В повседневной жизни мы очень редко имеем дело с отдельными, чистыми веществами. Вместо этого гораздо чаще нам встречаются их смеси. Примерами могут служить чай, молоко или металлические сплавы. Смесь — это физическая комбинация двух или более веществ (между ними нет химических связей). Если отдельные компоненты различимы невооруженным глазом — тогда мы говорим о неоднородных смесях. В противном случае они являются однородными смесями.
Свойства однородных смесей
Однородные смеси (также называемые гомогенными смесями) характеризуются тем, что их компоненты невозможно отличить друг от друга невооруженным глазом или с помощью простых оптических инструментов, таких как увеличительное стекло. Превращение отдельных веществ в однородные смеси или обратный процесс, т. е. разделение смеси на отдельные компоненты, происходит посредством физических процессов — смешивания и разделения. Все вещества, образующие смесь, сохраняют свои первоначальные свойства. Они характеризуются тем, что между ними нет химических связей.
Компоненты однородных смесей могут находиться в разных агрегатных состояниях. В качестве примеров таких однородных смесей можно привести растворы. Их основной составляющей является растворитель, в котором растворены (или диспергированы) другие компоненты смеси. В жидких растворах растворитель является жидкостью, в газообразных растворах — газом, а в металлических сплавах — твердым телом.
Способы разделения компонентов однородных смесей
Однородные смеси образуются при объединении компонентов физическими методами. Выбор подходящего метода разделения зависит в первую очередь от агрегатного состояния отдельных составляющих. Компоненты однородных смесей после смешивания сохраняют свои первоначальные свойства. Они также влияют на метод разделения смеси. К ним относятся, например, плотность, растворимость или температура кипения. Ниже приведены некоторые примеры методов разделения однородных смесей.
Дистилляция
Дистилляция является эффективным методом разделения жидких компонентов однородных смесей. Необходимыми условиями являются относительно низкие температуры кипения отдельных компонентов и их термическая стабильность (для предотвращения разложения при высоких температурах). Для отгонки отдельных веществ смесь необходимо постепенно нагревать в перегонной колбе, соединенной с охладителем. Повышение температуры постепенно вызывает кипение последовательных компонентов гомогенной смеси (порядок зависит от их точек кипения). Они переходят из жидкого состояния в парообразное и затем попадают в охладитель. Поступающая туда охлаждающая вода (в противотоке) вызывает охлаждение и конденсацию паров. Таким образом, все компоненты смеси перегоняются.
Кристаллизация
Противоположностью растворения является процесс кристаллизации. Применяется для разделения компонентов однородных смесей в виде кристаллов путем контролируемого испарения растворителя. На первой стадии процесса кристаллизации необходимо испарить как можно больше растворителя, чтобы получить насыщенный раствор. Затем он охлаждается. При понижении температуры он становится пересыщенным, и происходит медленный рост кристаллов исходного вещества, растворенного в растворе. Процесс кристаллизации, проводимый в четко определенных и контролируемых условиях, приводит к получению кристаллов крупного размера, желаемой формы и высокой чистоты (даже более 99 %).
Адсорбция
Для разделения однородных смесей (газообразных или жидких) может применяться адсорбция. В этом процессе применяется способность определенных веществ поглощать другие компоненты (например, образующие смесь). Такой «поглотитель» называется адсорбентом. Он связывает молекулы адсорбата (адсорбируемого растворенного вещества) на своей поверхности посредством взаимодействий физической (физическая адсорбция) или химической (химическая адсорбция) природы. В качестве адсорбентов чаще всего применяются твердые вещества с высокой удельной площадью поверхности (это повышает эффективность разделения). Для этой цели часто применяется активированный уголь.
Бумажная хроматография
Это один из хроматографических методов, который может быть успешно применен для разделения компонентов однородной смеси. С его помощью можно разделить компоненты, например, чернил в маркерах. Для этого смесь необходимо нанести на нижнюю часть специальной хроматографической бумаги (стартовая линия). Затем подложка с нанесенной смесью помещается в камеры, на дне которых находится растворитель (элюент). Под действием капиллярных сил элюент поднимается по этой бумаге, увлекая за собой смесь. Отдельные компоненты будут взаимодействовать с подложкой и растворителем с разной силой, в результате чего произойдет разделение.
Однородные смеси — примерыАлканы
Бензин является типичным примером жидкой однородной смеси. Она состоит из углеводородов, содержащих от 5 до 12 атомов углерода в молекуле. В основном это алканы, т. е. насыщенные соединения. В бензине есть также ненасыщенные алифатические соединения — они имеют двойные или тройные связи между атомами углерода — и кольцевые соединения.
Необходимой однородной смесью для жизни человека является воздух. Чистый, незагрязненный воздух представляет собой сочетание различных элементов и химических соединений. Его твердые компоненты включают азот, кислород и инертные газы. Содержание других компонентов этой газовой смеси варьируется в зависимости от ряда факторов. К ним относятся окись углерода (IV), озон, окиси серы и азота, водородный пар и метан.
Однородные смеси — это химические растворы солей в растворителе. Рассол является примером такой смеси. Он образуется в результате физического процесса растворения хлорида натрия (поваренной соли) в воде. Рассол широко применяется, например, в пищевой промышленности. Количество каждого отдельного компонента (NaCl и H2O) можно определить по его концентрации в растворе.