§ 8. Чистые вещества и смеси. Растворы

Определения и обозначения

Чистое вещество — вещество постоянного состава, состоящее из частиц одного вида. Его физические свойства, например плотность или температура кипения при заданных условиях, характерны для него; у смеси эти свойства зависят от соотношения компонентов. Это различие помогает понять, почему образец с неизменным составом ведёт себя предсказуемо.

Смесь — сочетание нескольких веществ без обязательного образования нового вещества. Входящие в неё вещества называют компонентами, а их соотношение может меняться. Понятие смеси нужно, чтобы описывать системы, которые можно получить простым смешиванием и разделить физическими способами.

Раствор — однородная смесь растворителя и растворённого вещества. Компоненты в ней распределены настолько равномерно, что глаз не различает отдельные частицы и границы между ними. Это понятие позволяет описывать, например, солёную воду как единую на вид систему с несколькими компонентами.

Растворимость — способность вещества растворяться в определённом растворителе. Она зависит от природы и растворителя, и растворяемого вещества, а также от температуры. Знание растворимости помогает предсказать, образуется ли раствор и каким способом разделить его компоненты.

Как это устроено

Чистое вещество имеет постоянный состав, потому что в образце присутствует только один вид вещества, а его частицы устроены одинаково. Поэтому при одинаковых условиях оно обладает характерными физическими свойствами. У смеси доли компонентов могут различаться от образца к образцу, и это влияет на свойства системы. Например, количество соли в воде меняет вкус и плотность раствора.

В неоднородной смеси компоненты распределены неравномерно: в одних частях образца одного компонента может быть больше, чем в других. Между такими участками возникают границы раздела, которые иногда заметны глазом, как между песком и водой. В однородной смеси состав одинаков в каждой её части, а видимых границ между компонентами нет. Поэтому однородность описывает распределение веществ, но не означает, что вещество в системе только одно.

Раствор образуется, когда частицы растворённого вещества распределяются между частицами растворителя. В результате состав становится одинаковым во всём объёме, и компоненты нельзя различить невооружённым глазом. Растворимость при этом зависит от природы обоих веществ: одно и то же вещество может хорошо растворяться в одном растворителе и плохо — в другом. Температура тоже влияет на растворимость, причём направление и величина изменения зависят от конкретной системы.

Раствор не является химическим соединением, хотя выглядит однородным. При смешивании его компоненты сохраняют индивидуальность, а их соотношение можно изменить, добавив растворитель или растворённое вещество. Поэтому состав раствора переменный, тогда как химическое соединение имеет определённое соотношение элементов. Само смешивание не означает, что между компонентами обязательно произошла химическая реакция.

Способ разделения смеси выбирают по различию физических свойств её компонентов. Фильтрование задерживает нерастворимые твёрдые частицы, отстаивание позволяет разделить компоненты, которые оседают или образуют отдельные слои. Перегонка использует различие температур кипения, выпаривание удаляет летучий растворитель, а кристаллизация позволяет получить кристаллы растворённого вещества. Магнитом отделяют магнитный компонент, например железные опилки от песка.

Сравнение чистых веществ, смесей и растворов

Сначала сравните состав и распределение компонентов: постоянный состав указывает на чистое вещество, равномерное распределение нескольких компонентов — на раствор. Затем обратите внимание на видимые границы и способ разделения. Таблица помогает классифицировать систему, но одного внешнего вида для точного вывода может быть недостаточно.

Разбор задач

Задача 1. Определите, что является чистым веществом, а что — смесью: кислород, воздух, дистиллированная вода, морская вода, медь. Сначала выясним, состоит ли каждый объект из одного вещества или из нескольких компонентов. При этом однородный вид не является доказательством чистоты.

1. Кислород — чистое вещество: рассматривается один вид вещества.
2. Воздух содержит несколько газов, поэтому это смесь. Дистиллированная вода в рамках задачи — чистое вещество, так как это вода без растворённых примесей.
3. Морская вода содержит воду и растворённые соли, значит, это смесь. Медь — чистое вещество, если образец не содержит примесей.

Ответ: чистые вещества — кислород, дистиллированная вода и медь; смеси — воздух и морская вода. Вывод сделан по числу компонентов, а не по тому, можно ли различить их глазом.

Задача 2. Предложите способ разделения смеси песка, поваренной соли и железных опилок. Нужно подобрать последовательность действий, чтобы на каждом шаге отделить один компонент благодаря отличию его физических свойств. Соль растворяется в воде, песок — нет, а железо притягивается магнитом.

1. Поднесите магнит и удалите железные опилки. Так используется магнитное свойство железа, которого нет у песка и соли.
2. Добавьте к оставшейся смеси воду: соль перейдёт в раствор, а песок останется твёрдым. Отфильтруйте смесь, чтобы отделить песок от солёной воды.
3. Выпарите воду из фильтрата или дайте раствору кристаллизоваться. Соль останется в виде твёрдого вещества, а при выпаривании вода удалится.

Ответ: магнитное разделение, растворение соли, фильтрование, затем выпаривание или кристаллизация. Последовательность важна: фильтрование не задержало бы растворённую соль отдельно от воды.

Задача 3. Рассчитайте массы соли и воды для приготовления 200 г раствора с массовой долей соли 8%. Массовая доля показывает, какая часть массы раствора приходится на растворённое вещество. Обозначим её как ω и используем формулу ω = m(соли) / m(раствора).

1. Переведите проценты в десятичную дробь: 8% = 0,08. Из формулы найдите массу соли: m(соли) = 0,08 × 200 г = 16 г.
2. Масса раствора равна сумме масс соли и воды. Поэтому m(воды) = 200 г − 16 г = 184 г.
3. Проверьте результат: 16 г + 184 г = 200 г, а 16 / 200 = 0,08, то есть 8%.

Ответ: нужно взять 16 г соли и 184 г воды. Проверка подтверждает, что масса компонентов совпадает с массой раствора и доля соли верна.

Типичные ошибки

• Считать раствор чистым веществом, потому что он выглядит однородным. Так ошибаются, смешивая отсутствие видимых границ с постоянством состава. Проверьте себя: если соотношение компонентов можно изменить, перед вами смесь, даже прозрачная.

• Предполагать, что любое смешивание образует новое вещество. Это происходит из-за путаницы между физическим смешиванием и химической реакцией. Проверьте, появились ли вещества с новыми свойствами; если компоненты сохранились и их можно физически разделить, смесь не стала новым соединением.

• Путать растворитель с растворённым веществом. Обычно растворитель растворяет другой компонент и часто преобладает по массе, но в сложных случаях одной подсказки о количестве недостаточно. Проверьте, какой компонент выступает средой, а какой распределяется в ней.

• Выбирать способ разделения, не учитывая свойства компонентов. Например, фильтр задерживает нерастворимый песок, но пропускает растворённую соль вместе с водой. Перед выбором метода выясните, чем компоненты различаются, и проверьте, использует ли этот метод именно такое различие.

Связь с другими темами

Для изучения смесей нужно различать физические и химические явления, знать свойства веществ и их агрегатные состояния. Эти знания помогают понять, происходит ли только смешивание или образуются новые вещества. Понятия раствора и его компонентов понадобятся при изучении массовой доли, концентрации и расчётов по растворам. Они также применяются при разборе реакций в водных растворах, лабораторных методов и состава природных вод.

Что запомнить

• Чистое вещество имеет постоянный состав.
• Смесь состоит из нескольких веществ, сохраняющих свои свойства.
• Смеси бывают однородными и неоднородными.
• Раствор — однородная смесь растворителя и растворённого вещества.
• Состав раствора можно изменять, меняя соотношение его компонентов.
• Смеси разделяют физическими методами, используя различие свойств компонентов.