Вещества и смеси. Физические и химические явления

Химия начинается с различения, которое в обычной речи стёрто. Стакан, ложка, гвоздь, капля росы — это тела. Стекло, серебро, железо, вода — это вещества, то, из чего тела сделаны. Тело можно посчитать поштучно, у него есть форма, объём и масса. Вещество поштучно не считают, зато у него есть набор признаков, который не зависит ни от формы тела, ни от его размера: и швейная игла, и рельс сделаны из железа, и плавиться оба начнут при одной и той же температуре 1539 °C.

Этот набор признаков и называют свойствами вещества: цвет, запах, агрегатное состояние при обычных условиях, плотность, температуры плавления и кипения, растворимость в воде, тепло- и электропроводность, отношение к магниту. Свойства работают как паспорт. Перед вами два серебристо-белых порошка, на вид неотличимых. Взвесьте по кубическому сантиметру: 2,7 г — алюминий, 7,1 г — цинк. Ни один из них не нужно было для этого «узнавать на глаз» — достаточно одного числа, которое у вещества постоянно.

Теперь главное различение первого задания работы. Слово «кислород» в русском языке обозначает две разные вещи, и экзамен проверяет, слышите ли вы разницу. Химический элемент кислород — это вид атомов с зарядом ядра +8, клетка № 8 таблицы Менделеева. Он существует в составе воды, песка, известняка, белков — везде, где в формуле стоит буква O. Простое вещество кислород — это газ, молекула которого состоит из двух таких атомов, O₂: без цвета, без запаха, чуть тяжелее воздуха, поддерживает горение.

Отсюда правило, которое закрывает всю линию 1. Если во фразе кислород входит в состав чего-то — воды, углекислого газа, земной коры, минералов, — речь идёт об элементе. Если у кислорода есть собственные физические свойства (газ, цвет, запах, плотность) или он сам с чем-то реагирует как отдельное вещество («кислород окисляет медь») — речь о простом веществе.

Та же двойственность у любого элемента, у которого есть простое вещество: сера как элемент входит в состав белков и сульфатов, сера как вещество — жёлтый хрупкий порошок, нерастворимый в воде; железо как элемент входит в гемоглобин, железо как вещество притягивается магнитом. Массовая доля, состав соединения, «содержится в» — элемент. Цвет, плотность, горение, взаимодействие — вещество.

Чистых веществ в природе почти нет — есть смеси. Воздух, которым мы дышим, — смесь: примерно 78 % азота, 21 % кислорода, около 0,9 % аргона и 0,04 % углекислого газа по объёму. Морская вода — смесь воды и растворённых солей. Молоко — смесь воды, жира, белков и сахара. Даже водопроводная вода не чистое вещество: в ней растворены соли кальция и магния, из-за которых в чайнике нарастает накипь.

Чем принципиально смесь отличается от чистого вещества? Не тем, что «в ней несколько веществ» — это следствие. Отличие в том, что у смеси переменный состав, а значит, непостоянные свойства. Чистая вода замерзает ровно при 0 °C и кипит ровно при 100 °C (при нормальном давлении). Солёная вода замерзает ниже нуля, и чем больше соли, тем ниже: именно поэтому зимой дороги посыпают солью, а лёд под ней тает. И кипит солёная вода выше 100 °C. Одна и та же смесь с другим соотношением компонентов — уже другие числа.

Отсюда практический признак, которым пользуются в лаборатории: у чистого вещества есть точка плавления, у смеси — интервал. Чистый нафталин плавится при 80 °C; стоит попасть в него примеси, и он начнёт размягчаться на несколько градусов раньше и «доплавляться» в интервале. Постоянство температуры плавления — это и есть проверка чистоты.

Важно, что вещества в смеси сохраняют свои свойства. Смешайте порошок железа с порошком серы — железо останется железом и притянется магнитом, сера останется серой и не смочится водой. Ничего нового не образовалось, поэтому разделить их можно физическим приёмом. А вот если ту же смесь нагреть, пойдёт реакция Fe + S = FeS: сульфид железа(II) — чёрное вещество, магнитом не притягивается, и вернуть из него железо и серу магнитом уже невозможно. Проверим счёт атомов: слева одно железо и одна сера, справа одно железо и одна сера — уравнение сходится. Разница между «смешали» и «прореагировали» здесь видна руками, и именно на ней стоит вся тема.

Смеси делят на однородные и неоднородные по одному признаку: видна ли граница между компонентами. В растворе соли или в воздухе границ нет даже под микроскопом; в мутной воде с глиной или в молоке границы есть — капли и частицы. От того, к какому виду относится смесь, зависит способ её разделения.

Таблица способов разделения выглядит как список, который надо выучить. На самом деле выучивать нечего: каждый приём — это ответ на вопрос «чем именно эти компоненты различаются?». Найдите различие — способ назовёт себя сам.

Различаются плотностью и не смешиваются — отстаивание. Песок тяжелее воды и оседает; подсолнечное масло легче воды и всплывает. Ждём, пока разделится само, потом аккуратно сливаем верхний слой — это называют декантацией. В природе тем же способом работает речная отмель: течение замедляется, и песок оседает.

Одно твёрдое и не растворяется в жидкости — фильтрование. Пористая перегородка пропускает жидкость и задерживает частицы. То, что осталось на фильтре, — осадок; то, что прошло, — фильтрат. Заварочное ситечко, автомобильный масляный фильтр и бытовой кувшин для воды — это одно и то же фильтрование.

Одно растворено, и нужно именно оно — выпаривание. Раствор нагревают, вода уходит паром, растворённое остаётся кристаллами. Так добывают поваренную соль на солёных озёрах: солнце выпаривает рапу, соль выпадает пластами. Заметьте: выпариванием нельзя отделить песок от воды — песок не растворён, он и так отфильтруется; и нельзя выпариванием получить чистую воду — вода-то улетает.

Нужна как раз жидкость — дистилляция. Раствор кипятят, пар отводят в холодильник и там конденсируют. Соль остаётся в колбе, а в приёмник капает чистая вода. Дистилляция разделяет и две жидкости, если у них разные температуры кипения: спирт кипит при 78 °C, вода при 100 °C, и первым отгоняется спирт. На этом же принципе стоит вся нефтепереработка.

Одно притягивается магнитом — действие магнитом. Работает для железа, никеля, кобальта и их сплавов. Классическая школьная смесь «железные опилки плюс сера» разделяется именно так.

Вещества по-разному движутся по пористому носителю — хроматография. Каплю чернил наносят на полоску бумаги, опускают её край в воду — и краситель расползается разноцветными полосами: одни составляющие идут с водой быстрее, другие отстают.

Все шесть приёмов физические: состав самих веществ они не меняют, и каждый компонент после разделения остаётся тем же, чем был. Это и есть граница темы: смесь разделяют, соединение — разлагают, и разложение уже химическая реакция.

Формулировка «образуются новые вещества» звучит просто, пока не начинают попадаться пограничные случаи. Поэтому проверять надо не по ощущению, а по вопросу: можно ли вернуть исходное вещество физической операцией? Лёд растаял — заморозьте обратно, получится тот же лёд. Соль растворилась — выпарьте, получите ту же соль. Медь позеленела на воздухе — верните её охлаждением или выпариванием; не получится, потому что зелёный налёт это уже другое вещество, основный карбонат меди.

Физические явления меняют форму, размер, агрегатное состояние или взаимное расположение частиц: плавление, испарение, конденсация, измельчение, ковка, растворение, намагничивание. Вещество при этом остаётся собой — меняется только то, как оно упаковано или где находится.

Химические явления (реакции) дают вещества с другим набором свойств. И у них есть внешние признаки, по которым реакцию замечают: выделение газа, выпадение или растворение осадка, изменение цвета, появление запаха, выделение или поглощение теплоты и света. Хотя бы один признак — повод заподозрить реакцию.

Теперь три обманки, на которых теряют балл чаще всего.

Первая: пузырьки газа. Открыли газировку — из неё пошли пузырьки. Это физическое явление: углекислый газ был растворён под давлением, давление упало, газ вышел. А вот пузырьки при добавлении уксуса к питьевой соде — химическое: газа там не было, он образовался заново. Уравнение: NaHCO₃ + CH₃COOH = CH₃COONa + H₂O + CO₂↑. Считаем атомы: натрий 1 и 1, углерод 1 + 2 = 3 и 2 + 1 = 3, водород 1 + 4 = 5 и 3 + 2 = 5, кислород 3 + 2 = 5 и 2 + 1 + 2 = 5. Сходится.

Вторая: изменение цвета. Медная проволока в пламени чернеет — это реакция 2Cu + O₂ = 2CuO, образовался оксид меди(II). Проверка: меди 2 и 2, кислорода 2 и 2. А вот раскалённый металл, который светится красным и остывает обратно в прежний цвет, никакой реакции не показывает.

Третья: растворение. Соль в воде — физическое явление. Но мел в соляной кислоте «растворяется» с шипением, и это уже реакция: CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂↑. Кальций 1 и 1, углерод 1 и 1, кислород 3 и 1 + 2 = 3, водород 2 и 2, хлор 2 и 2. Разница слышна: при простом растворении газ не идёт.

Задание 12 просит соотнести пару реагирующих веществ с тем, что увидит глаз. Это не вопрос на память о цветах — это вопрос о том, какое вещество получится и растворимо ли оно. Ход мысли всегда один: записать продукты обмена, посмотреть каждый по таблице растворимости, назвать признак.

Цвета, которые действительно нужно знать наизусть, немногочисленны. Голубой студенистый осадок — гидроксид меди(II) Cu(OH)₂. Бурый — гидроксид железа(III) Fe(OH)₃. Зеленоватый — гидроксид железа(II) Fe(OH)₂. Белый творожистый — хлорид серебра AgCl. Белый — сульфат бария BaSO₄, карбонат кальция CaCO₃, карбонат бария BaCO₃. Всё остальное белое или бесцветное.

Газ в реакции обмена выделяется только в одном случае: когда получившаяся молекула неустойчива или летуча. Таких молекул на уровне ОГЭ четыре: угольная кислота H₂CO₃, которая тут же распадается на воду и CO₂; сернистая H₂SO₃ — на воду и SO₂; сероводород H₂S; аммиак NH₃, который выделяется при действии щёлочи на соль аммония. Если ни одна из четырёх не получается, вариант «выделение газа» в задании 12 лишний, каким бы правдоподобным он ни казался.

Задание 16 проверяет не менее практическую вещь — правила безопасной работы. Формулировки в нём повторяются из варианта в вариант, и за каждой стоит понятная причина, а не запрет ради запрета.

В пробирку объёмом 10 мл наливают 1–2 мл раствора: при встряхивании и нагревании смесь не выплеснется, а признак реакции прекрасно виден и в двух миллилитрах. Твёрдые реактивы берут шпателем или ложечкой, а не руками: щёлочи и многие соли разъедают кожу, да и вещество от прикосновения загрязняется. Пробовать вещества на вкус запрещено без исключений. Нюхать не запрещено, но не над горлышком: пары осторожно направляют к себе движением ладони. Пробирку при нагревании держат отверстием в сторону от себя и от соседа, прогревая сначала всю, потом место с жидкостью, — иначе вскипевшая порция вылетит наружу. И отдельное правило, которое спрашивают чаще прочих: кислоту приливают в воду, а не воду в кислоту, тонкой струёй и при перемешивании, потому что растворение серной кислоты сильно разогревает смесь, и капля воды на поверхности кислоты вскипает и разбрызгивает её.