§ 4. Физические явления — основа разделения смесей в химии

ЧИСТЫЕ ВЕЩЕСТВА И СМЕСИ (КОМПОЗИЦИИ)

• Чистые вещества: Вещества, которые практически не содержат примесей посторонних веществ и обладают постоянным набором физических свойств (плотность, температуры кипения и плавления).
  • В природе чистые вещества встречаются крайне редко.
  • В современной технике чистые вещества незаменимы, но их получение требует сложнейших технологических затрат: сверхчистый кремний необходим для производства солнечных батарей и микропроцессоров компьютеров, а сверхчистая электротехническая медь — для изготовления кабелей и проводов с минимальным электрическим сопротивлением.
• Смеси веществ (композиции): Подавляющее большинство окружающих нас материалов — это смеси, состоящие из двух или более индивидуальных веществ, называемых компонентами.
• Главный закон смесей: Индивидуальные вещества, входящие в состав смеси, полностью сохраняют свои физические и химические свойства.
  • Если тщательно смешать жёлтый порошок серы и тёмные железные опилки, железо не утратит способности притягиваться к магниту, а сера сохранит свою гидрофобность (не смачивается водой и всплывает на поверхность при попытке погружения).
  • Именно благодаря сохранению индивидуальных свойств компонентов смеси можно снова разделить на чистые вещества с помощью физических методов.

КЛАССИФИКАЦИЯ СМЕСЕЙ: ГОМОГЕННЫЕ И ГЕТЕРОГЕННЫЕ

• Классификация по фазовой однородности (визуальному признаку):
  • Гомогенные (однородные) смеси: смеси, в которых между отдельными компонентами отсутствуют границы раздела, а их частицы невозможно различить не только невооружённым глазом, но даже под мощным оптическим микроскопом. Частицы компонентов раздроблены до размеров отдельных молекул или ионов.
  • Примеры: чистый воздух (смесь газов азота, кислорода, аргона и углекислого газа), спиртовой раствор иода, раствор сахара или поваренной соли в воде, чистая морская вода, большинство сплавов металлов (например, ювелирное золото различных проб).
  • Гетерогенные (неоднородные) смеси: смеси, в которых частицы компонентов различимы невооружённым глазом или с помощью лупы и микроскопа. В них всегда есть чёткие поверхности раздела фаз.
  • Примеры: горные породы (в куске гранита отчётливо видны зерна полупрозрачного кварца, тёмной слюды и розоватого полевого шпата), строительные растворы, стиральные порошки, взвесь глины или речного песка в воде, смесь растительного масла с водой.
• Классификация по агрегатному состоянию: смеси бывают твёрдыми (гранит, сплавы), жидкими (морская вода, нефть, молоко) и газообразными (воздух, природный газ).

СПОСОБЫ РАЗДЕЛЕНИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ (НЕОДНОРОДНЫХ) СМЕСЕЙ

• 1. Отстаивание и декантация:
  • Осаждение нерастворимых тяжёлых частиц: основано на различии плотностей твёрдого вещества и жидкости. Взвесь песка или глины в воде со временем отстаивается: тяжёлые частицы оседают на дно стакана под действием силы тяжести, после чего прозрачную воду можно аккуратно слить с осадка (декантация).
  • Разделение несмешивающихся жидкостей (делительная воронка): смесь жидкостей с разной плотностью (вода и растительное масло, вода и бензин или нефть) расслаивается в делительной воронке. Более тяжёлая жидкость (вода) собирается в нижнем слое, и её аккуратно спускают через нижний кран воронки в колбу, закрывая кран ровно на границе раздела.
• 2. Фильтрование:
  • Метод отделения нерастворимых твёрдых частиц от жидкости или газа путём пропускания смеси через пористую перегородку (фильтр).
  • Лабораторное фильтрование: смесь мутной воды с глиной или мелом пропускают через воронку со специальной пористой фильтровальной бумагой. Жидкость свободно проходит через микропоры бумаги и стекает в приёмник (это прозрачный фильтрат), а частицы осадка задерживаются на фильтре.
  • Фильтрование в быту, технике и медицине:
  • На водоочистных станциях воду фильтруют через толстые слои промытого речного песка и гравия;
  • В квартирах для доочистки применяют бытовые картриджные угольные фильтры;
  • В пылесосах воздух очищается тканевыми, бумажными и волокнистыми HEPA-фильтрами;
  • В медицине хирурги и врачи во время операций и эпидемий обязательно надевают фильтрующие медицинские маски, а на стройках и производствах рабочие защищают органы дыхания респираторами от токсичной и каменной пыли.
• 3. Действие магнитом и флотация:
  • Действие магнитом: используется различие компонентов в магнитной восприимчивости (железные опилки легко отделяются постоянным магнитом от древесных опилок или серы).
  • Флотация: разделение на основе смачиваемости водой. Если высыпать смесь серы и песка в стакан с водой, тяжёлый смачиваемый песок мгновенно тонет, а несмачиваемый водой порошок серы удерживается микропузырьками воздуха на поверхности воды.

СПОСОБЫ РАЗДЕЛЕНИЯ ГОМОГЕННЫХ (ОДНОРОДНЫХ) СМЕСЕЙ

• 1. Выпаривание и кристаллизация:
  • Применяется для выделения нелетучих твёрдых веществ (соли, сахара), растворённых в воде или других жидкостях.
  • Раствор нагревают в фарфоровой чашке на спиртовке или газовой горелке: растворитель (вода) испаряется в виде пара, а на дне чашки остаются сухие кристаллы чистого вещества.
  • Природная соледобыча: в промышленных масштабах поваренную соль добывают из соляных озёр (Баскунчак, Эльтон) и морских лиманов путём естественного выпаривания влаги солнечным теплом в мелких бассейнах.
• 2. Дистилляция (перегонка):
  • Метод разделения смесей жидкостей с различными температурами кипения, либо очистки жидкости от растворённых в ней нелетучих солей.
  • Принцип работы установки: жидкость нагревают в перегонной колбе до кипения. Образующийся пар поступает в трубку холодильника (холодильник Либиха), вокруг которого непрерывно циркулирует холодная вода («водяная рубашка»). Пар охлаждается, конденсируется в капли чистой жидкости и стекает в колбу-приёмник.
  • Применение:
  • Получение дистиллированной воды — чистейшей воды, свободной от растворённых солей, необходимой для приготовления инъекций и лекарств в медицине, работы аккумуляторов и высокоточных анализов в химических лабораториях;
  • Нефтепереработка: сырая нефть представляет собой сложную гомогенную смесь сотен углеводородов. На нефтеперерабатывающих заводах её разделяют перегонкой на фракции: бензин, керосин, дизельное топливо, смазочные масла и гудрон.

ХРОМАТОГРАФИЯ: ВЕЛИКОЕ ОТКРЫТИЕ МИХАИЛА ЦВЕТА

• История открытия: В 1903 году выдающийся русский биохимик и ботаник Михаил Семёнович Цвет (1872–1919) совершил фундаментальное научное открытие — он разработал метод разделения сложных смесей красящих веществ, названный хроматографией (от греч. chromatos — цвет и grapho — пишу, буквально — «цветопись», символически перекликающаяся с фамилией исследователя).
• Сущность метода: Разделение смеси компонентов основано на различной скорости их перемещения и распределения между неподвижной фазой (пористым сорбентом: бумагой, колонкой с мелом, силикагелем) и движущейся подвижной фазой (током растворителя — спирта, ацетона или воды). Разные вещества по-разному удерживаются сорбентом: одни бегут с растворителем быстрее, другие тормозятся сильнее, разделяясь на чёткие полосы.
• Лабораторный опыт с бумажной хроматографией: Если на полоску фильтровальной бумаги поставить точку чёрным фломастером и опустить край полоски в стакан со спиртом, растворитель станет подниматься вверх по капиллярам бумаги. Чёрная точка разложится на серию красивых разноцветных полос — жёлтых, синих и красных красителей.
• Мировое значение: Хроматография стала одним из мощнейших аналитических методов XXI века. Она позволяет анализировать сложнейшие смеси белков, ДНК, лекарств, нефтепродуктов, выявлять допинг в спорте и загрязнения в атмосфере. На могильной плите М. С. Цвета выбиты пророческие слова: «Ему было дано открыть хроматографию, разделяющую молекулы, объединяющую людей».