§ 4. Физические явления — основа разделения смесей в химии

Чистыми называют вещества, которые практически не содержат посторонних примесей и обладают строго постоянными физическими свойствами. Смеси состоят из двух или более индивидуальных веществ (компонентов), каждое из которых сохраняет свои физические свойства.

• Индивидуальные вещества в составе смеси называют её компонентами
• В практической деятельности и технике смеси применяются несоизмеримо чаще, чем сверхчистые вещества

Две основные категории смесей по визуальной и оптической однородности.

• Гомогенные (однородные) смеси — системы, в которых между частицами компонентов отсутствуют видимые границы раздела даже при наблюдении под оптическим микроскопом (воздух, раствор сахара или соли в воде, металлические сплавы)
• Гетерогенные (неоднородные) смеси — системы, в которых границы раздела между частицами компонентов различимы невооружённым глазом или под лупой (гранит, пыльный воздух, мутная взвесь глины в воде, смесь порошка серы с железными опилками)

Метод разделения гомогенных жидких смесей, основанный на существенном различии температур кипения их компонентов.

• Заключается в испарении жидкости при нагревании в перегонной колбе с последующим охлаждением паров в холодильнике и сбором конденсата (дистиллята) в приёмник
• Применяется для получения дистиллированной воды и фракционного разделения сырой нефти

Метод отделения нерастворимых твёрдых частиц от жидкости или газа в гетерогенных смесях при помощи пористых перегородок (фильтров).

• Раствор или газ свободно проходит сквозь микропоры фильтра, образуя прозрачный фильтрат, а более крупные взвешенные частицы задерживаются на поверхности
• Лежит в основе работы водоочистных станций, бытовых фильтров для воды, пылесосов, респираторов и хирургических масок

Способ выделения растворённого твёрдого вещества из раствора путём полного испарения летучего растворителя при нагревании.

• Проводится в специальных термостойких фарфоровых чашках
• Является фундаментальным промышленным методом добычи поваренной соли из естественных соляных озёр и морских лиманов

Способ разделения гетерогенных смесей, основанный на естественном разделении компонентов с различной плотностью под действием гравитационных сил.

• Применяется для разделения взвесей твёрдых частиц в воде или несмешивающихся жидкостей с разной плотностью (например, воды и растительного масла, воды и бензина)
• Для быстрого и точного слива отстоявшихся жидких слоёв в лабораториях используют делительную воронку

Физико-химический метод разделения и анализа сложных смесей молекул, основанный на различном распределении компонентов между подвижной и неподвижной фазами и различии скоростей их перемещения.

• Открыт в 1900 году выдающимся русским биохимиком Михаилом Семёновичем Цветом при исследовании растительных пигментов хлорофилла
• Широко применяется в медицине, фармацевтике, криминалистике и экологическом мониторинге окружающей среды

Выдающийся русский биохимик и физиолог растений, первооткрыватель метода хроматографии, революционизировавшего химический анализ и разделение сложных многокомпонентных смесей.

• В 1900–1903 годах разработал принципиально новый метод разделения и анализа смесей — хроматографию, основанный на различии скоростей перемещения компонентов растворов в слое пористого сорбента.
• Экспериментально открыл метод при разделении растительных пигментов, механизм которого в параграфе демонстрируется опытом бумажной хроматографии с разделением красителей чёрного фломастера под действием спирта.
• Метод Цвета стал незаменимым инструментом современной химической технологии и медицины, а на надгробной плите учёного высечена эпитафия: «Ему было дано открыть хроматографию, разделяющую молекулы, объединяющую людей».

По агрегатному состоянию компонентов смеси классифицируют на:

• Твёрдые смеси: могут быть гетерогенными (горные породы, гранит, почва, смесь серы и железа) или гомогенными (металлические сплавы — бронза, латунь, ювелирное золото различных проб);
• Жидкие смеси: могут быть гомогенными (морская вода, раствор сахара, нефть, медицинский спирт) или гетерогенными (взвесь глины в воде, молоко, эмульсия бензина с водой);
• Газообразные смеси: в силу неограниченной взаимной диффузии газов все газовые смеси всегда являются гомогенными (атмосферный воздух, природный газ, выхлопные газы).

Основные способы разделения смесей и их физические основы:

• Действие магнитом (магнитная сепарация): основана на различии магнитных свойств веществ (ферромагнетики, такие как железо, притягиваются магнитом из смеси с немагнитной серой или песком);
• Отстаивание: основано на различии плотностей несмешивающихся фаз под действием силы тяжести (тяжёлая фаза оседает на дно, лёгкая всплывает);
• Фильтрование: основано на различии в размерах частиц дисперсной фазы и пор фильтрующего материала;
• Выпаривание и кристаллизация: основаны на существенном различии летучести и температур кипения растворителя и растворённого твёрдого вещества;
• Дистилляция (перегонка): основана на различии температур кипения компонентов жидких гомогенных растворов;
• Хроматография: основана на различии коэффициентов сорбции и скоростей движения молекул разных компонентов в потоке подвижной фазы сквозь неподвижный сорбент.

Примеры бытовых приборов и устройств для разделения смесей:

• Бытовые проточные и кувшинные фильтры для питьевой воды (метод фильтрования через активированный уголь и полимерные мембраны);
• Пылесосы со сменными мешками или HEPA-фильтрами (фильтрование воздуха от микрочастиц пыли);
• Кухонные вытяжки с жироулавливающими металлическими сетками и угольными картриджами (фильтрование взвесей жира и паров);
• Медицинские маски и респираторы (фильтрование вдыхаемого воздуха от аэрозолей и бактерий);
• Сито, дуршлаг, френч-пресс для заваривания чая и кофе (разделение грубых гетерогенных смесей фильтрованием);
• Центробежные соковыжималки (разделение сока и мякоти фильтрованием под действием центробежной силы);
• Кухонные жироуловители под раковиной и отстойники в загородных септиках (метод гравитационного отстаивания).

Эти слова посвящены выдающемуся русскому учёному-биохимику и физиологу растений Михаилу Семёновичу Цвету (1872–1919). В 1900–1903 годах он впервые разработал хроматографический метод, разделив сложную смесь растительных пигментов листьев (зелёные хлорофиллы и жёлтые каротиноиды) при пропускании их раствора через вертикальную колонку с порошком мела.