§ 12. Состав вещества. Смеси

Определения и обозначения

Чистое вещество — вещество с постоянным составом и характерными свойствами. Оно состоит из частиц одного вида: например, образец чистой воды содержит молекулы H₂O. Это понятие помогает отличать само вещество от его смеси с другими веществами и задавать состав с помощью химической формулы.

Смесь — система из нескольких веществ, которые сохраняют свои свойства. В отличие от чистого вещества, смесь может иметь разный состав: например, в разных порциях воздуха соотношение газов немного различается. Понятие смеси нужно, чтобы описывать материалы, состоящие из нескольких компонентов, и выбирать способ их разделения.

Массовая доля элемента — отношение массы данного элемента к массе всего вещества; её обозначают греческой буквой ω. Долю записывают числом от 0 до 1 или в процентах: например, 0,25 соответствует 25%. Она показывает, какая часть массы сложного вещества приходится на выбранный элемент.

Массовая доля компонента смеси — отношение массы компонента к общей массе смеси. Её находят по формуле ω = m(компонента) / m(смеси). Такое отношение позволяет сравнивать состав порций смеси разной массы и выражать содержание компонента как долей или в процентах.

Как это устроено

Химическая формула показывает, какие элементы входят в частицу вещества и сколько атомов каждого элемента в ней содержится. Индекс справа от символа указывает число атомов, а отсутствие индекса означает один атом. Например, в H₂O находятся два атома водорода и один атом кислорода. Если известны относительные атомные массы, можно умножить массу каждого атома на число таких атомов и сравнить полученные суммы.

Массовую долю элемента считают по относительным атомным массам, потому что они позволяют сравнить массы атомов без взвешивания отдельных частиц. Сначала по формуле находят относительную молекулярную или формульную массу вещества, учитывая все индексы. Затем складывают относительные массы атомов выбранного элемента и делят эту сумму на общую массу частицы. Так расчёт учитывает, что лёгкий и тяжёлый атомы вносят в массу вещества неодинаковый вклад.

В однородной смеси компоненты распределены равномерно, поэтому состав любой её небольшой порции примерно одинаков. Границы между компонентами не видны невооружённым глазом: таковы, например, раствор соли в воде и воздух. В неоднородной смеси распределение неравномерно или можно различить отдельные части, как песок в воде. Различие важно для выбора метода: смесь, в которой частицы заметно отличаются по размеру, можно попытаться разделить фильтрованием.

Метод разделения выбирают по физическим свойствам компонентов, потому что эти свойства позволяют выделить один компонент, не меняя его химический состав. Растворимость помогает отделить растворимое вещество от нерастворимого: соль можно растворить в воде, а песок — отфильтровать. Размер частиц тоже используют при фильтровании, а различие температур кипения — при испарении или перегонке жидкостей. Магнитные свойства позволяют извлечь железные опилки магнитом.

Разделение смеси не является химической реакцией, поскольку при нём компоненты не превращаются в другие вещества. Меняются только их взаимное расположение или агрегатное состояние, например вода испаряется, а затем может сконденсироваться. Соль, песок и железо после разделения сохраняют свой химический состав и характерные свойства. Поэтому способ разделения называют физическим, если он основан на физических свойствах компонентов.

Состав вещества и смеси

Сначала определите, о чём идёт речь: о составе чистого вещества или о соотношении компонентов смеси. Для массовой доли элемента нужны химическая формула и относительные атомные массы, а для доли компонента смеси — массы компонента и всей смеси. Последние строки таблицы помогают связать свойства смеси с подходящим способом разделения.

Разбор задач

Массовая доля кислорода в воде

Условие. Вычислите массовую долю кислорода в воде H₂O. В формуле есть один атом кислорода и два атома водорода, поэтому при расчёте общей относительной массы нужно учесть все три атома. Используем Ar(H) = 1 и Ar(O) = 16.

1. Найдём относительную молекулярную массу воды: Mr(H₂O) = 2 · 1 + 16 = 18. Два перед единицей появляются из индекса 2 у водорода.
2. Определим, какая относительная масса приходится на кислород: в молекуле один атом O, поэтому его вклад равен 16. Индекса у кислорода нет, значит, учитываем один атом.
3. Разделим вклад кислорода на массу всей молекулы: ω(O) = 16 / 18 ≈ 0,889. Чтобы выразить долю в процентах, умножим её на 100%.

Ответ: массовая доля кислорода в воде равна примерно 0,889, или 88,9%. Проверка: доля кислорода меньше 1, поскольку в молекуле есть также водород. Значение, близкое к 89%, разумно, потому что атом кислорода значительно тяжелее атома водорода.

Массовая доля соли в смеси

Условие. В смеси массой 200 г содержится 30 г соли. Найдите массовую долю соли в смеси. Здесь не требуется химическая формула соли: известны масса компонента и масса всей смеси. Поэтому применяем отношение масс, а не расчёт по относительным атомным массам.

1. Запишем величины: m(соли) = 30 г, m(смеси) = 200 г. Убедимся, что обе массы выражены в одинаковых единицах.
2. Подставим их в формулу массовой доли компонента: ω(соли) = 30 / 200 = 0,15. Единицы граммов сокращаются, поэтому доля не имеет единиц измерения.
3. Переведём долю в проценты: 0,15 · 100% = 15%. Это означает, что в каждых 100 г такой смеси приходится 15 г соли.

Ответ: ω(соли) = 0,15, или 15%. Проверка: масса соли меньше массы смеси, поэтому доля должна быть меньше единицы. Число 15% соответствует 30 г из 200 г, так как 200 · 0,15 = 30.

Разделение смеси железа, песка и соли

Условие. Предложите способ разделить смесь железных опилок, песка и поваренной соли. Нужно подобрать последовательность, используя свойства каждого вещества. Железо притягивается магнитом, соль растворяется в воде, а песок в воде не растворяется.

1. Поднесём магнит к сухой смеси и соберём железные опилки. Это действие основано на магнитных свойствах железа; соль и песок магнитом не извлекаются.
2. К оставшейся смеси добавим воду и перемешаем. Соль перейдёт в раствор, а песок останется твёрдым, поэтому смесь можно пропустить через фильтр.
3. Песок останется на фильтре, а раствор соли пройдёт через него. Чтобы получить соль, выпарим воду из раствора; вода перейдёт в пар, а соль останется в сосуде.

Ответ: магнитное отделение железа, растворение соли, фильтрование песка и выпаривание воды. Порядок действий помогает не смешивать извлечённые компоненты повторно. Это физическое разделение: железо, песок и соль не превращаются в новые вещества.

Типичные ошибки

Первая ошибка — путать массовую долю элемента в веществе с массовой долей компонента смеси. Это происходит потому, что обе величины обозначают буквой ω и находят как отношение масс, но данные для них разные. Для элемента используют формулу и относительные атомные массы, а для компонента смеси — массу компонента и массу всей смеси. Перед расчётом проверьте, к какому объекту относится вопрос.

При расчёте доли элемента иногда учитывают только один его атом, хотя индекс показывает их число. Например, в H₂O два атома водорода, поэтому их общий вклад равен 2 · Ar(H), а не только Ar(H). Такая ошибка возникает, если читать символ элемента, не проверяя индекс. Сверьте число учтённых атомов с индексами в формуле.

Можно правильно найти долю, но забыть умножить её на 100%, когда ответ просят в процентах. Тогда число 0,15 ошибочно выдают за 0,15%, хотя оно соответствует 15%. Проверка проста: при переводе доли в проценты число должно увеличиться в 100 раз. Всегда смотрите, в каком виде требуется ответ.

Ещё одна ошибка — считать, что компоненты смеси при разделении становятся новыми веществами. Такое представление возникает, если спутать физическое выделение компонента с химическим превращением. Проверьте, меняются ли состав и химические свойства веществ: при фильтровании, магнитном отделении или выпаривании сами вещества не заменяются другими. Значит, использован физический способ разделения.

Связь с другими темами

Расчёт массовых долей опирается на умение читать химические формулы: учитывать символы элементов, индексы и относительные атомные массы. Без этого нельзя правильно установить, какая часть массы сложного вещества приходится на каждый элемент. Эти знания применяют при расчётах состава соединений.

Понятие смеси связано с различием между физическими и химическими явлениями. Оно понадобится при изучении растворов и способов получения чистых веществ, когда требуется отделить компоненты, не изменяя их химической природы. Выбор метода зависит от физических свойств компонентов.

Расчёты состава веществ и смесей используются далее в задачах по химическим реакциям и практической химии. Они помогают соотносить массы веществ и оценивать содержание нужного компонента в образце. Умение выбрать физический способ разделения также важно при работе с реальными материалами.

Что запомнить

• Чистое вещество имеет постоянный состав; состав смеси может изменяться.
• Компоненты смеси сохраняют свои свойства.
• Массовая доля элемента зависит от формулы вещества и относительных атомных масс.
• Массовая доля компонента смеси равна отношению его массы к массе всей смеси.
• Однородные и неоднородные смеси различают по равномерности распределения компонентов.
• Способ разделения смеси выбирают по различиям физических свойств её компонентов.