§ 13. Чистые вещества и смеси. Дисперсные и коллоидные системы

Определения и обозначения

Чистое вещество — вещество постоянного состава, обладающее характерными физическими свойствами, например определённой температурой плавления при заданном давлении. Его свойства не зависят от того, из какой порции вещества взят образец. Это понятие помогает отличить отдельное вещество от материала, состав которого меняется.

Смесь — система из двух или нескольких веществ, которые называют компонентами. Компоненты сохраняют свои химические свойства, а соотношение между ними может быть разным. Поэтому смесь не имеет единой для всех образцов постоянной формулы, как химическое соединение.

Дисперсная система — система, в которой частицы одного вещества распределены в другом. Распределённое вещество называют дисперсной фазой, а вещество, в котором оно распределено, — дисперсионной средой. Эти названия позволяют указать, что именно образует частицы, а что служит окружающей их средой.

Коллоидная система — дисперсная система с частицами промежуточного размера: они крупнее частиц истинного раствора, но меньше частиц грубодисперсной системы. Коллоид часто выглядит однородным, однако его частицы способны рассеивать свет. Так его можно отличить от истинного раствора, в котором отдельные растворённые частицы обычно не дают заметного рассеяния видимого света.

Как это устроено

Состав смеси может меняться, потому что её компоненты соединены не в одном обязательном соотношении: в воде можно растворить разное количество соли, а в воздухе могут изменяться доли водяного пара и других примесей. При смешивании обычно не возникает нового вещества, поэтому каждый компонент сохраняет свои химические свойства. Это позволяет разделять смеси физически, используя различия в растворимости, температуре кипения или размере частиц. Например, песок задерживается фильтром, а растворённую соль получают после удаления воды.

Однородность зависит от того, как компоненты распределены в системе. Если состав одинаков в каждой её части и между компонентами нет видимых границ, смесь образует одну фазу; таковы воздух и раствор соли. В неоднородной смеси участки с разными свойствами образуют несколько фаз, а границу между ними можно обнаружить, например, между водой и каплями масла. Иногда границы не видны глазом, поэтому внешне однородный вид сам по себе не доказывает, что система однофазная.

Размер частиц дисперсной фазы влияет на наблюдаемые свойства системы. В истинном растворе частицы настолько малы, что распределение выглядит однородным даже при рассмотрении на уровне молекул и ионов; в коллоиде частицы крупнее и заметно взаимодействуют со светом. В грубодисперсной системе частицы ещё крупнее и могут быть видны, оседать или отделяться фильтрованием. Условные границы размеров помогают классифицировать системы, хотя конкретные значения в разных классификациях могут немного различаться.

Коллоидные частицы рассеивают свет, потому что их размеры позволяют световой волне взаимодействовать с ними и менять направление. Если направить через коллоид узкий пучок, его путь становится заметен сбоку — это эффект Тиндаля. В истинном растворе частицы значительно меньше, поэтому заметного рассеяния обычно не происходит. Эффект используют как признак коллоидной системы, но оценивают его в подходящих условиях освещения и с чистой посудой.

Коллоидные частицы совершают броуновское движение: они беспорядочно перемещаются из-за постоянных ударов молекул дисперсионной среды. Такое движение затрудняет быстрое оседание частиц и помогает системе оставаться устойчивой. Устойчивость может нарушиться, если частицы сблизятся и начнут объединяться в более крупные образования. Это явление называют коагуляцией; укрупнившиеся частицы способны осесть или отделиться от среды.

Сравнение чистых веществ и смесей, типов дисперсных систем

Сначала определите, есть ли в системе один компонент или несколько, а затем оцените однородность и размер частиц. Значения размеров приблизительны, поэтому для коллоида полезно проверить рассеяние света. Последняя строка подсказывает, какое свойство компонентов можно использовать для разделения.

Разбор задач

Задача 1. Определите, является ли дистиллированная вода чистым веществом, а морская вода — смесью. Нужно проверить постоянство состава и наличие нескольких компонентов, а не ориентироваться только на прозрачность жидкости.

1. В дистиллированной воде практически отсутствуют растворённые соли и другие примеси, поэтому в школьной задаче её рассматривают как чистое вещество.
2. В морской воде есть вода и растворённые соли; их количество зависит от места и условий отбора образца.
3. Сравните выводы с определениями: постоянный состав указывает на чистое вещество, переменное соотношение компонентов — на смесь.

Ответ: дистиллированная вода — чистое вещество в рамках принятой модели, морская вода — смесь переменного состава.

Задача 2. Распределите воздух, мутную воду, молоко и раствор поваренной соли по типам систем; укажите дисперсную фазу и среду, если они есть. Для классификации выясните, можно ли различить фазы и насколько крупны частицы.

1. Воздух — однородная газовая смесь, а раствор соли — однородная смесь соли в воде; оба образуют одну фазу.
2. Мутная вода с песком неоднородна: песок — дисперсная фаза, вода — дисперсионная среда. Крупные частицы могут осесть или задержаться фильтром.
3. Молоко — коллоидная система типа эмульсии: мелкие капли жира служат дисперсной фазой, водная часть — дисперсионной средой.

Ответ: воздух и раствор поваренной соли — однородные смеси; мутная вода с песком — грубодисперсная система; молоко — коллоидная система.

Задача 3. Предложите способы отделить песок от воды и соль от раствора, а также способ выяснить, является ли внешне однородная жидкость коллоидом. Метод выбирают по размеру частиц и способности компонентов испаряться или рассеивать свет.

1. Песок отделите фильтрованием: его частицы крупнее пор фильтра, а вода проходит через них. Если песок уже осел, можно осторожно слить воду, но фильтрование надёжнее задерживает частицы.
2. Чтобы получить соль из раствора, выпарите воду; при необходимости собрать и воду, применяют перегонку. При выпаривании растворитель уходит, а нелетучая соль остаётся.
3. Направьте через жидкость узкий пучок света и посмотрите сбоку, виден ли его путь. Заметный световой след указывает на рассеяние и может свидетельствовать о коллоидной системе.

Ответ: песок отделяют фильтрованием, соль получают выпариванием, а коллоид проверяют по эффекту Тиндаля. Один внешний вид жидкости недостаточен для надёжной классификации.

Типичные ошибки

Ошибка: считать любое внешне однородное вещество чистым. Раствор соли и некоторые коллоиды выглядят однородными, потому что их частицы не различимы глазом. Это заблуждение возникает, когда внешний вид принимают за доказательство постоянного состава. Проверьте себя: если компонентов несколько или состав образца может меняться, перед вами смесь.

Ошибка: называть раствор химическим соединением. В растворе компоненты не связаны в постоянном соотношении, поэтому его состав может изменяться. Путаница появляется из-за того, что раствор выглядит единым целым. Спросите себя, можно ли приготовить растворы разной концентрации и разделить их физически: если да, это смесь.

Ошибка: путать дисперсную фазу и дисперсионную среду. Фаза — это распределённые частицы, среда — то, в чём они находятся. Названия легко перепутать, если не представить систему на примере капель жира в молоке. Для проверки сформулируйте: «что распределено?» — это фаза; «где распределено?» — это среда.

Ошибка: считать эффект Тиндаля и броуновское движение химическими реакциями. Это физические проявления свойств коллоидных частиц: рассеяние света и их беспорядочное перемещение. Ошибка возникает из-за того, что явления заметно меняют вид системы. Проверка проста: при наблюдении не обязательно образуются новые вещества и не меняется химический состав компонентов.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны понятия вещества, химического элемента и химического соединения, а также различие между физическими и химическими явлениями. Классификация смесей помогает выбирать способы разделения веществ и служит основой для изучения растворов и их концентраций. Коллоидные системы встречаются в природе и биологии, а также в материалах и пищевых продуктах. Поэтому их свойства пригодятся при объяснении поведения реальных объектов, а не только лабораторных образцов.

Что запомнить

• Чистое вещество имеет постоянный состав; состав смеси может изменяться.
• Компоненты смеси сохраняют свои свойства и могут быть разделены физическими методами.
• Однородные смеси образуют одну фазу, неоднородные — несколько.
• Дисперсная система состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды.
• Коллоидные частицы рассеивают свет, что проявляется в эффекте Тиндаля.
• Броуновское движение связано с беспорядочными столкновениями частиц дисперсионной среды с коллоидными частицами.
• Коагуляция — укрупнение коллоидных частиц, способное привести к разрушению коллоидной системы.