§ 4. Чистые вещества и смеси

Определения и обозначения

Чистое вещество — вещество с постоянным составом, состоящее из частиц одного вида. Например, чистая вода не становится другим веществом, если её взять больше или меньше. Это понятие помогает отличить отдельное вещество от сочетания нескольких веществ.

Смесь — сочетание двух или более веществ, при котором новое вещество обычно не образуется. Вещества, входящие в смесь, называют её компонентами. Такое определение позволяет понять, что смешивание не обязательно означает химическую реакцию.

Однородная смесь — смесь, в которой нет видимых границ между компонентами и состав одинаков в разных частях. К таким смесям относятся воздух и раствор поваренной соли. По внешнему виду они кажутся единым целым, хотя включают несколько веществ.

Неоднородная смесь — смесь, в которой можно различить части или слои с разными свойствами. Например, в воде с песком заметны твёрдые частицы, а в масле с водой — отдельные слои. Это различие помогает выбрать способ разделения компонентов.

Как это устроено

Вещества состоят из частиц, и при смешивании частицы одного вещества оказываются рядом с частицами другого. Если между ними не происходит химической реакции, каждый вид частиц сохраняется, а значит, исходные вещества не превращаются в новые. Поэтому песок в воде остаётся песком, а вода — водой, даже если смесь тщательно перемешать.

Состав смеси зависит от того, сколько взяли каждого компонента. Если добавить в воду больше соли, раствор станет более концентрированным; если добавить воды, он станет более разбавленным. Из-за изменения соотношения веществ могут меняться цвет, плотность, вязкость и другие свойства смеси, тогда как состав чистого вещества таким способом изменить нельзя.

У чистого вещества состав постоянен, поэтому при одинаковых условиях его физические свойства, например температура кипения, имеют определённые значения. У смеси свойства зависят не только от того, какие вещества входят в неё, но и от их количества. Поэтому одинаковые по названию смеси могут отличаться: в одном солевом растворе соли больше, чем в другом.

Компоненты смеси разделяют физическими методами: их отделяют друг от друга, не превращая в другие вещества. Например, при фильтровании песок задерживается на фильтре, а вода проходит сквозь него. Если растворить соль в воде, фильтр не задержит соль, потому что её частицы распределены в жидкости; для разделения понадобится другой приём.

Способ разделения выбирают по тому свойству, которым компоненты отличаются друг от друга. Разницу в размере частиц используют при просеивании или фильтровании, в плотности — при отстаивании, в растворимости — при растворении и последующем отделении. Различия температур кипения позволяют разделять жидкости перегонкой, а магнитные свойства помогают извлечь железо из смеси с немагнитными веществами.

Сравнение чистых веществ и смесей

Сначала определите, состоит ли образец из одного вещества или нескольких, а затем проверьте, видны ли отдельные части и одинаков ли состав в разных местах. Таблица помогает не путать однородную смесь с чистым веществом: внешний вид у них может быть похожим, но состав различается. При выборе способа разделения ориентируйтесь не на название смеси, а на свойства её компонентов.

Разбор задач

Задача 1. Распределите по группам дистиллированную воду, воздух, железо, гранит, раствор поваренной соли и почву. Нужно установить, является ли каждый образец чистым веществом или смесью, а затем определить вид смеси. Для этого сначала выясним, есть ли в образце один компонент или несколько, а потом оценим, различимы ли они.

1. Железо состоит из одного вещества, поэтому это чистое вещество.
2. Дистиллированная вода — чистое вещество, если в ней нет примесей.
3. Воздух включает несколько газов, равномерно распределённых между собой, поэтому это однородная смесь.
4. В растворе поваренной соли соль распределена в воде равномерно: это однородная смесь.
5. В граните различимы минералы, а в почве — частицы разного состава; оба образца неоднородные смеси.

Ответ: чистые вещества — дистиллированная вода и железо; однородные смеси — воздух и раствор поваренной соли; неоднородные смеси — гранит и почва. При классификации важно учитывать состав, а не только прозрачность или однородный внешний вид образца.

Задача 2. Предложите способ разделить железные опилки, песок и поваренную соль. Компоненты имеют разные свойства: железо притягивается магнитом, соль растворяется в воде, а песок в воде не растворяется. Значит, смесь удобно разделять последовательно, используя каждое различие по очереди.

1. Поднесите магнит и соберите железные опилки. Магнитное разделение отделит железо от песка и соли.
2. Добавьте к оставшейся смеси воду и перемешайте. Соль растворится, а песок останется твёрдым.
3. Отфильтруйте смесь. Песок останется на фильтре, а солевой раствор пройдёт через него.
4. Выпарите воду из раствора. После удаления воды останется соль.

Ответ: железо отделяют магнитом, песок — фильтрованием после растворения соли в воде, соль получают выпариванием. Порядок действий важен: если сначала добавить воду, отделять железные опилки от других компонентов будет менее удобно.

Задача 3. Как разделить смесь воды и этилового спирта? Это однородная смесь: жидкость выглядит одинаково во всех частях, поэтому отделить компоненты фильтрованием нельзя. Нужно найти физическое свойство, по которому жидкости различаются; таким свойством является температура кипения.

1. Нагрейте смесь в приборе для перегонки. Этиловый спирт закипает при более низкой температуре, чем вода.
2. Пары спирта направьте в холодильник, где они охладятся и снова станут жидкостью.
3. Соберите полученную жидкость отдельно. В нагреваемой части прибора останется больше воды, после чего её можно собрать при дальнейшем нагревании.

Ответ: воду и этиловый спирт разделяют перегонкой, используя различие температур кипения. Перегонка подходит для однородных смесей жидкостей, если их температуры кипения различаются; фильтрование здесь не сработает, потому что в смеси нет твёрдых частиц.

Типичные ошибки

Прозрачный образец иногда считают чистым веществом, потому что компоненты не видны. Но прозрачными бывают и растворы, например вода с растворённой солью. Проверьте себя: если состав можно описать как сочетание нескольких веществ, перед вами смесь, даже если она прозрачная.

Однородную смесь путают с чистым веществом, принимая одинаковый вид во всех частях за признак единственного вещества. На самом деле компоненты смеси могут быть равномерно распределены и незаметны глазу. Чтобы проверить ответ, спросите себя, один ли компонент входит в образец и может ли соотношение веществ меняться.

Смешивание иногда принимают за химическую реакцию, потому что после него образец выглядит иначе. Однако новый вид сам по себе не доказывает образования нового вещества: при обычном смешивании компоненты сохраняются и могут проявлять свои свойства. Проверьте, появились ли признаки реакции и новые вещества; если нет, вероятно, образовалась смесь.

Способ разделения нельзя выбирать наугад: фильтрование не отделит растворённую соль, а магнит не притянет песок. Ошибку допускают, когда не выясняют свойства компонентов заранее. Перед выбором метода назовите различие, на котором он основан: размер частиц, растворимость, плотность, температура кипения или магнитные свойства.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в смесях, нужно знать, что такое вещество, из каких частиц оно состоит и чем физические свойства отличаются от химических. Эти знания помогают понять, почему при обычном смешивании компоненты сохраняются, а разделение не обязательно означает химическое превращение. Позже тема пригодится при изучении растворов, получения и очистки веществ: такие процессы используют в лаборатории и промышленности. В быту и природе те же знания применяют для очистки воды, разделения сырья и анализа состава образцов.

Что запомнить

• Чистое вещество имеет постоянный состав.
• Смесь состоит из нескольких веществ.
• Компоненты смеси обычно сохраняют свои свойства.
• Однородная смесь не имеет видимых границ между компонентами.
• Неоднородная смесь состоит из частей или фаз с разными свойствами.
• Смеси разделяют физическими методами.
• Способ разделения выбирают по различию свойств компонентов.