Структурные изменения веществ

В газооб­разном состоянии частицы, составляющие вещество, находятся на большом рас­стоянии друг от друга и свободно передвигаются.

В отличие от газообразного состояния, в жидком и твёрдом состояниях вещества атомы (молекулы, ионы) соприкасаются друг с другом, так как сильнее взаимо­действуют между собой.

В жидкости атомы (молекулы, ионы) беспорядочно двигаются, скользят отно­сительно друг друга.

Основное отличие между жидким и твёрдым кристаллическим состояниями в том, что в кристаллическом веществе его частицы постоянно находятся в узлах кристаллической решёт­ки, лишь испытывая тепловые колебания. Поэтому можно отличить твёрдые и жидкие вещества по внешнему виду: твёрдое имеет собственную форму, а жидкое – форму сосуда, в котором оно находится.

Таблица знакомит со структурными изменениями в различных фазовых со­стояниях веществ, в которых они оказываются при изменении внешних условий. При этом учитывают, что к твёрдым веществам относятся не только кристаллические, но и аморфные веще­ства, такие как, например, пластмасса, воск, стекло.

В таблице показаны три вещества: I₂ (иод) – вещество состоит из одинако­вых молекул в газообразном, жидком и твёрдом состояниях; NaCl (хлорид натрия) – двухатомные молекулы в газовой фазе, ионы Nа⁺ и Сl^– в жидкости и кристалле; Ag (серебро) – во всех фазах состо­ит из атомов, причём в жидком и твёрдом состояниях их электроны делокализованы.

Химические реакции с участием жидких веществ идут со значительно большей скоростью, чем газооб­разные, которые обладают малой плотностью, или твёрдые, частицы которых малоподвижны.

В нижней части таблицы показана схема, иллюстрирующая фазовые перехо­ды вещества.

При нагревании твёрдого кристаллического вещества усиливаются тепловые колебания частиц, что приводит к разрушению кристаллической решётки (для некристаллических – аморфных – веществ усиливается скорость движения частиц). Вещество начинает плавиться. При этом только для кристаллов температура плавления постоянна. Обратный процесс пе­рехода жидкости в твёрдое вещество называется затвердеванием. Для кристалли­ческих веществ этот процесс обычно называют кристаллизацией.

При нагревании или уменьшении давления жидкость испаряется и переходит в газообразное состояние. Переход из газообразного состояния в жидкое называ­ется конденсацией.

Частицы некоторых твёрдых веществ (иод, мышьяк, камфора) могут непосред­ственно переходить в парообразное состояние (возгонка, сублимация). Обратный процесс перехода газа в твёрдое состояние называется осаждением.

СПОСОБЫ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСЕЙ

Таблица 6 знакомит с наиболее важными и часто используемыми в ла­бораторной практике способами разделения смесей. Рисунки верхнего ряда пока­зывают способы разделения гетерогенных (неоднородных) смесей, а нижнего – гомогенных (однородных) смесей.

Способы разделения основаны на различии свойств веществ, входящих в сме­си. Многие способы получения чистых (индивидуальных) веществ представляют собой физические явления. В лаборатории для разделения смесей используют следующие методы: разделение с помощью делительной воронки, декантация, фильтрование, выпари­вание, перегонка, хроматография и др.

Декантация – распространённый метод разделения гетерогенных смесей. Она используется для отделения нерастворимых твёрдых частиц (с большей плотно­стью, чем жидкость) от жидкости. Например, если речной песок добавить в ста­кан с водой, то при отстаивании он оседает на дно стакана. Затем вода может быть отделена от песка просто сливанием. Таким образом, метод отстаивания и после­дующего сливания жидкости называется декантацией.

Фильтрование также используется для разделения жидкости и твёрдого веще­ства. Этот способ основан на способности фильтра (пористого материала) пропускать жидкость и задерживать твёрдые нерастворимые вещества. Выделенная жидкость называется фильтратом.

Фильтрование можно ускорить, если использо­вать воронку и колбу Бюхнера для фильтрования под вакуумом.

Делительную воронку используют для разделения двух взаимно нераствори­мых жидкостей (например, воды и масла). Для этого смесь сначала отстаивают. В нижней части делительной воронки будет собираться более тяжёлая жидкость.

Магнитный способ разделения веществ можно наблюдать в опыте с железом и се­рой. При разделении этой смеси магнит будет притягивать железо. На различии ма­гнитных свойств руды и пустой породы основано извлечение магнитного железняка Fе₃О₄.

К гомогенным системам относят растворы. Они состоят из двух или несколь­ких компонентов.

Две жидкости с различными температурами кипения могут быть разделены перегонкой. В нижней части таблицы показана установка для перегонки жидкос­тей с использованием водяного холодильника. Жидкость с меньшей температурой кипения испаряется быстрее и раньше попадает в холодильник. Здесь она охлаж­дается водой и конденсируется.

Перегонкой получают дистиллированную воду. Для этого очищаемую воду помещают в колбу и нагревают до температуры кипения.

Образовавшийся пар по­ступает во внутреннюю трубку холодильника. Снизу вверх в холодильнике дви­жется холодная вода, которая превращает пар в жидкость. Образовавшаяся чистая вода, без примесей растворённых веществ, стекает в приёмник. Перегонкой мож­но также разделить смесь этанола и воды.

Для выделения растворённого твёрдого вещества раствор выпаривают. При нагревании раствора вода испаряется и в фарфоровой чашке остаётся твёрдое вещество.

Выпаривание можно применять для очистки солей от примесей. Для этого образец соли растворяют в воде и раствор фильтруют. В результате получают раствор соли, очи­щенный от нерастворимых в воде примесей. Затем соль выделяют из раствора вы­париванием.

Для разделения жидкостей можно использовать метод хроматографии. При использовании колоночной адсорбционной хроматографии стеклянную колонку заполняют пористым носителем (например, оксидом алюминия) и через неё про­пускают смесь жидкостей, например, растворов солей меди и кобальта. Твёрдый носитель обладает способностью по-разному адсорбировать вещества, и поэтому они осаждаются в разных местах колонки. В результате носитель окрашивается в разные цвета: верхнее поле – в синий, характерный для растворов солей меди [гидратированных ионов меди(II)], нижнее поле – в розовый, характерный для растворов солей кобальта [гидратированных ионов кобальта(II)].

Ответьте на следующие вопросы.

1. Приведите примеры гомогенных и гетерогенных смесей.

2. Назовите примеры использования способов разделения смесей в промыш­ленности.

3. Какие существуют способы разделения смесей кроме указанных в таблице?

Таблица 6

Способы разделения смесей