислорода в воде)	Аэрозоли (в том числе туманы)
Газообразное — газообразное	Газовые растворы (например, воздух)

С помощью физических методов разделения можно провести разделение смесей на их составные части, то есть на чистые вещества. В таблице 4 приведены некоторые из известных физических методов разделения смесей веществ, используемых в химии и химической технологии.

Таблица 4

Методы разделения смесей веществ

Агрегатное состояние составных частей смеси	Физическое свойство, используемое для разделения	Метод разделения
Твёрдое — твёрдое	Плотность	Отстаивание, седиментация, пенная флотация, просеивание, экстракция, магнитная сепарация
	Смачиваемость
	Размер частиц
	Растворимость
	Магнетизм
Твёрдое — жидкое	Плотность Температура кипения жидкости Размер частиц Растворимость твердого вещества	Седиментация, декантация (сливание жидкости с осадка), центрифугирование Выпаривание, дистилляция, осушка Фильтрование Кристаллизация
Жидкое — жидкое	Плотность Температура кипения Растворимость	Отстаивание, центрифугирование Дистилляция Экстракция

Как видно, все эти способы основаны на различиях в физических свойствах компонентов смеси.

Отстаивание применяют для разделения неоднородной смеси двух нерастворимых веществ, обладающих различной плотностью. Частицы вещества с большей плотностью постепенно оседают на дно, в то время как другое вещество собирается на поверхности или оказывается равномерно распределённым в толще воды. Отстаиванием можно разделить и две несмешивающиеся жидкости, например бензин и воду или воду и растительное масло. В лаборатории для этих целей используют делительную воронку.

Фильтрование используют для очистки жидкости от нерастворимых в ней веществ. Жидкость постепенно просачивается через фильтр, а частички примесей задерживаются на нём. В качестве фильтра используют фильтровальную бумагу, плотную ткань, специальные фильтровальные устройства.

Вам, конечно же, знакомы бытовые фильтры для очистки воды самой различной конструкции (рис. 15).

Использование этих фильтров позволяет значительно улучшить качество водопроводной воды.

В химической лаборатории для фильтрования используют обычно стеклянные фильтровальные воронки (рис. 16).

Фильтруемую смесь очень осторожно, по стеклянной палочке, выливают на фильтр, вставленный в фильтровальную воронку. Проходя через поры в фильтровальной бумаге, вода очищается от твёрдых частичек примесей.

Выпаривание применяют для выделения твёрдых веществ из раствора.

В процессе выпаривания жидкость помещают обычно в фарфоровую чашку (рис. 17), устанавливают её на кольце лабораторного штатива и нагревают до кипения на пламени горелки или на водяной бане. Часто выпаривание сочетают с кристаллизацией, основанной на различной растворимости веществ при разных температурах.

Дистилляция (ректификация) основана на различии в температурах кипения компонентов смеси. В лаборатории метод дистилляции используют для получения очищенной (дистиллированной) воды. Для этого воду перегоняют в установке, состоящей из нагреваемой колбы, снабжённой термометром, холодильника для конденсации водяных паров и приёмника очищенной воды (рис. 18).

Отметим, что дистилляцию как способ разделения смесей, использовали уже алхимики в Средние века. Вот, к примеру, как выглядела алхимическая установка для пергонки жидкостей (рис. 19).

Основными частями этой установки являются также нагреваемый сосуд (перегонный куб), холодильник и приёмник.

Экстракцию применяют в тех случаях, когда вещество лучше растворяется в органических растворителях по сравнению с водой. Если долго встряхивать сосуд, в котором смешаны аптечная йодная настойка и бензол С₆Н₆, то через некоторое время окраска водного раствора иода побледнеет, а бензольный слой окрасится в фиолетовый слой, характерный для молекулярного иода. В данном опыте произошла экстракция иода из водной фазы в бензольную, т. к. растворимость иода в С_бН_б значительно превышает растворимость иода в воде.

Методом экстракции извлекают различные ароматические, а также растительные масла из природного сырья.

Особым методом разделения компонентов, основанным на различной поглощаемости их определенным веществом (адсорбентом), является хроматография. С помощью хроматографии русский ботаник М.С. Цвет впервые выделил хлорофилл из зеленых частей растений. В промышленности и лабораториях в качестве адсорбента для хроматографии используют силикагель, уголь, оксид алюминия.

Современные хроматографы проводят химический анализ и разделение смесей в автоматическом режиме. На схеме приведена типичная хроматограмма промышленной пропан-бутановой смеси. Хроматограмма содержит несколько пиков, указывающих на присутствие в смеси 5 различных углеводородов — метана, этана, пропана, изобутана и бутана на рисунке (рис. 20).

Самый интенсивный пик отвечает пропану, — следовательно, его в смеси больше всего. Затем по убывающей следуют бутан, изобутан, этан и метан (метана в этой смеси меньше всего). Цифры вверху хроматограммы показывают время, через которое отдельные компоненты смеси выходят из хроматографа в процессе разделения. Видно, что метан выходит из хроматографа уже через 2,5 минуты (маленькие и симметричные молекулы метана очень плохо поглощаются поверхностью сорбента), бутан — только на пятой минуте (большие несимметричные молекулы бутана хорошо сорбируются). Это позволяет эффективно разделять подобные смеси газов.

В практике химических лабораторий, в фармакологии и в промышленности используют химические вещества различной степени очистки. Химики используют следующую классификацию веществ по степени их очистки:

— “техн.” — препарат технический, не прошедший необходимой очистки, содержание примесей в нём больше 2%;

— “ч.” — препарат категории “чистый”, прошёл предварительную очистку, содержание примесей меньше 2%;

— “ч.д.а.” — препарат квалификации “чистый для анализа”, содержание примесей до 1%;

— “х.ч.” — препарат “химически чистый”, с наивысшей возможной степенью очистки при данном уровне развития науки и техники, содержание примесей, как правило, не превышает 10^_1%;

— “о.с.ч.” — препарат особой степени чистоты, содержание примесей в таких препаратах строго регламентируется и обычно не превышает 10~⁵%.

Данные о содержании примесей приводятся на этикетке химического реактива.

На этикетке приводится также содержание в реактиве основных загрязнителей — нерастворимых и растворимых в воде, например, для сульфата железа это — соединения мышьяка, меди, цинка и др.

В практике химических лабораторий используют обычно препараты категорий “ч.” и “ч.д.а.”, химические чистые препараты стоят существенно дороже и применяются в специальных целях.

Задания

Часть 1

К каждому из заданий части 1 даны 4 варианта ответа, из которых только один правильный.

1. Чистым веществом является

1) минеральная вода

2) морская вода

3) дистиллированная вода

4) родниковая вода

2. Чистым веществом является

1) озонированный кислород

2) воздух

3) кислород

4) газированная вода

3. К чистым веществам не относится

1) водород

2) воздух

3) серебро

4) дистиллированная вода

4. К чистым веществам не относится

1) медь .

2) олово .

3) сталь

4) цинк

5. Метод очистки веществ, основанный на их различной поглощаемости поверхностью некоторых веществ, называется

1) дистилляци.

2) сепарация

3) центрифугирование

4) хроматография

6. Верны ли следующие суждения о способах разделения смесей?

А. Ректификация основана на различии в температурах кипения компонентов смеси.

Б. Смесь железных опилок и серы можно разделить с помощью магнита.

1) верно только А

2) верно только Б

3) верны оба суждения

4) оба суждения неверны

7. Для разделения смеси серы и железа необходимо

1) нагреть смесь до плавления серы и отфильтровать её

2) использовать центрифугирование

3) воспользоваться действием магнита

4) окислить сначала железо кислородом

8. Для разделения смеси воды и керосина необходимо

1) нагреть смесь до полного выкипания воды

2) использовать центрифугирование

3) воспользоваться действием магнита

4) использовать метод отстаивания

9. Для очистки воды от примесей речного песка можно воспользоваться

1) хроматографическим методом

2) фильтрованием

3) экстракцией

4) пенной флотацией

10. Для разделения смеси SiO₂ и железа необходимо

1) нагреть смесь до плавления SiО₂и отфильтровать его

2) использовать центрифугирование

3) воспользоваться действием магнита

4) растворить сначала SiO₂ в воде

11. Для очистки воды от примесей сахара можно воспользоваться

1) выпариванием с последующей конденсацией водяных паров

2) фильтрованием с последующей кристаллизацией

3) центрифугированием

4) пенной флотацией

12. Верны ли следующие суждения о способах разделения смесей?

А. Отстаивание применяют для разделения неоднородной смеси двух нерастворимых веществ, обладающих различной плотностью.

Б. Иод можно выделить из водной фазы экстракцией.

1) верно только А

2) верно только Б

3) верны оба суждения

4) оба суждения неверны

13. Верны ли следующие суждения о способах разделения смесей?

А. Фильтрование используют для очистки жидкости от нерастворимых в ней веществ.

Б. Иод можно выделить из водной фазы центрифугированием.

1) верно только А

2) верно только Б

3) верны оба суждения

4) оба суждения неверны

14. Верны ли следующие суждения о способах разделения смесей?

А. Фильтрование используют для очистки жидкости от растворимых в ней веществ.

Б. Смесь серной кислоты и воды можно разделить отстаиванием.

1) верно только А

2) верно только Б

3) верны оба суждения

4) оба суждения неверны

15. В отличие от железа сталь

1) не притягивается к магниту

2) содержит несколько веществ

3) является простым веществом

4) является сложным веществом