Химические соединения и смеси

# Смеси

Чистых веществ в природе почти не встречается. Большинство веществ находятся в виде смесей.

Смесь – это то, что образуется при перемешивании двух и более различных по свойствам веществ.

Гомогенными смесями являются, например, смеси газов (воздух), жидкие растворы (например, раствор сахара или соли в воде). Гетерогенные смеси — это смеси твердых веществ (порошок мела и поваренная соль), смеси нерастворимых друг в друге жидкостей (масло + вода), смесь жидкости и нерастворимых в ней твердых веществ (мел + вода).

В практической деятельности зачастую используются именно смеси, состоящие из двух и более веществ, которые называют компонентами смеси. Например, воздух — это смесь таких газов (по объему) как: 

• Азот N₂ (78.084%);
• Кислород, O₂ (20.9476%);
• Аргон, Ar (0.934%);
• Углекислый газ, CO₂ (0.0314%);
• Неон, Ne (0.001818%);
• Метан, CH₄ (0.0002%);
• Гелий, He (0.000524%);
• Криптон Kr (0.000114%);
• Водород, H₂ (0.00005%);
• Ксенон, Xe (0.0000087%);
• Озон, O₃ (0.000007%);
• Оксид азота (IV) (диоксид азота, двуокись азота) NO₂ (0.000002%);
• Йод, I₂ (0.000001%);
• Оксид углерода (II) (угарный газ), CO (незначительные следы);
• Аммиак, NH₃ (незначительные следы).

Источник: CRC Handbook of Chemistry and Physics, edited by David R. Lide, 1997.

# Примесь

Если масса одного компонента в десятки раз меньше массы другого компонента смеси, то его называют примесью и говорят, что вещество загрязнено. Например, воздух может быть загрязнен угарным газом, продуктом неполного сгорания органических соединений, в частности бензина (бензин – это смесь углеводородов).

# Отличия смесей от химических соединений

1. Свойства отдельных веществ (компонентов) в смесях сохраняются.
2. В смесях состав не является постоянным.

# Степень чистоты вещества

Технически чистым называется такое вещество, в котором примеси не обнаруживаются при использовании вещества в технических целях. Например, вещество, из которого делают фиолетовые чернила, может иметь в своем составе примеси. Но если эти примеси никак не влияют на качество чернил, то оно — технически чистое.

Если примеси не обнаруживаются с помощью химических реакций, то вещество относят к химически чистым. Например, это дистиллированная вода.

# Способы разделения смесей

На производстве и в лабораториях для работы часто нужны именно чистые вещества. Существуют различные способы, основанные на различных свойствах веществ в смеси. При очистке происходит удаление примесей и выделение чистого вещества. 

Свойства веществ в смеси не изменяются! Знания о свойствах компонентов смеси используют для разделения смесей и очистки веществ.

# Отстаивание, фильтрование, действие магнита, центрифугирование, флотация или сорбции

Выделение веществ из гетерогенной (неоднородной) смеси путем отстаивания, фильтрования, действия магнита, центрифугирования, флотации или сорбции

 На дне сосуда оседает вещество с большей плотностью при отстаивании смеси жидкости и твёрдого вещества.

1. Выделение веществ из гетерогенной смеси, образованной нерастворимыми в воде веществами с различной плотностью. В основе действия этого способа лежит неспособность раствориться в воде входящих в состав смеси веществ. Одно из веществ всплывет на поверхность. Например, отделить древесные опилки от железных можно путем взбалтывания этой смеси в воде, а потом отстаивании. Железные опилки осядут, а древесные всплывут (их можно слить вместе с водой).
2. Выделение веществ из гетерогенной смеси, образованной растворимыми и нерастворимыми в воде веществами. Смешали поваренную соль и песок, чтобы выделить поваренную соль из смеси нужно смесь взболтать с водой. Песок осядет, а поваренная соль растворится в воде. Можно использовать фильтрование, чтобы ускорить отделение нерастворимых частиц из раствора. Фильтр задержит песок и пропустит прозрачный раствор поваренной соли. Чтобы выделить поваренную соль из раствора его нужно выпарить.
3. Выделение веществ из гетерогенной смеси, мало растворимых друг в друге жидкостей с различной плотностью. Смеси бензина и воды, нефти и воды, растительного масла и воды быстро расслаиваются. Можно использовать делительную воронку или колонку (для больших объемов). Иногда используют центрифугирование для разделения жидкостей с различной плотностью.
4. Выделение веществ из гетерогенной смеси магнитом. Смесь порошков железа и серы можно разделить при помощи магнита. Частицы железа будут притянуты магнитом, а частицы серы останутся.
5. Выделение веществ из гетерогенной смеси при помощи центрифугирования. Если частицы неоднородной смеси малы, то её сложно разделить отстаиванием или фильтрованием. В этом случае используют центрифугирование. Смесь помещают в сосуды, которые вращают с большой скоростью в центрифуге. Более тяжёлые частицы оседают на дне.
   Такой способ находит применение для разделения молока. При вращении в специальной центрифуге (сепараторе) отделяются сливки, и остаётся обезжиренное молоко.
6. Выделение веществ из гетерогенной смеси при помощи флотации. Смесь можно разделить используя знание о смачиваемости компонентов смеси водой. Чтобы разделить смесь нужно поместить ее  в воду.  
   Железо смачивается водой, то есть вода растекается по поверхности железа. А вот, например, сера водой не смачивается и , если поместить кусок серы в воду — он утонет (плотность серы больше плотности воды). Порошок же серы всплывет — к не смачивающимся водой крупинкам серы прилипают пузырьки воздуха и выталкивают их на поверхность. Железо утонет, а порошок серы всплывет.
7. Выделение веществ из гетерогенной смеси при помощи сорбции. 
   Сорбция — метод выделения и очистки веществ, основанный на  поглощении твердым телом (адсорбция) или жидкостью-сорбентом (абсорбция) различных веществ (сорбатов) из газовых или жидких смесей.
   
   а) Адсорбция. Накопление одного вещества на поверхности другого называется адсорбцией. Один из примеров адсорбентов — это активированный уголь.
   Если опустить таблетку активированного угля в сосуд с подкрашенной водой, перемешайте, отфильтруйте и увидите, что фильтрат стал бесцветным. Атомы угля притягивают к себе молекулы, в данном случае, красителя.
   В настоящее время адсорбция широко применяется для очистки воды и воздуха. Например, фильтры для очистки воды содержат в качестве адсорбента активированный уголь.
   
   б) Абсорбция. Чаще всего в промышленности методы абсорбции используют для очистки газовоздушных выбросов от частиц пыли или дыма, а также токсичных  газообразных веществ. В  случае поглощения газообразных веществ, между сорбентом и растворенным веществом может протекать химическая реакция. Например, при поглощении газообразного аммиака NH₃ раствором азотной кислоты образуется нитрат аммония NH₄NO₃ (аммиачная селитра), который можно использовать в качестве высокоэффективного азотного удобрения.
   Хемосорбция — процесс, при котором происходит абсорбция растворенного вещества за счет протекания химической реакции, называется.

# Чем абсорбция отличается от адсорбции?

Абсорбция и адсорбция это две разновидности процесса сорбции, то есть поглощения газов, если мы говорим о газоочистных процессах. Разница заключается в том, что в первом случае вредные вещества поглощаются жидкостями, то есть абсорбентами, а во втором случае — твердым телом, то есть адсорбентом. Абсорбент или адсорбент выбирается в зависимости от того, какой именно компонент нужно извлечь.

# Кристаллизация и дистилляция

Выделение веществ из гомогенной (однородной) смеси кристаллизацией и дистилляцией

1. Выделение веществ из гомогенной смеси кристаллизацией. Чтобы выделить поваренную соль из раствора его нужно выпарить. После испарения воды на дне чашки остается поваренная соль. Иногда применяют упаривание — частичное испарение воды. Как результат мы имеем более концентрированный раствор, охлаждение которого приводит к выделению в виде кристаллов растворенного вещества. Такой способ очистки называется кристаллизацией. 
   Кристаллизация — фазовый переход вещества из газообразного (парообразного), жидкого или твердого аморфного состояния в кристаллическое.
   В промышленности кристаллизация используется, например, для добычи соли из солёной природной воды.
    
2. Выделение веществ из гомогенной смеси дистилляцией. Дистилляция (перегонка) — разделение смесей путем испарения летучих жидкостей с последующей конденсацией их паров (в основе метода лежит значительная разница температур кипения компонентов смеси). 
   Более летучая жидкость (с меньшей температурой кипения) при нагреве испаряется. Потом ее пары охлаждают — происходит конденсация (переход из газообразного в жидкое состояние).
   Самый примитивный прибор для дистилляции состоит из двух сосудов (например, пробирок), пробки с газоотводной трубкой и стакана с холодной водой (или льдом) для охлаждения паров.
   К дистилляции также относят отгонку жидкости от твердого вещества. К примеру, для того, чтобы отделить медный купорос его голубой раствор наливают в пробирку и нагревают. Образующиеся пары конденсируются в другой пробирке. Осуществляя нагрев достаточно долго можно получить чистый медный купорос в одной пробирке и дистиллированную воду в другой.
   В химических лабораториях при производстве лекарств с помощью дистилляции получают дистиллированную воду (без примесей растворённых солей).
   В промышленности перегонка используется для опреснения морской воды в тех странах, где питьевой воды не хватает.
   Перегонка является одним из основных способов переработки нефти (из неё выделяют разные виды топлива), которая есть ни что иное, как смесь многих веществ.
    

# Хроматография

Выделение веществ из гомогенной (однородной) смеси хроматографией

Различное поглощение разделяемых веществ поверхностью другого вещества позволяет нам использовать эти свойства для разделения смеси.

Хроматография — метод разделения смесей, основанный на различиях относительной растворимости веществ в используемом растворителе (жидкая фаза) и прочности связывания этих веществ поверхностью сорбента (твердая фаза).

# Бумажная хроматография

Разделение красителей на бумажной полоске — самый простой пример хроматографии. Опустив полоску из фильтровальной бумаги одним концом в раствор красителей можно увидеть как они будут подниматься с разной скоростью на разную высоту.

В промышленности для разделения смесей используются, конечно не бумажные полоски, а уголь, известняк или другие вещества. 
 

# Колоночная хроматография

Колоночная хроматография — процесс, родственный рассмотренному. В качестве твердой фазы служит силикагель, помещенный в колонку. Только в этом случае смесь наносят равномерно вверху колонки, а потом добавляют растворитель. Разделенные вещества собирают внизу в разные стаканчики.

# Применение хроматографии в промышленности

Хроматография применяется для анализа большинства основных пищевых продуктов: мяса и мясных продуктов, рыбы и других морепродуктов, растительных и животных масел, молока и молочной продукции, зерновых культур, хлеба, яиц, овощей, фруктов, соков, ягод, джемов, напитков, сахара, меда, орехов, вина, спиртоводочных изделий, пива, чая, кофе, какао, приправ, специй и многого другого.

Традиционная и сверхбыстрая жидкостная хроматография в пищевой промышленности применяются как в аналитических, так и подготовительных целях: разделение, очистка и выделение аминокислот, белков, ферментов, анализ углеводов, микотоксинов, антибиотиков, консервантов и др.

Наглядным примером, показывающим возможности жидкостной хроматографии, является определение с ее помощью консервантов типа сорбиновой и бензойной кислот и их солей (сорбатов калия и кальция, бензоат натрия). Они часто применяются в производстве маргаринов, майонезов, соусов и салатных заправок, безалкогольных напитков, при консервировании фруктов и овощей, мясных изделий и прочих продуктов.

Еще большие возможности предоставляет сочетание газовой хроматографии с масс-спектрометрией (ГХ-МС и ГХ-МС/МС), которое позволяет разделять, идентифицировать и количественно определять компоненты сложной смеси, даже если они содержатся в пробе в минимальной концентрации.

Благодаря специальным приборам — хроматографам можно разделить сложные многокомпонентные смеси и установить их состав.

Не существует универсальных методов разделения смесей! Каждый конкретный случай особенный и нужно основываться на различиях в свойствах веществ.