§ 12. Состав вещества. Смеси

Определения и обозначения

Чистое вещество — вещество с постоянным составом и определёнными физическими свойствами. В любой его порции соотношение частиц одинаково, поэтому температура плавления и другие характеристики имеют устойчивые значения. В отличие от смеси, чистое вещество нельзя разделить физическими методами на разные вещества.

Смесь — система из двух или более веществ, сохраняющих свои индивидуальные свойства. Соотношение компонентов смеси не закреплено одной формулой и может изменяться. Это понятие нужно, чтобы отличать совместное присутствие веществ от образования нового вещества в химической реакции.

Однородная и неоднородная смесь различаются числом фаз. Однородная смесь состоит из одной фазы и выглядит одинаково во всём объёме, а в неоднородной есть две или более фазы и отдельные компоненты можно обнаружить. Например, раствор соли однороден, а песок в воде образует неоднородную смесь.

Массовая доля компонента показывает, какую часть массы смеси составляет выбранное вещество. Её обозначают греческой буквой ω и вычисляют по формуле: ω = m(компонента) / m(смеси); в процентах: ω% = ω · 100%. Эта величина помогает находить массу компонента или всей смеси.

Как это устроено

Чистое вещество имеет постоянный состав, потому что его частицы одного вида или строго определённых видов соединены в неизменном соотношении. У сложного вещества это соотношение задаётся химической формулой, например в каждой молекуле воды два атома водорода приходятся на один атом кислорода. В смеси количество каждого компонента можно менять, не меняя самих веществ, поэтому её состав изменяется в широких пределах.

Компоненты смеси сохраняют свои свойства, поскольку между ними не обязательно происходит химическая реакция. Соль в растворе остаётся солью, железо сохраняет способность притягиваться магнитом, а вода — способность испаряться. Смесь не становится новым веществом только из-за того, что её частицы находятся рядом или равномерно перемешаны.

Однородная смесь имеет одну фазу — однородную часть системы, отделённую от других частей свойствами и границами. В растворе частицы растворённого вещества распределены настолько равномерно, что отдельные кристаллы не видны. В суспензии твёрдые частицы находятся в жидкости и со временем оседают, а эмульсия состоит из капель одной жидкости, распределённых в другой, например масла в воде.

Смеси разделяют физическими методами, потому что компоненты отличаются физическими свойствами. Железные опилки можно извлечь магнитом, песок задержать фильтром, а растворённую соль получить после испарения воды. При таких действиях меняется расположение или агрегатное состояние веществ, но их химический состав сохраняется.

Массовую долю находят сравнением массы компонента с массой всей смеси, а не с массой растворителя. Если известны ω и масса смеси, используют формулу m(компонента) = ω · m(смеси). Если известны масса компонента и его доля, массу смеси находят так: m(смеси) = m(компонента) / ω.

Сравнение чистых веществ и смесей

Сначала определите, постоянен ли состав образца: это позволяет отличить чистое вещество от смеси. Затем установите число фаз и равномерность распределения компонентов. Последняя строка помогает проверить классификацию по знакомым примерам.

Разбор задач

Задача 1. Классификация образцов

Нужно распределить дистиллированную воду, воздух, железо, морскую воду и песок с водой на три группы. Для этого проверим постоянство состава и число фаз. Однородный вид сам по себе ещё не означает, что перед нами чистое вещество.

1. Дистиллированная вода и железо имеют постоянный состав, поэтому это чистые вещества.
2. Воздух и морская вода содержат несколько компонентов, равномерно распределённых в одной фазе, поэтому это однородные смеси.
3. Песок с водой образует отдельные твёрдую и жидкую фазы, поэтому относится к неоднородным смесям.

Ответ: чистые вещества — дистиллированная вода и железо; однородные смеси — воздух и морская вода; неоднородная смесь — песок с водой.

Задача 2. Массовая доля соли

В растворе массой 200 г содержится 30 г хлорида натрия. Требуется найти массовую долю соли и выразить её в процентах. В знаменателе должна стоять масса всего раствора, поскольку раствор — это вся смесь.

1. Записываем данные: m(смеси) = 200 г, m(соли) = 30 г.
2. Находим долю: ω = 30 / 200 = 0,15.
3. Переводим долю в проценты: ω% = 0,15 · 100% = 15%.

Ответ: массовая доля хлорида натрия равна 0,15, или 15%.

Задача 3. Разделение смеси

Смесь содержит песок, поваренную соль и железные опилки. Нужно получить каждый компонент отдельно, используя различия в магнитных свойствах и растворимости. Последовательность выбираем так, чтобы каждый следующий этап работал с уже подготовленной смесью.

1. Подносим магнит и извлекаем железные опилки. Магнит действует только на железо, поэтому песок и соль остаются.
2. Добавляем воду: поваренная соль растворяется, а песок не растворяется. Фильтрованием отделяем песок от солевого раствора.
3. Выпариваем воду из фильтрата. В сосуде остаются кристаллы поваренной соли.

Ответ: железо отделяют магнитом, песок — фильтрованием после растворения соли в воде, соль получают выпариванием воды.

Типичные ошибки

Считать смесь новым химическим веществом. Единый внешний вид не доказывает химического превращения: компоненты смеси сохраняют свои свойства. Проверьте, можно ли разделить образец физическим способом.

Путать однородную смесь с чистым веществом. Прозрачность и одинаковый вид во всех частях говорят только о равномерном распределении компонентов. Проверьте, состоит ли образец из одного вещества или нескольких.

Брать в знаменателе массу растворителя. Массовая доля относится ко всей смеси, поэтому масса растворителя недостаточна. Сложите массы растворителя и растворённого вещества и используйте полученную массу раствора.

Разделять смесь химической реакцией без необходимости. Реакция может изменить исходные вещества и создать новые продукты. Сначала сравните физические свойства компонентов и выберите магнит, фильтрование, растворение или выпаривание.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о химических элементах, простых и сложных веществах, массе и массовой доле. Эти понятия помогают отличать состав вещества от состава смеси и выполнять расчёты.

Тема служит основой для изучения растворов, способов разделения и очистки веществ, количественных расчётов и химических технологий. В дальнейшем массовая доля будет использоваться при приготовлении растворов нужной концентрации.

Что запомнить

• Чистое вещество имеет постоянный состав.
• Смесь состоит из нескольких веществ, сохраняющих свои свойства.
• Состав смеси может изменяться.
• Однородная смесь образует одну фазу, неоднородная — несколько фаз.
• Смеси разделяют физическими методами.
• Массовая доля компонента равна отношению его массы к массе всей смеси.
• Сумма массовых долей всех компонентов смеси равна 1, или 100%.