III. Физические и химические особенности вещества

1. Химическое сырье. Смеси и их деление. Химическая единица

Единственный источник материала для химической работы - это натуральное сырье. Оно бывает неорганическое и органическое.

Неорганическое сырье бывает твердое (минералы), жидкое (вода) или газообразное (воздух). Органическое сырье бывает или современное, встречающееся в живой природе (организмы животных и растений), или ископаемое, т. е. образовавшееся из древних растений или животных (уголь, янтарь, нефть, горный воск).

Кроме этого, так называемого натурального сырья, существуют еще вещества, полученные искусственно из натурального сырья (целлюлоза, сахар), затем продукты химической промышленности - химикаты, напр. кислоты, основания и соли, и, наконец, вещества синтетические (искусственный каучук, искусственные смолы и т. д.).

Натуральное сырье редко встречается в природе в чистом виде (золото, сера). Обыкновенно оно представляет собою однородное (гомогенное) или неоднородное (гетерогенное) соединение веществ, которое мы называем смесью.

Некоторым смесям мы даем специальные названия. Так напр. однородные жидкие смеси получили название растворов (твердое, жидкое или газообразное вещество растворяется в так наз. растворителе). В качестве растворителя чаще всего употребляется вода, а для веществ органических - также спирт, эфир, пиридин и т. д. Неоднородные смеси - это суспензии (мельчайшие частицы твердого вещества, распыленные в жидкости, напр. крахмал в воде); эмульсии (мельчайшие капли одной жидкости, распыленные в другой жидкости, в которой они не растворяются, напр. масло в воде); дымы (тонко распыленные частицы твердого вещества в газообразной среде); туманы (мельчайшие капельки жидкости, распыленные в газе) и т. д.

Одной из задач химии является деление или фракционирование смеси на отдельные составные части или фракции. (Для деления смесей нельзя установить какой-либо определенный общезначимый способ. Обыкновенно, чем меньше составных частей содержится в смеси, тем скорее и легче она делится. Особенно затруднительно выделение такой составной части смеси, которая содержится в ней в чрезвычайно малом количестве (напр. считается, что в одной тонне урановой смолки содержится приблизительно 0,1 г радия). Различны поэтому и способы деления смесей. Выбор способа зависит прежде всего от того, однородна ли смесь или неоднородна, сколько составных частей в ней содержится и в каких количествах. Поэтому, прежде чем приступить к делению смеси, необходимо произвести химический анализ.

Методы деления смеси могут быть как физическими, так и химическими.

А) Физические методы

а) Сортировка: из раздробленной смеси выбираются вручную куски, имеющие одинаковый внешний вид, или же при помощи различных сит производится деление ее на куски различной величины.

б) Осаждение или седиментация: размешанная суспензия оставляется на некоторое время в покое; частицы с более высоким удельным весом осядут на дно. При делении по весу частиц применяется метод отмучивания, который заключается в том, что суспензия свободно протекает из одного сосуда в другой, причем в первом сосуде осаждаются самые тяжелые частицы твердого вещества, а в последнем сосуде - самые легкие.

в) Центрифугирование: для деления суспензии или эмульсии пользуются центробежной силой.

г) Фильтрация или процеживание: мутные растворы или суспензии пропускают через фильтр. В лабораториях обычно пользуются фильтровальной бумагой. В фабрично-заводском производстве пользуются полотном или фарфором без глазури, а иногда даже тонким слоем песка. Прозрачная жидкость, вытекающая из фильтра, называется фильтратом.

д) Флотация: мелко измельченная руда смешивается с водой, определенным количеством масла и пенообразователей. Полученная пена обволакивает частицы руды и поднимает их на поверхность жидкости. Пустая порода остается на дне.

е) Магнитная и электрическая сортировка: раздробленная смесь пропускается вблизи сильного электромагнита, который притягивает к себе компоненты смеси, обладающие магнитными свойствами. Газы, содержащие пыль, проходят электрическим полем высокого напряжения. Пыль задерживается на катоде или аноде и при перемене полюсов отпадает.

ж) Деление жидкостей: смесь жидкостей наливается в так наз. делительную воронку, представляющую собою обыкновенную воронку с краном. Смесь отстаивается в воронке, а затем нижний слой жидкости выпускается в подставленный сосуд.

з) Выплавка: смесь нагревается. Компоненты с низкой точкой плавления вытекают и таким образом отделяются от компонентов с более высокой точкой плавления.

и) Кристаллизация. Кристаллизация испарением: раствор оставляют в покое до тех пор, пока часть растворителя не испарится и растворенное вещество не выделится в форме кристаллов. Остаток называется маточным раствором. Кристаллизация охлаждением: раствор варится до тех пор, пока проба, отобранная в пробирку, не выделит кристаллы. После этого сосуд с раствором быстро охлаждается, а выделившиеся кристаллы собираются на фильтре. Кристаллизация кипячением: раствор кипятится до тех пор, пока не начнут выделяться кристаллы, которые собираются на фильтр.

к) Растворение или выщелачивание: раздробленная смесь смешивается с растворителем, обычно с водой, и как правило, нагревается. Растворимые компоненты растворятся и перейдут в раствор. Нерастворимые же компоненты можно из полученного раствора удалить фильтрацией. Растворимые вещества можно получить или путем выпаривания раствора, или кристаллизацией (выщелачивание иногда называется также экстракцией).

л) Дистилляция: отделение жидкости от растворенного вещества или деление жидкости с различными точками кипения. При обыкновенной дистилляции (перегонке) жидкость в сосуде нагревается до кипения, и пары отводятся в холодильник, где осаждаются, или, иначе говоря, конденсируются в жидкость, называемую дистиллятом. Дистиллят поступает в приемник. Растворенные вещества или жидкости с более высокой точкой кипения остаются в сосуде. При так наз. фракционной перегонке жидкости с разными точками кипения отделяются друг от друга постепенно, начиная с жидкостей с более низкой точкой кипения, и собираются в различные приемники, которые для этой цели последовательно сменяются. В тех случаях, когда жидкость при высокой температуре разлагается, применяют так наз. вакуумную перегонку (т. е. с пониженным атмосферным давлением).

м) Сублимация: смесь нагревается до тех пор, пока твердое вещество смеси, способное сублимироваться, не обратится в пар, образующий кристаллы на холодных местах приемника. Вещества, не поддающиеся сублимации, остаются в смеси.

н) Хроматография: раствор смеси постепенно пропускается через толстый слой вещества с сильной адсорбционной способностью. Некоторые вещества, содержащиеся в растворе, задерживаются на поверхности (адсорбируются), тогда как другие проходят через этот слой, т. е. остаются в растворе. Адсорбированные вещества затем извлекаются (элюируются) другим растворителем.

Б) Химические методы

Сущность всех химических методов деления смеси заключается в том, что какой-нибудь компонент смеси под действием химикатов (кислот, оснований или иных соединений), т. е. в результате химической реакции, обращается в соединение, которое можно отделить от первоначальной смеси при помощи одного из физических методов. Например, к воде, содержащей соединения кальция, прибавляется раствор соды. Соединения кальция сгустятся в виде нерастворимого углекислого кальция, который и выделится в виде осадка. Затем мутная вода фильтруется; на фильтре остается осадок углекислого кальция, а оттекающий фильтрат - это вода без соединений кальция. Другой пример - деление смеси на части, растворимые в кислотах, и на части, в кислотах нерастворимые. Размолотая смесь обогревается вместе с соответствующей кислотой, затем согретая смесь фильтруется. На фильтре остаются нерастворимые в кислоте компоненты смеси, а компоненты растворенные попадают в фильтрат, который в свою очередь подвергается дальнейшим испытаниям.

Деление смеси как физическими, так и химическими методами приводит к постепенной химической очистке составляющих ее веществ. Окончательным результатом является вещество совершенно чистое, так наз. химическая единица или химический символ, т. е. элемент или соединение.

Проследить процесс деления просто: физические особенности выделяемых компонентов определяются до тех пор, пока в результате повторных операций деления мы не получим вещество, физические свойства которого при дальнейшей очистке не меняются. Обычно это бывают: точка плавления (т. пл.), точка кипения (т. кип.), удельный вес, коэффициент преломления, кристаллическая структура и т. д.

Так напр., если морскую воду подвергнуть дистилляции, то получится вода и останется смесь солей, которые были в морской воде растворены. Если же снова продистиллировать несколько раз подряд эту уже продистиллированную воду, то получится жидкость с точкой плавления 0°С и с точкой кипения 100°С, т. е. мы получим химически чистую воду - химический символ: Н₂О. Неоднократно повторяя кристаллизацию остатков морской воды, можно убедиться, что они содержат хлористый натрий и хлористый магний, т. е. химические символы (NaCl и MgCl₂).

Необходимо напомнить, что основные химические законы действительны только применительно к чистому веществу. Совершенно так же каждая формула или химическое уравнение действительны только для чистых веществ, т. е. для химических символов.