1.3: Klasyfikacja materii

Czyste substancje i mieszaniny

Czysta substancja chemiczna to każda materia, która ma stały skład chemiczny i charakterystyczne właściwości. Tlen, na przykład, jest czystą substancją chemiczną, która jest bezbarwnym, bezwonnym gazem w temperaturze 25°C. Bardzo niewiele próbek materii składa się z czystych substancji; większość z nich to mieszaniny, które są kombinacjami dwóch lub więcej czystych substancji w zmiennych proporcjach, w których poszczególne substancje zachowują swoją tożsamość. Powietrze, woda z kranu, mleko, ser pleśniowy, chleb i brud są mieszaninami. Jeśli wszystkie części materiału są w tym samym stanie, nie mają widocznych granic i są jednorodne w całości, to materiał jest jednorodny. Przykładami mieszanin jednorodnych są powietrze, którym oddychamy i woda z kranu, którą pijemy. Mieszaniny jednorodne nazywane są również roztworami. Tak więc powietrze jest roztworem azotu, tlenu, pary wodnej, dwutlenku węgla i kilku innych gazów; woda z kranu jest roztworem niewielkich ilości kilku substancji w wodzie. Konkretny skład obu tych roztworów nie jest jednak stały, lecz zależy zarówno od źródła, jak i lokalizacji; na przykład, skład wody z kranu w Boise, Idaho, nie jest taki sam, jak skład wody z kranu w Buffalo, w stanie Nowy Jork. Chociaż większość roztworów, z którymi się spotykamy, jest płynna, roztwory mogą być również stałe. Szara substancja nadal używana przez niektórych dentystów do wypełniania ubytków w zębach jest złożonym roztworem stałym, który zawiera 50% rtęci i 50% proszku, który zawiera głównie srebro, cynę i miedź, z niewielkimi ilościami cynku i rtęci. Stałe roztwory dwóch lub więcej metali są powszechnie nazywane stopami.

Jeśli skład materiału nie jest całkowicie jednolity, to jest on heterogeniczny (np. ciasto czekoladowe, niebieski ser i brud). Mieszaniny, które wydają się być homogeniczne, często okazują się być heterogeniczne po badaniu mikroskopowym. Na przykład mleko wydaje się być jednorodne, ale po zbadaniu pod mikroskopem widać, że składa się z drobnych kuleczek tłuszczu i białka rozproszonych w wodzie. Składniki mieszanin niejednorodnych można zazwyczaj rozdzielić za pomocą prostych środków. Mieszaniny ciała stałego i cieczy, takie jak piasek w wodzie czy liście herbaty w herbacie, łatwo rozdziela się przez filtrację, która polega na przepuszczeniu mieszaniny przez barierę, taką jak sitko, z otworami lub porami mniejszymi niż cząstki ciała stałego. W zasadzie mieszaniny dwóch lub więcej ciał stałych, takich jak cukier i sól, mogą być oddzielone przez mikroskopową kontrolę i sortowanie. Zazwyczaj jednak konieczne jest przeprowadzenie bardziej skomplikowanych operacji, jak na przykład oddzielenie samorodków złota od żwiru rzecznego za pomocą panningu. Najpierw materiał stały jest filtrowany z wody rzecznej, a następnie oddzielany przez kontrolę. Jeśli złoto jest osadzone w skale, być może trzeba będzie je wyizolować metodami chemicznymi.

Rysunek 1.2.2: Mieszanina heterogeniczna. Pod mikroskopem mleko pełne jest w rzeczywistości heterogeniczną mieszaniną składającą się z kuleczek tłuszczu i białka rozproszonych w wodzie. Rysunek użyty za zgodą Wikipedii

Mieszaniny niejednorodne (roztwory) mogą być rozdzielone na substancje składowe w procesach fizycznych, które opierają się na różnicach w niektórych właściwościach fizycznych, takich jak różnice w ich punktach wrzenia. Dwie z tych metod rozdzielania to destylacja i krystalizacja. Destylacja wykorzystuje różnice w lotności, czyli miary łatwości, z jaką dana substancja przekształca się w gaz w danej temperaturze. Prosty aparat destylacyjny do rozdzielania mieszaniny substancji, z których co najmniej jedna jest cieczą. Najbardziej lotny składnik wrze jako pierwszy i jest skraplany z powrotem do postaci cieczy w chłodnicy chłodzonej wodą, z której spływa do kolby odbieralnika. Jeśli na przykład destyluje się roztwór soli i wody, bardziej lotny składnik, czysta woda, zbiera się w kolbie odbiorczej, podczas gdy sól pozostaje w kolbie destylacyjnej.

Rysunek 1.2.3: Destylacja roztworu soli kuchennej w wodzie. Roztwór soli w wodzie jest ogrzewany w kolbie destylacyjnej do momentu wrzenia. Powstała para jest wzbogacona w bardziej lotny składnik (wodę), który skrapla się do postaci cieczy w zimnym skraplaczu, a następnie jest zbierany w kolbie odbiorczej.

Mieszaniny dwóch lub więcej cieczy o różnych punktach wrzenia mogą być rozdzielane za pomocą bardziej złożonej aparatury destylacyjnej. Jednym z przykładów jest rafinacja ropy naftowej na szereg użytecznych produktów: paliwo lotnicze, benzynę, naftę, olej napędowy i olej smarowy (w przybliżonej kolejności malejącej lotności). Innym przykładem jest destylacja napojów alkoholowych, takich jak brandy czy whisky. Ta stosunkowo prosta procedura spowodowała więcej niż kilka bólów głowy dla władz federalnych w latach 20-tych XX wieku w czasach prohibicji, kiedy to nielegalne destylatory mnożyły się w odległych regionach Stanów Zjednoczonych.

Krystalizacja oddziela mieszaniny w oparciu o różnice w rozpuszczalności, miara tego, ile substancji stałej pozostaje rozpuszczona w danej ilości określonej cieczy. Większość substancji są bardziej rozpuszczalne w wyższych temperaturach, więc mieszanina dwóch lub więcej substancji mogą być rozpuszczane w podwyższonej temperaturze, a następnie pozwolić, aby powoli schłodzić. Ewentualnie można pozwolić, aby ciecz, zwana rozpuszczalnikiem, odparowała. W obu przypadkach, najmniej rozpuszczalna z rozpuszczonych substancji, ta, która ma najmniejsze szanse pozostać w roztworze, zwykle tworzy kryształy jako pierwsza, a te kryształy mogą być usunięte z pozostałego roztworu przez filtrację.

Rysunek 1.2.4: Krystalizacja octanu sodu ze stężonego roztworu octanu sodu w wodzie. Dodanie małego kryształu „ziarna” (a) powoduje, że związek tworzy białe kryształy, które rosną i ostatecznie zajmują większą część kolby. Film można znaleźć tutaj: https://www.youtube.com/watch?v=BLq5NibwV5g

Większość mieszanin można rozdzielić na czyste substancje, które mogą być albo pierwiastkami, albo związkami. Pierwiastek, taki jak szary, metaliczny sód, jest substancją, której nie można rozłożyć na prostsze w wyniku przemian chemicznych; związek, taki jak biały, krystaliczny chlorek sodu, zawiera dwa lub więcej pierwiastków i ma właściwości chemiczne i fizyczne, które zwykle różnią się od właściwości pierwiastków, z których się składa. Z nielicznymi wyjątkami, dany związek ma ten sam skład pierwiastkowy (te same pierwiastki w tych samych proporcjach), niezależnie od jego źródła lub historii. Skład chemiczny substancji ulega zmianie w procesie zwanym przemianą chemiczną. Przemiana dwóch lub więcej pierwiastków, takich jak sód i chlor, w związek chemiczny – chlorek sodu – jest przykładem przemiany chemicznej, często nazywanej reakcją chemiczną. Obecnie znanych jest około 115 pierwiastków, ale z tych 115 pierwiastków otrzymano miliony związków chemicznych. Znane pierwiastki są wymienione w układzie okresowym.

Ogólnie, odwrotny proces chemiczny rozkłada związki na ich pierwiastki. Na przykład, woda (związek) może być rozłożona na wodór i tlen (oba pierwiastki) w procesie zwanym elektrolizą. W elektrolizie, energia elektryczna dostarcza energii potrzebnej do rozdzielenia związku na jego elementy składowe (Rysunek 1.2.5). Podobna technika jest stosowana na szeroką skalę do otrzymywania czystego aluminium, pierwiastka, z jego rud, które są mieszaninami związków chemicznych. Ponieważ do elektrolizy potrzebna jest duża ilość energii, koszt energii elektrycznej jest zdecydowanie największym wydatkiem ponoszonym przy produkcji czystego aluminium. Dlatego recykling aluminium jest zarówno opłacalny, jak i ekologicznie uzasadniony. Ogólna organizacja materii i metody stosowane do rozdzielania mieszanin są podsumowane na rysunku 1.2.6.