Смеси. Разделение смесей.

Абсолютно чистое вещество, не содержащее примесей других молекул, получить чрезвычайно трудно. Поэтому на практике чистым называют вещество, состоящее из молекул одного вида, в котором других молекул настолько мало, что они не влияют на его свойства.

** Например, воду из родника мы считаем вполне чистой и пригодной для питья, потому что мельчайшие примеси в ней для нас просто неощутимы. Но для некоторых научных и технических целей такая вода совершенно непригодна. Например, в замкнутых контурах атомных электростанций нужна еще более чистая вода, иначе трубы, по которым она циркулирует, быстро выйдут из строя. Но иногда бывает нужна еще более чистая вода! Для получения и хранения такой сверхчистой воды даже стеклянная посуда уже не подходит, потому что из стекла в воду попадают другие молекулы. Годится только кварцевая посуда, а над поверхностью воды не должно быть воздуха, потому что многие газообразные вещества (углекислый газ, азот, кислород) растворимы в воде и "загрязняют" ее.

Реальные вещества всегда содержат какие-то примеси. Даже лекарственные вещества (например, аспирин - рис. 1-2), к чистоте которых предъявляются особые требования, всегда содержат незначительные примеси других веществ. Но этих примесей так мало, что наш организм их просто не замечает. В то же время лекарство с истекшим сроком годности может стать неактивным или даже оказать побочное действие, поскольку количество примесей в нем накопилось выше определенного предела.

Рис. 1-2. Модель молекулы аспирина (ацетилсалициловой кислоты) C₉H₈O₄. Серые шары - атомы углерода, белые - водорода, красные - кислорода.

Не нужно думать, что чистые вещества абсолютно во всех случаях лучше смесей. Например, нельзя дышать чистым кислородом. Если бы из атмосферы вдруг по каким-то причинам исчез азот, “разбавляющий” кислород до безопасного уровня, все живые организмы на суше погибли бы в течение нескольких часов, а растительность на всех континентах была бы полностью уничтожена чудовищным пожаром.

Многие лекарства являются смесями. Провизоры в аптеках приготовляют из чистых лекарственных веществ микстуры, что в переводе с латинского означает именно смеси.

Особым случаям смесей являются растворы. Если смесь глины с песком можно на глаз отличить от песка и глины, то растворив поваренную соль в воде, мы получим прозрачную жидкость, по внешнему виду неотличимую от воды. Однако в этой смеси частицы, составлявшие ранее кристаллы соли, равномерно распределены в толще молекул растворителя (воды). Если позволить воде испаряться, то соль выпадет на дно сосуда в виде тех же кристаллов. Химического превращения не происходит - соль и вода остаются самими собой.

** Если даже лекарства не бывают абсолютно чистыми, то что же тогда можно называть (в широком смысле) чистым веществом, а что - смесью? К счастью, есть такие физические свойства вещества, которые перестают изменяться после того, как количество примесей уменьшается до определенного предела. Для очень многих целей вещество с такими неизменными свойствами можно считать чистым. Эти физические свойства - точка плавления и точка кипения. Если плавление образца какого-нибудь вещества не растягивается на несколько градусов, а происходит в пределах одного градуса - то такое вещество химик обычно называет чистым. Если вещество кипит при одной температуре, которая не изменяется по мере испарения образца - то это тоже, скорее всего, чистое вещество. Конечно, из этих правил бывают исключения, поэтому окончательный вывод о чистоте вещества можно сделать только на основании анализа. Что такое химический анализ - об этом мы поговорим позже.

Как же выделяют чистые вещества из смесей? Для этого существует несколько способов. Опишем некоторые из них.

Чтобы задача выглядела полезной с практической точки зрения, рассмотрим очистку воды. Допустим, в нашем рапоряжении есть около полулитра загрязненной воды. В любом населенном пункте найти такую воду - не проблема (можно взять воду из лужи или пруда). Приступим к ее очистке сначала простыми, а потом все более сложными методами.

1. ОТСТАИВАНИЕ. а) Нальем грязную воду в химический стакан и дадим спокойно постоять:

б) Тот же стакан через 30 минут. Наиболее крупные частицы примесей осели на дно. Жидкость в верхней части стакана стала светлее. Если на поверхности имеется тонкая радужная пленка - значит, вода загрязнена не только частичками почвы, ила, но и нефтепродуктами:

2. ФИЛЬТРОВАНИЕ. Осторожно сольем жидкость с осадка в воронку, в которую вставлен фильтр из пористой бумаги. Воронка находится в другом сосуде, в котором скапливается уже гораздо более чистая вода. На фильтре оcтаются мелкие частицы примесей. Полученная вода еще не пригодна для питья, так как в ней содержатся бактерии, а также растворенные органические вещества и соли. Но полученная нами вода уже вполне пригодна для того, чтобы помыть доску или полить цветок:

3. ПЕРЕГОНКА или ДИСТИЛЛЯЦИЯ. Соберем прибор, показанный на рисунке, перельем загрязненную воду в перегонную колбу, поместим туда же кипелки (мелкие кусочки фарфора или кирпича, которые нужны для спокойного кипения жидкости), включим стеклянный холодильник (охлаждается водопроводной водой) и нагреем жидкость в колбе до кипения. Вода превращается в пар, который через стеклянную насадку попадает в холодильник и конденсируется. Термометр в верхней части колбы должен показывать 100 градусов - температуру кипения воды. Первые 1-2 мл дистиллята следует отбросить, потому что в воде могут находиться примеси легких нефтепродуктов (бензина). Когда перегонка подходит к концу, следует быть внимательным и оставить немного жидкости в колбе, чтобы не перегонялись другие, более высококипящие примеси (следы тяжелых нефтепродуктов). Остаток в колбе содержит все ранее растворенные в воде соли, остатки механических загрязнений и выглядит не очень привлекательно. Зато воду, собранную на выходе из прибора, можно безбоязненно пить.

А так лабораторная установка для перегонки выглядит на фотографии:

** С помощью перегонки можно очищать не только воду, но и другие жидкости. Если это летучие, пахучие, боящиеся влаги или токсичные жидкости (а таких немало среди органических веществ), то обязательно используют закрытый приемник (как на верхней схеме), а аллонж соединяют с атмосферой через специальную защитную трубку с подходящим наполнителем. Установку собирают не на лабораторном столе, а в вытяжном шкафу. По показаниям термометра во время перегонки можно судить о том, какая именно жидкость перегоняется в данный момент.

Таким образом, не только неоднородные смеси (вода с частицами почвы), но и однородные смеси (растворы) могут быть разделены с помощью перегонки. Отстаиванием и фильтрованием однородные смеси (растворы) разделить невозможно.