Вещества, смеси и разделяне — урок по химия

1. Вещества и техните свойства

Лъжицата, тенджерата и фолиото са различни тела, но могат да са направени от едно и също вещество– алуминий. Химията изучава веществата: от какво са изградени, какви свойства имат и как се превръщат едно в друго.

О

Физични свойства

Физичните свойства на веществото се наблюдават или измерват, без то да се превръща в друго вещество: агрегатно състояние, цвят, миризма, плътност, температура на топене и на кипене, разтворимост във вода, електро- и топлопроводимост. Някои от тях – плътността и температурите на топене и кипене – са характерни: по тях можем да разпознаем веществото.

Вещество	$t_{\text{топене}},\ ^\circ\mathrm{C}$	$t_{\text{кипене}},\ ^\circ\mathrm{C}$	$\rho,\ \mathrm{g/cm^3}$
вода	$0$	$100$	$1{,}00$
етанол (спирт)	$-114$	$78$	$0{,}79$
готварска сол	$801$	$1465$	$2{,}16$
захар (захароза)	$\approx 186^{*}$	–	$1{,}59$
алуминий	$660$	$2519$	$2{,}70$
желязо	$1538$	$2861$	$7{,}87$
кислород	$-218$	$-183$	$0{,}00143^{**}$

* Захарта не кипи – още при топенето започва да се разлага (карамелизира). ** Кислородът е газ; плътността е при 0 °C и нормално налягане – около 700 пъти по-малка от тази на водата.

Пример

Метално кубче с ръб 2,00 cm има маса 21,6 g. От какъв метал може да е?

$V = a^3 = 2{,}00^3 = 8{,}00\ \mathrm{cm^3}$
$\rho = \frac{m}{V} = \frac{21{,}6}{8{,}00} = 2{,}70\ \mathrm{g/cm^3}$
Точно толкова е плътността на алуминия. За по-голяма сигурност можем да проверим и още едно свойство – например температурата на топене.

Повече за и как се измерва има в урока по физика Статика и флуиди, а за топенето и кипенето – в Температура и топлина.

2. Чисти вещества и смеси

Почти всичко около нас е смес: въздухът, морската вода, почвата, кръвта, храната. Чистите вещества са рядкост – обикновено ги получаваме, като разделяме смеси.

О

Чисто вещество и смес

Чистото вещество има постоянен състав и постоянни свойства – например чистият лед се топи точно при 0 °C. Сместа съдържа две или повече вещества, всяко от които запазва свойствата си; съставът ѝ може да се променя, а топенето и кипенето обикновено стават в интервал от температури.

О

Прости и сложни вещества

Простото вещество е изградено от атоми на един химичен елемент: кислород

\mathrm{O_2}

, желязо

\mathrm{Fe}

, диамант и графит (въглерод

\mathrm{C}

). Сложното вещество (химично съединение) е изградено от атоми на два или повече елемента: вода

\mathrm{H_2O}

, готварска сол

\mathrm{NaCl}

, захароза

\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}}

.

О

Хомогенни и хетерогенни смеси

В хомогенната (еднородна) смес не се виждат отделни части дори под микроскоп: разтвори, въздух, повечето сплави. В хетерогенната (нееднородна) смес частите се различават – с просто око или под микроскоп: пясък във вода (суспензия), олио, разклатено с вода (емулсия), гранит, мъгла.

Чешмяната вода също е смес – в нея има разтворени соли и газове. Затова при варене по съдовете остава котлен камък. Дестилираната вода е почти чисто вещество. Внимавай с млякото: то изглежда еднородно, но под се виждат капчици мазнина – то е колоидна смес, нещо средно между и суспензия.

🫁 кислород

1 от 14. Чисто вещество ли е, или смес?

💡 Първо питай: едно вещество ли е, или няколко? Ако е едно – от колко елемента е изградено? Ако е смес – виждаш ли (поне под микроскоп) отделни части? Зелена рамка – позна, червена – сгреши.

Пример

Защо смес от железен прах и сяра не е съединение, а железният сулфид FeS е?

В сместа всеки компонент запазва свойствата си: магнитът изтегля желязото, а жълтите зрънца сяра остават. Съотношението може да е всякакво.
При нагряване желязото и сярата реагират и се получава ново вещество – железен сулфид $\mathrm{FeS}$ , тъмносив и с други свойства. Магнитът вече не може да „извади“ желязото от него.
Съединението има постоянен състав: в $\mathrm{FeS}$ масовото отношение желязо : сяра винаги е около 7 : 4.

3. Физични и химични явления

О

Физично и химично явление

При физичното явление веществата остават същите – променят се само формата, агрегатното състояние или размерът на частиците (топене, кипене, разтваряне, счупване). При химичното явление (химична реакция) от едни вещества се получават други, с нови свойства (горене, ръждясване, вкисване на млякото).

Как разбираме, че е станала химична реакция? Признаци са: промяна на цвета, отделяне на газ, образуване на , отделяне или поглъщане на топлина и светлина, нова миризма. Признаците са подсказка, а не доказателство: мехурчетата при кипенето на водата също са газ, но водната пара е същото вещество – вода.

Пример

Горенето на свещ физично или химично явление е?

Около фитила восъкът се топи – това е физично явление: течният восък е същото вещество.
Разтопеният восък се изкачва по фитила, изпарява се (пак физично) и парите му горят – химична реакция с кислорода, при която се получават въглероден диоксид и вода и се отделят топлина и светлина.
Много процеси около нас съчетават и двата вида явления.

4. Състав на смес: масова част

За да опишем една смес, не стига да кажем от какво е – трябва да кажем и колко от всяко вещество има в нея.

Т

Масова част

Масовата част на веществото X в сместа е отношението на масата му към масата на цялата смес:

w(\mathrm{X}) = \frac{m(\mathrm{X})}{m_{\text{смес}}}

. Тя е безразмерна и често се дава в проценти. Сборът от масовите части на всички компоненти е 1, т.е. 100%. При разтворите

m_{\text{р-р}} = m_{\text{разтворено в-во}} + m_{\text{разтворител}}

.

Пример

В 230 g вода се разтварят 20 g захар. Каква е масовата част на захарта?

$m_{\text{р-р}} = 230 + 20 = 250\ \mathrm{g}$
$w = \frac{20}{250} = 0{,}08 = 8\%$
Честата грешка е да се раздели на масата на водата: $\frac{20}{230} \approx 8{,}7\%$ – това не е масовата част.

Пример

Смесват се 100 g 10% и 300 g 30% разтвор на сол. Каква е масовата част в получения разтвор?

Масите на солта се събират: $0{,}10 \cdot 100 + 0{,}30 \cdot 300 = 10 + 90 = 100\ \mathrm{g}$
Масите на разтворите също: $100 + 300 = 400\ \mathrm{g}$
$w = \frac{100}{400} = 25\%$ – по-близо до 30%, защото този разтвор е повече. Масовите части не се събират и не се осредняват просто така!

При газовете съставът по-често се дава с обемна част $\varphi = V(\mathrm{X}) / V_{\text{смес}}$ : сухият въздух съдържа около 78% азот, 21% кислород, 0,9% аргон и около 0,04% въглероден диоксид (по обем). Разтворите и концентрациите ще разгледаме подробно в отделен урок.

5. Методи за разделяне на смеси

Всички методи стъпват на една идея: компонентите на сместа се различават по някое физично свойство и го използваме, за да ги разделим. Ако два компонента имат едни и същи свойства, не можем да ги разделим – но тогава те биха били едно вещество.

Метод	Свойство, по което се различават	Пример
Утаяване и декантиране	плътност, неразтворимост	пясък от вода, утайката в кафето
Филтруване	размер на частиците	пясък от солена вода, кафе от каймака
Изпаряване и кристализация	летливост, разтворимост	сол от морска вода
Дестилация	температура на кипене	дестилирана вода, спирт от ферментирали плодове
Магнитно разделяне	магнитни свойства	железни стърготини от сяра
Делителна фуния	несмесваемост, плътност	олио от вода
Центрофугиране	плътност	кръвни клетки от плазмата, сметана от мляко
Хроматография	привличане към хартията (носителя)	бои в мастило, пигменти в листата

Т

Дестилация

Сместа се нагрява до кипене; парите на по-летливия компонент (с по-ниска температура на кипене) минават през хладник, кондензират се и се събират като дестилат. Нелетливите вещества – например солта – остават в колбата. Течности с близки температури на кипене се разделят с фракционна дестилация (с колона), а някои смеси, като етанол и вода, не могат да се разделят напълно с дестилация.

Пример

Как да разделим смес от пясък, готварска сол и железни стърготини?

С магнит изтегляме желязото – единственото магнитно вещество.
Добавяме вода и разбъркваме: солта се разтваря, пясъкът – не.
Филтруваме: пясъкът остава на филтъра, а солта минава в разтвора (филтрата).
Изпаряваме водата от филтрата и получаваме сол. Ако искаме да запазим и водата – дестилираме.

Избери първия метод.

💡 Целта е всяко вещество от сместа да се окаже само – в отделен съд или само в колбата. Всеки метод използва свойство, по което веществата се различават: магнитни свойства, разтворимост, размер на частиците, температура на кипене, плътност. Редът има значение!

Хроматографията разделя дори вещества, които се намират в сместа в много малки количества. Разтворителят се движи по хартията (или през колона с прах) и носи веществата; тези, които се „държат“ по-силно за хартията, изостават. Колко далеч стига всяко вещество спрямо фронта на разтворителя, показва стойността $R_f$ .

Т

Стойност Rf

R_f = \frac{l_{\text{петно}}}{l_{\text{фронт}}}

, където

l_{\text{петно}}

е разстоянието от стартовата линия до средата на петното, а

l_{\text{фронт}}

– до фронта на разтворителя. Стойността е между 0 и 1 и при едни и същи условия (хартия, разтворител, температура) е характерна за веществото – така сравняваме неизвестно петно с известни вещества.

t, min0

фронт:0,0 cmдокосни петно, за да го измериш

Коя химикалка е писала бележката?

💡 Плъзни времето: разтворителят се изкачва по хартията и носи боите с различна скорост. Всяка боя изминава една и съща част от пътя на разтворителя – това е Rf. То зависи от разтворителя, затова две различни мастила могат да изглеждат еднакво в един разтворител и да се различат в друг.

6. Тренажор

Намери масовата част, масата на солта или водата, или $R_f$ . Десетичните отговори въвеждай като 7,5.

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

300\ \mathrm{g}\ (30\%) + 200\ \mathrm{g}\ (10\%)

Масова част на сместа, %?

7. Смесите около нас

Масовата част е навсякъде – върху етикетите на храните, лекарствата и бижутата.

0 / 6

🌊 Сол от Черно море

Повърхностната вода на Черно море съдържа около 1,8% соли (океанът – около 3,5%). Колко килограма соли остават след изпаряването на 1 тон черноморска вода?

💍 14-каратово злато

Чистото злато е 24 карата, а 14-каратовото съдържа 14 части злато от 24 части сплав. Пръстен от 14-каратово злато тежи 3,6 g. Колко е масовата част на златото и колко грама злато има в пръстена?

🍋 Домашна лимонада

В 1,5 L вода (1500 g) се разтварят 120 g захар. Каква е масовата част на захарта?

💉 Физиологичен разтвор

Физиологичният разтвор, който се влива в болниците, е 0,9% разтвор на готварска сол. Колко грама сол има в 500 g от него?

🏠 Кислородът в стаята

Стая е с размери 4 m × 5 m × 2,6 m. Кислородът е около 21% от обема на въздуха. Колко кубични метра кислород има в стаята?

🧪 Колко солена е водата?

Ученик изпарява 2 L морска вода с маса 2,05 kg и получава 70 g сол. Колко е масовата част на солта в морската вода?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

8. ⚠️ Чести грешки

Еднородно = чисто

✗ Подсладената вода е чисто вещество, защото е еднородна.

✓ Тя е хомогенна смес – разтвор на захар във вода.

Масова част

✗ $\displaystyle w = \frac{m_{\text{сол}}}{m_{\text{вода}}}$

✓ $\displaystyle w = \frac{m_{\text{сол}}}{m_{\text{сол}} + m_{\text{вода}}}$ – делим на целия разтвор

Въздухът

✗ Въздухът е просто вещество – газ.

✓ Въздухът е смес от азот, кислород, аргон и други газове.

Две атома – смес?

✗ $\displaystyle \mathrm{O_2}$ е смес, защото има два атома.

✓ $\displaystyle \mathrm{O_2}$ е просто вещество: двата атома са на един и същ елемент.

Филтруване на разтвор

✗ С филтър отделяме солта от солената вода.

✓ Разтворената сол минава през филтъра – трябва изпаряване или дестилация.

Признаци на реакция

✗ Мехурчетата при кипене показват химична реакция.

✓ Кипенето е физично явление – парата е същото вещество.

9. 🎯 Бърз тест

1 / 9

✓ 0

Кое от изброените е чисто вещество?

Избери отговор (или натисни 1–4)

10. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

11. Обобщение

✓ Веществата се разпознават по характерните си физични свойства: плътност, температура на топене и на кипене
✓ Чистите вещества са прости (един елемент) или сложни (съединения); смесите са хомогенни или хетерогенни
✓ При физичните явления веществата остават същите, при химичните се получават нови вещества
✓ Масова част $w = \frac{m(\mathrm{X})}{m_{\text{смес}}}$ ; при смесване се събират масите, не масовите части
✓ Смесите се разделят по свойство, по което компонентите се различават: филтруване, изпаряване, дестилация, магнит, делителна фуния, центрофугиране, хроматография
✓ $R_f$ = път на петното / път на разтворителя – характерна стойност за веществото при дадени условия

💡 Интересен факт

Колко чисто може да е едно вещество? Силицият за компютърни чипове се пречиства до около 99,9999999% и повече – „девет деветки“: на милиард атома силиций има не повече от около един чужд атом. Един от методите за това е зонното топене: през силициев прът бавно се движи тясна разтопена зона и „отнася“ примесите към края му, защото те се разтварят по-добре в течността, отколкото в кристала.