Суміші речовин і способи їх розділення

У хімії важливо розрізняти, коли перед тобою чиста речовина, а коли — суміш. Від цього залежить, які властивості матиме зразок і як його можна розділити.

Чиста речовина

Чиста речовина має сталий склад і сталі фізичні властивості. Це означає, що будь-яка проба цієї речовини, де б її не взяли, має однакову температуру плавлення, кипіння, густину тощо. Наприклад, дистильована вода (H₂O) за нормального атмосферного тиску (101,3 кПа) кипить за 100 °C і замерзає за 0 °C. Інший приклад — кухонна сіль (NaCl): її склад завжди однаковий, і вона плавиться за 801 °C.

Суміш

Суміш складається з двох або більше речовин, і її склад може змінюватися. У суміші кожна речовина зберігає свої властивості. Наприклад, візьми суміш залізних ошурок і сірки. Залізо притягується магнітом — і в суміші воно теж притягується. Сірка жовта — і в суміші вона жовта. Але якщо цю суміш нагріти, відбувається хімічна реакція: Fe + S → FeS. Утворюється ферум(II) сульфід — це вже чиста речовина (сполука), а не суміш. Магніт її не притягує, колір змінюється. Отже, після реакції суміші більше немає.

Суміші навколо нас

Більшість речовин, які нас оточують, — це суміші. Повітря — суміш азоту, кисню, аргону, вуглекислого газу та інших газів. Природна й морська вода містять розчинені солі. Молоко — складна суміш води, жирів, білків, лактози. Граніт — суміш кварцу, польового шпату та слюди. Ґрунт — суміш мінеральних частинок, води, повітря й органічних речовин. Нафта — суміш вуглеводнів.

Ознакою того, що речовина є сумішшю, може бути відхилення фізичних властивостей від сталих значень. Наприклад, солона вода кипить за температури, вищої за 100 °C, — що більше солі, то вища температура кипіння. Це тому, що розчинена сіль підвищує температуру кипіння розчинника.

Запам'ятай: чиста речовина має сталі властивості; суміш — склад і властивості можуть змінюватися, а кожен компонент зберігає свої індивідуальні властивості.

Усі суміші поділяють на дві великі групи: однорідні (гомогенні) та неоднорідні (гетерогенні). Від того, до якої групи належить суміш, залежить, який спосіб розділення можна застосувати.

Однорідні суміші

В однорідній суміші межі між компонентами не видно навіть під мікроскопом. Речовини перемішані на молекулярному або йонному рівні. Типові приклади однорідних сумішей — це розчини. Розчин кухонної солі у воді: сіль розпадається на йони Na⁺ та Cl⁻, і вода виглядає прозорою. Розчин цукру у воді — теж однорідний, хоча цукор не дисоціює на йони, але його молекули рівномірно розподілені. Столовий оцет — це розчин етанової (оцтової) кислоти у воді, він теж однорідний. Повітря — однорідна суміш газів, адже молекули азоту, кисню, аргону та інших газів перемішані рівномірно.

Неоднорідні суміші

У неоднорідній суміші компоненти помітні оком або принаймні під мікроскопом. Між ними є видима межа. Наприклад, пісок у воді: піщинки добре видно, вони осідають на дно. Олія з водою: олія не розчиняється у воді, утворює окремий шар. Крейда (кальцій карбонат) у воді — біла каламуть, частинки крейди видно під мікроскопом. Суміш залізних ошурок і сірки: чорні ошурки й жовтий порошок добре помітні. Граніт: кристали кварцу, польового шпату та слюди видно неозброєним оком.

Різновиди неоднорідних сумішей — суспензії (тверда речовина в рідині), емульсії (рідина в рідині, як олія й вода) та аерозолі (тверді частинки або краплі рідини в газі, як туман чи дим). Їх детальніше розглянуто в уроці про дисперсні системи.

Як тип суміші визначає спосіб розділення

Тип суміші підказує, який спосіб розділення обрати. Неоднорідні суміші розділяють за різницею густини (відстоювання, центрифугування), розміру частинок (фільтрування) або магнітних властивостей (дія магнітом). Однорідні суміші розділяють за різницею температур кипіння чи леткості компонентів (випарювання, дистиляція).

Запам'ятай: однорідні суміші — це переважно розчини; неоднорідні — це суміші, де компоненти можна побачити. Спосіб розділення залежить від того, чим відрізняються компоненти.

Неоднорідні суміші розділяють фізичними методами, які використовують різницю в густині, розмірі частинок або магнітних властивостях компонентів. Розгляньмо основні з них.

Відстоювання

Відстоювання ґрунтується на тому, що тверді частинки з більшою густиною, ніж рідина, поступово осідають під дією сили тяжіння. Наприклад, пісок у воді: дай суміші постояти — пісок осяде на дно, а воду можна обережно злити (декантувати). Якщо треба розділити дві рідини, що не змішуються (олія й вода), після відстоювання утворюються два шари: легша олія зверху, важча вода знизу. Їх розділяють за допомогою розділювальної лійки з краном — нижній шар зливають через кран, а верхній залишається в лійці.

Фільтрування

Фільтрування дає змогу відокремити тверді частинки від рідини, пропускаючи суміш крізь пористий матеріал — фільтр. У лабораторії найчастіше використовують фільтрувальний папір, складений у лійку. У побуті фільтром може бути тканина, вата, марля або шар піску (як у піщаному фільтрі для води). Тверді частинки затримуються на фільтрі, а прозора рідина — фільтрат — проходить крізь нього. Важливо пам'ятати: фільтр не затримує розчинених речовин. Якщо профільтрувати розчин солі у воді, сіль пройде крізь фільтр разом із водою — фільтрат залишиться солоним.

Центрифугування

Центрифугування пришвидшує осідання дрібних частинок завдяки швидкому обертанню. У центрифузі пробірки з сумішшю обертаються з великою швидкістю, і відцентрова сила відкидає важчі частинки до дна пробірки або до стінок барабана. Це набагато швидше, ніж звичайне відстоювання. Побутові приклади: молочний сепаратор відділяє вершки від молока, пральна машина віджимає воду з білизни під час обертання барабана. У лабораторії центрифугуванням розділяють кров на плазму й формені елементи.

Дія магнітом

Дія магнітом — додатковий спосіб, який застосовують до сумішей, що містять залізо або його сплави. Наприклад, залізні ошурки легко відокремити від сірки чи піску, просто піднісши магніт. Магніт притягує залізо, а інші компоненти залишаються.

Однорідні суміші (розчини) не можна розділити фільтруванням чи відстоюванням — розчинені речовини не осідають і не затримуються фільтром. Для них застосовують випарювання та дистиляцію.

Випарювання

Випарювання — це нагрівання розчину у випарювальній чашці. Розчинник (найчастіше вода) випаровується, а розчинена тверда речовина залишається на дні чашки. Саме так добувають кухонну сіль з морської води в соляних промислах. Важливо: під час випарювання розчинник втрачається — він перетворюється на пару й не збирається. Якщо твоя мета — добути саме розчинену речовину, випарювання — правильний вибір.

Дистиляція (перегонка)

Дистиляція дає змогу не тільки відокремити розчинену речовину, а й зберегти чистий розчинник. Рідину нагрівають до кипіння в перегінній колбі, пара надходить у холодильник, де охолоджується й конденсується, і чиста рідина (дистилят) стікає в приймач. Так одержують дистильовану воду. Дистиляцією також розділяють суміші рідин із різними температурами кипіння: наприклад, етанол кипить за 78 °C, а вода — за 100 °C, тому під час перегонки їхньої суміші першим відганяється переважно етанол, а вода здебільшого залишається в колбі. Повністю відокремити етанол від води простою перегонкою не вдається: дистилят містить близько 96 % етанолу.

План розділення суміші піску й кухонної солі

Уяви, що тобі дали суміш піску й кухонної солі. Як добути обидві речовини окремо? Ось правильна послідовність:

1. Розчинити суміш у воді. Сіль розчиниться, пісок — ні.

2. Відфільтрувати. Пісок залишиться на фільтрі, а фільтрат — це розчин солі у воді.

3. Випарити фільтрат. Вода випарується, і на дні чашки залишиться чиста кухонна сіль.

Якщо до суміші додатково входять залізні ошурки, спершу діють магнітом, щоб видалити залізо, а далі — ті самі три кроки.

Розпізнавання приладів на рисунках

На НМТ можуть дати рисунок приладу й запитати, для якого способу розділення він призначений. Орієнтуйся на характерні деталі:

• Лійка з паперовим фільтром — фільтрування.

• Випарювальна чашка над пальником — випарювання.

• Колба з відвідною трубкою, холодильник (скляна трубка з водою, що охолоджує) і приймач — дистиляція.

• Лійка з краном (розділювальна лійка) — розділення рідин, що не змішуються.

• Пробірки в роторі центрифуги — центрифугування.

Приклад 1. Молочний сепаратор

Завдання: Молочний сепаратор швидко обертає молоко й відокремлює вершки. На якому способі розділення сумішей ґрунтується його дія?

Розв'язання: Сепаратор обертає молоко з великою швидкістю. Під дією відцентрової сили важчі частинки (знежирене молоко) відкидаються до стінок барабана, а легші (вершки) збираються в центрі. Це класичне центрифугування — пришвидшене осідання компонентів за рахунок обертання.

Відповідь: центрифугування.

Чому інші варіанти неправильні: Фільтрування передбачає пропускання крізь пористий матеріал — у сепараторі немає фільтра. Дистиляція — це перегонка з конденсацією пари, а сепаратор не нагріває молоко до кипіння. Випарювання — нагрівання для видалення розчинника, чого сепаратор не робить.

Приклад 2. Логічні пари: суміш — спосіб розділення

Завдання: Установи відповідність між сумішшю (1–3) і способом її розділення (А–Д).

Розв'язання: 1 — олія й вода не змішуються, утворюють два шари; їх розділяють розділювальною лійкою (А). 2 — морська вода містить розчинені солі; щоб добути прісну воду, воду випаровують і конденсують — це дистиляція (Д). 3 — крейда (CaCO₃) не розчиняється у воді, утворює суспензію; тверді частинки затримуються на фільтрі — фільтрування (В).

Відповідь: 1 → А, 2 → Д, 3 → В.

Пастка: для морської води можна помилково обрати випарювання (Б). Але випарювання дає сіль, а не прісну воду — вода втрачається. Для добування прісної води потрібна дистиляція.

Приклад 3. Послідовність дій для суміші піску й солі

Завдання: Яка послідовність дій дає змогу добути пісок і кухонну сіль з їхньої суміші?

Розв'язання: Сіль розчиняється у воді, пісок — ні. Тому спершу треба розчинити суміш у воді. Далі відфільтрувати — пісок залишиться на фільтрі. Потім випарити фільтрат — вода випарується, сіль залишиться.

Відповідь: розчинення у воді → фільтрування → випарювання фільтрату.

Чому інші варіанти неправильні: Фільтрування → розчинення → випарювання — спершу фільтрувати суху суміш безглуздо, нічого не пройде крізь фільтр. Розчинення → випарювання → фільтрування — після випарювання сіль і пісок знову разом, фільтрувати нічого. Розчинення → дистиляція → відстоювання — дистиляція дала б чисту воду, але пісок лишився б у перегінній колбі разом із сіллю, і сіль не була б виділена окремо.

Приклад 4. Яка суміш однорідна?

Завдання: Яка з перелічених сумішей є однорідною?

Розв'язання: Столовий оцет — це розчин етанової кислоти у воді. Компоненти перемішані на молекулярному рівні, межі між ними не видно. Це однорідна суміш.

Відповідь: столовий оцет.

Чому інші варіанти неправильні: Річкова вода з мулом — мул (тверді частинки) видно оком, це неоднорідна суміш (суспензія). Молоко — хоч і виглядає однорідним, під мікроскопом видно краплі жиру; це емульсія, тобто неоднорідна суміш. Суміш залізних ошурок і сірки — чорні ошурки й жовтий порошок добре помітні оком, це неоднорідна суміш.

• Намагаються розділити розчин солі фільтруванням. Пам'ятай: фільтр затримує лише нерозчинені тверді частинки. Розчинена сіль проходить крізь фільтр разом із водою — фільтрат залишається солоним.

• Плутають випарювання з дистиляцією. Випарювання дає розчинену тверду речовину (розчинник втрачається). Дистиляція дає чистий розчинник (розчинена речовина залишається в колбі). Запам'ятай: випарювання — для добування твердої речовини, дистиляція — для добування рідини.

• Вважають молоко однорідною сумішшю, бо воно виглядає однаково. Насправді під мікроскопом видно краплі жиру — це емульсія, тобто неоднорідна суміш.

• Випарюють суміш піску й солі одразу, не розчинивши й не відфільтрувавши. У такому разі пісок лишається разом із сіллю — розділити їх не вдасться. Правильна послідовність: розчинення → фільтрування → випарювання.

• Вважають суміш заліза й сірки після нагрівання сумішшю. Насправді після нагрівання відбувається хімічна реакція: Fe + S → FeS. Утворюється ферум(II) сульфід — це чиста речовина (сполука), а не суміш. Магніт її не притягує.

За програмою НМТ з хімії тема 1.6 охоплює однорідні (розчини) та неоднорідні суміші, а також методи їх розділення: відстоювання, фільтрування, центрифугування, випарювання, дистиляція (перегонка). Від тебе вимагається обирати спосіб розділення суміші залежно від її типу та властивостей компонентів.

У демоваріанті НМТ-2026 завдання № 4 — це вибір однієї відповіді з чотирьох (1 бал). У ньому подано рисунок побутового глечика-роздільника, і треба визначити, що ним можна розділити: рідкий жир і бульйон не змішуються, тому їх відокремлюють відстоюванням, як у розділювальній лійці.

Завдання № 19–20 — логічні пари 1–3 → А–Д (по 1 балу за кожну правильну пару); дві букви серед варіантів А–Д зайві. У демоваріанті НМТ-2026 ці завдання стосувалися інших тем, але з цієї теми можлива пара «суміш — спосіб розділення».

Стратегія виконання

• Спершу визнач, однорідна суміш чи неоднорідна. Якщо компоненти помітні — неоднорідна, якщо ні — однорідна.

• Далі з'ясуй, чим відрізняються компоненти: густиною, розміром частинок, температурою кипіння чи магнітними властивостями.

• На рисунку приладу шукай характерну деталь: фільтр у лійці, холодильник, пальник під чашкою, кран на лійці, ротор центрифуги.

• Для послідовності дій пам'ятай: нерозчинний компонент відокремлюють фільтруванням, розчинений — випарюванням або дистиляцією.

• У суміші кожна речовина зберігає свої властивості, чиста речовина має сталі властивості.

• Однорідні суміші — межі між компонентами не видно; неоднорідні — компоненти помітні.

• Неоднорідні суміші розділяють відстоюванням, фільтруванням, центрифугуванням, дією магнітом.

• Однорідні суміші: випарювання — щоб добути тверду речовину, дистиляція — щоб добути рідину.

• Пісок і сіль: розчинення → фільтрування → випарювання.