Составляющие вещества, индивидуальные вещества, чистые вещества и смеси

Классификация химических веществ по их делимости на составные части

Традиционная эмпирическая классификация веществ в химии основана на их делимости на составные части и не использует представлений атомно-молекулярной теории. В отечественной литературе принято делить химические вещества на индивидуальные (чистые) вещества (простые и соединения) и их смеси. На сегодняшний день стандартизированное определение индивидуального вещества отсутствует, поэтому в физической химии в качестве его синонима используют термин составляющее вещество, понимая под ним любое вещество, которое может быть выделено из системы и существовать вне её (иногда говорят не о составляющих веществах и независимых составляющих веществах — компонентах, — а о компонентах и независимых компонентах). Отказ от использования терминов «чистое вещество» и «индивидуальное вещество» исключает произвол, связанный с привязкой этих понятий к степени чистоты вещества и требованиям постоянства его состава и свойств.

Классификация смесей

В зависимости от фазового состава различают:

• гомогенную смесь, представляющую собой однородную систему, химический состав и физические свойства которой во всех частях одинаковы или меняются непрерывно, без скачков (между частями системы нет поверхностей раздела). Составные части гомогенной смеси нельзя отделить друг от друга механическими методами;
• гетерогенную смесь, состоящую из однородных частей (фаз), разделённых поверхностью раздела. Фазы могут отличаться друг от друга по составу и свойствам. Составные части гетерогенной смеси можно отделить друг от друга механическими методами. К гетерогенным смесям относятся, например, композиты.

Гомогенные смеси делят по агрегатному состоянию на три группы:

• газовые смеси (газовые растворы), например, атмосферный воздух;
• растворы (жидкие растворы), например, раствор сахара в воде, природная вода, нефть и нефтепродукты;
• твёрдые растворы, например, природный минерал электрум и входящий в состав углеродистых сталей аустенит.

В зависимости от агрегатного состояния компонентов в гетерогенных смесях различают:

Литература

• Большая Советская Энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М.: Советская Энциклопедия, 1975. — Т. 19: Проба — Ременсы. — 640 с.
• Вольхин В. В. Общая химия. Основы химии. — Пермь: Перм. гос. тех. ун-т, 2002. — 512 с. — ISBN 5-88151-309-6.
• Герасимов Я. И., Древинг В. П., Еремин Е. Н. и др. Курс физической химии / Под общ. ред. Я. И. Герасимова. — 2-е изд. — М.: Химия, 1970. — Т. I. — 592 с.
• Глинка Н. Л. Общая химия. Учебник для бакалавров / Под ред. В. А. Попкова и А. В. Бабкова. — 19-е изд., перераб. и доп. — М.: Юрайт, 2014. — 910 с. — (Бакалавр. Базовый курс). — ISBN 978-5-9916-3158-7.
• Еремин В. В., Каргов С. И., Успенская И. А. и др. Основы физической химии. Теория и задачи. — М.: Экзамен, 2005. — 481 с. — (Классический университетский учебник). — ISBN 5-472-00834-4.
• Коган В. Е., Литвинова Т. Е., Чиркст Д. Э., Шахпаронова Т. С. Физическая химия / Науч. ред. проф. Д. Э. Чиркст. — СПб.: Национальный минерально-сырьевой ун-т «Горный», 2013. — 450 с.
• Мечковский Л. А., Блохин А. В. Химическая термодинамика. Курс лекций. В двух частях. Часть 1. Феноменологическая термодинамика. Основные понятия, фазовые равновесия. — Минск: БГУ, 2010. — 141 с.
• Новиков И. И., Зайцев В. М. Термодинамика в вопросах и ответах. — М.: Госатомиздат, 1961. — 144 с.
• Путилов К. А. Термодинамика / Отв. ред. М. Х. Карапетьянц. — М.: Наука, 1971. — 376 с.
• Рудзитис Г. Е., Фельдман Ф. Г. Химия. Учебное пособие для 7—11 классов вечерней (сменной) средней общеобразовательной школы. В 2-х частях. Часть I. — М.: Просвещение, 1985. — 192 с.
• Рудзитис Г. Е., Фельдман Ф. Г. Химия. Неорганическая химия. 8 класс. — 15-е изд. — М.: Просвещение, 2011. — 176 с. — ISBN 978-5-09-025532-5.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — 5-е изд., испр. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. — 544 с. — ISBN 5-9221-0601-5.
• Химическая энциклопедия / Гл. ред. Н. С. Зефиров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1995. — Т. 4: Пол — Три. — 640 с. — ISBN 5-85270-092-4.
• Ходаков Ю. В. Общая и неорганическая химия. Книга для учителя. — М.: Изд. Академии пед. наук РСФСР, 1954. — 524 с.
• Ходаков Ю. В., Эпштейн Д. А., Глориозов П. А. и др. Преподавание неорганической химии в средней школе. Методическое пособие для учителей. — М.: Просвещение, 1975. — 416 с. — (Методическая библиотека школы).

1.4. Чистые вещества и смеси

Чистое вещество содержит частицы только одного вида. Примерами могут служить серебро (содержит только атомы серебра), серная кислота и оксид углерода (IV) (содержат только молекулы соответствующих веществ). Все чистые вещества имеют постоянные физические свойства, например, температуру плавления (Тпл) и температуру кипения (Ткип).

Вещество не является чистым, если содержит какое-либо количество одного или нескольких других веществ – примесей.

Загрязнения понижают температуру замерзания и повышают температуру кипения чистой жидкости. Например, если в воду добавить соль, температура замерзания раствора понизится.

Смеси состоят из двух или более веществ. Почва, морская вода, воздух – все это примеры различных смесей. Многие смеси могут быть разделены на составные части – компоненты – на основании различия их физических свойств.

Различают гомогенные (однородные) и гетерогенные (неоднородные) смеси. Особенностью гомогенной смеси является то, что между компонентами такой смеси не наблюдается поверхности раздела. В этом случае говорят, что данная смесь является однофазной (фаза часть системы отделенная от других частей видимой поверхностью раздела). В пределах одной фазы физические свойства компонентов сохраняются постоянными. К гомогенным системам относятся истинные растворы (размер частиц растворенного вещества соотносится с размерами частиц растворителя и составляет ≤10-9м).

Особенностью гетерогенной смеси является то, что мы можем наблюдать поверхность раздела между ее компонентами. При переходе из одной фазы компонента в другую его свойства резко изменяются. Гетерогенные смеси иначе называются дисперсные системы. Дисперсные системы состоят из дисперсионной среды (растворитель, непрерывная фаза) и дисперсной фазы (растворенного вещества или прерывистой фазы)

К гетерогенным смесям относятся дисперсные системы (размер частиц растворенного вещества значительно превышает размер частиц растворителя и составляет ≥10-9м). Смеси, в которых размер частиц вещества составляет 10-7 -10-9 м, относятся к коллоидным системам.

К дисперсным системам относятся:

— суспензии, смесь, состоящая из твердой и жидкой фазы (обозначение Т/Ж; Т- дисперсная фаза, Ж – дисперсионная среда)

— эмульсии, смесь из 2-х и более несмешивающихся жидкостей (обозначение – Ж/Ж. Дисперсная фаза и дисперсионная среда жидкости различающиеся по плотности и температурам кипения).

Более подробно данные системы будут рассмотрены в теме растворы и дисперсные системы.

1.5. Методы разделения смесей

Традиционными методами, которые используются в лабораторной практике с целью разделения смесей на отдельные компоненты, являются:

• фильтрование,

• декантация (в химической лабораторной практике и химической технологии механическое отделение твёрдой фазы дисперсной системы (суспензии) от жидкой путём сливания раствора с осадка),

• разделение с помощью делительной воронки,

• центрифугирование,

• выпаривание,

• кристаллизация,

• перегонка (в том числе фракционная перегонка),

• хроматография,

• возгонка и другие.

Фильтрование. Для отделения жидкостей от взвешенных в ней мелких твердых частиц применяют фильтрование (рис.37), т.е. процеживание жидкости через мелкопористые материалы – фильтры, которые пропускают жидкость и задерживают на своей поверхности твердые частицы. Жидкость, прошедшая через фильтр и освобожденная от находившихся в ней твердых примесей, называется фильтратом.

В лабораторной практике часто применяют гладкие и складчатые бумажные фильтры (рис.38), сделанные из непроклеенной фильтровальной бумаги.

Для фильтрования горячих растворов (например, с целью перекристаллизации солей), применяют специальную воронку для горячего фильтрования (рис.39) с электрическим или водяным обогревом).

Часто применяют фильтрование под вакуумом. Фильтрование под вакуумом используют для ускорения фильтрования и более полного освобождения твердой фазы от жидкой. Для этой цели собирают прибор для фильтрования под вакуумом (рис.40). Он состоит из колбы Бунзена, фарфоровой воронки Бюхнера, предохранительной склянки и вакуум-насоса (обычно водоструйного).

В случае фильтрования суспензии малорастворимой соли кристаллы последней могут быть промыты дистиллированной водой на воронке Бюхнера для удаления с их поверхности исходного раствора. Для этой цели используют промывалку (рис.41).

Декантация. Жидкости могут быть отделены от нерастворимых твердых частиц декантацией (рис.42). Этот метод можно применять, если твердое вещество имеет большую плотность, чем жидкость. Например, если речной песок добавить в стакан с водой, то при отстаивании он осядет на дно стакана, потому что плотность песка больше, чем воды. Тогда вода может быть отделена от песка просто сливанием. Такой метод отстаивания и последующего сливания фильтрата и называется декантацией.

Центрифугирование. Для ускорения процесса отделения очень мелких частиц, образующих в жидкости устойчивые суспензии или эмульсии, используют метод центрифугирования. Этим методом можно разделить смеси жидких и твердых веществ, различающихся по плотности. Разделение проводится в ручных или электрических центрифугах (рис.43).

Разделение двух несмешивающихся жидкостей, имеющих различную плотность и не образующих устойчивых эмульсий, можно осуществить с помощью делительной воронки (рис.44). Так можно разделить, например, смесь бензола и воды. Слой бензола (плотность  = 0,879 г/см3) располагается над слоем воды, которая имеет большую плотность ( = 1,0 г/см3). Открыв кран делительной воронки, можно аккуратно слить нижний слой и отделить одну жидкость от другой.

Выпаривание (рис.45) – этот метод предусматривает удаление растворителя, например, воды из раствора в процессе нагревания его в выпарительной фарфоровой чашке. При этом выпариваемая жидкость удаляется, а растворенное вещество остается в выпарительной чашке.

Кристаллизация – это процесс выделения кристаллов твердого вещества при охлаждении раствора, например, после его упаривания. Следует иметь в виду, что при медленном охлаждении раствора образуются крупные кристаллы. При быстром охлаждении (например, при охлаждении проточной водой) образуются мелкие кристаллы.

Перегонка — метод очистки вещества основанный на испарении жидкости при нагревании с последующей конденсацией образовавшихся паров. Очистка воды от растворенных в ней солей (или других веществ, например, красящих) перегонкой называется дистилляцией, а сама очищенная вода – дистиллированной.

Фракционная перегонка (дистилляция) (рис.46) применяется для разделения смесей жидкостей с различными температурами кипения. Жидкость с меньшей температурой кипения закипает быстрее и раньше проходит через фракционную колонку (или дефлегматор). Когда эта жидкость достигает верха фракционной колонки, то попадает в холодильник, охлаждается водой и через аллонж собирается в приемник (колбу или пробирку).

Фракционной перегонкой можно разделить, например, смесь этанола и воды. Температура кипения этанола 780С, а воды 1000С. Этанол испаряется легче и первым попадает через холодильник в приемник.

Возгонка – метод применяется для очистки веществ, способных при нагревании переходить из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое состояние. Далее пары очищаемого вещества конденсируются, а примеси, не способные возгоняться, отделяются.