Урок 6 Получить доступ за 75 баллов Вещества в окружающей нас природе и в технике

На основании точных химических анализов, проводимых учеными-химиками можно смело утверждать, что абсолютно чистых веществ в природе нет.

Что такое чистота вещества? Здравый смысл подсказывает, что это количество примесей в смеси.

Причем примеси – это далеко не всегда те вещества, которых в веществе содержится мало.

Например, в железной руде находится 40 % веществ, которые не нужны в процессе выработки железа, а значит, это примеси.

В золотоносных породах содержится меньше 1 % золота, а остальные 99 % – это примеси. Применительно к рудам такие примеси называют пустой породой.

В химии даже незначительное количество примесей может существенно влиять на свойства вещества.

Например, подложку для компьютерных процессоров делают из очень чистого кремния.

И в данном случае присутствие даже одного постороннего атома на миллиард атомов кремния уже делает такую подложку негодной, и она уходит на повторную переработку.

От персонала, работающего на заводах Intel и AMD (производителей процессоров), требуют соблюдения идеальной чистоты.

В химических лабораториях существует своя классификация веществ по чистоте. Химики выделяют несколько степеней очистки:

• чистый
• химически чистый
• чистый для анализа
• особо чистый

Для отделения примесей смеси веществ разделяют.

Разделение веществ – это физический процесс. Вы можете в этом убедиться на простом опыте (помните, химия – наука экспериментальная). Насыпьте на бумагу отдельно порошок серы (можно купить в аптеке) и порошок железа (можно настрогать напильником с гвоздя).

Перемешайте их (только не руками, а, например, зубочисткой).

Вы получили смесь двух веществ.

Эту смесь легко разделить.

Положите на смесь лист бумаги и приложите магнит.

Порошок железа притянется к магниту, а сера – нет.

Отсюда следует важное свойство смеси веществ: их можно разделить на чистые вещества физическими методами.

Сложное вещество можно разделить на простые вещества только химическими методами.

У смеси веществ и сложного вещества есть и другие отличия.

Их полезно знать, чтобы даже в простых бытовых ситуациях понимать, что перед вами: смесь веществ или сложное вещество (иначе может случиться так, что вы будете пытаться физическим способом разделить сложное вещество, и у вас, естественно, ничего не получится).

Сравнение свойств сложного вещества и смеси веществ

Существует много способов разделения смеси веществ:

• отстаивание
• фильтрование
• перегонка
• плавление

Это только основные из них, но есть и другие, более сложные способы.

Выбор способа зависит от свойств веществ, составляющих разделяемую смесь.

В природе существуют жидкие, твердые и газообразные смеси веществ, содержащие ценные для человека компоненты.

Воздух представляет собой смесь азота, кислорода, углекислого газа, аргона и других газов (в гораздо меньших количествах).

Для разных отраслей промышленности важен каждый газ по отдельности, поэтому воздух разделяют.

Сначала воздух сжижают охлаждением до очень низкой температуры под высоким давлением, а потом начинают постепенно повышать температуру,  при этом жидкие газы начинают кипеть не все сразу, а в порядке возрастания температур их кипения.

Метод разделения воздуха называется фракционная перегонка.

Температуры кипения отдельных компонентов воздуха

Промышленная установка по фракционной перегонке воздуха:

Морская вода – богатый источник растворенных в ней различных веществ, да и сама вода – тоже необходимый ресурс для промышленности, но она нужна чистая.

Существует множество способов опреснения морской воды, чаще всего используют дистилляцию и вымораживание.

Вымораживание основано на том, что при медленном замерзании воды растворенные соли как бы вытесняются в сторону жидкости: если взять большой объем воды, которая замерзала постепенно из центра к краям, то в центре оказывается самая чистая вода, а все примеси будут снаружи.

Именно поэтому айсберги представляют собой пресную воду, несмотря на то, что образовались из солёной морской воды.

Ископаемый уголь – ценнейший природный материал, содержащий почти все элементы таблицы Менделеева.

Уголь используют не только как топливо, но и как сырье для получения многих веществ, например, аммиака или сероводорода.

Областей применения этих двух веществ большое множество, на схеме показаны только некоторые.

А вот вы видите применение аммиака и сероводорода:

Наиболее распространённые природные смеси – руды металлов.

Получение чистого металла из руды – сложный комбинированный процесс.

Он включает в себя сначала физическое разделение смеси: отделение нужного нам соединения от пустой породы, а потом химическую обработку полученного вещества, ведь почти все металлы находятся в земле в виде химических соединений (и только некоторые встречаются в чистом виде, такие как золото или серебро). 

Учёные-химики совместно с геологами постоянно проводят исследования, которые позволят им найти более эффективные пути извлечения рассеянных в земной коре ценных для человека элементов: урана, лития, бериллия, молибдена и многих других.

Любой человек и без науки ежедневно имеет дело с растворами.

Как это понятие определяется в науке?

Раствором называется однородная система, состоящая из двух или более компонентов (растворителя и растворенных веществ), относительные количества которых могут изменяться.

Растворы могут быть не только

• жидкими, как мы все привыкли (сахар в чае), но и
• газообразными (воздух можно представить как раствор кислорода в азоте) и
• твердыми (сталь – раствор углерода в железе).

Выше мы рассматривали разницу между сложным веществом и смесью веществ.

Раствор – это как бы промежуточное состояние между сложным веществом и смесью веществ.

Между молекулами растворителя и частицами растворенного вещества происходят не только физические, но и химические взаимодействия: в процессе растворения можно наблюдать признаки и физических, и химических процессов.

Способность веществ растворяться в каком-либо растворителе называется растворимостью.

Из жизненного опыта вам известно, что растворимость веществ не безгранична.

Есть вещества с разной растворимостью.

На схеме я привёл по три вещества

• нерастворимых (мел – карбонат кальция, песок – оксид кремния, кремниевая кислота – компонент силикатного клея)
• малорастворимых (гипс – сульфат кальция, хлорид серебра – компонент светочувствительного слоя фотобумаги, сода – гидрокарбонат натрия)
• хорошо растворимых (сахар, селитра – нитрат аммония, поваренная соль – хлорид натрия)

Самый универсальный природный растворитель – вода.

Но основное влияние на растворение жидкостей оказывает природа растворимого вещества и растворителя. 

Количество растворённого вещества можно выражать качественно (концентрированный раствор или разбавленный) или количественно. Последнее для химии гораздо важнее.

Чаще всего концентрацию раствора выражают в массовых долях или в процентах.

Массовой долей растворенного вещества называют отношение массы растворенного вещества к общей массе раствора.

Массовая доля, выраженная в процентах, называется процентной концентрацией и показывает количество растворенного вещества в 100 г раствора.

Зачем нужны эти знания?

Очень частая ситуация на каждой кухне:

в рецепте солений на зиму указано, что необходимо добавить 1 ложку 6 %-го уксуса.

А в холодильнике у вас – 9 %-ый. Или наоборот. Что делать?

Если знать, что такое процентная концентрация, рассчитать нужное количество 9%-го уксуса не составит труда.

Это только один из очень многих примеров применения химических знаний в быту.

Процентная концентрация также бывает массовой или объемной.

Эти величины могут отличаться для одного и того же раствора, потому что плотность растворов не равна плотности чистой воды (1 кг/л).

Вы наверняка часто замечали, как взрослые читают надпись «Спирт: 10 об. %» на этикетке бутылки вина как «10 оборотов».

А ведь они взрослые люди! Это просто смешно.

Подобные надписи как раз и обозначают объёмные проценты.