Химия без колдовства: химия, 8-й класс

Чистые вещества и смеси: как разделять и очищать вещества

Химия без колдовства: химия, 8-й класс — максимально простым и понятным языком

На лабораторном столе стоит прозрачная банка. В ней — крупа, соль и песок. Кто-то случайно смешал всё это вместе, а теперь нужно спасти каждый компонент. Первая мысль — начать перебирать смесь руками. Вторая — плеснуть воды. Но с чего начать на самом деле?

В химии полезно сперва не действовать, а расследовать. Что именно лежит в банке? Чем отличаются крупинки? Растворяется ли песок? Притянет ли соль магнит? Ответы на эти вопросы подскажут порядок действий лучше, чем случайный набор опытов.

Сразу договоримся: это учебная, условная смесь. Если песок действительно попал в продукты, возвращать их в пищу нельзя — чистота на глаз не гарантируется. А любые действия с лабораторными веществами проводят в кабинете химии под руководством учителя. Ничего не пробуют на вкус, не вдыхают и не нагревают самостоятельно.

Чистое вещество — не то же самое, что чистый на вид

В школьной модели чистое вещество состоит из частиц одного вида и имеет постоянный состав. Например, чистая поваренная соль — это вещество с определённым составом, а не просто белые крупинки, похожие на соль. Белизна, прозрачность и блеск помогают описать образец, но не доказывают его чистоту.

Смесь состоит из нескольких веществ. Их количество может меняться: в одной банке будет больше соли, в другой — больше песка. В смеси её компоненты обычно сохраняют свои химические свойства. Соль по-прежнему способна растворяться в воде, песок — нет, а крупинки остаются крупинками. В отличие от химической реакции, при простом смешивании новые вещества не обязаны образовываться.

Представь оркестр: скрипка, флейта и барабан звучат вместе, но не превращаются в новый инструмент. Так и вещества в смеси могут находиться рядом, не теряя своей индивидуальности. Чтобы разделить их, нужно найти, чем они отличаются.

Смеси бывают неоднородными и однородными.

В неоднородной смеси разные части можно различить: например, крупу и песок в нашей банке. Иногда для этого достаточно глаз, иногда нужна лупа или микроскоп. В такой смеси можно заметить отдельные части — например, песок в воде оседает на дно.

В однородной смеси компоненты распределены равномерно и неразличимы невооружённым глазом. Пример — раствор соли в воде: соль исчезла из поля зрения, но не исчезла из смеси. Однородной смесью является и воздух: в нём вместе находятся разные газы. Вывод важный: если смесь выглядит как одно целое, это ещё не значит, что перед нами чистое вещество.

Дело о трёх компонентах

Вернёмся к банке. Перед нами известная учебная смесь из крупы, соли и песка. Теперь не угадываем, а сравниваем свойства.

У крупы частицы обычно крупнее, чем у песка и мелкой соли. Соль растворяется в воде. Песок в воде не растворяется и может осесть на дно. Ни крупа, ни песок не превращаются в соль от контакта с водой. Уже вырисовывается план: сначала разделить компоненты по размеру, затем воспользоваться разной растворимостью.

Но есть ловушка. Сито разделяет частицы не по названию, а по размеру. Если крупинки соли слишком велики и не проходят через отверстия, они останутся вместе с крупой. Поэтому размер отверстий нужно подобрать заранее, а метод — проверить на небольшой пробе. Если размеры крупинок перекрываются, одного просеивания недостаточно: понадобится другое сито или ручной отбор заметных частиц под наблюдением учителя.

Маршрут разделения

Шаг 1. Отделяем крупу просеиванием. Учитель подбирает сито, отверстия которого меньше крупинок крупы, но больше частиц соли и песка. Крупа остаётся на сите, а смесь соли с песком проходит сквозь него. Если разделение получилось неполным, не объявляем опыт провалом: значит, выбранная сетка не подходит для этих размеров частиц.

Шаг 2. Растворяем соль. К оставшейся смеси соли и песка добавляют воду и аккуратно перемешивают. Соль переходит в раствор, а песок остаётся нерастворённым. Важно взять достаточно воды, иначе часть соли может не раствориться и случайно отправиться дальше вместе с песком.

Шаг 3. Отделяем песок фильтрованием. Жидкость пропускают через фильтр. Частицы песка задерживаются, а вода с растворённой солью проходит дальше. Фильтратом называют жидкость, прошедшую через фильтр, а осадком — то, что на нём осталось.

Вот здесь стоит остановиться и проверить логику. Фильтр задерживает нерастворимые частицы, например песок. Но он не отделяет растворённую соль от воды. Частицы растворённого вещества проходят через поры фильтра вместе с жидкостью. Поэтому прозрачный фильтрат может быть солёным, даже если в нём не видно ни одной крупинки.

Шаг 4. Возвращаем соль. Чтобы получить соль из раствора, воду можно испарить. В школьном кабинете это делают только с учителем и на предназначенном для этого оборудовании: нагретая жидкость может брызнуть, а горячую посуду легко не заметить. При медленном испарении могут вырасти кристаллы соли. Если же важно отдельно собрать и воду, применяют дистилляцию: жидкость нагревают, пар охлаждают и собирают отдельно. Это лабораторная демонстрация, а не опыт для самостоятельного повторения.

Песок на фильтре и отделённая крупа тоже нуждаются в проверке. Их внешний вид подсказывает, что основная работа выполнена, но сам по себе не доказывает абсолютную чистоту. Например, на песке могли остаться крупинки соли. Если промыть его небольшим количеством воды и пропустить промывную воду через фильтр, соль перейдёт в раствор вместе с основной порцией. Затем песок можно высушить по правилам лаборатории.

Если задача — получить более чистую соль, одного испарения иногда недостаточно: в растворе могли быть другие растворённые примеси. В химии используют перекристаллизацию: вещество растворяют, отделяют нерастворимые примеси, а затем получают кристаллы снова. Некоторые примеси при этом остаются в растворе. Это способ очистки, но не волшебная гарантия стопроцентной чистоты.

Почему нельзя выбрать один способ на все случаи

Каждый метод работает только тогда, когда между компонентами есть подходящее различие. Сито хорошо разделяет крупные и мелкие частицы, но бессильно перед солью, растворённой в воде. Фильтр задерживает песок, но пропускает растворённую соль. Испарение помогает получить растворённое твёрдое вещество, но само по себе не разделит сухую смесь песка и соли: оба компонента просто останутся в посуде.

Вот несколько методов и свойств, на которых они основаны:

Различие между компонентами

Подходящий метод

Пример

Размер частиц

Просеивание

Крупа и мелкий песок

Растворимость в воде

Растворение с последующей фильтрацией

Соль и песок

Способность оседать и разная плотность частиц

Отстаивание и слив жидкости

Песок и вода

Способность притягиваться магнитом

Магнитное разделение

Железные частицы и песок

Температура кипения и способность испаряться

Дистилляция

Получение воды из солевого раствора

При отстаивании нерастворимые частицы постепенно опускаются на дно. Затем жидкость можно осторожно слить, не взбалтывая осадок. Такой слив называют декантацией. Он удобен, если твёрдые частицы быстро оседают, но мелкая взвесь может долго оставаться в воде.

Магнит поможет отделить магнитный материал от немагнитного, но не любую металлическую крупинку: не все металлы притягиваются обычным магнитом. Для учебного примера учитель может показать разделение железных частиц и песка. Магнитный способ не годится для нашей смеси: соль, песок и крупа не становятся магнитными только потому, что оказались в одной банке.

Дистилляция использует различие в способности веществ испаряться и конденсироваться. При нагревании пар одного компонента можно направить в охлаждаемую часть установки, где он превратится обратно в жидкость. Так можно собрать воду из солевого раствора, оставив соль в исходной ёмкости. Но способ требует специального оборудования и наблюдения учителя.

В некоторых опытах разделяют и смеси красителей. Если каплю чернил нанести на специальную бумагу и поместить её край в растворитель, разные красители могут перемещаться по бумаге с разной скоростью. Этот метод называется хроматографией. И здесь решает не удача, а различие свойств.

Алгоритм химического расследования

Чтобы не хвататься за первый попавшийся прибор, пользуйся одним и тем же маршрутом:

1. Определи, какие вещества могут входить в смесь. Не пробуй её на вкус и не делай выводов только по цвету или запаху. Если состав неизвестен, сообщи учителю и не проводи опыт самостоятельно.

2. Сравни свойства компонентов. Подумай о размере частиц, растворимости, магнитных свойствах, способности оседать и температуре кипения.

3. Подбери способ и продумай порядок операций. Иногда нужен не один метод, а цепочка. В нашей задаче сначала сработало просеивание, а потом — растворение и фильтрация.

4. Проверь результат. Удалось ли получить отдельные части? Не остались ли примеси? Подходит ли способ проверки для этого вещества?

Последний пункт часто недооценивают. Если смесь стала прозрачной, это ещё не подтверждает, что она чистая. Раствор может оставаться прозрачным и при наличии растворённой соли или других невидимых примесей. О химической чистоте судят по совокупности признаков и измерений. Например, для чистого вещества характерна определённая температура плавления или кипения при заданных условиях; у смеси такие показатели часто меняются или наблюдаются в некотором диапазоне. Это полезные признаки, но не единственное доказательство: результат зависит от условий опыта и точности измерений.

Проверь себя

Попробуй мысленно выбрать способ для каждой задачи. Ответ не в названии прибора, а в свойстве, на котором основано разделение.

Соль растворили в воде. Поможет ли фильтр отделить её от воды? Нет. Соль растворена и проходит через фильтр вместе с водой. Чтобы вернуть твёрдую соль, используют испарение или кристаллизацию; чтобы собрать и воду, нужна дистилляция.

В воде плавает песок или лежат его частицы на дне. Что можно сделать? Дать частицам осесть, а затем осторожно слить воду. Если частицы мелкие и долго остаются во взвеси, применяют фильтр.

В смеси оказались железные частички и песок. На что обратить внимание? На магнитные свойства: магнит притянет железо, а песок останется. Но сначала учитель должен убедиться, что опыт безопасен и выбранный материал действительно магнитится.

В банке смешаны крупа, соль и песок. Почему недостаточно просто добавить воду? Потому что вода растворит соль, но не крупу и песок. Разделение станет сложнее, если не убрать крупу заранее. Поэтому порядок операций имеет значение.

Главная мысль

Разделение смеси похоже на расследование: сначала устанавливают, кто в ней присутствует, затем ищут различия между «подозреваемыми» и только после этого выбирают подходящий приём. Размер частиц подсказывает использовать сито, растворимость — воду и фильтр, магнитные свойства — магнит, а различия в испарении — дистилляцию. Ни один метод не универсален, и даже удачно разделённые на вид части требуют проверки.

В химии точный вопрос полезнее поспешного действия: не «что сделать со смесью?», а «каким свойством её компонентов я могу воспользоваться?». Так обычные крупинки становятся уликами, а лабораторная работа — понятным и проверяемым способом разобраться в составе веществ.

Атомы, молекулы и химические элементы: из чего состоят вещества и как обозначают элементы

Запах свежего апельсина появляется не только рядом с фруктом. Стоит очистить его на кухне — и аромат через некоторое время добирается до другого конца комнаты. Мы не видим, как он движется, но можем заметить его действие. Значит, от апельсина отделяются крошечные частицы, они распространяются в воздухе и достигают нашего носа.

Из чего состоят эти частицы? А из чего — сам апельсин, воздух, вода в стакане и стол, на который этот стакан поставлен? Глаз видит целые предметы и вещества, но не их мельчайшие детали. Чтобы представить невидимое, химики пользуются моделями — упрощёнными схемами микромира. Сегодня мы научимся читать такие схемы и разберёмся, чем атом отличается от молекулы, а химический элемент — от простого вещества.

Микромир, который нельзя разглядеть

Если рассматривать кусочек сахара, он кажется цельным. Если растворить его в воде, кристаллы исчезнут из поля зрения. Но сахар не превратился в воду и не перестал существовать: его частицы распределились между частицами воды. Такое объяснение помогает представить, почему вещества могут смешиваться и почему запахи распространяются по комнате.

Частицы так малы, что увидеть отдельный атом обычным глазом невозможно. Микроскоп тоже не превращает атомы в крошечные шарики, которые можно рассмотреть так же, как песчинки. Учёные узнают о строении микромира по наблюдениям и экспериментам, а модели помогают связать результаты опытов с устройством вещества.

Самая знакомая модель — набор шариков и соединяющих их палочек. Шарики изображают атомы, палочки — связи между ними. Такая модель похожа на конструктор: из одинаковых и разных деталей можно собрать разные фигуры. Но аналогия имеет границы. Атомы — не разноцветные игрушечные сферы, а палочки между ними — не настоящие стержни. Цвета и размеры в моделях условны. Они нужны, чтобы различать частицы, а не показать их точный вид.

Атом: маленькая частица с важным «паспортом»

Атом — мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его принадлежность к этому элементу. В центре атома находится ядро, вокруг него располагаются электроны. В ядре есть протоны и нейтроны, а электроны имеют отрицательный заряд. Если у атома одинаковое число протонов и электронов, он в целом электрически нейтрален.

Для химии особенно важно число протонов в ядре. Именно оно определяет, к какому химическому элементу относится атом. У всех атомов кислорода в ядре по восемь протонов, у всех атомов углерода — по шесть. Нейтроны тоже входят в состав ядра, но их число у атомов одного элемента может различаться. Такие разновидности атомов называют изотопами. Пока достаточно запомнить главное: число протонов — своего рода постоянный паспорт элемента.

Атом очень мал — примерно в десять миллиардов раз меньше метра. Модель с шариком помогает вообразить, что у вещества есть частицы, но не передаёт настоящих размеров и устройства атома. В действительности атом устроен сложнее, чем маленький твёрдый шар.

Молекула: несколько атомов вместе

Молекула — частица, состоящая из двух или более атомов, соединённых химическими связями. Атомы в молекуле могут быть одинаковыми или разными.

Например, молекула кислорода O₂ состоит из двух атомов кислорода. Индекс ₂ в записи показывает, сколько атомов кислорода входит в такую молекулу. Молекула воды H₂O состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. В молекуле углекислого газа CO₂ — один атом углерода и два атома кислорода.

Молекула не просто кучка атомов, лежащих рядом. Атомы соединены определённым образом, и этот порядок имеет значение. Модели помогают заметить состав молекулы, но не всегда хорошо передают форму, размеры и движение её частей.

Есть вещества, частицы которых действительно являются молекулами. Например, кислород, которым мы дышим, состоит из молекул O₂, а вода — из молекул H₂O. Но не каждое вещество устроено из отдельных молекул. В поваренной соли, например, атомы натрия и хлора образуют большую упорядоченную структуру. Запись NaCl показывает соотношение этих атомов в веществе, но в обычном кристалле соли нельзя выделить отдельную молекулу NaCl так же, как в воде можно выделить молекулу H₂O. Поэтому фраза «все вещества состоят из молекул» была бы неточной.

Элемент и простое вещество — не одно и то же

Химический элемент — это вид атомов с одинаковым зарядом ядра, то есть с одинаковым числом протонов. Кислород — элемент, потому что есть атомы с восемью протонами. Углерод — другой элемент: в его атомах шесть протонов.

Простое вещество — это вещество, состоящее из атомов одного химического элемента. Кислород O₂ — простое вещество: каждая его молекула собрана только из атомов кислорода. Водород H₂ тоже простое вещество. А вода H₂O — сложное вещество, потому что её молекулы содержат атомы двух элементов: водорода и кислорода.

Разница важна. Вода содержит атомы кислорода, но вода не является кислородом O₂. Она обладает другими свойствами и состоит из частиц другого состава. Можно сказать так: элемент отвечает на вопрос «какого вида атомы?», а вещество — «какой материал перед нами?»

Один и тот же элемент может входить в состав разных веществ. Углерод встречается в простом веществе графите, из которого делают стержни карандашей, и в алмазе. В обоих случаях речь идёт об атомах одного элемента, но сами вещества устроены по-разному и заметно отличаются свойствами. Атомы кислорода могут быть частью молекулы O₂ или частью молекулы воды H₂O. Принадлежность атома к элементу от этого не меняется.

Четыре понятия, которые легко перепутать

Понятие

Что оно обозначает

Пример

Атом

Отдельную частицу химического элемента

Один атом кислорода

Молекула

Несколько соединённых атомов

Молекула воды H₂O

Химический элемент

Вид атомов с одинаковым числом протонов

Кислород

Простое вещество

Вещество, состоящее из атомов одного элемента

Кислород O₂

Важно: химический элемент — не то же самое, что молекула, и не обязательно отдельный кусочек вещества. Это понятие, которое объединяет атомы одного вида.

Символы: короткие обозначения с международными правилами

Чтобы не записывать каждый раз длинное название элемента, химики используют символы. Это международные обозначения, основанные на латинских названиях. Например:

• H — водород;

• O — кислород;

• C — углерод;

• N — азот;

• Na — натрий;

• Fe — железо;

• Cu — медь.

У символа одна или две буквы. Первая всегда заглавная, а вторая, если она есть, — строчная. Это правило нельзя менять по желанию: Co обозначает кобальт, а сочетание CO может быть записью формулы вещества из углерода и кислорода. Заглавные и строчные буквы здесь различают смысл, а не служат украшением.

Символ элемента может обозначать сам элемент или один его атом — всё зависит от контекста. Запись O указывает на кислород как элемент, а в задаче о частицах может означать один атом кислорода. Запись O₂ обозначает молекулу кислорода, в которой два атома O. Это не одно и то же: буква O — символ элемента и условное обозначение атома, а O₂ — формула молекулы.

Так постепенно появляется химический язык: короткий, точный и общий для людей, говорящих на разных языках. Названия элементов могут различаться, а символ Fe и в русской, и в другой учебной книге будет обозначать железо.

Мини-расследование: что именно нарисовано?

Представь, что на карточках изображены цветные кружки с буквами внутри. Кружки — условные модели атомов, а линии между ними показывают связи. Вспомни: цвет здесь придуман для удобства, а не потому, что атомы в самом деле такого цвета.

Попробуй подписать каждую карточку. Вопрос не только в том, какие буквы видны, но и в том, изображён атом, молекула, химический элемент или простое вещество.

Условная схема

Что нужно определить

Один кружок с буквой O

Что изображено и к какому элементу относится атом?

Два соединённых кружка с буквой O на каждом

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.