§ 19. Смеси веществ можно разделить

Определения и обозначения

Смесь — сочетание нескольких веществ, сохраняющих свои свойства. В отличие от чистого вещества, смесь может иметь переменный состав: например, в воде может быть растворено разное количество соли. Компоненты смеси обычно можно разделить физическими способами, не превращая их в новые вещества. Это понятие помогает понять, почему состав смеси можно изменить, просто отделив одну её часть.

Однородная смесь — смесь, состав которой одинаков во всём объёме, а отдельные компоненты не различимы. Пример — раствор соли в воде: соль распределена в воде так равномерно, что её кристаллов не видно. По внешнему виду нельзя определить, где находится один компонент, а где другой. Понимание однородности помогает не выбирать методы, которые работают только с видимыми частицами или слоями.

Неоднородная смесь — смесь, в которой можно различить частицы или слои разных веществ. Таковы песок в воде и смесь воды с растительным маслом: компоненты заметны невооружённым глазом. Части неоднородной смеси сохраняют отдельное расположение, поэтому их часто можно отделить отстаиванием или фильтрованием. Определив тип смеси, легче сузить выбор подходящих способов разделения.

Фильтрование — способ разделения неоднородной смеси с помощью фильтра, который задерживает твёрдые частицы и пропускает жидкость. Фильтр имеет поры: достаточно крупные частицы остаются на нём, а жидкость проходит сквозь него. Так можно отделить песок от воды, но нельзя задержать растворённую соль. Это определение помогает понять, почему фильтрование подходит не для любой смеси.

Как это устроено

Способ разделения зависит от того, однородна смесь или неоднородна, и от различий в свойствах её компонентов. Если частицы заметны или жидкости не смешиваются, можно использовать их разное расположение и поведение. Если смесь однородная, частицы компонентов распределены равномерно, поэтому простое отделение фильтром обычно не сработает. Тогда выбирают метод, который использует различия в растворимости, температуре кипения или других свойствах.

Отстаивание позволяет разделить смесь, когда частицы оседают под действием силы тяжести или жидкости образуют отдельные слои. Твёрдые частицы, которые не растворились в жидкости, постепенно опускаются на дно, потому что сила тяжести перемещает их вниз. Несмешивающиеся жидкости располагаются слоями, если одна из них опускается ниже другой. После разделения можно осторожно слить верхний слой или снять жидкость, не поднимая осадок.

Фильтрование отделяет нерастворимое твёрдое вещество от жидкости. Частицы твёрдого вещества не растворились и крупнее пор фильтра, поэтому задерживаются на его поверхности. Жидкость и растворённые в ней вещества проходят через поры, поскольку их частицы меньше. Поэтому фильтрование удобно для очистки мутной воды от песка, но не позволяет отделить от воды растворённую соль.

Выпаривание используют, чтобы выделить растворённое твёрдое вещество. При нагревании жидкий растворитель испаряется, а растворённый компонент не исчезает вместе с ним и остаётся в сосуде. Метод подходит, например, для получения соли из её раствора в воде. Если нужно сохранить и собрать растворитель, одного выпаривания недостаточно: пар при этом не собирают.

Перегонка разделяет компоненты, если они отличаются температурами кипения. При нагревании раньше испаряется более летучее вещество — то, которому для кипения нужна более низкая температура. Его пар направляют в охлаждаемую часть прибора, где пар превращается обратно в жидкость и собирается отдельно. Так можно получить растворитель и оставить в исходном сосуде вещества с более высокой температурой кипения.

Способы разделения смесей

Сначала определите, какие компоненты входят в смесь и чем они различаются. Затем выберите в таблице способ, который использует именно это различие. Если в смеси больше двух компонентов, может понадобиться несколько способов по очереди.

Разбор задач

Задача 1. Предложите способ отделить песок от воды. Сначала выясним, образуют ли вещества раствор: песок в воде не растворяется, а его частицы можно отделить от жидкости. Значит, перед нами неоднородная смесь, для которой подходят отстаивание и фильтрование. Выберем фильтрование, потому что оно позволяет сразу задержать песок и пропустить воду.

1. Помещаем фильтр в воронку и устанавливаем её над чистым сосудом.
2. Осторожно выливаем смесь песка с водой на фильтр.
3. Проверяем результат: песок остался на фильтре, вода собрана в сосуде.

Ответ: песок от воды можно отделить фильтрованием. Фильтр задержит нерастворимые частицы песка, а вода пройдёт сквозь его поры. Если дать смеси постоять, песок также осядет, но фильтрование отделяет его непосредственно.

Задача 2. Как получить поваренную соль из раствора соли в воде? Раствор прозрачен, потому что соль распределена в воде и её частицы не задержатся обычным фильтром. Нужно выбрать способ, который удаляет растворитель, но оставляет растворённое твёрдое вещество. Для этой цели подходит выпаривание.

1. Наливаем раствор в подходящую для нагревания ёмкость.
2. Нагреваем его, чтобы вода испарялась; при работе с нагреванием соблюдаем правила безопасности.
3. Прекращаем нагрев, когда вода испарилась и в ёмкости остались кристаллы соли.

Ответ: соль получают выпариванием раствора. Вода уходит в виде пара, а соль остаётся в ёмкости. Если требуется сохранить воду, вместо простого выпаривания применяют перегонку и собирают охлаждённый пар.

Задача 3. Как разделить смесь железных опилок, песка и воды? В смеси есть три компонента, поэтому одного действия недостаточно. Железо притягивается магнитом, а песок не растворяется в воде и задерживается фильтром. Сначала удалим железо, чтобы оно не осталось вместе с песком на фильтре.

1. Подносим магнит к смеси и извлекаем железные опилки; магнит можно обернуть бумагой, чтобы легче снять их.
2. Убеждаемся, что основная масса железа удалена, а в смеси остались песок и вода.
3. Пропускаем оставшуюся смесь через фильтр: песок задерживается, вода проходит в сосуд.

Ответ: сначала железные опилки отделяют магнитом, затем песок от воды — фильтрованием. Порядок выбран по свойствам веществ: железо магнитное, а песок нерастворим и задерживается фильтром. Если ограничиться только фильтрованием, песок и железо окажутся вместе на фильтре.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любую смесь можно разделить фильтрованием. Её допускают, потому что фильтр действительно отделяет твёрдые частицы от жидкости, но растворённые вещества проходят через его поры вместе с ней. Проверьте себя: если компонента не видно и он растворился, фильтр его не задержит. Для получения растворённого твёрдого вещества обычно подходит выпаривание.

Ошибка — путать выпаривание и перегонку. В обоих случаях жидкость превращается в пар, поэтому методы легко принять за один и тот же. При выпаривании пар не собирают, а при перегонке его охлаждают и получают жидкость в отдельном сосуде. Чтобы проверить выбор, спросите себя, требуется ли сохранить растворитель.

Ошибка — выбирать способ, не учитывая свойства компонентов. Например, фильтр не поможет, если частицы растворены, а магнит не притянет немагнитные вещества. Такая ошибка возникает, когда сначала вспоминают название метода, а не изучают смесь. Проверьте себя: назовите различие компонентов — размер частиц, магнитные свойства или температуры кипения — и свяжите его со способом.

Ошибка — считать оставшуюся после разделения часть чистым веществом. Отделение одного компонента ещё не означает, что все примеси удалены: в остатке может быть несколько других веществ. Так происходит, например, если магнитом извлечь железо из смеси песка с водой. Проверяйте, какие компоненты остались, и при необходимости продолжайте разделение подходящим методом.

Связь с другими темами

Чтобы выбирать способы разделения, нужно знать, чем чистое вещество отличается от смеси, а также уметь распознавать однородные и неоднородные смеси. Эти понятия помогают сначала описать состав и внешний вид образца, а затем понять, какие методы сработают. Разделение смесей связано и с изучением очистки веществ: в лаборатории полученное вещество часто отделяют от примесей несколькими приёмами. Поэтому понимание свойств компонентов нужно не только для решения задач, но и для получения более чистых веществ.

Что запомнить

• Способ разделения выбирают по свойствам компонентов смеси.
• Фильтрование подходит для отделения нерастворимого твёрдого вещества от жидкости.
• Отстаивание используют, если компоненты смеси разделяются на слои или частицы оседают.
• Выпаривание позволяет выделить растворённое твёрдое вещество.
• Перегонка основана на различии температур кипения компонентов.
• Магнитом можно отделить магнитные вещества от немагнитных.