§ 8. Смеси и методы их разделения

Определения и обозначения

Смесь — система из двух или нескольких веществ, сохраняющих свои свойства и соединённых без химической реакции. Например, смешивание песка и воды не превращает их в новое вещество. Это понятие нужно, чтобы отличать физическое соединение веществ от химической реакции.

Однородная смесь — смесь с одинаковым составом и свойствами во всём объёме. В растворе соли частицы соли распределены между частицами воды так равномерно, что их нельзя увидеть отдельно. Такое определение помогает понять, почему однородную смесь нельзя разделить простым просеиванием или отстаиванием.

Неоднородная смесь — смесь, в которой можно различить частицы или слои разных веществ. К ней относятся песок с водой, масло с водой и железные опилки с песком. Для таких смесей часто подходят механические способы разделения, потому что компоненты сохраняют отдельные частицы или слои.

Метод разделения смесей — физический способ выделить компоненты смеси, используя различия их свойств. Во время разделения новые вещества обычно не образуются. Поэтому можно подобрать последовательность действий и получить исходные компоненты или более чистые вещества.

Как это устроено

Смеси образуются при физическом соединении веществ, поэтому их компоненты не превращаются друг в друга. Например, соль в воде сохраняет способность кристаллизоваться после удаления воды. Раз химический состав компонентов не изменился, их можно снова выделить, используя подходящее физическое свойство.

Выбор способа разделения зависит от различий между компонентами. Если частицы имеют разный размер, подойдёт фильтр; если различается плотность, можно использовать отстаивание. Температуры кипения, растворимость, магнитные свойства и способность перемещаться по сорбенту также подсказывают, какой метод будет эффективным.

Отстаивание и декантация основаны на различии плотности компонентов. Более тяжёлые частицы под действием силы тяжести опускаются на дно, потому что жидкость не удерживает их во взвешенном состоянии. После образования осадка верхний слой жидкости осторожно сливают, не перемешивая осадок; это действие называют декантацией.

Фильтрование позволяет отделить нерастворимое твёрдое вещество от жидкости. Поры фильтра пропускают частицы жидкости, но задерживают более крупные твёрдые частицы. Поэтому после фильтрования получают осадок на фильтре и фильтрат — жидкость, прошедшую через фильтр.

Выпаривание, перегонка и хроматография применяются главным образом для однородных смесей, но используют разные свойства. При выпаривании летучий растворитель уходит, а нелетучее вещество кристаллизуется; при перегонке испарившийся компонент специально охлаждают и собирают. В хроматографии компоненты движутся по сорбенту с разной скоростью, поэтому разделяются на отдельные зоны.

Методы разделения смесей

В таблице сначала определите, однородная смесь или неоднородная, а затем найдите различие свойств её компонентов. Последний столбец показывает, какие вещества или фракции получится собрать. Если одного метода недостаточно, действия выполняют последовательно.

Разбор задач

Как разделить смесь песка и воды и какие вещества получатся после разделения?

Песок в воде не растворяется, а его частицы крупнее пор фильтра. Значит, это неоднородная смесь твёрдого вещества и жидкости. Для неё выбираем фильтрование, а не выпаривание: нужно сохранить и песок, и воду.

1. Поместить фильтр в воронку и установить её над чистым сосудом.
2. Осторожно вылить смесь на фильтр, не переполняя его.
3. Дождаться, пока вода пройдёт через поры, а песок останется на фильтре.

Ответ: после разделения получатся песок на фильтре и вода в сосуде. Вода будет фильтратом, а песок — осадком.

Предложите способ получить поваренную соль из раствора соли в воде.

Раствор соли — однородная смесь, поэтому песок или другой фильтр здесь не поможет. Соль растворена в воде, а вода более летуча и при нагревании испаряется. Нужно помнить, что таким способом воду сохранить нельзя.

1. Налить раствор в термостойкую чашку.
2. Нагревать его, чтобы вода постепенно испарялась.
3. После появления кристаллов завершить нагревание и дать им высохнуть.

Ответ: соль получают выпариванием воды с последующей кристаллизацией. Вода удаляется, поэтому отдельно собрать её этим способом не получится.

Как разделить смесь железных опилок, песка и поваренной соли?

В смеси три компонента, и у каждого есть удобное для разделения свойство. Железо притягивается магнитом, соль растворяется в воде, а песок не растворяется. Поэтому действия нужно выполнять поэтапно, не смешивая уже выделенные вещества.

1. Провести магнитом над смесью и удалить железные опилки.
2. Добавить к оставшимся песку и соли воду: соль растворится, песок останется твёрдым.
3. Профильтровать смесь, чтобы отделить песок от раствора соли.
4. Выпарить воду из фильтрата и получить кристаллы поваренной соли.

Ответ: магнитом выделяют железо, фильтрованием — песок, а выпариванием — соль. Такая последовательность использует свойства компонентов и позволяет разделить всю смесь.

Типичные ошибки

Раствор иногда называют неоднородной смесью только потому, что в нём есть разные вещества. Ошибка состоит в смешении понятий «разный состав» и «неодинаковый состав в разных частях». Проверьте себя: если состав и свойства одинаковы в любой пробе раствора, смесь однородная.

Раствор соли пытаются разделить фильтрованием, потому что помнят о наличии твёрдого вещества. Однако растворённые частицы проходят через поры фильтра вместе с водой. Если после фильтра соль не задерживается, нужно выбрать выпаривание, кристаллизацию или перегонку.

При выпаривании иногда ожидают получить и соль, и чистую воду. На самом деле вода превращается в пар и обычно уходит, а растворённое вещество остаётся в чашке. Если требуется сохранить растворитель, применяйте перегонку с последующей конденсацией пара.

Нельзя выбирать метод без учёта свойств компонентов, например использовать отстаивание для взаимно растворимых жидкостей. Отстаивание работает, когда частицы или слои имеют различную плотность и не образуют раствор. Перед началом назовите состояние веществ и различие, на котором основан выбранный способ.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о физических и химических явлениях, свойствах веществ, растворимости и агрегатных состояниях. Разделение смеси является физическим процессом, потому что состав её компонентов не меняется. Растворимость помогает предсказать, останется ли вещество на фильтре или пройдёт с жидкостью.

Эти знания пригодятся при изучении растворов, очистки веществ и лабораторных экспериментов. На их основе работают промышленные процессы: разделяют нефть, очищают воду и получают вещества высокой чистоты. Умение выбирать метод по свойствам компонентов помогает безопасно планировать опыт.

Что запомнить

• Смесь состоит из нескольких веществ, каждое из которых сохраняет свои свойства.
• Неоднородные смеси можно разделять механическими способами.
• Фильтрование отделяет нерастворимое твёрдое вещество от жидкости.
• Выпаривание позволяет получить растворённое твёрдое вещество.
• Перегонка основана на различии температур кипения компонентов.
• Хроматография разделяет вещества по разной скорости их перемещения.
• Метод разделения выбирают по различию свойств компонентов смеси.