Чистые вещества и смеси

Химия — наука о веществах: из чего они состоят, как устроены, какими свойствами обладают и во что превращаются. Прежде чем говорить об атомах, формулах и реакциях, нужно научиться различать сами вещества и понимать, когда перед нами одно вещество, а когда — смесь нескольких веществ. С этого начинается курс химии, и об этом же спрашивает первое задание ОГЭ.

Вещество и физическое тело

Всё, что нас окружает, — физические тела: стакан, гвоздь, капля дождя, кристаллик соли. Вещество — это то, из чего состоит тело. Стакан сделан из стекла, гвоздь — из железа, капля — из воды. Одно и то же вещество может образовывать разные тела: из железа делают и гвозди, и рельсы, и сковороды. И наоборот, одно тело часто состоит из нескольких веществ: в карандаше есть древесина, графит и краска.

Вещества узнают по их свойствам, то есть по признакам, которыми вещества похожи друг на друга или отличаются друг от друга. К физическим свойствам относятся агрегатное состояние при комнатной температуре (твёрдое, жидкое или газообразное), цвет, запах, плотность, температуры плавления и кипения, растворимость в воде, способность проводить тепло и электрический ток. Например, сахар и поваренная соль — белые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде. Однако сахар при нагревании быстро плавится и темнеет, а соль плавится только при 801 °C. Пробовать вещества на вкус в лаборатории нельзя: многие из них ядовиты.

Чистое вещество

Вещество, в котором нет примесей других веществ, называют чистым веществом, или индивидуальным. Главный признак чистого вещества — постоянство его физических свойств. Чистая вода при нормальном атмосферном давлении всегда кипит при 100 °C и замерзает при 0 °C, а её плотность близка к 1 г/мл. Эти значения не зависят от того, откуда взята вода: из очищенной речной воды, из растаявшего льда или из лаборатории.

Постоянство свойств позволяет проверить, чистое ли перед нами вещество. Если нагревать чистую воду, то с момента закипания и до тех пор, пока вся вода не выкипит, термометр показывает одну и ту же температуру. Морская вода ведёт себя иначе. Она закипает при температуре чуть выше 100 °C, и по мере того как вода испаряется, раствор становится всё солонее, а температура его кипения постепенно растёт. Чистое вещество плавится и кипит при определённой температуре, а смесь — в некотором интервале температур.

Смесь

Большинство природных материалов — не чистые вещества, а смеси. Смесь состоит из двух или нескольких веществ, которые называют её компонентами. В смеси каждое вещество сохраняет свои свойства, а состав смеси может быть любым: чай бывает слабо сладким и очень сладким, раствор соли — разбавленным и крепким. Смесями являются воздух, морская и минеральная вода, молоко, гранит, почва и нефть.

Чем смесь отличается от нового вещества, хорошо видно на классическом опыте с железом и серой. Смешаем жёлтый порошок серы с серыми железными опилками. Под лупой в смеси видны и жёлтые, и серые крупинки, а магнит вытягивает из неё железо. Если высыпать смесь в воду, сера останется на поверхности, потому что вода её не смачивает, а железо утонет. Каждый компонент ведёт себя так же, как до смешивания. Если же смесь нагреть, начнётся химическая реакция и образуется новое вещество — сульфид железа(II) \(\ce{FeS}\). Это тёмное вещество уже не похоже ни на серу, ни на железо, и извлечь из него железо магнитом не получится.

Постоянный состав нового вещества — не случайность, а общий закон химии. О нём подробно рассказано в теме 1.4, а о том, почему у сложного вещества свои свойства, — в теме 1.2.

Однородные и неоднородные смеси

Смеси различаются тем, можно ли увидеть в них отдельные компоненты. В однородной смеси (её называют также гомогенной) компоненты неразличимы ни глазом, ни под микроскопом: частицы веществ перемешаны так мелко, что границ между ними нет. Однородны все растворы: раствор сахара или соли в воде, столовый уксус, морская и минеральная вода. Однородная смесь газов — воздух. В нём по объёму около 78 % азота, 21 % кислорода, почти 1 % аргона, а также немного углекислого газа и водяного пара. Однородны и многие сплавы металлов, например латунь (сплав меди с цинком) и бронза (сплав меди с оловом).

В неоднородной смеси (гетерогенной) частицы компонентов видны невооружённым глазом или под микроскопом. Такие смеси называют по тому, что и в чём распределено:

• суспензия — мелкие частицы твёрдого вещества в жидкости: глина, мел или речной песок, взболтанные с водой; со временем частицы оседают на дно;
• эмульсия — капельки жидкости в другой жидкости, которая с ней не смешивается: молоко (капельки жира в воде), майонез, растительное масло, взболтанное с водой;
• аэрозоль — частицы твёрдого вещества или капельки жидкости в газе: дым, туман, пыльный воздух;
• пена — пузырьки газа в жидкости: мыльная пена, взбитые сливки.

Неоднородны и твёрдые смеси, в которых видны зёрна разных веществ: гранит, в котором различимы кварц, полевой шпат и слюда, почва, серый чугун, в котором под микроскопом видны пластинки графита. На ОГЭ к неоднородным смесям относят также кровь, потому что под микроскопом в ней видны клетки, и зубную пасту — густую суспензию мелкого порошка.