Химические соединения и смеси
Вода и водный раствор соли могут быть одинаково прозрачными. Тем не менее вода — химическое соединение, а раствор — смесь. Чтобы различить их, нужно выяснить состав и понять, можно ли разделить образец, сохранив составляющие его вещества. На этом различии основаны очистка воды, получение кристаллов и многие способы химического анализа.
Чистое вещество, соединение и смесь
Чистое вещество имеет определённый химический состав и характерные свойства. Смесь содержит два или более вещества — компонента; их соотношение может изменяться.
Чистые вещества подразделяют на простые и сложные. Простое вещество образовано одним химическим элементом, например кислород O2 или железо Fe. Химическое соединение, или сложное вещество, содержит атомы разных элементов, химически связанные в определённом соотношении. Вода H2O и хлорид натрия NaCl — соединения.
В молекуле воды два атома водорода и один атом кислорода. Изменить их соотношение и при этом сохранить молекулу воды нельзя. В растворе соотношение воды и соли можно менять в пределах растворимости. Формула NaCl относится к соли, а не ко всему раствору: единой формулы, задающей постоянный состав любой смеси соли с водой, нет.
При смешивании без химической реакции компоненты сохраняют химическую природу, но физические свойства смеси могут отличаться от свойств исходных веществ. Чтобы разложить соединение на другие вещества, требуется химическое превращение.
Например, раствор соли отличается от чистой воды плотностью и температурой замерзания. Поэтому утверждение «в смеси все свойства остаются неизменными» неверно. Если при соединении веществ произошла реакция, необходимо учитывать её продукты и возможный избыток исходных веществ.
Закон постоянства состава
В чистом соединении постоянного состава массовые доли элементов сохраняются независимо от размера образца и способа получения. Это закон постоянства состава, или закон Пруста.
Качественный состав показывает, какие элементы входят в соединение; количественный — в каком соотношении они содержатся. Для молекулярных соединений постоянство состава связано с одинаковым устройством молекул. В школьных расчётах ниже используем обычные округлённые относительные атомные массы: Ar(H) = 1, Ar(O) = 16; изменение изотопного состава не рассматриваем.
В H2O отношение чисел атомов H : O равно 2 : 1. Массы этих атомов различны, поэтому отношение масс элементов другое:
m(H) : m(O) = 2 · 1 : 1 · 16 = 2 : 16 = 1 : 8.
В расчётном образце из 9 г чистой воды на водород приходится 1 г, на кислород — 8 г. В образце массой 27 г эти массы увеличиваются втрое: 3 г и 24 г. Общее количество вещества изменилось, а отношение масс осталось прежним.
w(H) = 2/18 ≈ 11,1%; w(O) = 16/18 ≈ 88,9%.
В смеси воды с солью долю соли можно менять: это не нарушение закона, потому что речь идёт о нескольких веществах. Если измеренный состав образца не согласуется с формулой предполагаемого чистого соединения, проверяют наличие примесей, правильность определения вещества и точность измерений. Совпадение одного отношения, в свою очередь, ещё не устанавливает химическое строение образца.
Не путайте два закона. Закон постоянства состава описывает состав одного чистого соединения. Закон сохранения массы относится к общему балансу веществ при превращении в рассматриваемой системе. Переход от формулы к массовой доле подробно разобран в теме массовой доли элемента.
Однородные и неоднородные смеси
| Вид смеси | Как устроена | Примеры |
|---|---|---|
| Однородная, или гомогенная | В рассматриваемом объёме образует одну фазу, не содержит границ раздела между различимыми частями | Раствор соли ниже предела растворимости; чистый от пыли и капель воздух |
| Неоднородная, или гетерогенная | Содержит несколько фаз с границами раздела | Песок в воде; вода и масло; воздух с капельками тумана |
Фаза — часть системы с одинаковыми в её пределах составом и свойствами, отделённая от других частей границей. В школьных примерах достаточно различать один однородный раствор и смесь с отдельными частицами или слоями. Некоторые неоднородные системы, например молоко, кажутся однородными невооружённому глазу, поэтому внешнего осмотра бывает недостаточно.
Воздух содержит прежде всего азот и кислород, а также аргон, углекислый газ и другие компоненты. Содержание водяного пара изменяется. Воздух не является соединением с одной постоянной формулой. Водопроводная вода также содержит растворённые вещества, даже если выглядит прозрачной.
Как выбирают способ разделения
Разделение смеси основано на различии свойств её компонентов. Сначала выбирают различающий признак, затем проверяют, подходит ли метод для данной смеси и нужной степени очистки.
| Метод | На чём основан | Ограничение |
|---|---|---|
| Отстаивание | Оседание частиц или разделение несмешивающихся жидкостей разной плотности | Растворённую соль таким способом не отделить; очень мелкие частицы оседают медленно. |
| Фильтрование | Задерживание частиц подходящим пористым материалом | Обычный бумажный фильтр пропускает воду с растворённой солью. |
| Магнитное разделение | Различие магнитных свойств | Магнит притягивает не все металлы и не любые соединения железа. |
| Центрифугирование | Ускоренное разделение фаз при вращении | Результат зависит от плотности, размеров частиц и свойств среды; это не простая сортировка по массе отдельной частицы. |
| Выпаривание и кристаллизация | Удаление растворителя или уменьшение растворимости | Нужно учитывать устойчивость вещества к нагреванию; часть примесей может остаться с кристаллами. |
| Перегонка, или дистилляция | Испарение с последующей конденсацией; различие летучести | Несколько компонентов могут переходить в пар одновременно; одна перегонка не гарантирует полной очистки. |
| Хроматография | Различное распределение компонентов между подвижной и неподвижной фазами | Нужно подобрать условия; один метод может не разделить все компоненты. |
Выпаривание, кристаллизация и перегонка
При выпаривании воды из раствора нелетучей соли получают твёрдый остаток. Если нужно сохранить и собрать воду, её пар охлаждают и конденсируют — это перегонка. Кристаллизацию можно вызвать также охлаждением раствора, когда растворимость вещества при охлаждении уменьшается. Эти способы не следует считать взаимозаменяемыми.
Сорбция, флотация и хроматография
Адсорбция — накопление вещества на поверхности другой фазы. Так активированный уголь может удерживать некоторые примеси. Абсорбция связана с поглощением в объём, например при поглощении газа жидкостью. Различие определяется поверхностью и объёмом, а не простым правилом «твёрдое или жидкое». Ни один сорбент не удаляет любые загрязнители при любых условиях.
При флотации используют различие смачиваемости частиц: некоторые прикрепляются к пузырькам газа и выносятся с ними. Этот принцип применяют при обогащении руд. При хроматографии растворитель переносит компоненты, которые по-разному взаимодействуют с обеими фазами и поэтому перемещаются неодинаково.
Три разобранные задачи
1. Песок, соль и вода
Дано: соль полностью растворилась в воде, песок остался твёрдым. Нужно разделить смесь. План: сначала использовать различие в растворимости, затем — в летучести компонентов.
Фильтрат — жидкость, прошедшая через фильтр.
- Отделяем песок фильтрованием. Крупные частицы песка остаются на фильтре; растворённая соль вместе с водой проходит в фильтрат. Обычный бумажный фильтр не задерживает растворённые ионы соли.
- Выбираем способ по цели. Если нужна соль, из раствора получают кристаллы при удалении части воды и подходящих условиях кристаллизации. Если нужно собрать и воду, используют перегонку: водяной пар охлаждают и собирают как жидкость.
- Проверяем результат. После первого шага получен раствор соли, а не чистая вода. Поэтому одного фильтрования недостаточно.
2. Соединение или смесь?
Из воды при электролизе образуются водород и кислород. Это химическое превращение соединения. Из смеси воды и песка воду можно отделить без превращения её в другое вещество. Следовательно, одинаковые названия элементов в составе ещё не делают соединение смесью простых веществ.
3. Две точки на хроматограмме
Одна проба красителя при выбранных условиях разделилась на две отчётливые зоны. Значит, в пробе присутствует не менее двух разделяемых компонентов. Обратный вывод ненадёжен: одна зона не доказывает абсолютную чистоту, поскольку разные вещества могут перемещаться вместе.
Чистота и частые ошибки
Примеси — компоненты, присутствие которых нежелательно для определённой задачи. Требования к технической соли и реактиву для точного анализа различаются. Марка чистоты задаёт допустимые содержания определённых примесей и методы контроля; «не обнаружено» означает предел возможностей метода, а не доказанное отсутствие каждой посторонней частицы.
- Прозрачность не доказывает чистоту, а неоднородность не всегда заметна глазом.
- Соль в растворе не задерживается обычным бумажным фильтром.
- Растворение не означает исчезновения вещества: меняется его распределение в смеси.
- Нельзя по внешнему виду объявлять очищенную жидкость пригодной для питья.
Проверьте себя
- Распределите: кислород, чистая вода, раствор сахара, гранит. Где простое вещество, соединение, однородная и неоднородная смеси?
- Почему смесь соли с водой не имеет одной постоянной формулы?
- Какой из образцов подходит для обычного фильтрования: раствор соли или вода с нерастворившимся песком?
- Чем различаются задачи выпаривания раствора нелетучей соли и перегонки воды из него?
- Один краситель дал одну зону на хроматограмме. Доказано ли, что это чистое вещество?
- В 9 г чистой воды содержится 1 г водорода и 8 г кислорода, а в другом образце воды — 3 г водорода и 24 г кислорода. Согласуются ли данные с законом постоянства состава? Равно ли массовое отношение H : O отношению чисел атомов?
- Найдите массы водорода и кислорода в 36 г чистой воды, используя округлённые атомные массы H — 1, O — 16.
- Образец массой 9 г назвали чистой обычной водой, но анализ при пренебрежимо малой погрешности дал 2 г водорода и 7 г кислорода. Согласуется ли состав с H2O при принятых атомных массах? Доказывают ли эти данные, какое именно вещество находится в образце?
Ответы и объяснения
- Кислород — простое вещество, вода — соединение, раствор сахара — однородная смесь, гранит с различными минералами — неоднородная смесь.
- Количество соли относительно воды может изменяться. Формулы компонентов сохраняют смысл, но постоянного соотношения между ними в любой такой смеси нет.
- Вода с песком: частицы песка задержатся фильтром. Растворённая соль пройдёт вместе с водой.
- При выпаривании получают твёрдый остаток, обычно не собирая растворитель. При перегонке воду испаряют и собирают после конденсации.
- Нет. В данных условиях компоненты могли не разделиться или часть примесей могла не обнаруживаться применённым способом.
- Да: отношения масс 1 : 8 и 3 : 24 одинаковы. Отношение чисел атомов в H2O равно 2 : 1; его нельзя подставлять вместо массового отношения 1 : 8.
В принятом приближении 1 моль воды имеет массу 18 г; на водород в этой порции приходится 2 г, на кислород — 16 г:
m(H) = 36 · 2/18 = 4 г; m(O) = 36 · 16/18 = 32 г.
Проверка: 4 + 32 = 36 г, отношение масс 4 : 32 = 1 : 8.
- Нет: отношение 2 : 7 отличается от 1 : 8, поэтому исходное описание образца не согласуется с данными при принятых условиях. Можно заподозрить другой состав, примеси или ошибку исходного описания; точное вещество одним этим отношением не установлено.
Связанные темы
Читайте: свойства веществ, простые и сложные вещества, физические и химические явления.
Источники
Основные понятия: химическое вещество IUPAC и смесь IUPAC. Методы сверены с материалами RSC: разделение песка и соли, хроматография. Термин адсорбция: IUPAC Gold Book.
Закон постоянства состава и учебный охват: OpenStax, Early Ideas in Atomic Theory; ФРП химии 8–9 классов, 2025, печатная с. 6. Расчётные примеры и задания составлены для этой статьи.