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
