§ 13. СМЕСИ И ИХ СОСТАВ

В повседневной жизни мы редко сталкиваемся с чистыми веществами. В качестве немногочисленных примеров чистых веществ можно привести сахар, пер манганат калия (марганцовку), поваренную соль (да и то, если в нее не внесены различные добавки, напри мер, содержащие йод для профилактики заболеваний щитовидной железы) (рис.7). Значительно чаще нас окружают смеси веществ, которые содержат два или более индивидуальных соединения, называемых компонентами смеси.

Рис.7. Сахар (а), перманганат калия (б), соль (в) – примеры
чистых веществ, используемых в быту

Смеси различаются величиной входящих в их состав частиц веществ. Иногда эти частицы бывают довольно крупными: если смешать речной песок с сахарным, вы без труда отличите отдельные кристаллики друг от друга.

Смеси , в которых частички составляющих их веществ видны невооруженным глазом или под микроскопом, называются неоднородными , или гетерогенными . К подобным смесям можно отнести, например, стиральный порошок, кулинарные смеси для выпечки блинов или тортов, строительные смеси.
Есть смеси, при образовании которых вещества дробятся на мельчайшие частицы (молекулы, ионы), не различимые даже в микроскоп. Как бы вы ни всматривались в воздух, различить визуально молекулы составляющих его газов вам не удастся. Бесполезно искать «неоднородность» в растворах уксусной кислоты или поваренной соли в воде. Такие смеси называются однородными , или гомогенными .
Гомогенные смеси, как и химические вещества, по агрегатному состоянию можно разделить на газообразные, жидкие и твердые. Наиболее известными вам природными смесями газов являются воздух, уже знакомые вам природный и попутный нефтяной газы.
Безусловно, самой распространенной на Земле жидкой смесью, а точнее раствором, является вода морей и океанов. В одном литре морской воды в среднем содержится 35 г солей, основная часть из которых приходится на хлорид натрия. В отличие от чистой воды, морская имеет горько-соленый вкус, замерзает не при 0 °С, а при –1,9 °С.
С жидкими смесями в повседневной жизни вы сталкиваетесь постоянно. Шампуни и напитки, микстуры и препараты бытовой химии – все это смеси веществ. Даже
воду из-под крана нельзя считать чистым веществом: в ней содержатся растворенные соли, мельчайшие нерастворимые примеси и микроорганизмы, от которых частично избавляются хлорированием или озонированием. Однако и в этом случае воду рекомендуется кипятить. Специальные бытовые фильтры помогут сделать воду пригодной для питья и очистить ее не только от твердых частиц, но и от некоторых растворенных примесей. Широко распространены и твердые смеси. Как мы уже говорили, горные породы представляют собой смесь нескольких веществ. Почва, глина, песок – это тоже смеси. К твердым искусственным смесям можно отнести стекло, керамику, сплавы. Каждому знакомы кулинарные смеси или смеси, образующие стиральные порошки.
Как вам известно из биологии, состав воздуха, который мы вдыхаем и затем выдыхаем, неодинаков. В выдыхаемом воздухе становится меньше кислорода, зато больше углекислого газа и водяного пара. Но «больше» и «меньше» – понятия относительные.
Состав смесей можно выразить количественно, т.е. в цифрах. Состав газовой смеси выражают объемной долей каждого из ее компонентов.
Объемной долей газа в смеси называют отношение объема данного газа к общему объему смеси, выраженное в долях единицы или процентах.
ϕ(газа) = V ( газа ) х 100 (%). V ( смеси )
Объемную долю газа в смеси обозначают буквой ϕ (фи). Эта величина показывает, какую часть общего объема смеси занимает конкретный газ. Например, вы знаете, что объемная доля кислорода в воздухе составляет 21 %, азота – 78 %. Оставшийся 1 % приходится на благородные газы, углекислый газ и другие компоненты воздуха.
Очевидно, что сумма объемных долей всех газов в смеси равна 100 %.
Состав жидких и твердых смесей принято выражать величиной, которая называется массовой долей компонента.
Массовой долей вещества в смеси называют отношение массы данного вещества к общей массе смеси, выраженное в долях единицы или процентах.
ω(вещества) = m (в-ва) х 100 (%). m ( смеси )

Практически любая таблетка в домашней аптечке – это спрессованная смесь одного или нескольких лекарственных веществ и наполнителя, в качестве которого могут выступать гипс, крахмал, глюкоза. Строительные и кулинарные смеси, парфюмерные композиции и краски, удобрения и пластмассы имеют состав, который может быть выражен в массовых долях образующих их компонентов.
Вещества с примесями – это тоже смеси. Только в таких смесях принято выделять главное (основное) вещество, а посторонние компоненты называют одним словом – примеси. Чем их меньше, тем чище вещество.

В некоторых областях техники использование недостаточно чистых веществ недопустимо. В атомной энергетике предъявляются повышенные требования не только к чистоте ядерного топлива, но и к веществам, из которых сделаны сами установки. Микросхему компьютера не сделать без особо чистого кристалла кремния. Световой сигнал в стекловолоконном кабеле, «наткнувшись» на посторонние примеси, «погаснет».
Чтобы разделить компоненты смеси или очистить основное вещество от примесей, используют различные приемы и методы. Как правило, вещества в смеси сохраняют свои физические свойства: температуру кипения, температуру плавления, растворимость в различных растворителях. Поскольку свойства одного вещества отличаются
от свойств другого, существует возможность разделения смеси на отдельные компоненты. Часто используют переход веществ из одного агрегатного состояния в другое.
Разделение смесей жидких веществ основано на различии в их температурах кипения. Такой процесс, как вы знаете на примере переработки нефти, называют ректификацией, или перегонкой. Вы уже знаете, что любые газы смешиваются в любых соотношениях. А можно ли из смеси газов выделить отдельные компоненты? Задача не из простых. Но ученые предложили очень эффектное решение. Смесь газов можно превратить в жидкость и подвергнуть ее перегонке. Например, воздух при сильном охлаждении и сжатии сжижают, а затем позволяют выкипать одному за другим отдельным компонентам, поскольку они имеют различные температуры кипения. Первым из
жидкого воздуха испаряется азот, у него самая низкая температура кипения (–196 °С). Затем из жидкой смеси кислорода и аргона можно удалить аргон (–186 °С).
Остается практически чистый кислород (его температура кипения –183 °С, рис. 8), который вполне годится для газовой сварки, химического производства, а также для медицинских целей.
Перегонку используют не только для разделения смесей на отдельные компоненты, но и для очистки веществ.
Вода из-под крана чиста, прозрачна, не имеет запаха… Но чистое ли это вещество с точки зрения химика? Загляните в чайник: накипь и коричневатый налет остаются в
результате многократного кипячения в нем воды. А известковый налет на кранах? И природная, и водопроводная вода – это смесь, раствор твердых и газообразных веществ.

Рис. 8. В жидком виде
кислород окрашен в светло-
голубой цвет

Конечно, их содержание в воде очень мало, но эти примеси могут привести не только к образованию накипи, но и к более серьезным последствиям. Не случайно лекарства для инъекций, растворы реактивов, электролит для автомобильного аккумулятора готовят только с использованием очищенной воды, называемой дистиллированной.
Откуда взялось такое название? Все дело в том, что перегонку по-другому называют дистилляцией. Сущность дистилляции состоит в том, что смесь нагревают до кипения, образующиеся пары чистого вещества отводят, охлаждают и вновь превращают в жидкость. Но она уже не содержит загрязняющих примесей.
В лабораторных условиях перегонку ведут на специальной установке (рис. 9). В перегонную колбу, снабженную термометром, наливают разделяемую смесь, например воду с растворенными в ней веществами, и нагревают до кипения. Колба соединена с нисходящим холодильником – устройством для конденсации паров кипящего вещества. С этой целью в рубашку холодильника по резиновым шлангам подается холодная вода. Сконденсированные в холодильнике капли чистого вещества попадают в колбу-приемник.

Рис. 9. Лабораторная установка для перегонки жидкостей:
1 – перегонная колба; 2 – термометр; 3 – холодильник;
4 – приемник

Как поступить, если требуется выделить из раствора не жидкость, а растворенное в ней твердое вещество? Для этого используют метод кристаллизации. Выделить твердое вещество из раствора методом кристаллизации можно выпариванием растворителя. Для этого предназначены специальные фарфоровые чашки (рис. 10).

Рис. 10. Выпаривание
раствора в фарфоровой
чашке

Этот способ широко применяется для добычи соли из концентрированных растворов соляных озер.
Кругом полынь и привкус хины,
И, крепким натром солона,
Цветную от лучей равнину
Чуть лижет ровная волна.
Н.Ушаков
В природе соляные озера – это своеобразные гигантские чаши. За счет испарения воды на берегах таких озер кристаллизуется огромное количество соли, которая после очистки попадает к нам на стол (рис. 11).

Рис. 11. Добыча соли на соляных озерах
При проведении кристаллизации не обязательно испарять растворитель. Известно, что при нагревании растворимость большинства твердых веществ в воде увеличивается, при охлаждении насыщенного при нагревании раствора некоторое количество кристаллов выпадет в осадок.
Л а б о р а т о р н ы й о п ы т. К 5 г оранжевых кристаллов дихромата калия добавляют несколько кристалликов перманганата калия (марганцовки) в качестве примеси. Смесь растворяют в 8–10 мл кипящей воды. При охлаждении раствора растворимость дихромата калия резко понижается, вещество выпадает в осадок. Кристаллы очищенного от марганцовки дихромата отделяют, промывают несколькими миллилитрами ледяной воды. Если растворить очищенное вещество в воде, то по цвету раствора можно определить, что перманганата калия оно не содержит, он остался в исходном растворе.
Для выделения из жидкостей нерастворимых веществ используют метод отстаивания . В его основе лежит различная плотность веществ. Если частички твердого вещества достаточно крупные, они быстро оседают на дно, а жидкость становится прозрачной (рис. 12). Ее можно осторожно слить с осадка. Чем меньше размер твердых частиц в жидкости, тем дольше будет отстаиваться смесь.

Рис. 12. Отстаивание почвы в воде

Л а б о р а т о р н ы й о п ы т. В стеклянный стакан насыпьте немного порошка для чистки посуды и налейте полстакана воды. Образуется мутная смесь.
Жидкость станет прозрачной только на следующий день. Почему эта смесь отстаивается так долго? Отстаиванием разделяют и смеси двух нерастворимых друг в друге жидкостей. Если в систему смазки автомобиля попала вода, масло придется слить. Однако через некоторое время смесь расслоится. Вода, имеющая бóльшую плотность, образует нижний слой, сверху находится слой масла. Аналогично отстаивается смесь воды и нефти, воды и растительного масла.

Для разделения таких смесей удобно пользоваться
особой лабораторной посудой, называемой делительной воронкой (рис. 13).

Рис. 13. Разделение двух несмешивающихся жидкостей с помощью делительной воронки
Л а б о р а т о р н ы й о п ы т. В коническую колбу наливают равные объемы воды и растительного масла. При интенсивном взбалтывании вода и масло разбиваются на мелкие капельки, образуя мутную смесь. Ее переливают в делительную воронку. Через некоторое время смесь расслаивается на более тяжелый водный слой и масло, всплывающее наверх. Открывая краник делительной воронки, водный слой отделяют от масляного.
Отделить частицы твердого нерастворимого вещества от жидкости можно с помощью фильтрования. В лаборатории для этого используется специальная пористая бумага, называемая фильтровальной. Частицы твердого вещества не проходят через поры бумаги и остаются на фильтре. Жидкость с растворенными в ней веществами (ее называют фильтрат) свободно просачивается через него и становится совершенно прозрачной.
Фильтрование – очень распространенный процесс и в быту, и в технике, и в природе. На водоочистительных станциях воду фильтруют через слой чистого песка, на котором задерживается ил, примеси нефтепродуктов, частицы почвы и глины. Топливо и масло в двигателе автомобиля обязательно проходят через фильтрующие элементы. Клеточные мембраны, стенки кишечника или желудка – это тоже своеобразные биологические фильтры, поры которых пропускают одни вещества и задерживают другие.
Фильтровать можно не только жидкие смеси. Не раз вы видели людей в марлевых повязках, да и самим, наверное, приходилось ими пользоваться. Несколько слоев марли с проложенной между ними ватой очищают вдыхаемый воздух от частиц пыли, смога, болезнетворных микробов (рис. 14). В промышленности для защиты органов дыхания от пыли используют специальные устройства, называемые респираторами. Воздух, попадающий в двигатель автомобиля, тоже очищают от пыли тканевыми или бумажными фильтрами.

Рис. 14. Медики и микробиологи защищают органы дыхания специальными повязками.

? 1. Что такое смесь? Какие типы смесей выделяют по агрегатному состоянию образующих их веществ, по признаку однородности?
2. Корректно ли словосочетание «молекулы воздуха»? Почему? Назовите постоянные, переменные и случайные составные части воздуха. Сделайте предположение об относительном содержании отдельных компонентов в воздухе после грозы, в глубоких ущельях и на горных вершинах, в лесопарковой зоне и вблизи крупного промышленного предприятия.

3. Какой объем кислорода содержится в 500 м3 (н.у.) воздуха?
4. В природном газе некоторого месторождения объемные доли предельных углеводородов равны: метан – 85 %, этан – 10 %, пропан – 4 % и бутан – 1 %. Какой объем каждого из газов может быть получен из 125 л природного газа (н.у.)?
5. В состав сухой цементной смеси для штукатурных работ входят 25 % цемента и 75 % песка. Сколько килограммов каждого компонента нужно взять для приготовления 150 кг такой смеси?
6. Назовите известные вам способы разделения смесей. Что лежит в основе каждого из них? Предложите способ разделения следующих смесей:
а) железных и медных стружек;
б) песка и древесных опилок;
в) бензина и воды;
г) меловой побелки (разделить на мел и воду);
д) раствора этилового спирта в воде.
7. В период эпидемии гриппа врачи рекомендуют носить марлевые повязки. Для чего? Как изготовить такую повязку? Как долго ее можно носить? Как восстановить защитные свойства повязки?
8. Старатели отделяли золотой песок от обыкновенного, взмучивая грунт в воде и сливая мутную жидкость с осадка. Отсюда и пошло выражение «мыть золото». Как вы думаете, на каком свойстве золотого песка основано его отделение от песчинок пустой породы?
9. Подготовьте сообщения на темы: «Краски в руках художника» и «Знаменитые парфюмеры" с использованием ресурсов Интернета.

Чистое вещество имеет определенный постоянный состав или структуру (соль, сахар).

Чистое вещество может быть элементом или соединением .

Атом - это наименьшая частица элемента, сохраняющая все его свойства . Химический элемент состоит из атомов одного вида. В элементе все атомы одинаковы и имеют одинаковое число протонов. Элементы - это, своего рода, "строительные блоки" любого вещества. Можно привести строительную аналогию:

Стройматериалы (кирпич, бетон, песок…) - это элементы
Строительные конструкции (дома, мосты, дороги…) - это вещество

2. Соединения элементов

Соединение состоит, как минимум, из двух элементов. Все та же вода состоит из соединения двух элементов водорода и одного элемента кислорода - H 2 O. Другими словами, соединив эти два элемента таким образом, мы получим воду и только воду!

Несмотря на то, что вода состоит из элементов водорода и кислорода, ее химические и физические свойства отличаются от свойств чистого водорода и кислорода.

Чтобы "разделить" воду на водород и кислород, необходимо произвести химическую реакцию.

3. Смеси

Смеси - это физические сочетания чистых веществ, не имеющие определенного или чистого состава.

Примером смеси может служить обыкновенный чай (напиток), который многие самостоятельно готовят и пьют по утрам. Кто-то любит крепкий чай (большое кол-во заварки), кто-то любит сладкий чай (большое кол-во сахара)… Как видим, смесь под названием "чай" всегда получается немного разной, хотя и состоит из одних и тех же компонентов (ингредиентов). Однако, следует отметить, что каждый компонент смеси сохраняет набор своих характеристик, поэтому, разные вещества можно выделить из смеси. Например, можно без особого труда разделить смесь из соли и песка. Для этого достаточно поместить смесь в воду, подождать пока соль растворится и отфильтровать полученный раствор. В результате получим чистый песок.

Смеси могут быть однородными и неоднородными.

В однородной смеси нельзя обнаружить частицы веществ, из которых состоит смесь. Пробы, взятые в разных местах такой смеси будут одинаковы (например, сладкий чай, в котором полностью растворился насыпанный сахар).

Однако, если в стакане с чаем сахар растворится не полностью, то мы получим неоднородную смесь. Действительно, если попробовать такой чай, то с поверхности он будет не таким сладким, как со дна, т.к. концентрация сахара будет разной.

РАЗДЕЛ И. ОБЩАЯ ХИМИЯ

6. Смеси веществ. Растворы

6.2. Смеси, их типы, названия, состав, методы разделения

Смеси - это совокупность различных веществ, из которых может складываться одно физическое тело. Каждое вещество, что содержится в смеси, называют компонентом. При смешивании новое вещество не возникает. Все вещества, которые входят в состав смеси, сохраняют присущие им свойства. Но физические свойства смеси, как правило, отличаются от физических свойств отдельных компонентов. Смеси бывают однородными и неоднородными.

Однородные (гомогенные) смеси - это смеси, в которых компоненты смешаны на молекулярном уровне (однофазный материал); их невозможно обнаружить при рассматривании невооруженным глазом и даже при использовании мощных оптических приборов. Например, водные растворы сахара, поваренной соли, спирта, уксусной кислоты, металлические сплавы, воздух.

Неоднородные (гетерогенные) смеси формируют так называемые дисперсные системы. Они образуются при смешивании двух и более веществ, которые не растворяются друг в друге (не образуют однородных систем) и не реагируют химически. Компоненты дисперсных систем называют дисперсионным средой и дисперсной фазой; между ними существует поверхность раздела.

По размеру частиц дисперсной фазы системы разделяют на:

Грубодисперсные (> 10 -5 м);

Мікрогетерогенні (10 -7 -10 -5 м);

Ультрамікрогетерогенні (10 -9 -10 -7 м), или золи (коллоидные системы) 1 .

Если частицы дисперсной фазы имеют одинаковый размер, системы называют монодисперсними; если разный - полідисперсними (таковыми являются практически все природные системы). В зависимости от агрегатного состояния дисперсионной среды и дисперсной фазы, различают такие простые дисперсные системы:

* Газы образуют однородные смеси (газообразные растворы).

** Пористые тела по размеру полостей разделяют на:

Микропористые (2 нм);

Лезопористі (2-50 нм);

Макропористые (> 50 нм).

Смеси разделяют с помощью физических методов. Для разделения неоднородных смесей используют отстаивание, фильтрование, флотацию и иногда действие магнита.

Для разделения однородных смесей используют выпаривание и перегонку (дистилляцию).

_____________________________________________________________

1 Если размеры частиц дисперсной фазы не превышают размеров молекул или ионов (до 1 нм), такие системы называют истинными растворами.