1. Что такое смеси? Чистые вещества и их чистота
В окружающем нас мире вещества редко встречаются в абсолютно чистом виде. Воздух, которым мы дышим, вода в реках и морях, еда, которую мы едим, — всё это смеси.
Чистое вещество — это вещество, состоящее из частиц одного вида (например, только из молекул воды H₂O или только из атомов железа Fe). Чистые вещества обладают постоянными физическими свойствами (температура кипения, плотность и т.д.).
Однако в реальности достичь 100% чистоты практически невозможно. Поэтому в химии и промышленности говорят о степени чистоты вещества.
1.1. Степень чистоты веществ (квалификация реактивов)
В зависимости от количества примесей, химические вещества делят на несколько категорий чистоты. Вот некоторые из них (от наименее чистого к самому чистому):
- Технический (тех.): Содержит значительное количество примесей. Используется в промышленности.
- Чистый (ч.): Содержит небольшое количество примесей. Подходит для большинства обычных школьных и лабораторных работ.
- Чистый для анализа (ч.д.а.): Более высокая степень чистоты, применяется для точных аналитических исследований.
- Химически чистый (х.ч.): Содержит минимальное количество примесей, которые не влияют на результат большинства точных химических опытов.
- Особо чистый (ос.ч.): Практически не содержит примесей. Такие вещества необходимы в высокоточных областях: микроэлектронике, оптоволоконной технике, ядерной энергетике.
2. Какие бывают смеси?
Все смеси можно разделить на две большие группы: однородные и неоднородные.
Однородные (гомогенные) смеси
В таких смесях компоненты перемешаны на молекулярном уровне, и их невозможно различить даже с помощью микроскопа. Они образуют единую фазу. Такие смеси также называют растворами.
римеры: Раствор сахара в воде, воздух, сплавы металлов.
Неоднородные (гетерогенные) смеси
В этих смесях частицы компонентов можно различить невооруженным глазом или под микроскопом. Они состоят из нескольких фаз.
Примеры:
- Взвеси (суспензии): песок в воде.
- Эмульсии: масло в воде, молоко.
- Аэрозоли: дым, туман.
3. Зачем разделять смеси?
Разделение смесей — ключевой процесс как в глобальной промышленности, так и в нашей повседневной жизни.
3.1. Разделение смесей в промышленности
- Нефтепереработка: Сырая нефть — сложнейшая смесь углеводородов. С помощью перегонки (дистилляции) её разделяют на фракции: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, из которых потом делают топливо, пластмассы, асфальт и многое другое.
- Металлургия: Железная руда — это смесь оксидов железа с песком, глиной и другими минералами. На металлургических заводах из этой смеси выплавляют чистое железо и сталь.
- Фармацевтика: Лекарства должны быть особо чистыми. Примеси могут не только снизить эффективность препарата, но и быть токсичными. Поэтому получение действующего вещества и его очистка — важнейший этап производства.
- Пищевая промышленность: Очистка сахара-сырца от примесей для получения белого сахара, опреснение морской воды для получения питьевой, подготовка сверхчистой воды для производства напитков.
3.2. Разделение смесей в быту
Мы сталкиваемся с разделением смесей каждый день, даже не задумываясь об этом:
- Фильтрация воды: Кухонные фильтры-кувшины или стационарные системы очищают водопроводную воду от хлора, солей тяжелых металлов и механических примесей, делая её безопаснее и вкуснее.
- Приготовление пищи: Мы процеживаем бульон (отделяем жидкость от твердых компонентов), просеиваем муку (отделяем комочки и примеси), завариваем чай в пакетике (фильтруем чаинки).
- Уборка: Пылесос с помощью системы фильтров отделяет твердые частицы пыли от воздуха.
4. Способы разделения НЕОДНОРОДНЫХ смесей
4.1. Отстаивание
Основан на разнице в плотности. Тяжелые частицы оседают, легкие всплывают.
- Применение: Очистка речной воды от песка и ила.
4.2. Фильтрование
Отделение нерастворимого твердого вещества от жидкости или газа с помощью фильтра.
- Применение: Приготовление кофе в кофеварке, очистка воздуха в кондиционере.
- Важное уточнение: С помощью особых, сверхтонких фильтров (мембран) можно разделять даже некоторые однородные смеси. Об этом мы поговорим ниже.
4.3. Действие магнитом
Подходит для смесей, где один из компонентов — металл, способный намагничиваться.
Применение: Отделение железных опилок от серы; извлечение железа из мусора на перерабатывающих заводах.
5. Способы разделения ОДНОРОДНЫХ смесей
5.1. Выпаривание и кристаллизация
Выделение растворенного твердого вещества из раствора путем испарения растворителя.
- Применение: Получение поваренной соли из соленой воды.
5.2. Дистилляция (перегонка)
Разделение жидких смесей с разными температурами кипения.
- Применение: Разделение спирта и воды, перегонка нефти.
5.3. Хроматография
Разделение, основанное на разной скорости движения компонентов смеси через неподвижный сорбент.
- Применение: Анализ состава чернил, разделение растительных пигментов.
6. Современные и особые методы разделения
Наука не стоит на месте, и появляются всё более совершенные методы разделения.
6.1. Мембранное фильтрование
Этот метод доказывает, что даже однородные смеси можно разделять фильтрованием! Здесь используются полупроницаемые мембраны с микроскопическими порами, способными задерживать отдельные молекулы или ионы.
- Обратный осмос: Мембрана пропускает молекулы воды, но задерживает ионы растворенных солей. Это основной метод опреснения морской воды и получения бутилированной питьевой воды высшей категории чистоты.
6.2. Центрифугирование
Это усовершенствованный и ускоренный метод отстаивания. Смесь вращается на огромной скорости в центрифуге, и под действием центробежной силы компоненты с большей плотностью очень быстро и плотно оседают.
- Применение: Разделение сливок и обезжиренного молока, разделение компонентов крови (плазмы и эритроцитов) в медицинских лабораториях.
Мы начали наше путешествие с простого факта: почти всё вокруг нас — это смеси. Теперь мы знаем, как их классифицировать и, что самое важное, как их разделять.
Конечно, не все способы приведены в пособии, а только важнейшие для понимания темы.
Каждый метод, от простого отстаивания до сложной хроматографии, основан на уникальных физических свойствах компонентов. Умение анализировать эти свойства и выбирать подходящий метод — ключ к получению чистых веществ, которые являются фундаментом для химической науки, промышленности и технологий.
Понимая, как устроен мир на уровне смесей и чистых веществ, вы делаете важный шаг в изучении химии — науки о превращении веществ.