I. Новый материал

При подготовке урока использованы материалы автора: Н.К.Черемисиной,

учителя химии средней школы № 43

(г. Калининград),

Мы живем среди химических веществ. Мы вдыхает воздух , а это смесь газов (азота, кислорода и других), выдыхаем углекислый газ . Умываемся водой - это еще одно вещество, самое распространенное на Земле. Пьём молоко - смесь воды с мельчайшими капельками молочного жира , и не только: здесь еще есть молочный белок казеин , минеральные соли , витамины и даже сахар, но не тот, с которым пьют чай, а особый, молочный - лактоза . Едим яблоки, которые состоят из целого набора химических веществ - здесь и сахар , и яблочная кислота , и витамины ... Когда прожеванные кусочки яблока попадают в желудок, на них начинают действовать пищеварительные соки человека, которые помогают усваивать все вкусные и полезные вещества не только яблока, но и любой другой пищи. Мы не только живем среди химических веществ, но и сами из них состоим. Каждый человек - его кожа, мышцы, кровь, зубы, кости, волосы построены из химических веществ, как дом из кирпичей. Азот, кислород, сахар, витамины – вещества природного, естественного происхождения. Стекло , резина , сталь – это тоже вещества, точнее, материалы (смеси веществ). И стекло, и резина - искусственного происхождения, в природе их не было. Совершенно чистые вещества в природе не встречаются или встречаются очень редко.

Чем же отличаются чистые вещества от смесей веществ?

Индивидуальное чистое вещество обладает определённым набором характеристических свойств (постоянными физическими свойствами). Только чистая дистиллированная вода имеет tпл = 0 °С, tкип= 100 °С, не имеет вкуса. Морская вода замерзает при более низкой, а закипает при более высокой температуре, вкус у нее горько-соленый. Вода Черного моря замерзает при более низкой, а закипает при более высокой температуре, чем вода Балтийского моря. Почему? Дело в том, что в морской воде содержатся другие вещества, например растворенные соли, т.е. она представляет собой смесь различных веществ, состав которой меняется в широких пределах, свойства же смеси не являются постоянными. Определение понятия «смесь» было дано в XVII в. английским ученым Робертом Бойлем : «Смесь – целостная система, состоящая из разнородных компонентов».

Сравнительная характеристика смеси и чистого вещества

Признаки сравнения	Чистое вещество	Смесь
Состав	Постоянный	Непостоянный
Вещества	Одно и то же	Различные
Физические свойства	Постоянные	Непостоянные
Изменение энергии при образовании	Происходит	Не происходит
Разделение	С помощью химических реакций	Физическими методами

Смеси отличаются друг от друга по внешнему виду.

Классификация смесей показана в таблице:

Приведём примеры суспензий (речной песок + вода), эмульсий (растительное масло + вода) и растворов (воздух в колбе, поваренная соль + вода, разменная монета: алюминий + медь или никель + медь).

В суспензиях видны частицы твердого вещества, в эмульсиях – капельки жидкости, такие смеси называются неоднородными (гетерогенными), а в растворах компоненты не различимы, они являются однородными (гомогенными) смесями.

Способы разделения смесей

В природе вещества существуют в виде смесей. Для лабораторных исследований, промышленных производств, для нужд фармакологии и медицины нужны чистые вещества.

Для очистки веществ применяются различные способы разделения смесей

Эти способы основаны на различиях в физических свойствах компонентов смеси.

Рассмотрим способы разделения гетерогенных и гомогенных смесей .

Пример смеси	Способ разделения
Суспензия – смесь речного песка с водой	Отстаивание Разделение отстаиванием основано на различных плотностях веществ. Более тяжелый песок оседает на дно. Так же можно разделить и эмульсию: отделить нефть или растительное масло от воды. В лаборатории это можно сделать с помощью делительной воронки. Нефть или растительное масло образует верхний, более легкий слой . В результате отстаивания выпадает роса из тумана, осаждается сажа из дыма, отстаиваются сливки в молоке. Разделение смеси воды и растительного масла отстаиванием
Смесь песка и поваренной соли в воде	Фильтрование На чем основано разделение гетерогенных смесей с помощью фильтрования ?На различной растворимости веществ в воде и на различных размерах частиц. Через поры фильтра проходят лишь соизмеримые с ними частицы веществ, в то время как более крупные частицы задерживаются на фильтре. Так можно разделить гетерогенную смесь поваренной соли и речного песка . В качестве фильтров можно использовать различные пористые вещества: вату, уголь, обожженную глину, прессованное стекло и другие. Способ фильтрования – это основа работы бытовой техники, например пылесосов. Его используют хирурги – марлевые повязки; буровики и рабочие элеваторов – респираторные маски. С помощью чайного ситечка для фильтрования чаинок Остапу Бендеру – герою произведения Ильфа и Петрова – удалось забрать один из стульев у Эллочки Людоедки («Двенадцать стульев»).
Смесь порошка железа и серы	Действие магнитом или водой Порошок железа притягивался магнитом, а порошок серы – нет . Несмачивающийся порошок серы всплывал на поверхность воды, а тяжелый смачивающийся порошок железа оседал на дно . Разделение смеси серы и железа с помощью магнита и воды
Раствор соли в воде – гомогенная смесь	Выпаривание или кристаллизация Вода испаряется, а в фарфоровой чашке остаются кристаллы соли. При выпаривании воды из озер Эльтон и Баскунчак получают поваренную соль. Этот способ разделения основан на различии в температурах кипения растворителя и растворенного вещества.Если вещество, например сахар, разлагается при нагревании, то воду испаряют неполностью – упаривают раствор, а затем из насыщенного раствора осаждают кристаллы сахара.Иногда требуется очистить от примесей растворители с меньшей температурой кипения, например воду от соли. В этом случае пары вещества необходимо собрать и затем сконденсировать при охлаждении. Такой способ разделения гомогенной смеси называется дистилляцией, или перегонкой . В специальных приборах – дистилляторах получают дистиллированную воду , которую используют для нужд фармакологии, лабораторий, систем охлаждения автомобилей . В домашних условиях можно сконструировать такой дистиллятор: Если же разделять смесь спирта и воды, то первым будет отгоняться (собираться в пробирке-приемнике) спирт с t кип = 78 °С, а в пробирке останется вода. Перегонка используется для получения бензина, керосина, газойля из нефти. Разделение однородных смесей

Особым методом разделения компонентов, основанным на различной поглощаемости их определенным веществом, является хроматография .

Дома вы можете проделать следующий опыт. Подвесьте полоску из фильтровальной бумаги над сосудом с красными чернилами, погружая в них лишь конец полоски. Раствор впитывается бумагой и поднимается по ней. Но граница подъема краски отстает от границы подъема воды. Так происходит разделение двух веществ: воды и красящего вещества в чернилах.

С помощью хроматографии русский ботаник М. С. Цвет впервые выделил хлорофилл из зеленых частей растений. В промышленности и лабораториях вместо фильтровальной бумаги для хроматографии используют крахмал, уголь, известняк, оксид алюминия. А всегда ли требуются вещества с одинаковой степенью очистки?

Для различных целей необходимы вещества с различной степенью очистки. Воду для приготовления пищи достаточно отстоять для удаления примесей и хлора, используемого для ее обеззараживания. Воду для питья нужно предварительно прокипятить. А в химических лабораториях для приготовления растворов и проведения опытов, в медицине необходима дистиллированная вода, максимально очищенная от растворенных в ней веществ. Особо чистые вещества, содержание примесей в которых не превышает одной миллионной процента, применяются в электронике, в полупроводниковой, ядерной технике и других точных отраслях промышленности .

Прочитайте стихотворение Л. Мартынова «Дистиллированная вода»:

Вода
Благоволила
Литься!
Она
Блистала
Столь чиста,
Что ни напиться,
Ни умыться.
И это было неспроста.
Ей не хватало
Ивы, тала
И горечи цветущих лоз,
Ей водорослей не хватало
И рыбы, жирной от стрекоз.
Ей не хватало быть волнистой,
Ей не хватало течь везде.
Ей жизни не хватало
Чистой –
Дистиллированной воде!

Применение дистиллированной воды

II. Задания для закрепления

1) Поработайте с тренажёрами №1-4 (необходимо загрузить тренажёр, он откроется в браузере Internet Explorer)

О.С.ГАБРИЕЛЯН,
И.Г.ОСТРОУМОВ,
А.К.АХЛЕБИНИН

СТАРТ В ХИМИЮ

7 класс

Продолжение. Начало см. в № 1, 2, 3, 4, 5, 6/2006

Глава 2. Математика в химии

(продолжение)

§ 12. Чистые вещества и смеси

Один из самых любимых материалов скульпторов и архитекторов – мрамор (рис. 59). Окраска этой горной породы удивительно разнообразна: молочно-белая, серая, розоватая. Причудливый узор радует глаз. Мрамор послушен и податлив в руках мастера, он легко обрабатывается и прекрасно полируется до зеркального блеска. Мрамор – это минерал, материал, из которого можно изготовить облицовочную плитку, статую или колонну дворца. Плитка, статуя, колонна – это физические тела, изделия. А вот основу мрамора составляет вещество, которое называется карбонат кальция. То же вещество входит в состав других минералов – мела, известняка.

Проследим логическую цепочку взаимосвязи понятий «физическое тело» – «материал» – «вещество» еще на нескольких примерах. Полезный предмет – линейка – сделан из материала пластмассы. Скорее всего, эта пластмасса – вещество полипропилен. Оконная рама – физическое тело, древесина – материал, целлюлоза – основное вещество древесины. Лезвие ножа – стальное, сталь – это сплав, основной компонент которого – вещество железо.

А теперь давайте подумаем, почему мрамор бывает разного цвета? Почему на его поверхности играет неповторимый узор? Потому, что помимо карбоната кальция в его состав входят примеси, придающие окраску. Аналогично и линейки бывают разного цвета, который зависит от того, какой краситель добавляют в пластмассу. В состав материала резины для изготовления автомобильных покрышек входит 24 компонента, важнейшим из которых является химическое вещество каучук.

Вот и получается, что чистых веществ в природе, в технике, в быту очень немного. Гораздо чаще встречаются смеси – сочетание двух или более веществ. Воздух – это смесь различных газов; нефть – природная смесь органических веществ (углеводородов); любые минералы, горные породы – это тоже твердые смеси различных веществ.

Смеси различаются величиной входящих в их состав частиц веществ. Иногда эти частицы настолько велики, что их можно видеть невооруженным глазом. Если смешать речной песок с сахарным, вы без труда отличите отдельные кристаллики друг от друга, особенно если будете пользоваться для этой цели увеличительным стеклом. К подобным смесям можно отнести, например, стиральный порошок, кулинарные смеси для выпечки блинов или тортов, строительные смеси.

Порой частички компонентов в смесях более мелкие, не различимые глазом. Например, в состав муки входят крупицы крахмала и белка, которые невозможно увидеть невооруженным глазом. Молоко – это тоже водная смесь, в которой содержатся маленькие капельки жира, белок, лактоза и другие вещества. Увидеть капельки жира в молоке можно, если рассматривать каплю молока под микроскопом.

Агрегатное состояние веществ в смеси может быть различным. Зубная паста, например, – это смесь твердых и жидких составляющих (рис. 60).

Смеси, в которых частички составляющих их веществ видны невооруженным глазом или под микроскопом, называются неоднородными или гетерогенными.

Есть смеси, при образовании которых вещества настолько «проникают друг в друга», что разбиваются на мельчайшие частицы, не различимые даже под микроскопом. Как бы вы ни всматривались в воздух, различить составляющие его газы вам не удастся. Также бесполезно искать «неоднородность» в растворах уксусной кислоты или поваренной соли в воде.

Смесь, в которой даже с помощью увеличительных приборов нельзя увидеть частицы составляющих ее веществ, называется однородной или гомогенной.

Однородные смеси по агрегатному состоянию делятся на газообразные, жидкие и твердые.

Смесь любых газов всегда гомогенна. Например, чистый воздух – это гомогенная смесь азота, кислорода, углекислого и благородных газов, водяных паров. А вот пыльный воздух – это уже гетерогенная смесь тех же газов, только содержащая еще и частицы пыли. Вам наверняка доводилось не раз видеть, как ранним утром через неплотно задернутые шторы в комнату пробиваются солнечные лучи. Пути их нередко бывают отмечены светящимися дорожками: это взвешенные в воздухе частички пыли рассеивают солнечный свет. Смог над городом или над промышленным предприятием – это тоже гетерогенная смесь: воздух, в котором содержатся не только частицы пыли, но также сажа из дыма, капельки различных жидкостей и др. (рис. 61).

Природный газ, попутный нефтяной газ также представляют собой природные смеси газообразных веществ, основным компонентом которых является метан СН 4 . Тот же метан поступает в наши квартиры по трубопроводам и горит на кухне веселым голубым пламенем. Но бытовой газ – это тоже смесь. В ее состав специально вводят резко пахнущие вещества, чтобы можно было по запаху почувствовать малейшую утечку газа. Для чего это необходимо? Дело в том, что и воздух (необходимый для дыхания всего живого), и природный газ (незаменимое топливо и сырье для химической отрасли промышленности) – это великое благо человечества, но их смесь превращается в грозную разрушительную силу из-за чрезвычайной взрывоопасности. Из сообщений средств массовой информации вы, безусловно, знаете о трагедиях, связанных со взрывами метана в угольных шахтах, взрывами бытового газа в результате преступной халатности или несоблюдения элементарных норм безопасности. Почувствовав запах газа в квартире или в подъезде своего дома, вы должны немедленно перекрыть краны и вентили, проветрить помещение, по телефону 04 вызвать специализированную аварийную службу.При этом категорически запрещается пользоваться открытым огнем, включать или выключать электроприборы.

К жидким природным смесям относится нефть. В ее состав входят сотни различных компонентов, главным образом соединения углерода. Нефть называют «кровью Земли», «черным золотом», и вам хорошо известно, насколько значительную роль в экономике нашего государства и многих других стран играют добыча, переработка и экспорт нефти и нефтепродуктов.

Безусловно, самой распространенной жидкой смесью, а точнее раствором, является вода морей и океанов. Вы уже знаете, что в одном литре морской воды в среднем содержится 35 г солей, основная часть из которых приходится на хлорид натрия. В отличие от чистой воды морская имеет горько-соленый вкус, замерзает не при 0 °С, а при –1,9 °С.

С жидкими смесями в повседневной жизни вы сталкиваетесь постоянно. Шампуни и напитки, микстуры и препараты бытовой химии – все это смеси веществ. Даже воду из-под крана нельзя считать чистым веществом: в ней содержатся растворенные соли, мельчайшие нерастворимые примеси, ее обеззараживают хлорированием. Такую воду нельзя пить некипяченой, ее не рекомендуют использовать для приготовления пищи. Специальные бытовые фильтры помогут очистить водопроводную воду не только от твердых частиц, но и от некоторых растворенных примесей. Даже растворы реактивов на водопроводной воде готовить нельзя. Воду для этого очищают методом дистилляции, о чем вы узнаете немного позже.

Широко распространены и твердые смеси . Как мы уже говорили, горные породы представляют собой смеси нескольких веществ. Почва, глина, песок – это тоже смеси. К твердым смесям можно отнести стекло, керамику, сплавы. Каждому знакомы кулинарные смеси или смеси, образующие стиральные порошки.

Скажите, одинаков ли состав воздуха, который мы вдыхаем и выдыхаем? Конечно, нет. В последнем становится меньше кислорода, зато больше углекислого газа. Но «больше-меньше» – понятия относительные. Состав смесей можно выразить количественно, т.е. в цифрах. Как? Об этом речь пойдет в следующем параграфе.

1. В чем отличие материала от химического вещества?

2. Может ли вода в различных агрегатных состояниях быть материалом? Приведите примеры.

3. Что такое смесь? Приведите примеры природных смесей различного агрегатного состояния. Назовите компоненты этих смесей.

4. Приведите примеры бытовых смесей различного агрегатного состояния. Назовите компоненты этих смесей.

5. Какие смеси называют гетерогенными? Приведите примеры таких природных и бытовых смесей и назовите их компоненты.

6. Какие смеси называют гомогенными? Приведите примеры таких природных и бытовых смесей и назовите их компоненты.

7. Какой воздух можно рассматривать как гомогенную смесь, а какой – как гетерогенную?

Вследствие его низкой плотности и сжимаемости. 

    Нормальная скорость распространения пламени - это линейная скорость перемещения зоны горения по отнощению к свежей гомогенной горючей смеси в направлении нормали к фронту пламени. Горение с четко обозначенным фронтом пламени характерно для условий, когда горючая смесь неподвижна или перемещается ламинарно. Скорость распространения пламени в таких условиях для заданного состава горючей смеси может рассматриваться как физико-химическая характеристика , которая зависит лишь от давления и температуры. 

Вследствие большого разнообразия видов горючего и окислителя конкретные характеристики и области использования Г. весьма различны. Наиболее важным фактором, определяющим основные свойства Г., является агрегатное состояние горючего и окислителя. По агрегатному состоянию горючего и окислителя различают 1) гомогенное - Г. газов и парообразных горючих в среде газообразного окислителя (б. ч. кислорода воздуха) 2) гетерогенное - Г. жидких и твердых горючих в среде газообразного окислителя, а также Г. в системе жидкая горючая смесь - жидкий окислитель (напр., кислоты) 3) Г. взрывчатых веществ и порохов, представляющих ПО существу конденсированную гомогенную систему. 

До сих пор мы рассматривали распространение пламени по гомогенной горючей смеси. Другой тип пламени наблюдается, когда сгорание происходит на поверхности соприкосновения двух газов, способных образовать горючую смесь . Такие пламена знакомы из повседневного опыта достаточно назвать пламя спички или свечи, угля, дерева, газового рожка, применяемого для освещения. Поскольку эти пламена образуются в процессе взаимной диффузии двух газов, их называют диф-фузионны.ми пламенами. Явления диффузии играют, конечно, роль во всех процессах сгорания однако, в чем разница между обычным и диффузионным пламенем, не трудно понять. По существу нельзя указать резкой границы между этими двумя типами пламени , поскольку должен существовать непрерывный переход от одного к другому, как это можно наблюдать , если постепенно уменьшать подачу первичного воздуха в бунзеновской горелке . Другим примером переходных явлений между обычным и диффузионным пламенем могут служить упоминавшиеся выше пламена в очень разбавленных смесях водорода с воздухом и шарики пламени, образующиеся в смесях, лежащих ниже предела распространения (гл. VII). Термин диффузионное пламя , тем не менее, представляется полезным. 

Воспламенение свойственно любым горючим системам - гомогенным, гетерогенным и более сложным системам . Различают, однако, два способа (вида) воспламенения самовоспламенение и т. наз. вынужденное воспламенение - зажигание. При самовоспламенении описанные выше условия самоускорения реакции создаются во всем объеме данной воспламеняемой смеси. Напр., при тепловом самовоспламенении газообразная смесь нагревается или от горячей стенки сосуда (бомбы), или путем быстрого сжатия смеси, или при быстром перемешивании ранее нагретых компонентов смеси . При этом фиксируется соответствующее значение начальной темп -ры, при к-рой происходит воспламенение, и эта темп-ра называется темп-рой самовоспламенения. 

ПО подобной смеси. Однако жидкие капли размером 5 мкм слишком малы, что сильно затрудняет их микрофотографирование . Поэтому специально для исследования структуры пламени был сконструирован новый вариант расширительной установки . Схема установки показана на рис. 9.10. Ее основными элементами являются камера сгорания объемом 1000 см и вспомогательный отсек, отделенные друг от друга свободно плавающим поршнем, имеющим стеклянное окно. Поршень приходит в движение при соединении вспомогательного отсека с емкостью, в которой создано пониженное давление . С помощью устройства , позволяющего регулировать ход поршня, степень расширения , как и в прежних опытах, задана равной 1,25. Гомогенная смесь паров горючего с воздухом, предназначаемая для расширения, приготовляется в испарительном резервуаре, имеющем водяную рубашку , соединенную с термостатом. Смесь циркулирует по контуру, включающему камеру сгорания . Для суждения о том, является ли смесь насыщенной , используется гигрометр. 

Реакторы, в которых горючее и замедлитель составляют однородную смесь , носят название гомогенных реакторов . Ниже описан один из таких реакторов , в котором критическая масса ядер-иого горючего-урана-235 составляет всего лишь 800 г. В активной зоне реактора находится раствор в тяжелой воде сульфата сильно обогащенного урана (на 6 ч. 1 ч. Раствор помещен в сферический контейнер , который окружен защитой, состоящей из свинца (10 см), кадмия (несколько миллиметров) и бетона (150 см). Реактор охлаждается водой , циркулирующей по трубам в форме змеевика, расположенного внутри контейнера. Управляющие стержни изготовлены из кадмия. реактора заключается в том, что цепная реакция поддерживается в нем на заданном уровне без помощи регулирующих стержней. Это связано с изменениями коэффициента размножения нейтронов даже при незначительных колебаниях концентрации ядерного горючего. При повышении температуры концентрация ядерного горючего уменьшается вследствие его теплового расширения , вызывая уменьшение коэффициента размножения и прекращение цепной реакции , до тех пор пока температура раствора урана не понизится до расчетного значения. 

Ряд исследователей считают, что гашение пламени обусловлено гомогенным ингибированием, заключающимся во взаимодействии с активными центрами газообразных частиц , образующихся при испарении и разложении порошков. Другая, наиболее многочисленная группа связывает гашение пламени с гетерогенной рекомбинацией радикалов и атомарных частиц на поверхности порошков и. наконец, третья группа полагает, что при гашении пламени происходит как гомогенное, так и гетерогенное ингибирование . Наиболее обстоятельно гомогенное ингибирование порошками рассмотрено в работе . Изучалось действие различных порошков на скорость распространения пламени метано-воздушной смеси. В опытах были использованы карбонаты, бикарбонаты и галогениды щелочных и щелочноземельных металлов с частицами размером менее Ю мкм. Установлено, что при использовании наиболее эффективных солей (карбонатов и бикарбонатов калия и натрия) скорость горения снижалась до минимального значения при их концентрации менее 1 мг/см. При добавлении в горючую смесь всего 0,86% СНзС эффективность действия порошков резко уменьшалась. 

Свой вывод о гетерогенном заронедении гомогенной реакции Ленер подтвердил таким опытом. Смесь этилена (80%) и кислорода (20%) пропускали через нагретый до 450° капилляр (с = 2 мм) в пирексовый сосуд (30 х2,5 см), заполненный узкими пирексовыми трубками таким образом , что общий объем свободного пространства в трубках равен 5.5 см. Время пребывания горючей смеси в нагретой зоне равнялось 70 сек. В таких условиях никакой реакции не было. Тогда попрежнему заполненный трубками реакционный сосуд соединили с колбой емкостью 1 л нри помощи трубки (2.6х1.б). Температура капилляра и сосуда с трубками, как и раньше, была 450°, а пустой колбы - 315°, Время контактирования 27 сек. В этих условиях реакция пошла быстро. Продуктами ее оказались 1.5% окиси этилена, 34% муравьиного альдегида и 6.9% муравьиной кислоты часть прореагировавшего этилена превратилась в воду и углекислых газ. 

Изложенное представление о механизме горения жидких капель, по-видимому, применимо лишь к каплям достаточно больших размеров . В случае капель размером меньше нескольких сотых долей миллиметра картина меняется, так как капли таких размеров могут успевать испариться до поступления в область горения . В этом случае горючий туман, представляющий собой смесь мелкодисперсных капель с воздухом, поступает в область горения в виде гомогенной смеси паров горючего и воздуха. Поэтому горение такого тумана по своим характеристикам должно приближаться к горению предварительно приготовленных газовых смесей, что подтверждается наблюдениями над горением мелкодисперсных аэрозолей. 

§ 13. СМЕСИ И ИХ СОСТАВ

В повседневной жизни мы редко сталкиваемся с чистыми веществами. В качестве немногочисленных примеров чистых веществ можно привести сахар, пер манганат калия (марганцовку), поваренную соль (да и то, если в нее не внесены различные добавки, напри мер, содержащие йод для профилактики заболеваний щитовидной железы) (рис.7). Значительно чаще нас окружают смеси веществ, которые содержат два или более индивидуальных соединения, называемых компонентами смеси.

Рис.7. Сахар (а), перманганат калия (б), соль (в) – примеры
чистых веществ, используемых в быту

Смеси различаются величиной входящих в их состав частиц веществ. Иногда эти частицы бывают довольно крупными: если смешать речной песок с сахарным, вы без труда отличите отдельные кристаллики друг от друга.

Смеси , в которых частички составляющих их веществ видны невооруженным глазом или под микроскопом, называются неоднородными , или гетерогенными . К подобным смесям можно отнести, например, стиральный порошок, кулинарные смеси для выпечки блинов или тортов, строительные смеси.
Есть смеси, при образовании которых вещества дробятся на мельчайшие частицы (молекулы, ионы), не различимые даже в микроскоп. Как бы вы ни всматривались в воздух, различить визуально молекулы составляющих его газов вам не удастся. Бесполезно искать «неоднородность» в растворах уксусной кислоты или поваренной соли в воде. Такие смеси называются однородными , или гомогенными .
Гомогенные смеси, как и химические вещества, по агрегатному состоянию можно разделить на газообразные, жидкие и твердые. Наиболее известными вам природными смесями газов являются воздух, уже знакомые вам природный и попутный нефтяной газы.
Безусловно, самой распространенной на Земле жидкой смесью, а точнее раствором, является вода морей и океанов. В одном литре морской воды в среднем содержится 35 г солей, основная часть из которых приходится на хлорид натрия. В отличие от чистой воды, морская имеет горько-соленый вкус, замерзает не при 0 °С, а при –1,9 °С.
С жидкими смесями в повседневной жизни вы сталкиваетесь постоянно. Шампуни и напитки, микстуры и препараты бытовой химии – все это смеси веществ. Даже
воду из-под крана нельзя считать чистым веществом: в ней содержатся растворенные соли, мельчайшие нерастворимые примеси и микроорганизмы, от которых частично избавляются хлорированием или озонированием. Однако и в этом случае воду рекомендуется кипятить. Специальные бытовые фильтры помогут сделать воду пригодной для питья и очистить ее не только от твердых частиц, но и от некоторых растворенных примесей. Широко распространены и твердые смеси. Как мы уже говорили, горные породы представляют собой смесь нескольких веществ. Почва, глина, песок – это тоже смеси. К твердым искусственным смесям можно отнести стекло, керамику, сплавы. Каждому знакомы кулинарные смеси или смеси, образующие стиральные порошки.
Как вам известно из биологии, состав воздуха, который мы вдыхаем и затем выдыхаем, неодинаков. В выдыхаемом воздухе становится меньше кислорода, зато больше углекислого газа и водяного пара. Но «больше» и «меньше» – понятия относительные.
Состав смесей можно выразить количественно, т.е. в цифрах. Состав газовой смеси выражают объемной долей каждого из ее компонентов.
Объемной долей газа в смеси называют отношение объема данного газа к общему объему смеси, выраженное в долях единицы или процентах.
ϕ(газа) = V ( газа ) х 100 (%). V ( смеси )
Объемную долю газа в смеси обозначают буквой ϕ (фи). Эта величина показывает, какую часть общего объема смеси занимает конкретный газ. Например, вы знаете, что объемная доля кислорода в воздухе составляет 21 %, азота – 78 %. Оставшийся 1 % приходится на благородные газы, углекислый газ и другие компоненты воздуха.
Очевидно, что сумма объемных долей всех газов в смеси равна 100 %.
Состав жидких и твердых смесей принято выражать величиной, которая называется массовой долей компонента.
Массовой долей вещества в смеси называют отношение массы данного вещества к общей массе смеси, выраженное в долях единицы или процентах.
ω(вещества) = m (в-ва) х 100 (%). m ( смеси )

Практически любая таблетка в домашней аптечке – это спрессованная смесь одного или нескольких лекарственных веществ и наполнителя, в качестве которого могут выступать гипс, крахмал, глюкоза. Строительные и кулинарные смеси, парфюмерные композиции и краски, удобрения и пластмассы имеют состав, который может быть выражен в массовых долях образующих их компонентов.
Вещества с примесями – это тоже смеси. Только в таких смесях принято выделять главное (основное) вещество, а посторонние компоненты называют одним словом – примеси. Чем их меньше, тем чище вещество.

В некоторых областях техники использование недостаточно чистых веществ недопустимо. В атомной энергетике предъявляются повышенные требования не только к чистоте ядерного топлива, но и к веществам, из которых сделаны сами установки. Микросхему компьютера не сделать без особо чистого кристалла кремния. Световой сигнал в стекловолоконном кабеле, «наткнувшись» на посторонние примеси, «погаснет».
Чтобы разделить компоненты смеси или очистить основное вещество от примесей, используют различные приемы и методы. Как правило, вещества в смеси сохраняют свои физические свойства: температуру кипения, температуру плавления, растворимость в различных растворителях. Поскольку свойства одного вещества отличаются
от свойств другого, существует возможность разделения смеси на отдельные компоненты. Часто используют переход веществ из одного агрегатного состояния в другое.
Разделение смесей жидких веществ основано на различии в их температурах кипения. Такой процесс, как вы знаете на примере переработки нефти, называют ректификацией, или перегонкой. Вы уже знаете, что любые газы смешиваются в любых соотношениях. А можно ли из смеси газов выделить отдельные компоненты? Задача не из простых. Но ученые предложили очень эффектное решение. Смесь газов можно превратить в жидкость и подвергнуть ее перегонке. Например, воздух при сильном охлаждении и сжатии сжижают, а затем позволяют выкипать одному за другим отдельным компонентам, поскольку они имеют различные температуры кипения. Первым из
жидкого воздуха испаряется азот, у него самая низкая температура кипения (–196 °С). Затем из жидкой смеси кислорода и аргона можно удалить аргон (–186 °С).
Остается практически чистый кислород (его температура кипения –183 °С, рис. 8), который вполне годится для газовой сварки, химического производства, а также для медицинских целей.
Перегонку используют не только для разделения смесей на отдельные компоненты, но и для очистки веществ.
Вода из-под крана чиста, прозрачна, не имеет запаха… Но чистое ли это вещество с точки зрения химика? Загляните в чайник: накипь и коричневатый налет остаются в
результате многократного кипячения в нем воды. А известковый налет на кранах? И природная, и водопроводная вода – это смесь, раствор твердых и газообразных веществ.

Рис. 8. В жидком виде
кислород окрашен в светло-
голубой цвет

Конечно, их содержание в воде очень мало, но эти примеси могут привести не только к образованию накипи, но и к более серьезным последствиям. Не случайно лекарства для инъекций, растворы реактивов, электролит для автомобильного аккумулятора готовят только с использованием очищенной воды, называемой дистиллированной.
Откуда взялось такое название? Все дело в том, что перегонку по-другому называют дистилляцией. Сущность дистилляции состоит в том, что смесь нагревают до кипения, образующиеся пары чистого вещества отводят, охлаждают и вновь превращают в жидкость. Но она уже не содержит загрязняющих примесей.
В лабораторных условиях перегонку ведут на специальной установке (рис. 9). В перегонную колбу, снабженную термометром, наливают разделяемую смесь, например воду с растворенными в ней веществами, и нагревают до кипения. Колба соединена с нисходящим холодильником – устройством для конденсации паров кипящего вещества. С этой целью в рубашку холодильника по резиновым шлангам подается холодная вода. Сконденсированные в холодильнике капли чистого вещества попадают в колбу-приемник.

Рис. 9. Лабораторная установка для перегонки жидкостей:
1 – перегонная колба; 2 – термометр; 3 – холодильник;
4 – приемник

Как поступить, если требуется выделить из раствора не жидкость, а растворенное в ней твердое вещество? Для этого используют метод кристаллизации. Выделить твердое вещество из раствора методом кристаллизации можно выпариванием растворителя. Для этого предназначены специальные фарфоровые чашки (рис. 10).

Рис. 10. Выпаривание
раствора в фарфоровой
чашке

Этот способ широко применяется для добычи соли из концентрированных растворов соляных озер.
Кругом полынь и привкус хины,
И, крепким натром солона,
Цветную от лучей равнину
Чуть лижет ровная волна.
Н.Ушаков
В природе соляные озера – это своеобразные гигантские чаши. За счет испарения воды на берегах таких озер кристаллизуется огромное количество соли, которая после очистки попадает к нам на стол (рис. 11).

Рис. 11. Добыча соли на соляных озерах
При проведении кристаллизации не обязательно испарять растворитель. Известно, что при нагревании растворимость большинства твердых веществ в воде увеличивается, при охлаждении насыщенного при нагревании раствора некоторое количество кристаллов выпадет в осадок.
Л а б о р а т о р н ы й о п ы т. К 5 г оранжевых кристаллов дихромата калия добавляют несколько кристалликов перманганата калия (марганцовки) в качестве примеси. Смесь растворяют в 8–10 мл кипящей воды. При охлаждении раствора растворимость дихромата калия резко понижается, вещество выпадает в осадок. Кристаллы очищенного от марганцовки дихромата отделяют, промывают несколькими миллилитрами ледяной воды. Если растворить очищенное вещество в воде, то по цвету раствора можно определить, что перманганата калия оно не содержит, он остался в исходном растворе.
Для выделения из жидкостей нерастворимых веществ используют метод отстаивания . В его основе лежит различная плотность веществ. Если частички твердого вещества достаточно крупные, они быстро оседают на дно, а жидкость становится прозрачной (рис. 12). Ее можно осторожно слить с осадка. Чем меньше размер твердых частиц в жидкости, тем дольше будет отстаиваться смесь.

Рис. 12. Отстаивание почвы в воде

Л а б о р а т о р н ы й о п ы т. В стеклянный стакан насыпьте немного порошка для чистки посуды и налейте полстакана воды. Образуется мутная смесь.
Жидкость станет прозрачной только на следующий день. Почему эта смесь отстаивается так долго? Отстаиванием разделяют и смеси двух нерастворимых друг в друге жидкостей. Если в систему смазки автомобиля попала вода, масло придется слить. Однако через некоторое время смесь расслоится. Вода, имеющая бóльшую плотность, образует нижний слой, сверху находится слой масла. Аналогично отстаивается смесь воды и нефти, воды и растительного масла.

Для разделения таких смесей удобно пользоваться
особой лабораторной посудой, называемой делительной воронкой (рис. 13).

Рис. 13. Разделение двух несмешивающихся жидкостей с помощью делительной воронки
Л а б о р а т о р н ы й о п ы т. В коническую колбу наливают равные объемы воды и растительного масла. При интенсивном взбалтывании вода и масло разбиваются на мелкие капельки, образуя мутную смесь. Ее переливают в делительную воронку. Через некоторое время смесь расслаивается на более тяжелый водный слой и масло, всплывающее наверх. Открывая краник делительной воронки, водный слой отделяют от масляного.
Отделить частицы твердого нерастворимого вещества от жидкости можно с помощью фильтрования. В лаборатории для этого используется специальная пористая бумага, называемая фильтровальной. Частицы твердого вещества не проходят через поры бумаги и остаются на фильтре. Жидкость с растворенными в ней веществами (ее называют фильтрат) свободно просачивается через него и становится совершенно прозрачной.
Фильтрование – очень распространенный процесс и в быту, и в технике, и в природе. На водоочистительных станциях воду фильтруют через слой чистого песка, на котором задерживается ил, примеси нефтепродуктов, частицы почвы и глины. Топливо и масло в двигателе автомобиля обязательно проходят через фильтрующие элементы. Клеточные мембраны, стенки кишечника или желудка – это тоже своеобразные биологические фильтры, поры которых пропускают одни вещества и задерживают другие.
Фильтровать можно не только жидкие смеси. Не раз вы видели людей в марлевых повязках, да и самим, наверное, приходилось ими пользоваться. Несколько слоев марли с проложенной между ними ватой очищают вдыхаемый воздух от частиц пыли, смога, болезнетворных микробов (рис. 14). В промышленности для защиты органов дыхания от пыли используют специальные устройства, называемые респираторами. Воздух, попадающий в двигатель автомобиля, тоже очищают от пыли тканевыми или бумажными фильтрами.

Рис. 14. Медики и микробиологи защищают органы дыхания специальными повязками.

? 1. Что такое смесь? Какие типы смесей выделяют по агрегатному состоянию образующих их веществ, по признаку однородности?
2. Корректно ли словосочетание «молекулы воздуха»? Почему? Назовите постоянные, переменные и случайные составные части воздуха. Сделайте предположение об относительном содержании отдельных компонентов в воздухе после грозы, в глубоких ущельях и на горных вершинах, в лесопарковой зоне и вблизи крупного промышленного предприятия.

3. Какой объем кислорода содержится в 500 м3 (н.у.) воздуха?
4. В природном газе некоторого месторождения объемные доли предельных углеводородов равны: метан – 85 %, этан – 10 %, пропан – 4 % и бутан – 1 %. Какой объем каждого из газов может быть получен из 125 л природного газа (н.у.)?
5. В состав сухой цементной смеси для штукатурных работ входят 25 % цемента и 75 % песка. Сколько килограммов каждого компонента нужно взять для приготовления 150 кг такой смеси?
6. Назовите известные вам способы разделения смесей. Что лежит в основе каждого из них? Предложите способ разделения следующих смесей:
а) железных и медных стружек;
б) песка и древесных опилок;
в) бензина и воды;
г) меловой побелки (разделить на мел и воду);
д) раствора этилового спирта в воде.
7. В период эпидемии гриппа врачи рекомендуют носить марлевые повязки. Для чего? Как изготовить такую повязку? Как долго ее можно носить? Как восстановить защитные свойства повязки?
8. Старатели отделяли золотой песок от обыкновенного, взмучивая грунт в воде и сливая мутную жидкость с осадка. Отсюда и пошло выражение «мыть золото». Как вы думаете, на каком свойстве золотого песка основано его отделение от песчинок пустой породы?
9. Подготовьте сообщения на темы: «Краски в руках художника» и «Знаменитые парфюмеры" с использованием ресурсов Интернета.