Страница 144 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян

Смесь представляет собой систему, состоящую из двух или более веществ (компонентов), которые механически смешаны, но не связаны химически. Свойства компонентов в смеси сохраняются. Смеси могут существовать в различных агрегатных состояниях.

Примеры жидких смесей

Жидкие смеси — это смеси, находящиеся в жидком агрегатном состоянии. Они могут быть однородными (гомогенными), когда компоненты равномерно распределены на молекулярном уровне и их невозможно различить визуально, и неоднородными (гетерогенными), в которых присутствуют видимые границы раздела фаз.

Однородные (гомогенные) жидкие смеси:

– Морская вода: раствор различных солей (в основном $NaCl$) в воде.

– Столовый уксус: раствор уксусной кислоты в воде.

– Чай с сахаром: раствор сахарозы в горячей воде.

– Спиртовые напитки: раствор этанола в воде.

Неоднородные (гетерогенные) жидкие смеси:

– Молоко: эмульсия, то есть взвесь мельчайших капелек жира в воде.

– Кровь: суспензия, состоящая из форменных элементов (эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов), взвешенных в жидкой плазме.

– Смесь речного песка с водой: грубодисперсная суспензия.

– Нефть: сложная природная смесь жидких углеводородов и других органических соединений.

Ответ: Примерами жидких смесей являются морская вода, молоко, нефть, кровь, столовый уксус.

Примеры твёрдых смесей

Твёрдые смеси — это смеси, находящиеся в твёрдом агрегатном состоянии. Они также бывают однородными и неоднородными.

Однородные (гомогенные) твёрдые смеси:

– Сплавы металлов: твёрдые растворы одного металла в другом. Например, латунь (сплав меди и цинка), бронза (сплав меди и олова), сталь (сплав железа с углеродом).

– Некоторые виды цветного стекла.

Неоднородные (гетерогенные) твёрдые смеси:

– Горные породы: например, гранит, состоящий из отдельных, различимых кристаллов кварца, полевого шпата и слюды.

– Бетон: смесь застывшего цемента, песка и щебня.

– Почва: сложная смесь минеральных частиц (песок, глина), органических веществ (гумус), воды и воздуха.

Ответ: Примерами твёрдых смесей являются сплавы (сталь, латунь), горные породы (гранит), бетон, почва.

Примеры газообразных смесей

Любая смесь газов всегда является однородной (гомогенной). Это связано с тем, что молекулы газов обладают высокой кинетической энергией и находятся в постоянном хаотическом движении, что приводит к их полному и самопроизвольному перемешиванию в любом соотношении.

Примеры газообразных смесей:

– Воздух: природная смесь газов, в основном состоящая из азота (~78%), кислорода (~21%), аргона (~0,9%) и углекислого газа (~0,04%).

– Природный газ: ископаемое топливо, состоящее преимущественно из метана ($CH_4$) с примесями других углеводородов (этана, пропана).

– Продукты сгорания топлива (дымовые газы): смесь углекислого газа, водяного пара, азота и других веществ.

– Выдыхаемый воздух: смесь газов, отличающаяся от атмосферного воздуха повышенным содержанием углекислого газа и водяного пара.

Ответ: Примерами газообразных смесей являются воздух, природный газ, выдыхаемый воздух.

Дистиллированную воду можно считать чистым веществом, но с некоторыми оговорками. Степень чистоты вещества — понятие относительное и зависит от контекста и требований к чистоте.

С одной стороны, дистилляция — это процесс, при котором воду испаряют, а затем конденсируют пар. При этом большинство растворенных в ней примесей (соли, минералы, тяжелые металлы, многие органические вещества) остаются в исходном сосуде, так как они нелетучи. В результате получается вода, практически полностью освобожденная от этих примесей. Для многих бытовых, лабораторных и технических целей (например, для заливки в аккумуляторы или утюги, для приготовления растворов в школьной лаборатории) дистиллированная вода считается достаточно чистой.

С другой стороны, считать дистиллированную воду особо чистым или абсолютно чистым веществом нельзя по нескольким причинам:

• Растворенные газы. В процессе дистилляции и последующего хранения вода контактирует с воздухом и растворяет в себе его компоненты: кислород ($O_2$), азот ($N_2$) и, что особенно важно, углекислый газ ($CO_2$). Углекислый газ, растворяясь, образует угольную кислоту ($H_2CO_3$), что делает дистиллированную воду слабокислой (pH ≈ 5.8), а не нейтральной (pH = 7).
• Изотопный состав. Природная вода состоит не только из молекул $^1H_2^{16}O$. В ней всегда присутствуют молекулы с тяжелыми изотопами водорода (дейтерий $D$, или $^2H$) и кислорода ($^{17}O$, $^{18}O$). Таким образом, вода — это природная смесь различных изотопологов ($H_2O$, $HDO$, $D_2O$, $H_2^{18}O$ и т.д.). Дистилляция не разделяет эти молекулы.
• Самоионизация воды. Даже химически абсолютно чистая вода не состоит исключительно из молекул $H_2O$. Вода подвержена обратимой самоионизации (автопротолизу) по схеме: $2H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + OH^-$. Это означает, что в любой момент времени в воде присутствует небольшое количество ионов гидроксония ($H_3O^+$) и гидроксид-ионов ($OH^-$). Это неотъемлемое свойство самой воды.
• Летучие примеси. Если в исходной воде содержались летучие органические вещества с температурой кипения, близкой к воде, они могут испариться вместе с ней и оказаться в дистилляте.
• Взаимодействие с тарой. При хранении вода может незначительно взаимодействовать с материалом сосуда (стеклом, пластиком), выщелачивая из него микроколичества веществ.

Таким образом, для получения особо чистой воды (например, для микроэлектроники или некоторых научных исследований) простой дистилляции недостаточно. Применяют более сложные многоступенчатые методы очистки, включающие деионизацию, обратный осмос и многократную перегонку в вакууме.

Ответ: Дистиллированную воду можно считать чистым веществом в практическом смысле, так как в ней почти нет растворенных солей и нелетучих примесей. Однако она не является особо чистым веществом со строгой химической точки зрения, поскольку всегда содержит растворенные газы из воздуха, различные изотопы водорода и кислорода, а также ионы $H_3O^+$ и $OH^-$, образовавшиеся в результате самоионизации.

Методы химического анализа являются мощным инструментом в руках специалистов самых разных областей. Они позволяют получать точную информацию о составе, структуре и происхождении веществ, что критически важно для криминалистики, археологии, медицины и искусствоведения. Рассмотрим применение этих методов в каждой из областей подробнее.

Применение методов химического анализа криминалистами

В криминалистике химический анализ служит для сбора и исследования вещественных доказательств, помогая установить обстоятельства преступления, выявить и изобличить виновных. Основные направления применения:

• Анализ следов на месте преступления: С помощью методов хроматографии (особенно газовой хроматографии-масс-спектрометрии, ГХ-МС) и спектроскопии эксперты идентифицируют микроскопические следы взрывчатых веществ, наркотиков, ядов, горюче-смазочных материалов. Это позволяет связать подозреваемого с местом преступления или с орудием убийства.
• Идентификация веществ: Инфракрасная спектроскопия и масс-спектрометрия используются для определения состава неизвестных порошков, таблеток или жидкостей, обнаруженных у подозреваемых или на месте происшествия.
• Токсикологическая экспертиза: Химический анализ биологических образцов (крови, мочи, тканей) позволяет обнаружить наличие алкоголя, наркотических средств или ядов в организме жертвы или подозреваемого.
• Анализ следов выстрела: Методами атомно-абсорбционной спектроскопии на руках или одежде стрелявшего находят микрочастицы свинца, сурьмы и бария, которые входят в состав капсюля-воспламенителя патрона.
• Исследование материалов: Анализируется состав краски (например, при ДТП), волокон ткани, почвы, стекла для установления их общего источника и связи с преступлением.
• Дактилоскопия: Для проявления невидимых (латентных) отпечатков пальцев на пористых поверхностях, таких как бумага, используются химические реактивы, например, раствор нингидрина, который вступает в реакцию с аминокислотами потожировых выделений и окрашивает отпечаток в фиолетовый цвет.

Ответ: Криминалисты используют химический анализ для идентификации наркотиков, ядов, взрывчатых веществ, исследования микрочастиц (краски, волокон), анализа следов выстрела и проявления невидимых отпечатков пальцев, что помогает в расследовании преступлений.

Применение методов химического анализа археологами

Для археологов химический анализ — это способ заглянуть в прошлое, чтобы понять, как жили древние люди, чем они питались, какие технологии использовали и как взаимодействовали с окружающей средой.

• Датирование артефактов: Самым известным методом является радиоуглеродный анализ. Он основан на измерении скорости распада радиоактивного изотопа углерода-14 ($C^{14}$) в органических материалах (дерево, кости, ткань, уголь), что позволяет определить их возраст с точностью до нескольких десятков лет.
• Анализ диеты и миграции: Анализ стабильных изотопов углерода ($C^{13}/C^{12}$) и азота ($N^{15}/N^{14}$) в коллагене костей или зубной эмали дает информацию о рационе древнего человека (преобладание мясной или растительной пищи, употребление морских или наземных ресурсов). Анализ изотопов стронция и кислорода помогает отслеживать пути миграции людей и животных.
• Определение состава и происхождения артефактов: Неразрушающий рентгенофлуоресцентный анализ (РФА) позволяет определить элементный состав керамики, металлов, стекла, обсидиана. Сравнивая состав артефакта с составом сырья из известных месторождений, археологи устанавливают торговые пути и экономические связи древних обществ.
• Анализ органических остатков: Методами хроматографии исследуют микроскопические остатки пищи, напитков, масел или смол на стенках древней посуды. Это позволяет узнать, что готовили или хранили в керамических сосудах тысячи лет назад.

Ответ: Археологи применяют химический анализ для определения возраста находок (радиоуглеродный метод), реконструкции диеты и миграций древних людей (изотопный анализ), а также для изучения состава и происхождения артефактов с целью понимания древних технологий и торговых связей.

Применение методов химического анализа медиками

В медицине химический (биохимический) анализ является основой диагностики, мониторинга течения заболеваний и контроля эффективности лечения.

• Клинический анализ крови и мочи: Это наиболее массовое применение. Измеряются концентрации десятков химических соединений: глюкозы (диагностика диабета), холестерина (оценка риска сердечно-сосудистых заболеваний), билирубина (показатель работы печени), креатинина (показатель работы почек), электролитов, ферментов, гормонов и т.д. Отклонение этих показателей от нормы указывает на наличие патологических процессов в организме.
• Диагностика инфекций и заболеваний: Иммуноферментный анализ (ИФА) используется для выявления антигенов возбудителей или антител к ним, что позволяет диагностировать вирусные гепатиты, ВИЧ-инфекцию и многие другие болезни. Метод полимеразной цепной реакции (ПЦР) — химический по своей сути процесс — позволяет обнаруживать генетический материал (ДНК или РНК) патогенов даже в минимальных количествах.
• Токсикология: Определение наличия и концентрации лекарственных препаратов в крови для подбора правильной дозировки или выявления отравлений токсичными веществами и ядами.
• Газовый анализ крови: Экспресс-определение уровня кислорода, углекислого газа и кислотности (pH) крови, что жизненно важно в реанимации и при лечении тяжелых заболеваний легких и сердца.

Ответ: Медики используют химический анализ для диагностики заболеваний через исследование состава крови и мочи, выявления инфекций и генетических нарушений (методы ИФА и ПЦР), а также для контроля уровня лекарств и токсинов в организме.

Применение методов химического анализа искусствоведами

Искусствоведы и реставраторы используют химический анализ для атрибуции (установления авторства и времени создания), изучения техники художника, выявления подделок и разработки методов сохранения произведений искусства.

• Идентификация пигментов и связующих: Неразрушающие методы, такие как рентгенофлуоресцентный анализ (РФА) и рамановская спектроскопия, позволяют определить химический состав красок прямо на полотне. Это помогает датировать картину (например, "титановые белила" стали использовать только в XX веке, их наличие на картине, приписываемой старому мастеру, говорит о подделке) и понять, какие материалы использовал художник.
• Исследование скрытых слоев: Рентгенография и инфракрасная рефлектография позволяют "просветить" картину. Эти методы основаны на том, что разные химические элементы (например, свинец в свинцовых белилах) по-разному поглощают излучение. Так можно увидеть первоначальный рисунок автора, его исправления (так называемые пентименти) или даже полностью переписанные картины.
• Анализ материалов для реставрации: Химический анализ помогает определить состав оригинального лака, клеев и грунта. Эта информация необходима реставраторам, чтобы подобрать совместимые материалы, которые не повредят произведение искусства в процессе восстановления.
• Установление подлинности: Комплексный химический анализ материалов (холста, красок, лака) может выявить анахронизмы — вещества, которые не могли быть использованы в предполагаемое время создания произведения, что является неопровержимым доказательством подделки.

Ответ: Искусствоведы применяют химический анализ для установления подлинности и возраста произведений искусства путем идентификации состава пигментов и материалов, для изучения авторской техники через анализ скрытых слоев живописи, а также для подбора правильных материалов при реставрации.

а) железные и медные опилки

Для разделения смеси железных и медных опилок следует использовать их различные магнитные свойства. Железо ($Fe$) является ферромагнетиком, поэтому оно сильно притягивается к магниту. Медь ($Cu$), напротив, является диамагнетиком и с магнитом практически не взаимодействует.

Способ разделения, известный как магнитная сепарация, заключается в следующем: смесь опилок высыпают на ровную поверхность (например, лист бумаги). Затем к смеси подносят постоянный магнит. Частицы железа притягиваются и прилипают к магниту. Магнит с прилипшими железными опилками можно перенести в другую емкость и убрать магнит, тем самым отделив железо. Медные опилки останутся на первоначальной поверхности. Этот процесс повторяют несколько раз для наиболее полного разделения.

Ответ: Смесь железных и медных опилок можно разделить с помощью магнита, основываясь на том, что железо притягивается магнитом, а медь — нет.

б) порошки железа и серы

Смесь порошков железа ($Fe$) и серы ($S$) является гетерогенной (неоднородной), и для ее разделения можно применить несколько методов, основанных на различных физических свойствах компонентов.

Способ 1: Магнитная сепарация. Подобно предыдущему случаю, этот метод основан на магнитных свойствах железа. Сера не является магнетиком. Если поднести магнит (обернутый в бумагу или пленку для чистоты) к смеси порошков, частицы железа притянутся к нему. Таким образом, можно легко отделить железо от серы.

Способ 2: Отстаивание в воде (флотация). Этот метод использует различия в плотности и смачиваемости веществ водой. Железо плотнее серы и хорошо смачивается водой, поэтому оно быстро тонет. Сера, хотя и плотнее воды, является гидрофобным веществом (плохо смачивается) и благодаря силам поверхностного натяжения ее мелкие частицы могут удерживаться на поверхности воды. Если высыпать смесь в стакан с водой и перемешать, железо осядет на дно, а значительная часть серы останется на поверхности. Воду с плавающей серой можно аккуратно слить (декантировать), отделив ее от железа.

Способ 3: Растворение одного из компонентов и фильтрование. Метод основан на различной растворимости. Сера хорошо растворяется в сероуглероде ($CS_2$), в то время как железо в нем нерастворимо. Процесс разделения: 1) к смеси добавляют сероуглерод, сера растворяется; 2) полученную суспензию фильтруют, при этом нерастворимый порошок железа остается на фильтре; 3) из фильтрата (раствора серы в сероуглероде) можно выделить твердую серу путем выпаривания растворителя. Важно помнить, что сероуглерод токсичен и легко воспламеняется, поэтому работать с ним необходимо в вытяжном шкафу.

Ответ: Смесь порошков железа и серы можно разделить одним из следующих способов: 1) с помощью магнита (магнитная сепарация); 2) методом отстаивания в воде (флотация); 3) растворением серы в сероуглероде с последующим фильтрованием для отделения железа.