Чистые вещества и смеси веществ
Каждому веществу присущ набор специфических свойств – объективных характеристик, которые определяют индивидуальность конкретного вещества и тем самым позволяют отличить его от других веществ. К наиболее характерным физико-химическим свойствам относят константы – плотность, температура плавления, температура кипения, термодинамические характеристики, параметры кристаллической структуры. К основным характеристикам вещества принадлежат его химические свойства.
Все химические вещества в принципе могут существовать в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. Так, лед, жидкая вода и водяной пар – это твердое, жидкое и газообразное состояние одного вещества – воды Н2О. Твердая, жидкая и газообразная формы не являются индивидуальными характеристиками веществ, а соответствуют лишь различным, зависящим от внешних физических условий состояниям существования химических веществ. Поэтому нельзя приписывать воде только признак жидкости, кислороду – признак газа, а хлориду натрия – признак твердого вещества. Каждое из этих (и всех других) веществ при изменении условий может перейти в любое из трех агрегатных состояний.
При переходе от идеальных моделей твердого, жидкого и газообразного состояний к реальным состояниям вещества обнаруживается несколько промежуточных типов, общеизвестными из которых является аморфное (стеклообразное) состояние, состояние жидкого кристалла и высокоэластичное (полимерное) состояние.
Индивидуальное вещество обладает определенным набором характеристических свойств. От чистых веществ следует отличать смеси веществ. Смеси веществ делятся на гомогенные и гетерогенные. В таблице 1 приведены примеры смесей веществ в разных агрегатных состояниях.
В гомогенных смесях составные части нельзя обнаружить ни визуально, ни с помощью оптических приборов, поскольку вещества находятся в раздробленном на микроуровне состоянии. Гомогенными системами являются смеси любых газов и истинные растворы, а так же смеси некоторых жидкостей и твердых веществ, например, сплавы.
В гетерогенных смесях либо визуально, либо с помощью оптических приборов можно различить области (агрегаты) разных веществ, разграниченные поверхностью раздела; каждая из этих областей внутри себя гомогенна. Такие области называются фазой.
Гомогенная смесь состоит из одной фазы, гетерогенная смесь состоит из двух и большего числа фаз.
Таблица 1
Смеси веществ
Агрегатное состояние составных частей смеси | Гомогенная смесь | Гетерогенная смесь |
Твердое-твердое | Твердые растворы, сплавы (латунь, бронза) | Горные породы, руды |
Твердое-жидкое | Растворы солей, жидкие растворы | А. твердое в жидком, например, частицы глины в воде, коллоидные растворы. Б. жидкое в твердом – жидкость в пористых телах, например, почвы, грунты. |
Твердое-газообразное | Хемосорбированный водород в платине, палладии, сталях | А. твердое в газообразном – порошки и аэрозоли, в том числе дым, пыль, смог. Б. газообразное в твердом – пористые материалы, например, кирпич, пемза. |
Жидкое-жидкое | Жидкие растворы, например, уксус, раствор уксусной кислоты в воде | Двух- и многослойные жидкие системы, эмульсии, например, молоко – капли жидкого жира в воде. |
Жидкое-газообразное | Жидкие растворы, например, раствор диоксида углерода в воде | А. жидкое в газообразном – аэрозоли жидкости в газе, в том числе туманы. Б. газообразное в жидком – пены, например, мыльная пена. |
Газообразное-газообразное | Газовые растворы (смеси любых количеств любого числа газов) | Гетерогенная система невозможна. |
Гетерогенные смеси, в которых одна фаза в виде отдельных частиц распределена в другой, называются дисперсными системами. В таких системах различают дисперсную среду (распределяющую среду) и дисперсную фазу (раздробленное в дисперсной среде вещество).
С помощью физических методов разделения можно провести разделение смесей на составные части, то есть на чистые вещества. В таблице 2 приведен обзор известных физических методов разделения смесей веществ, используемых в химии и химической технологии.
Чистыми называются вещества, которые при применении физических методов разделения не разделяются на два и более других веществ и не изменяют физических свойств.
Таблица 2
Важнейшие физические методы разделения смесей веществ
Агрегатное состояние составных частей смеси | Физическое свойство, используемое для разделения | Методы разделения |
Твердое-твердое | Плотность Смачиваемость Размер частиц Растворимость Магнетизм | Отстаивание, седиментация. Флотация, пенная флотация. Просеивание. Экстракция, выщелачивание Магнитная сепарация. |
Твердое-жидкое | Плотность Температура кипения жидкости Размер частиц Растворимость твердого вещества | Седиментация, декантация (сливание жидкости с осадка), центрифугирование. Выпаривание, дистилляция, осушка. Фильтрование. Кристаллизация. |
Твердое-газообразное | Плотность Размер частиц Растворимость твердого вещества | Седиментация, центробежная сепарация. Фильтрование. Электрофильтрование. |
Жидкое-жидкое | Плотность Температура кипения Растворимость | Отстаивание (в делительной воронке, маслоотделителе), центрифугирование. Дистилляция Экстракция. |
Жидкое-газообразное | Плотность Растворимость газа | Седиментация, центробежная сепарация. Отгонка газа (путем повышения температуры), промывание с помощью другой жидкости. |
Газообразное-газообразное | Температура конденсации Абсорбируемость Адсорбируемость Размер частиц Масса | Конденсация. Абсорбция (поглощение объемом сорбента) Адсорбция (поглощение поверхностью сорбента). Диффузия. Центрифугирование |