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 гетерогенных 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, рахграниченные поверхностью раздела; каждая из этих областей внутри себя гомогенна. Такие области называются фазой.

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.

 

Гомогенная смесь состоит из одной фазы, гетерогенная смесь состоит из двух и большего числа фаз.

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