W życiu codziennym bardzo rzadko mamy do czynienia z pojedynczymi, czystymi substancjami. Za to zdecydowanie częściej z ich mieszaninami. Przykładem może być herbata, mleko czy stopy metali. Mieszanina to połączenie dwóch lub więcej substancji metodami fizycznymi (nie występują pomiędzy nimi wiązania chemiczne). Jeżeli poszczególne składowe możliwe są do rozróżnienia gołym okiem - wtedy mówimy o mieszaninach niejednorodnych. W przeciwnym wypadku są to mieszaniny jednorodne.
Właściwości mieszanin jednorodnych
Mieszaniny jednorodne (nazywane również homogenicznymi) charakteryzują się tym, że ich składników nie sposób rozróżnić gołym okiem, ani z wykorzystaniem prostych przyrządów optycznych, np. lupy. Przekształcenie poszczególnych substancji w mieszaniny jednorodne lub proces odwrotny, czyli rozdzielenie mieszaniny na poszczególne składowe, odbywa się w wyniku procesów fizycznych – mieszania i rozdzielania. Wszystkie substancje, które tworzą mieszaninę, zachowują swoje pierwotne właściwości. Charakteryzują się tym, że pomiędzy nimi nie występują wiązania chemiczne.
Składniki mieszanin homogenicznych mogą mieć różne stany skupienia. Jako przykłady takich mieszanin jednorodnych, można podać roztwory. Ich główną składową jest rozpuszczalnik, w którym rozpuszczone (lub rozproszone) zostają pozostałe składniki mieszaniny. W roztworach ciekłych, rozpuszczalnik jest cieczą, ale już w roztworach gazowych ma on stan skupienia gazu lub w stopach metali jest to substancja stała.
Sposoby rozdzielania składników mieszanin jednorodnych
Mieszaniny jednorodne powstają w wyniku połączenia składników metodami fizycznymi. Wybór właściwej metody rozdzielenia zależy przede wszystkim od stanu skupienia poszczególnych składowych. Składniki mieszanin homogenicznych po zmieszaniu, nadal zachowują swoje pierwotne właściwości. Również one wpływają na sposób rozdzielenia mieszaniny. Są to np. gęstość, rozpuszczalność czy temperatura wrzenia. Poniżej podano kilka przykładowych metod rozdzielania mieszanin jednorodnych.
Destylacja
Destylacja jest skuteczną metodą rozdzielania ciekłych składników mieszanin jednorodnych. Warunkami są m.in. stosunkowo niskie temperatury wrzenia poszczególnych składowych oraz ich stabilność termiczna (żeby nie dopuścić do degradacji pod wpływem wysokiej temperatury). Aby oddestylować poszczególne substancje, należy mieszaninę stopniowo ogrzewać w kolbie destylacyjnej, połączonej z chłodnicą. Zwiększająca się stopniowo temperatura powoduje, że kolejne składniki mieszaniny homogenicznej zaczynają wrzeć (kolejność zależy od ich temperatur wrzenia). Przechodzą one ze stanu ciekłego w stan pary, która następnie trafia do chłodnicy. Płynąca w niej woda chłodząca (w przeciwprądzie) powoduje oziębienie par i ich skroplenie. W ten sposób zostają oddestylowane wszystkie składniki mieszaniny.
Krystalizacja
Odwrotny do rozpuszczania, jest proces krystalizacji. Służy on do wydzielenia składników mieszanin jednorodnych w formie kryształków, poprzez kontrolowane odparowanie rozpuszczalnika. W pierwszym etapie procesu krystalizacji należy odparować możliwie dużą ilość rozpuszczalnika, tak, aby uzyskać roztwór nasycony. Następnie chłodzi się go. W miarę obniżania temperatury, staje się przesycony i następuje powolny wzrost kryształów substancji pierwotnej rozpuszczonej w roztworze. Przeprowadzony proces krystalizacji, w ściśle określonych i kontrolowanych warunkach, prowadzi do otrzymania kryształów o dużych rozmiarach, pożądanym kształcie oraz wysokiej czystości (nawet ponad 99%).
Adsorpcja
Do rozdzielania mieszanin jednorodnych (gazowych lub ciekłych) może zostać wykorzystana adsorpcja. W procesie tym wykorzystuje się zdolność niektórych substancji do pochłaniania innych składników (np. tworzących mieszaninę). Taki “pochłaniacz” jest nazywany adsorbentem. Wiąże on na swojej powierzchni cząsteczki adsorbatu (substancja rozpuszczona, która zostaje zaadsorbowana) w wyniku oddziaływań natury fizycznej (adsorpcja fizyczna) lub chemicznej (adsorpcja chemiczna – chemisorpcja). Jako adsorbenty, najczęściej stosuje się ciała stałe, które mają wysoko rozwiniętą powierzchnię właściwą (zwiększa to wydajność rozdzielania). Często w tym celu wykorzystywany jest węgiel aktywny.
Chromatografia bibułowa
Jest jedną z technik chromatograficznych, która może być z powodzeniem wykorzystana do rozdzielenia składników mieszaniny jednorodnej. Dzięki niej można rozdzielić składniki np. tuszu w markerach. Aby to uczynić, mieszaninę należy nanieść na dolną część specjalnej bibuły chromatograficznej (linia startu). Następnie podłoże z naniesioną mieszaniną umieszcza się w komorach, na dnie których znajduje się rozpuszczalnik (eluent). Dzięki siłom kapilarnym, eluent wznosi się po bibule, zabierając ze sobą jednocześnie mieszaninę. Poszczególne jej składniki z różną siłą będą oddziaływać zarówno z podłożem, jak i rozpuszczalnikiem i w efekcie tego dojdzie do ich rozdziału.
Mieszaniny jednorodne – przykłady
Benzyna to typowy przykład ciekłej mieszaniny jednorodnej. W jej skład wchodzą węglowodory zawierające w cząsteczce od 5 do 12 atomów węgla. Są to głównie alkany, czyli związki nasycone. W benzynie znajdują się również związki alifatyczne nienasycone – posiadają podwójne lub potrójne wiązania pomiędzy atomami węgla – oraz związki pierścieniowe.
Niezbędną do życia dla człowieka mieszaniną jednorodną jest powietrze. Czyste, niezanieczyszczone powietrze to połączenie różnych pierwiastków i związków chemicznych. Do jego stałych składników należą azot, tlen i gazy szlachetne. Pozostałe komponenty tej gazowej mieszaniny mają różną zawartość w zależności od szeregu czynników. Są to tlenek węgla (IV), ozon, tlenki siarki i azotu, para wodna wodór i metan.
Mieszaninami jednorodnymi są roztwory chemiczne soli w rozpuszczalniku. Solanka jest przykładem takiej mieszaniny. Powstaje w wyniku fizycznego procesu rozpuszczania chlorku sodu (soli kuchennej) w wodzie. Solanka znajduje powszechne zastosowanie np. w przemyśle spożywczym. Ilość poszczególnych składników (NaCl i H2O) można określić podając ich stężenie w roztworze.