8 класс Химия Первоначальные химические понятия Химия — важная область естествознания

Чистые вещества и смеси. Способы разделения смесей

Содержание

В этом уроке вы рассмотрите, чем чистые вещества отличаются от смесей, научитесь визуально определять гомогенные и гетерогенные смеси, а также изучите основные способы разделения смесей, которые применяются в лаборатории, промышленности и повседневной жизни.

Чистые вещества и смеси вокруг нас

Представьте, что вы решили заварить крепкий чай. Вы насыпаете в чашку заварку, заливаете кипятком и добавляете пару ложек сахара. С точки зрения химии, в этот момент в вашей чашке рождается сложная многокомпонентная система — смесь.

В природе абсолютно чистые вещества — это огромная редкость. Практически всё, что нас окружает (от глотка воздуха до гранитной скалы), представляет собой комбинацию разных веществ.

Оранжевая чашка с ручкой и тёмным напитком внутри

Как вы думаете, если мы возьмем чистую воду из горного ручья и воду из крана, будут ли они абсолютно одинаковыми по своему составу?

Нажмите, чтобы узнать ответ

Скрыть

Вода в ручье содержит растворенные соли и минералы, а в водопроводной воде могут быть еще и следы очищающих веществ. Абсолютно чистую воду, где нет вообще никаких примесей, можно получить только в специальной лаборатории.

Материалов на основе чистых веществ гораздо меньше, чем композиций (смеси веществ). Из чистых веществ, которые почти не содержат посторонних примесей, изготавливают медные провода, кремниевые солнечные батареи и компьютерные процессоры.

Определение

Чистыми называют вещества, которые почти не содержат примесей.

Индивидуальные вещества в смесях принято называть компонентами.

По внешним (визуальным) признакам все смеси делят на две большие группы:

Гомогенные (однородные) смеси. В них границы раздела между частицами компонентов не видны даже под самым мощным микроскопом. Вспомните чашку сладкого чая: сахар полностью растворился, и вы не сможете разглядеть, где в чашке вода, а где сахар. Если зачерпнуть чай первой ложкой, а затем второй — они будут абсолютно одинаковыми на вкус. Примерами также служат воздух или спиртовая настойка йода.
Гетерогенные (неоднородные) смеси. В них частицы компонентов можно заметить невооруженным глазом. Самый жизненный пример — фруктовый салат или суп. Если взять две разные ложки одного и того же фруктового салата, то в одной ложке окажется больше бананов, а в другой — ягод. Компоненты здесь просто перемешаны, они не связаны химически и полностью сохраняют свои свойства. К таким системам относятся гранит, стиральные порошки и строительные смеси.

схема классификации смесей: гомогенная гетерогенная, настойка йода, чай, гранит, салат — Классификация смесей

По агрегатному состоянию смеси делят на твердые, жидкие и газообразные.

{"questions":[{"content":"Какая главная визуальная особенность отличает гомогенные смеси от гетерогенных? [[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","displayMode":"buttons","options":["В них компоненты всегда находятся только в твердом агрегатном состоянии.","Границы раздела между компонентами неразличимы, в том числе под микроскопом.","Они всегда состоят только из одного химического вещества.","Частицы компонентов можно легко заметить без лупы."],"answer":[1]}},"hints":["Вспомните чашку сладкого чая, в которой полностью растворился сахар. Можно ли увидеть, где именно в жидкости находится сахар?","Слово «гомогенный» означает «однородный»: компоненты такой смеси распределены равномерно и не образуют различимых границ раздела."],"explanation":"В гомогенной смеси компоненты распределены равномерно и не образуют различимых границ раздела, в отличие от компонентов гетерогенной смеси."},{"content":"Нефть выглядит однородной и не содержит видимых частиц твердого вещества. К какому типу смесей ее относят по агрегатному состоянию и внешнему виду? [[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","displayMode":"buttons","options":["Гетерогенная твердая смесь","Гомогенная газообразная смесь","Гетерогенная жидкая смесь","Гомогенная жидкая смесь"],"answer":[3]}},"hints":["Учитывайте оба признака: агрегатное состояние нефти и то, выглядит ли она однородной.","Нефть — жидкость. Если смесь выглядит однородной и в ней не видны отдельные частицы, ее относят к гомогенным."],"explanation":"По условию нефть выглядит однородной и не содержит видимых частиц твердого вещества, поэтому в этой задаче ее относят к гомогенной жидкой смеси."},{"content":"Что происходит с чистой морской водой, когда в нее попадают мелкие частицы почвы или глины? [[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","displayMode":"buttons","options":["Она превращается в чистую дистиллированную воду.","Она переходит в газообразную гомогенную систему.","Она становится гетерогенной жидкой смесью.","Она становится твердой гомогенной смесью."],"answer":[2]}},"hints":["Чистая морская вода — прозрачный раствор солей. Что меняется, когда в ней появляется видимая муть?","Всплывающие или взвешенные нерастворимые частицы можно различить отдельно от воды."],"explanation":"Чистая морская вода — гомогенный раствор. Если в ней появляются видимые частицы почвы или глины, она становится гетерогенной жидкой смесью."},{"content":"Какой из перечисленных примеров является гомогенной газообразной смесью? [[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","displayMode":"buttons","options":["Гранитная горная порода","Спиртовая настойка йода","Атмосферный воздух","Строительная смесь"],"answer":[2]}},"hints":["Какая из перечисленных систем состоит из смеси газов, в том числе азота и кислорода?","Смесь газов в обычных условиях образует однородную газовую систему."],"explanation":"Атмосферный воздух — гомогенная газообразная смесь: входящие в него газы равномерно перемешаны."},{"content":"К какому типу смесей относят большинство сплавов металлов, включая ювелирные изделия с пробой? [[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","displayMode":"buttons","options":["Твердые гомогенные смеси","Жидкие гетерогенные смеси","Твердые гетерогенные смеси","Газообразные гомогенные смеси"],"answer":[0]}},"hints":["В сплаве металлы соединены так, что отдельные компоненты обычно неразличимы.","Ювелирные изделия и большинство сплавов сохраняют форму и выглядят однородными."],"explanation":"Большинство металлических сплавов относят к твердым гомогенным смесям: их компоненты равномерно распределены и обычно неразличимы. Пробой обозначают содержание драгоценного металла в сплаве."}],"mix":0}

Способы разделения гетерогенных смесей

Если вам не нравится клубника во фруктовом салате, вы можете легко вытащить ее вилкой. Это возможно потому, что компоненты гетерогенной смеси не соединены друг с другом химическими связями. В химии для разделения таких смесей используют физические методы, основанные на разнице свойств компонентов.

Отстаивание

химическая установка делительная воронка, процесс отстаивания — Разделение жидкостей с помощью воронки

Этот метод идеально работает, когда компоненты смеси имеют разную плотность или не растворяются друг в друге. Попробуйте смешать растительное масло и воду. Сколько бы вы ни трясли бутылку, масло все равно соберется наверху, потому что оно легче. В лаборатории для разделения такой смеси используют специальный прибор — делительную воронку. Смесь наливают в воронку, дают ей отстояться, а затем открывают кран снизу и аккуратно сливают тяжелую воду, вовремя закрывая кран перед слоем масла.

Фильтрование

Представьте, что в мешок с сахарным песком случайно просыпали речной песок. Если вы попытаетесь перебирать крупинки пинцетом, это займет недели. Намного проще и быстрее растворить всю эту смесь в воде. Сахар полностью растворится и станет невидимым, а вот песок и мелкие частицы глины будут плавать в воде, делая ее мутной.

определение

Фильтрование — это процесс разделения гетерогенных смесей с помощью пористых материалов (фильтров), которые задерживают крупные твердые частицы, но свободно пропускают жидкость. Жидкость, прошедшую через фильтр, называют фильтратом.

Этот метод окружает нас повсюду:

Дома и в городе: водопроводную воду очищают через слои песка и угля на станциях очистки, а дома мы наливаем воду в бытовые кувшинные фильтры.
В бытовой технике: когда вы пылесосите комнату, тканевый или бумажный фильтр внутри пылесоса задерживает пыль, выпуская наружу очищенный воздух.
Для безопасности: строители надевают респираторы, чтобы защитить легкие от вредной строительной пыли, а врачи используют медицинские маски в период эпидемий.

Разделение магнитом

Если насыпать на лист бумаги порошок серы и железные опилки, а затем высыпать половину этой смеси в стакан с водой, то тяжелое железо мгновенно осядет на дно. Сера же останется плавать на поверхности из-за свойства флотации — она просто не смачивается водой, как капля жира на чистой тарелке.

Если накрыть смесь из серы и железных опилок обычным листом бумаги и поднести сверху магнит, то крупицы железа мгновенно «оживут» и притянутся к бумаге под магнитом. Этот способ основан на уникальном физическом свойстве железа — магнетизме, которое полностью сохраняется внутри смеси. Сера магнитом не притягивается и останется на столе.

Способы разделения гомогенных смесей

Разделить однородную смесь (например, соленую морскую воду или чернила фломастера) гораздо сложнее. Компоненты здесь измельчены до уровня молекул и распределены равномерно. Обычный фильтр тут не поможет — молекулы соли пройдут сквозь него вместе с водой. Поэтому химики используют методы, связанные с изменением агрегатного состояния веществ.

Выпаривание

Что делать с прозрачным раствором сахара, который мы отфильтровали от песка в прошлом опыте? Чтобы вернуть сахар в твердом виде, раствор нагревают в фарфоровых чашках. Вода при кипении превращается в пар и улетучивается, а на дне чашки оседают чистые белые кристаллы сахара.

Пример из жизни

Точно так же люди добывают поваренную соль из соляных озер. Берега этих озер служат огромными природными чашами, а в роли нагревателя выступает солнце. Вода испаряется под его лучами, оставляя тонны чистой соли.

Дистилляция (перегонка)

Иногда химикам нужна не соль, а наоборот — абсолютно чистая вода без малейших примесей солей (ее называют дистиллированной). Ее используют в аптеках для приготовления лекарств и в лабораториях для точных опытов.

Для этого соленую или грязную воду наливают в перегонную колбу и нагревают до кипения. Вода превращается в пар, который устремляется в стеклянную трубку — холодильник. Внутри холодильника циркулирует холодная водопроводная вода (в так называемой «рубашке»). Пар охлаждается, конденсируется обратно в чистые капли воды и стекает в стакан-приемник. А все сопутствующие соли с высокой температурой кипения остаются на дне первой колбы.

Этот же метод используют на заводах, чтобы разделить гомогенную сырую нефть на бензин, керосин и мазут.

Лабораторная установка для перегонки жидкостей

Хроматография

Представьте, что вы провели линию черным фломастером на бумаге. Черный цвет кажется нам единым и чистым. Но на самом деле производители создают его, смешивая несколько разных красок. Разделить эту гомогенную смесь красителей помог метод, который открыл русский биохимик Михаил Семенович Цвет.

Определение

Хроматография основана на различии скорости перемещения компонентов растворенной смеси по поверхности пористого материала (например, бумаги).

Если отрезать полоску фильтровальной бумаги, поставить на ней жирную точку черным фломастером и опустить самый кончик полоски в стакан со спиртом, то спирт начнет впитываться и подниматься вверх по бумаге. Он подхватит с собой красители. Но так как разные краски цепляются за волокна бумаги с разной силой, они будут двигаться с разной скоростью. В итоге черная точка вытянется в красивую дорожку из синих, желтых и красных полос, раскрывая секрет своего состава.

{"questions":[{"content":"Вам нужно очистить воду от речного песка. Стакан с мутной водой оставили на некоторое время: песчинки постепенно опускаются на дно, а вода сверху становится прозрачной. Какой способ разделения описан? [[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Отстаивание","Дистилляция (перегонка)","Фильтрование","Выпаривание","Разделение магнитом","Хроматография"],"answer":[0]}},"explanation":"Рассмотрим описанный процесс. При отстаивании твердые частицы песка оседают на дно под действием силы тяжести. После этого воду над осадком можно осторожно слить. Отстаивание также используют для разделения несмешивающихся жидкостей, которые образуют отдельные слои. В данном случае не нужны нагревание, фильтр или магнит.","hints":["Рассмотрим смесь: песок не растворяется в воде, а его частицы могут оседать на дно. Для описанного разделения не нужны нагревание и испарение.","Проверим, что происходит со временем: тяжелые песчинки опускаются на дно под действием силы тяжести. Как называется способ, при котором смеси дают постоять?"]},{"content":"У вас есть однородная смесь воды и этилового спирта. При обычном атмосферном давлении чистый спирт кипит примерно при $78\\,^\\circ\\mathrm{C}$, а чистая вода — при $100\\,^\\circ\\mathrm{C}$. Какой способ позволяет разделять эту смесь на основе различия температур кипения, отводя и охлаждая образующийся пар? [[choice-2]]","widgets":{"choice-2":{"type":"choice","options":["Отстаивание","Дистилляция (перегонка)","Фильтрование","Выпаривание","Разделение магнитом","Хроматография"],"answer":[1]}},"explanation":"Рассмотрим принцип дистилляции, или перегонки. Он основан на различии температур кипения компонентов. При нагревании смеси воды и спирта в пар переходят оба вещества, но пар обычно обогащен более летучим спиртом. Пар отводят в холодильник, где он конденсируется, и собирают жидкость с большей долей спирта. Простая перегонка не позволяет получить абсолютно чистый спирт из этой смеси. Дистиллированную воду получают, например, перегонкой воды, содержащей растворенные соли: соли остаются в исходном сосуде.","hints":["Рассмотрим свойства смеси: вода и спирт смешиваются и не образуют отдельных слоев. Обычный бумажный фильтр тоже не разделяет такой раствор.","Проверим, что делают с паром: его не выпускают в воздух, а отводят, охлаждают и собирают образовавшуюся жидкость. Как называется такой способ разделения?"]},{"content":"Нужно отделить от воды мелкие нерастворимые частицы мела. Смесь пропускают через бумажный фильтр, поры которого задерживают эти частицы, но пропускают воду. Как называется этот способ разделения? [[choice-3]]","widgets":{"choice-3":{"type":"choice","options":["Отстаивание","Дистилляция (перегонка)","Фильтрование","Выпаривание","Разделение магнитом","Хроматография"],"answer":[2]}},"explanation":"Рассмотрим фильтрование. Неоднородную смесь пропускают через пористый материал: нерастворимые твердые частицы задерживаются, а жидкость проходит через фильтр. В этом задании частицы мела остаются на бумаге, а вода собирается в сосуде под фильтром. Размер пор должен быть подходящим для задерживания частиц.","hints":["Рассмотрим смесь: мел находится в воде в виде нерастворимых твердых частиц. Их можно задержать подходящим пористым материалом.","Проверим путь компонентов: вода проходит сквозь поры бумаги, а частицы мела остаются на ней. Вспомним название способа, использующего такой барьер."]},{"content":"Из водного раствора поваренной соли нужно получить саму соль, а воду собирать не требуется. Раствор однородный: соль полностью растворена. Какой способ используют для удаления воды при нагревании и получения твердой соли? [[choice-4]]","widgets":{"choice-4":{"type":"choice","options":["Отстаивание","Дистилляция (перегонка)","Фильтрование","Выпаривание","Разделение магнитом","Хроматография"],"answer":[3]}},"explanation":"Рассмотрим выпаривание. При нагревании раствора вода испаряется, а раствор становится более концентрированным. По мере удаления воды выделяются кристаллы соли. После удаления растворителя твердая соль остается в сосуде. В отличие от перегонки, при выпаривании пар не требуется охлаждать и собирать.","hints":["Рассмотрим раствор: в нем нет нерастворимых частиц соли, которые можно задержать обычным бумажным фильтром или осадить отстаиванием.","Проверим, какой компонент нужно сохранить: нужна соль, а не вода. При нагревании вода превращается в пар, а соль остается в сосуде."]}],"mix":1}

Часто задаваемые вопросы

Вода из крана прозрачная и без грязи. Разве она не чистая?

В бытовом смысле — да, а в химическом — нет. Чистым вещество считается тогда, когда примесей в нем практически нет. В водопроводной воде растворены соли, а часто остаются и следы реагентов, которыми ее обеззараживали. Такую воду правильнее называть очень разбавленным раствором, то есть смесью. Вещество без примесей вообще можно получить только в лаборатории — например, перегонкой.

Получается, чистых веществ почти не существует?

Именно так. Практически всё вокруг — от воздуха до гранитной скалы — это комбинации разных веществ. Чистые вещества встречаются редко, зато они очень нужны технике: из меди делают провода, из особо чистого кремния — солнечные батареи и процессоры. Если в кремнии окажется лишняя примесь, микросхема просто не заработает.

По каким признакам делят смеси?

Есть две независимые линии классификации. Первая — по внешнему виду: видно границу между частицами или нет (гомогенные и гетерогенные смеси). Вторая — по агрегатному состоянию: твердая, жидкая или газообразная. Например, ювелирное золото — это одновременно твердая и гомогенная смесь, а туман — жидкая по составу капель, но гетерогенная.

Почему любые газообразные смеси всегда гомогенные?

Потому что молекулы газов движутся свободно и равномерно распределяются по всему объему. Отдельные молекулы азота и кислорода не различить ни глазом, ни микроскопом, они не образуют слоев и «островков». Поэтому газообразные смеси бывают только гомогенными — атмосферный воздух тут классический пример.

При разделении смеси получается новое вещество или те же самые?

Те же самые. Разделение — это чисто физический процесс: мы не создаем ничего нового, а лишь разводим компоненты по разным местам. Отфильтрованный песок остается песком, выпаренный сахар — сахаром. Кстати, это хороший способ проверки: если при «разделении» выделился газ, изменился цвет или вещество стало горячим без нагревания — значит, вы наблюдали химическую реакцию, а не разделение.

Награды за урок