§ 3. Чистые вещества и смеси

Определения и обозначения

Чистое вещество состоит из частиц одного вида и имеет постоянный состав и характерные свойства. Например, образец чистой поваренной соли состоит из частиц одного вещества. Это понятие помогает понять, когда перед нами отдельное вещество, а не сочетание нескольких компонентов.

Смесь состоит из двух или нескольких веществ, которые называют компонентами. При смешивании компоненты обычно сохраняют свои свойства, а соотношение их количеств может быть разным. Понятие смеси нужно, чтобы описывать состав воздуха, почвы и многих других окружающих нас материалов.

Однородная смесь — смесь, состав которой одинаков во всех её частях, а компоненты невозможно различить невооружённым глазом. Так выглядит воздух или раствор соли в воде. Это определение позволяет не путать равномерное распределение веществ с наличием только одного вещества.

Неоднородная смесь имеет неодинаковый состав в разных частях, и её компоненты можно различить. Примеры — гранит и смесь песка с железными опилками. Это понятие подсказывает, что компоненты могут быть распределены неравномерно и иногда отделяются простым механическим способом.

Как это устроено

При обычном смешивании вещества не превращаются друг в друга, поэтому их частицы сохраняют присущие им свойства. Соль в воде остаётся солью, хотя её кристаллы перестают быть видны. Именно поэтому компоненты смеси можно отделить, не создавая вместо них новые вещества. Если же происходит химическая реакция, это уже не просто смешивание: образуются вещества с другими свойствами.

В чистом веществе соотношение составляющих его частиц постоянно, поэтому постоянен и состав самого вещества. В смесь можно добавить ещё один компонент или изменить количество уже имеющегося — тогда соотношение частей изменится. Например, в стакан воды можно добавить разное количество соли и получить смеси разного состава. Поэтому внешний вид смеси может оставаться похожим, хотя количество её компонентов уже другое.

В однородной смеси компоненты распределены равномерно: небольшая порция из разных мест будет иметь одинаковый состав. В неоднородной смеси распределение неравномерно, поэтому в одной части может оказаться больше одного компонента, чем в другой. Разница не сводится к тому, видны ли отдельные крупинки: компоненты неоднородной смеси можно обнаружить, а однородную смесь оценивают как единое целое. Воздух однороден, а гранит неоднороден.

Разделять смесь можно потому, что её компоненты сохраняют физические свойства — свойства, которые можно наблюдать или измерять без превращения вещества в другое. Например, песок не растворяется в воде, а соль растворяется, поэтому их удаётся разделить фильтрованием и выпариванием. Фильтр задерживает твёрдые нерастворимые частицы, а растворённая соль проходит вместе с водой. При выпаривании вода удаляется, и соль остаётся.

Способ разделения выбирают не наугад, а по тому, чем компоненты отличаются друг от друга. Разные размеры частиц позволяют отделять крупные части от мелких просеиванием или фильтрованием, а разная растворимость — растворением и последующим отделением нерастворимого вещества. Если жидкости кипят при разных температурах, их можно разделить перегонкой: одна испаряется раньше другой. Железо можно извлечь магнитом, поскольку оно притягивается к магниту, в отличие от песка и соли.

Сравнение чистых веществ и смесей

Сначала сравни число компонентов и постоянство состава, а затем оцени, одинаков ли состав во всех частях образца. Не делай вывод о чистоте только по прозрачности или внешней однородности: так может выглядеть и смесь. Последняя строка показывает, что смесь разделяют физически, выбирая метод по свойствам её компонентов.

Разбор задач

Задача 1. Определить, что дано: чистая вода, воздух или гранит. Нужно выяснить, состоит ли каждый образец из одного вещества или из нескольких. Для смеси затем определим, однородна она или неоднородна. Внешний вид сам по себе не всегда позволяет узнать состав.

1. Чистая вода — одно вещество, если в ней нет растворённых примесей. Значит, по условию это чистое вещество с постоянным составом. Слово «чистая» здесь указывает на отсутствие других компонентов.
2. Воздух состоит из нескольких газов, поэтому это смесь. Газы распределены равномерно и не различаются глазом, значит, смесь однородная. Её состав может немного различаться в разных образцах воздуха.
3. Гранит содержит несколько минералов, которые можно различить по внешнему виду. Следовательно, это неоднородная смесь. Различимые участки показывают, что состав в разных частях образца неодинаков.

Ответ: чистая вода — чистое вещество, воздух — однородная смесь, гранит — неоднородная смесь. Решение основано на числе веществ и распределении компонентов. Если состав неизвестен, одной прозрачности для вывода недостаточно.

Задача 2. Предложить способ разделить смесь песка и поваренной соли. Песок и соль отличаются растворимостью в воде: соль растворяется, а песок — нет. Поэтому сначала соль переводят в раствор, а затем отделяют песок. В конце нужно вернуть соль из раствора в твёрдом виде.

1. Добавить к смеси воду и перемешать, чтобы соль растворилась. Песок останется твёрдым. Так различие растворимости разделит компоненты по состоянию.
2. Пропустить смесь через фильтр. Песок останется на фильтре, а солёная вода пройдёт сквозь него. Фильтрование подходит, потому что песок не растворился.
3. Выпарить воду из полученного раствора. Вода удалится, а соль останется в сосуде. Для этого используют различие в летучести воды и соли.

Ответ: растворить соль в воде, отфильтровать песок и выпарить воду. В ходе разделения вещества не превращаются в другие вещества. Каждый шаг использует отдельное физическое свойство компонентов.

Задача 3. Предложить способ разделить смесь железных опилок, песка и соли и объяснить последовательность действий. У компонентов разные свойства: железо притягивается магнитом, соль растворяется в воде, песок в воде не растворяется. Если начать с растворения, железные опилки окажутся в смеси с песком и раствором, поэтому удобнее сначала извлечь металл. Затем оставшиеся вещества разделяют по растворимости.

1. Поднести к смеси магнит и собрать железные опилки. Песок и соль магнитом не притягиваются. Так отделяется только компонент с магнитными свойствами.
2. Добавить воду к оставшейся смеси и перемешать. Соль перейдёт в раствор, а песок останется твёрдым. Это использует различие растворимости.
3. Отфильтровать песок, затем выпарить воду из солевого раствора. Песок останется на фильтре, а после удаления воды получится соль. Последовательность позволяет получить все три компонента раздельно.

Ответ: магнит, растворение соли, фильтрование песка и выпаривание воды. Сначала применяют наиболее простой способ для железа, а затем последовательно используют свойства соли и песка. Каждый компонент отделяется без химического превращения.

Типичные ошибки

• Прозрачность принимают за доказательство чистоты. Так думают, потому что раствор или воздух не имеют заметных частиц и выглядят единообразно. Проверь себя: прозрачный образец может содержать несколько равномерно распределённых веществ, поэтому нужно учитывать его состав.

• Однородную смесь считают чистым веществом, поскольку её компоненты нельзя различить глазом. Однако одинаковый внешний вид не означает, что компонент только один. Проверь число веществ в составе: воздух и раствор соли остаются смесями, хотя выглядят однородно.

• Считают, что после смешивания вещества обязательно теряют свои свойства. Это путают с химической реакцией, при которой образуются новые вещества. Проверь себя, спросив, можно ли обнаружить исходные свойства компонентов: железо в смеси по-прежнему притягивается магнитом.

• Выбирают способ разделения, не выяснив свойства компонентов. Тогда метод может оказаться бесполезным, например магнит не отделит песок от соли. Сначала сравни размеры частиц, растворимость, температуры кипения или магнитные свойства, а затем выбери способ, основанный на найденном различии.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что вещества состоят из частиц и обладают физическими свойствами. Эти свойства помогают объяснить, почему компоненты смеси ведут себя по-разному и как их разделить. Различение веществ и смесей пригодится при изучении растворов, а способы разделения позволят получать компоненты из сложных образцов. Представление о составе веществ подготовит к изучению химических формул и реакций, в которых одни вещества превращаются в другие.

Что запомнить

• Чистое вещество состоит из частиц одного вида и имеет постоянный состав.
• Смесь содержит два или более вещества.
• Состав смеси может изменяться.
• Компоненты смеси обычно сохраняют свои свойства.
• Однородная смесь одинакова по составу во всех частях.
• Неоднородная смесь состоит из различимых частей с неодинаковым составом.
• Смеси разделяют физическими способами, используя различия свойств компонентов.