Читать онлайн
учебники на ANSEVIK.RU

>>> Перейти на полную версию сайта >>>

Учебник для 11 класса

Естествознание

       

§ 13. Смеси веществ, их состав и способы разделения

  1. Объясните, что такое смесь и как её разделить на компоненты.
  2. Назовите жидкие, твёрдые и газообразные смеси, которые часто используют в быту.

Классификация смесей по визуальным свойствам. В повседневной жизни мы редко сталкиваемся с чистыми веществами. В качестве немногочисленных примеров чистых веществ можно привести сахар, перманганат калия (марганцовку), поваренную соль, да и то если в них не внесены различные добавки (например, в поваренную соль добавляют иод для профилактики заболеваний щитовидной железы).

Значительно чаще нас окружают смеси веществ, которые содержат два или более индивидуальных соединения, называемых компонентами смеси.

Смеси различаются величиной входящих в их состав частиц. Иногда эти частицы настолько велики, что их можно видеть невооружённым глазом. Например, в смеси речного песка с сахарным вы без труда отличите кристаллики одного и другого. К подобным смесям можно отнести и стиральный порошок, кулинарные смеси для выпечки блинов или тортов, строительные сухие смеси, которые смешивают с водой. Смеси, в которых частички составляющих их веществ видны невооружённым глазом или с помощью оптических приборов, называются неоднородными или гетерогенными.

Есть смеси, при образовании которых вещества дробятся на мельчайшие частицы (молекулы, ионы), не различимые даже в микроскоп. Как бы вы ни всматривались в воздух, различить составляющие его газы вам не удастся. Так же бесполезно искать «неоднородность» в растворах уксусной кислоты или поваренной соли в воде. Такие смеси называются однородными или гомогенными.

Классификация смесей по агрегатному состоянию, их состав.

Гомогенные смеси, равно как и химические вещества, по агрегатному состоянию можно разделить на газообразные, жидкие и твёрдые.

Наиболее известными вам природными смесями газов являются воздух, а также природный и попутный нефтяной газы.

Самая распространённая на Земле жидкая смесь, а точнее, раствор, — это вода морей и океанов. В 1 л морской воды в среднем содержится 35 г солей, основная часть которых приходится на хлорид натрия. В отличие от чистой воды морская имеет горько-солёный вкус, замерзает не при 0 °С, а при -1,9 °С.

С жидкими смесями в повседневной жизни мы сталкиваемся постоянно. Шампуни и напитки, микстуры и препараты бытовой химии — всё это смеси веществ. Даже воду из-под крана нельзя считать чистым веществом: в ней содержатся растворённые соли, мельчайшие нерастворимые примеси и микроорганизмы, от которых избавляются хлорированием или озонированием. Однако и в этом случае воду рекомендуется кипятить. Специальные бытовые фильтры помогут сделать воду пригодной для питья и очистить её не только от твёрдых частиц, но и от некоторых растворённых примесей.

Широко распространены и твёрдые смеси. Как мы уже говорили, горные породы представляют собой смесь нескольких веществ. Почва, глина, песок — это тоже смеси. К твёрдым искусственным смесям можно отнести стекло, керамику, сплавы.

Как вам известно из биологии, состав воздуха, который мы вдыхаем, отличается от того, который мы выдыхаем. В выдыхаемом воздухе меньше кислорода, зато больше углекислого газа и водяного пара. Но «больше—меньше» — понятия относительные. Состав смесей можно выразить количественно, т. е. в цифрах.

Состав газовой смеси выражают объёмной долей каждого из её компонентов.

Объёмной долей газа в смеси называется отношение объёма данного газа к общему объёму смеси, выраженное в долях единицы или процентах:

Объёмную долю газа в смеси обозначают буквой ф (фи). Эта величина показывает, какую часть общего объёма смеси занимает конкретный газ. Например, вы знаете, что объёмная доля кислорода в воздухе составляет 21%, азота — 78%. Оставшийся 1% приходится на благородные газы, углекислый газ и другие компоненты воздуха.

Очевидно, что сумма объёмных долей всех газов в смеси равна 100%.

Состав жидких и твёрдых смесей принято выражать величиной, которая называется массовой долей компонента.

Массовой долей компонента в смеси называется отношение массы данного вещества к общей массе смеси, выраженное в долях единицы или процентах:

Разделение смесей, очистка основного вещества от примесей. Практически любая таблетка в домашней аптечке — это спрессованная смесь одного или нескольких лекарственных веществ и наполнителя, в качестве которого может выступать гипс, крахмал, глюкоза. Строительные и кулинарные смеси, парфюмерные композиции и краски, удобрения и пластмассы имеют состав, который может быть выражен в массовых долях образующих их компонентов.

Вещества с примесями — это тоже смеси. Только в таких смесях принято выделять главное (основное) вещество и посторонние компоненты, которые называют одним словом — примеси. Чем меньше примесей, тем чище вещество.

В некоторых областях техники использование недостаточно чистых веществ недопустимо. Микросхему компьютера не сделать без особо чистых кристаллов кремния. В атомной энергетике предъявляются повышенные требования к очистке ядерного топлива. Световой сигнал «погаснет» в стекловолоконном кабеле, «наткнувшись» на посторонние примеси.

Чтобы разделить компоненты смеси или очистить основное вещество от примесей, используют различные приёмы и методы.

Как правило, вещества, входящие в состав смеси, сохраняют свои физические свойства: температуру кипения, температуру плавления, растворимость. Поскольку свойства одного вещества отличаются от свойств другого, разделить смеси на отдельные компоненты можно, используя переход из одного агрегатного состояния в другое.

Перегонка, или дистилляция. Разделение смесей жидких веществ основано на различии в их температурах кипения. Такой процесс, как вы знаете на примере переработки нефти, называется ректификацией или перегонкой.

Известно, что любые газы смешиваются в любых соотношениях. А можно ли из смеси газов выделить отдельные компоненты? Задача не из простых. Но учёные предложили очень эффективное решение. Смесь газов можно превратить в жидкость и подвергнуть её перегонке. Например, воздух при сильном охлаждении и сжатии сжижают, а затем позволяют одному за другим выкипать отдельным компонентам, имеющим различные температуры кипения. Первым из жидкого воздуха испаряется азот, у него самая низкая температура кипения (-196 °С). Затем из жидкой смеси кислорода и аргона можно удалить аргон (-186 °С). Остаётся практически чистый кислород (его температура кипения -183 °С), который вполне годится для газовой сварки, химического производства, а также для медицинских целей.

Перегонку используют не только для разделения смесей на отдельные составляющие, но и для очистки веществ.

Вода из-под крана чиста, прозрачна, не имеет запаха. Но чистое ли это вещество с точки зрения химика? Загляните в чайник: накипь и коричневатый налёт остаются после многократного кипячения в нём воды. А известковый налёт на кранах? И природная, и водопроводная вода — это смесь, раствор твёрдых и газообразных веществ. Конечно, их содержание в воде очень мало, но эти примеси могут привести не только к образованию накипи, но и к более серьёзным последствиям. Не случайно лекарства для инъекций, растворы реактивов, электролит для автомобильного аккумулятора готовят только с использованием очищенной воды, называемой дистиллированной.

Откуда взялось такое название? Всё дело в том, что перегонка по-другому называется дистилляцией. Сущность дистилляции состоит в том, что смесь нагревают до кипения, образующиеся пары чистого вещества отводят, охлаждают и вновь превращают в жидкость. Но она уже не содержит загрязняющих примесей.

В лабораторных условиях перегонку ведут на установке, изображённой на рисунке 53. Она состоит из перегонной колбы (1). В неё наливают разделяемую смесь, например воду с растворёнными в ней примесями. Жидкость нагревают до кипения. Колба соединена с нисходящим холодильником (2) — устройством для конденсации паров кипящего вещества. С этой целью в рубашку холодильника по резиновым шлангам (3) подаётся холодная вода. Сконденсированные в холодильнике капли чистого вещества попадают в колбу-приёмник (4).

Рис. 53. Лабораторная установка для перегонки жидкостей

Кристаллизация. Как поступить, если требуется выделить из раствора не жидкость, а растворённое в ней твёрдое вещество? Для этого используют метод кристаллизации.

Выделить твёрдое вещество из раствора методом кристаллизации можно, выпаривая растворитель. Для этого предназначены специальные фарфоровые чашки (рис. 54).

Рис. 54. Выпаривание раствора в фарфоровой чашке

Такой же способ широко применяется для добычи соли из концентрированных растворов соляных озёр.

В природе соляные озёра — это своеобразные гигантские чаши. За счёт испарения воды на берегах таких озёр кристаллизуется огромное количество соли, которая после очистки попадает к нам на стол (рис. 55).

Рис. 55. Добыча соли на соляных озёрах

При проведении кристаллизации не обязательно испарять растворитель. Известно, что при нагревании растворимость большинства твёрдых веществ в воде увеличивается. Значит, при охлаждении раствора некоторое количество кристаллов выпадет в осадок.

      Кругом полынь и привкус хины,
      и, крепким натром солона,
      цветную от лучей равнину
      чуть лижет ровная волна.

/Н. Ушаков/

Лабораторный опыт

К 5 г оранжевых кристаллов соли дихромата калия добавьте несколько кристалликов перманганата калия (марганцовки) в качестве примеси. Смесь растворите в 8—10 мл кипящей воды. При охлаждении раствора растворимость дихромата калия резко понижается, вещество выпадает в осадок. Кристаллы очищенного от марганцовки дихромата отделите, промойте несколькими миллилитрами ледяной воды. Если растворить очищенное вещество в воде, то по цвету раствора можно определить, что марганцовки оно не содержит — она осталась в исходном растворе.


Отстаивание и фильтрование. Для выделения из жидкостей нерастворимых веществ используют метод отстаивания. В его основе лежит различная плотность веществ. Если частички твёрдого вещества достаточно крупные, они быстро оседают на дно, а жидкость становится прозрачной (рис. 56). Её можно осторож-Рис. 56. Отстаивание почвы в воде но слить с осадка.

Рис. 56. Отстаивание почвы в воде

Чем меньше размер твёрдых частиц в жидкости, тем дольше будет отстаиваться смесь.

Лабораторный опыт

В стеклянный стакан насыпьте немного порошка для чистки сантехники и залейте его до половины водой. Образуется мутная смесь. Жидкость станет прозрачной только на следующий день. Почему смесь отстаивается так долго? Слейте прозрачную жидкость. Какой способ разделения вы использовали?


Отстаиванием разделяют и смеси двух нерастворимых друг в друге жидкостей.

Если в систему смазки автомобиля попала вода, масло придётся слить. Однако через некоторое время смесь расслоится. Вода, имеющая большую плотность, образует нижний слой, сверху отстоится слой масляный. Аналогично отстаивается смесь воды и нефти, воды и растительного масла. Для разделения таких смесей удобно пользоваться особой лабораторной посудой, называемой делительной воронкой (рис. 57).

Рис. 57. Разделение двух несмешивающихся жидкостей с помощью делительной воронки

Лабораторный опыт

В коническую колбу налейте равные объёмы воды и растительного масла. При интенсивном взбалтывании вода и масло разбиваются на мелкие капельки, образуя мутную смесь. Перелейте её в делительную воронку. Через некоторое время смесь расслаивается на более тяжёлый водный слой и масло, всплывающее наверх. Откройте кран делительной воронки и слейте воду.


Отделить частицы твёрдого нерастворимого вещества от жидкости можно с помощью фильтрования. В лаборатории для этого используется специальная пористая бумага, называемая фильтровальной. Частицы твёрдого вещества не проходят через поры бумаги и остаются на фильтре. Жидкость с растворёнными в ней веществами (её называют фильтратом) свободно просачивается через него и становится совершенно прозрачной.

Фильтрование — очень распространённый процесс и в быту, и в технике, и в природе.

На водоочистительных станциях воду фильтруют через слой чистого песка, на котором задерживаются ил, примеси нефтепродуктов, частицы почвы и глины. Топливо и масло в двигателе автомобиля обязательно проходят через фильтрующие элементы.

Клеточные мембраны, стенки кишечника или желудка — это тоже своеобразные биологические фильтры, поры которых пропускают одни вещества и задерживают другие.

Фильтровать можно не только жидкие смеси. Не раз вы видели людей в марлевых повязках, да и самим, наверное, приходилось ими пользоваться. Проходя через несколько слоёв марли с проложенной между ними ватой, вдыхаемый воздух очищается от частиц пыли, смога, болезнетворных микробов. В промышленности для защиты органов дыхания от пыли используют специальные приспособления — респираторы. Воздух, попадающий в двигатель автомобиля, тоже очищают от пыли тканевыми или бумажными фильтрами.

Лабораторный опыт

Положите на стол кубик льда из морозильной камеры. На верхнюю грань кубика положите конец нитки и посыпьте кубик солью. Через минуту потяните нитку вверх. Что произошло? Объясните почему.


Далее мы подробно рассмотрим дисперсные системы и растворы, образованные смесями из различных веществ.

Теперь вы знаете

  • какие бывают виды смесей по составу
  • как разделяют смеси
  • как выражают состав газовых, твёрдых и жидких смесей

Теперь вы можете

  • классифицировать смеси по составу и по агрегатному состоянию
  • выразить количественно (в цифрах) состав газовой смеси, а также состав жидких и твёрдых смесей
  • назвать способы разделения газовых, твёрдых и жидких смесей и объяснить, в чём их сущность
  • с помощью лабораторных опытов на практике подтвердить свои теоретические знания о способах разделения смесей

Выполните задания

  1. Объясните, корректно ли словосочетание «молекулы воздуха», назовите постоянные, переменные и случайные составные части воздуха. Сделайте предположение об относительном содержании отдельных компонентов в воздухе после грозы, в глубоких ущельях и на горных вершинах, в лесопарковой зоне и вблизи крупного промышленного предприятия.
  2. Рассчитайте, какой объём кислорода содержится в 500 м3 (н. у.) воздуха. В природном газе некоего месторождения объёмные доли предельных углеводородов равны: метан — 85%, этан — 10%, пропан — 4% и бутан — 1%. Вычислите, какой объём каждого из газов может быть получен из 125 л природного газа (н. у.).
  3. В состав сухой цементной смеси для штукатурных работ входят 25% цемента и 75% песка. Определите, сколько килограммов каждого компонента нужно взять для приготовления 150 кг такой смеси.
  4. Предложите способ разделения следующих смесей:

      а) железная и медная стружка;
      б) песока и древесные опилки;
      в) бензин и вода;
      г) меловая побелка на мел и воду;
      д) раствор этилового спирта в воде.

Темы для рефератов

  1. Фракционная перегонка жидкого воздуха.
  2. Объединённые Арабские Эмираты — жизнь на опреснённой воде.
  3. Области применения дистиллированной воды.
  4. Суспензии и эмульсии: сравнительная характеристика.
  5. Естественные и искусственные аэрозоли.

Рейтинг@Mail.ru