Чистые вещества и смеси
Из чего сделан ваш телефон? А кружка с любимым напитком? А каждое живое существо? Если ответить по простому, то из каких-то веществ. Например, в состав телефона входят разные виды пластмассы (органические полимеры), стекло, микросхемы на основе кремния и его соединений, металлические провода и разъемы. Любая материя состоит из веществ, у которых есть определённые физические и химические свойства, например цвет, плотность, температура плавления и кипения, способность растворяться (или нет) в воде и других растворителях. Пример такой материи - вода. Что будет, если разделить литр воды пополам? А потом ещё и ещё, и так повторять тысячи раз. Будут ли меняться свойства у этих всё более маленьких капелек воды? И в какой момент эта часть материи перестанет проявлять свойства воды и её нельзя будет называть такой?
Прежде чем мы сможем адекватно ответить на эти вопросы, надо понять, всегда ли материалы, из которых изготовлены предметы, одинаковые?
Чистое вещество - это материя, которая во всём объёме однородна и состоит из частиц одного вида (молекул, атомов, ионов или их комбинации).
Смесь веществ - это неоднородная материя, состоящая из частиц разного вида.
В результате, свойства любых частей чистого вещества (в первую очередь химические, с физическими всё сложнее) всегда одинаковые и проведение с ними опытов не зависит ни от времени года, ни от местоположения, ни от положения ретроградного Меркурия.
В то же время смесь веществ может каждый раз демонстрировать самые разные свойства, и их сложно предсказать.
Как бы это не было печальным, но в реальном мире нет ничего идеального, поэтому идеально чистых веществ не существует. В мизéрных количествах в химических и физических лабораториях могут получить вещества очень высокой чистоты, но это временная чистота. Поэтому часто изучаемые в школе и даже вузе химические реакции, описываемые для идеальных и чистых веществ, в реальности намного сложнее и порой протекают неожиданным образом. Но пусть это не пугает, всему своё время: сначала идеальная химия, а потом, если понадобится, узнаём тонкости.
Типы смесей
По однородности
Для удобства описания и работы со смесями веществ на начальном уровне их принято классифицировать на следующие группы:
- гомогенные (однородные) - системы, в которых перемешиваются отдельные частицы или их небольшие группы, в результате не видно границ между отдельными фазами и невозможно механически (с помощью фильтра) разделить их. Например: морская вода, воздух, латунь.
- гетерогенные (неоднородные) - системы, в которых фрагменты компонентов состоят из большого числа частиц и часто зрительно видны границы между фазами. Например: пыль в воздухе, взвесь песка с воде, красивый камень с разводами и полосками.
По размеру частиц
С повышением уровня знаний (например до 11-ого класса) становится ясно, что всё не так просто. Для более точного описания используются новые понятия.
Термодинамическая фаза (или просто фаза) - гомогенная часть гетерогенной системы, ограниченная поверхностью раздела. То есть внутри какого-то объёма свойства материи (плотность, состав, оптические свойства) постоянны и с помощью различных методов (глазами, микроскопами или датчиками) можно определить, где находятся границы этого объёма.
Поэтому вещество в каком-то одном агрегатном состоянии может содержать сразу несколько фаз. Самые наглядные примеры на изображении ниже:
Дисперсные системы
Изучением смесей на уровне фаз занимается коллоидная химия, с начальными понятиями которой обычно знакомятся на уроках химии в 11-ом классе.
Дисперсная система - смесь нескольких фаз, которые практически не взаимодействуют друг с другом на химическом уровне.
Дисперсные системы делят на три категории в зависимости от размеров фаз:
- грубодисперсные: частицы более 10⁻⁵ м (более 0,01 мм), то есть их вполне можно уже различать невооружённым глазом (камни, салат).
- коллоидные: 10⁻⁹ - 10 ⁻⁶ м (от 1 до 1000 нм), то есть на уровне от нескольких штук до тысяч молекул (дым, туман, мыльная пена, кровь). Отдельные частицы обычно не видны невооружённым глазом, но проявляется эффект Тиндаля: например в пыльной комнате виден световой конус от фонаря.
- истинные растворы: менее 10⁻⁹ м, то есть перемешаны отдельные молекулы или подобные частицы, найти границы фаз не представляется возможным никаким известным на данный момент человечеству методом (минеральная воде, воздух).
Если какой-то фазы в системе больше, её называют дисперсионной средой (по-простому, растворитель), а распределённое в нём в меньшем количестве вещество - дисперсной фазой (растворённое вещество).
Причём как среда, так и фаза может находиться в любом из трёх агрегатных состояниях, поэтому существует 9 типов дисперсных систем, основанных на этих различиях.
Если вам кажется, что вы запутались и слишком много информации для такого небольшого объёма текста, то вам не кажется. Это же чистая химия! (нет)
Шутки шутками, но даже поверхностное описание каждого типа дисперсных систем выльется в полноценный учебник, поэтому дальнейшее знакомство с этой темой отложим до следующих статей.