§ 26. Физические явления в химии

Определения и обозначения

Физическое явление — изменение состояния или формы вещества без превращения его в другое вещество. Могут измениться внешний вид, размеры или агрегатное состояние, но состав остаётся прежним. Это определение помогает отличать физические изменения от химических, при которых появляются новые вещества.

Агрегатное состояние — состояние вещества, зависящее от расположения и движения его частиц. Вещество бывает твёрдым, жидким или газообразным: в твёрдом теле частицы расположены близко и колеблются около своих мест, а в газе свободно движутся. Это понятие помогает объяснить, почему одно и то же вещество может выглядеть по-разному.

Кристаллизация — переход вещества из жидкого состояния в твёрдое. Например, при замерзании вода образует лёд, но состав вещества не меняется. Термин нужен, чтобы точно называть этот переход и не путать его с образованием нового вещества.

Перегонка — способ разделения смеси жидкостей или раствора, основанный на испарении и последующей конденсации компонентов. Пар охлаждают, чтобы он снова стал жидкостью и его можно было собрать отдельно. Этот способ позволяет разделить компоненты, если один из них можно испарить и сконденсировать, а другой остаётся в сосуде.

Как это устроено

При физическом явлении состав вещества сохраняется, потому что его частицы не превращаются в частицы другого вещества. Меняться могут их расположение, расстояния между ними, скорость движения или форма самого тела. Поэтому кусок металла можно согнуть, а лёд — растопить, не получив нового вещества. Решающий вопрос при проверке — изменился ли состав, а не то, насколько заметно изменился внешний вид.

Переходы между твёрдым, жидким и газообразным состояниями связаны с движением и взаимодействием частиц. При нагревании частицы в среднем движутся быстрее, и им легче преодолевать притяжение друг к другу: твёрдое тело может плавиться, а жидкость — испаряться. При охлаждении движение замедляется, частицы сближаются и сильнее удерживаются рядом, поэтому газ конденсируется в жидкость, а жидкость кристаллизуется. Во всех этих переходах вещество сохраняет свой состав.

Перегонка использует то, что компонент раствора может перейти в пар, а затем снова стать жидкостью. Например, при нагревании солёной воды испаряется вода, тогда как нелетучая соль остаётся в исходном сосуде. Пар направляют в более холодную часть прибора, где он конденсируется, и полученную воду собирают отдельно. Так растворитель отделяется от растворённого вещества без фильтра: частицы соли остаются в растворе, а не задерживаются фильтром.

Фильтрование подходит для смеси жидкости с нерастворимыми твёрдыми частицами. Смесь пропускают через пористый материал: жидкость проходит сквозь него, а достаточно крупные частицы оседают на фильтре. Песок в воде можно отделить таким способом, потому что он не растворяется. Растворённые вещества фильтр не задерживает: их частицы распределены в жидкости и проходят через его поры вместе с ней.

Плавление льда и горение вещества показывают разницу между физическим и химическим явлением. При плавлении лёд становится водой, но и лёд, и вода имеют один и тот же состав, поэтому новые вещества не появляются. При горении исходное вещество взаимодействует с кислородом и образуются другие вещества. Значит, решающий признак — не наличие заметных изменений или выделения тепла, а образование или отсутствие новых веществ.

Физические явления и способы разделения смесей

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, что представляет собой смесь: раствор или сочетание жидкости с нерастворимыми частицами. Затем выберите способ по свойствам компонентов и проверьте, какое изменение происходит с каждым из них. Фильтрование подходит для песка в воде, а перегонка — для отделения воды от растворённой соли.

Разбор задач

Лёд растаял, а затем вода замёрзла. Определите, какие явления произошли, и объясните, образовалось ли новое вещество.

1. Сначала определяем начальное состояние: лёд — это вода в твёрдом состоянии. При таянии твёрдая вода переходит в жидкую, то есть происходит плавление.
2. Затем рассматриваем обратный переход: при замерзании жидкая вода становится твёрдой. Это кристаллизация, или переход из жидкого состояния в твёрдое.
3. Сравниваем состав вещества до и после переходов. И лёд, и жидкая вода состоят из воды, поэтому новых веществ не образовалось.

Ответ: произошли плавление и кристаллизация. Оба явления физические, состав вещества не изменился.

Предложите способ отделить песок от воды и опишите последовательность действий.

1. Выясняем, растворяется ли песок в воде. Песок не растворяется и остаётся в смеси в виде твёрдых частиц.
2. Выбираем фильтрование: поры фильтра пропускают воду, но задерживают нерастворимый песок. Помещаем фильтр в воронку и ставим под неё чистую ёмкость.
3. Осторожно выливаем смесь на фильтр. Вода проходит в ёмкость, а песок остаётся на фильтре; эти части смеси можно собрать отдельно.

Ответ: песок от воды отделяют фильтрованием. Вода окажется в ёмкости под воронкой, а песок останется на фильтре.

Из раствора поваренной соли нужно получить отдельно воду и соль. Опишите способ разделения и укажите, где окажется каждый компонент.

1. Проверяем, подходит ли фильтрование. Соль растворена в воде, поэтому её частицы проходят через поры фильтра вместе с водой.
2. Выбираем перегонку и нагреваем раствор. Вода испаряется, а нелетучая соль остаётся в исходном сосуде.
3. Направляем пар в охлаждаемую часть прибора. Там он конденсируется, а жидкую воду собирают в отдельной ёмкости.

Ответ: перегонка позволяет получить оба компонента: вода окажется в ёмкости для конденсата, а соль останется в исходном сосуде.

Типичные ошибки

Изменение внешнего вида не всегда означает химическое явление. Такую ошибку допускают, если судят только по заметному изменению, например по тому, что лёд стал водой. Проверьте состав до и после: если новых веществ нет, перед вами физическое явление.

Растворение часто путают с плавлением, потому что в обоих случаях вещество перестаёт выглядеть как отдельный твёрдый кусок. При плавлении меняется агрегатное состояние самого вещества, а при растворении его частицы распределяются среди частиц растворителя. Чтобы проверить себя, выясните, стало ли вещество жидким само по себе или образовало раствор с другим веществом.

Попытка отделить растворённое вещество фильтрованием не сработает: частицы растворённого вещества проходят через поры вместе с растворителем. Ошибку допускают, перенося на раствор правило, подходящее для песка и воды. Проверьте, видны ли в смеси отдельные твёрдые частицы: если вещество растворено, обычный фильтр его не задержит.

При перегонке растворённое вещество не исчезает. Вода переходит в пар и затем конденсируется, а нелетучая соль остаётся в исходном сосуде; ошибочное представление возникает, если следить только за собранной жидкостью. Проверьте, где находятся оба компонента после разделения, и убедитесь, что каждый из них учтён.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что вещества состоят из частиц, и различать твёрдое, жидкое и газообразное состояния. Эти представления объясняют, почему при нагревании и охлаждении меняется состояние вещества, но может сохраняться его состав. Также важно различать чистые вещества и смеси, а растворимые вещества — от нерастворимых. Знание свойств компонентов помогает выбрать разделение: фильтрование или перегонку. Эти способы пригодятся при изучении растворов, очистки веществ и выполнении лабораторных работ.

Что запомнить

• При физическом явлении новые вещества не образуются.
• Плавление и кристаллизация — физические переходы между твёрдым и жидким состояниями.
• Испарение и конденсация лежат в основе перегонки.
• Фильтрованием отделяют нерастворимые твёрдые частицы от жидкости.
• Растворённое вещество нельзя отделить от раствора обычным фильтрованием.
• Для выбора способа разделения смеси учитывают свойства её компонентов.