Смесь

Вещество, образующееся при физическом соединении двух или более компонентов.

В химии смесь — это материал, состоящий из двух или более различных химических веществ, которые могут быть разделены физическим методом. Это нечистое вещество, состоящее из двух или более элементов или соединений, механически смешанных вместе в любой пропорции. ^[1] Смесь — это физическое сочетание двух или более веществ, в котором сохраняются идентичности и которые смешаны в форме растворов , суспензий или коллоидов . ^{[2] [3]}

Смеси являются одним из продуктов механического смешивания или перемешивания химических веществ, таких как элементы и соединения , без химической связи или других химических изменений, так что каждое вещество-ингредиент сохраняет свои собственные химические свойства и состав. ^[4] Несмотря на то, что нет никаких химических изменений в ее составных частях, физические свойства смеси, такие как ее температура плавления , могут отличаться от свойств компонентов. Некоторые смеси можно разделить на их компоненты с помощью физических (механических или термических) средств. Азеотропы являются одним из видов смесей, которые обычно создают значительные трудности в отношении процессов разделения, необходимых для получения их составных частей (физические или химические процессы или даже их смесь). ^{[5] [6] [7]}

Характеристики смесей

Все смеси можно охарактеризовать как разделяемые механическими способами (например, очисткой, дистилляцией , электролизом , хроматографией , нагреванием , фильтрацией , гравитационной сортировкой, центрифугированием ). ^{[8] [9]} Смеси отличаются от химических соединений следующим образом:

• Вещества в смеси можно разделить с помощью физических методов, таких как фильтрация, замораживание и дистилляция.
• При образовании смеси изменение энергии незначительно или отсутствует вовсе (см. Энтальпия смешения ).
• Вещества в смеси сохраняют свои отдельные свойства.

В примере с песком и водой ни одно из двух веществ не изменилось никаким образом при смешивании. Хотя песок находится в воде, он сохраняет те же свойства, которые имел, когда был вне воды.

• Смеси имеют переменный состав, в то время как соединения имеют фиксированную, определенную формулу.
• При смешивании отдельные вещества сохраняют свои свойства в смеси, тогда как при образовании соединения их свойства могут измениться. ^[10]

В следующей таблице показаны основные свойства и примеры всех возможных фазовых комбинаций трех «семейств» смесей:

Гомогенные и гетерогенные смеси

Диаграмма, представляющая на микроскопическом уровне различия между гомогенными смесями, гетерогенными смесями, соединениями и элементами.

Смеси могут быть как гомогенными , так и гетерогенными : смесь однородного состава, в которой все компоненты находятся в одной фазе, например, соль в воде, называется гомогенной, тогда как смесь неоднородного состава, в которой компоненты можно легко идентифицировать, например, песок в воде, называется гетерогенной.

Кроме того, « однородная смесь » — это еще один термин для однородной смеси , а « неоднородная смесь » — это еще один термин для гетерогенной смеси . Эти термины происходят от идеи, что гомогенная смесь имеет однородный вид или только одну видимую фазу , поскольку частицы распределены равномерно. Однако гетерогенная смесь имеет неоднородный состав , и ее составляющие вещества легко отличимы друг от друга (часто, но не всегда, в разных фазах).

Несколько твердых веществ, таких как соль и сахар , растворяются в воде, образуя особый тип однородной смеси, называемой раствором , в которой присутствуют как растворенное вещество (растворенное вещество), так и растворитель (растворяющая среда). Воздух также является примером раствора: однородная смесь газообразного азотного растворителя, в которой растворены кислород и меньшие количества других газообразных растворенных веществ. Смеси не ограничены ни по количеству веществ, ни по количеству этих веществ, хотя в однородной смеси соотношение растворенного вещества и растворителя может достичь только определенной точки, прежде чем смесь разделится и станет неоднородной.

Гомогенная смесь характеризуется равномерной дисперсией ее составляющих веществ по всему объему; вещества существуют в равной пропорции везде внутри смеси. Иными словами, гомогенная смесь будет одинаковой, независимо от того, из какой части смеси она взята. Например, если раствор твердого вещества в жидкости разделить на две половины равного объема , то половины будут содержать равное количество как жидкой среды, так и растворенного твердого вещества (растворителя и растворенного вещества).

В физической химии и материаловедении термин «гомогенный» более узко описывает вещества и смеси, находящиеся в одной фазе . ^[12]

Однородные смеси

Решения

Раствор — это особый тип однородной смеси, в которой соотношение растворенного вещества и растворителя остается неизменным во всем растворе, а частицы не видны невооруженным глазом, даже если они гомогенизированы с использованием нескольких источников. В растворах растворенные вещества не оседают по истечении какого-либо периода времени, и их нельзя удалить физическими методами, такими как фильтрация или центрифуга . ^[13] Как однородная смесь, раствор имеет одну фазу (твердую, жидкую или газообразную), хотя фаза растворенного вещества и растворителя изначально может быть разной (например, соленая вода).

Газы

Газы демонстрируют самое большое пространство (и, следовательно, самые слабые межмолекулярные силы) между своими атомами или молекулами; поскольку межмолекулярные взаимодействия ничтожны по сравнению с взаимодействиями в жидкостях и твердых телах, разбавленные газы очень легко образуют растворы друг с другом. Воздух является одним из таких примеров: его можно более конкретно описать как газообразный раствор кислорода и других газов, растворенных в азоте (его основном компоненте).

Общие свойства однородной смеси

Основные свойства растворов приведены ниже: ^{[ необходима ссылка ]}

• Все растворы являются примерами гомогенных смесей.
• Частицы однородной смеси имеют размер менее одного нанометра.
• Гомогенная смесь не проявляет эффект Тиндаля.
• Составные части однородной смеси невозможно разделить с помощью центрифугирования или декантации.

Гетерогенные смеси

Примерами гетерогенных смесей являются эмульсии и пены . В большинстве случаев смесь состоит из двух основных компонентов. Для эмульсии это несмешивающиеся жидкости, такие как вода и масло. Для пены это твердое тело и жидкость, или жидкость и газ. В более крупных масштабах оба компонента присутствуют в любой области смеси, а в хорошо перемешанной смеси в одинаковых или лишь слегка изменяющихся концентрациях. В микроскопическом масштабе, однако, один из компонентов отсутствует почти в любой достаточно малой области. (Если такое отсутствие является обычным явлением в макроскопических масштабах, то комбинация компонентов представляет собой дисперсную среду , а не смесь.) Можно различать различные характеристики гетерогенных смесей по наличию или отсутствию непрерывной перколяции их компонентов. Для пены проводится различие между сетчатой ​​пеной , в которой один компонент образует связанную сеть, через которую другой может свободно просачиваться, и закрытоячеистой пеной, в которой один компонент присутствует как захваченный в небольших ячейках, стенки которых образованы другими компонентами. Аналогичное различие возможно для эмульсий. Во многих эмульсиях один компонент присутствует в виде изолированных областей, как правило, шаровидной формы, распределенных по всему другому компоненту. Однако также возможно, что каждый компонент образует большую связанную сеть. Такая смесь тогда называется биконтинуальной . ^[14]

Различение типов смесей

Проведение различия между гомогенными и гетерогенными смесями является вопросом масштаба выборки. В достаточно грубом масштабе любую смесь можно назвать гомогенной, если весь предмет можно считать ее «образцом». В достаточно мелком масштабе любую смесь можно назвать гетерогенной, поскольку образец может быть всего лишь одной молекулой. С практической точки зрения, если интересующее свойство смеси одинаково независимо от того, какой образец взят для исследования, смесь является гомогенной.

Теория выборки Гай количественно определяет неоднородность частицы как: ^[15]

${\displaystyle h_{i}={\frac {(c_{i}-c_{\text{batch}})m_{i}}{c_{\text{batch}}m_{\text{aver}}}},}$

где , , , и — соответственно: неоднородность -й частицы популяции, массовая концентрация интересующего свойства в -й частице популяции, массовая концентрация интересующего свойства в популяции, масса -й частицы в популяции и средняя масса частицы в популяции. ${\displaystyle h_{i}}$ ${\displaystyle c_{i}}$ ${\displaystyle c_{\text{batch}}}$ ${\displaystyle m_{i}}$ ${\displaystyle m_{\text{aver}}}$ ${\displaystyle i}$ ${\displaystyle i}$ ${\displaystyle i}$

При отборе проб из неоднородных смесей частиц дисперсия ошибки отбора проб , как правило, не равна нулю.

Пьер Ги вывел на основе модели выборки Пуассона следующую формулу для дисперсии ошибки выборки в массовой концентрации в образце:

${\displaystyle V={\frac {1}{(\sum _{i=1}^{N}q_{i}m_{i})^{2}}}\sum _{i=1}^{N}q_{i}(1-q_{i})m_{i}^{2}\left(a_{i}-{\frac {\sum _{j=1}^{N}q_{j}a_{j}m_{j}}{\sum _{j=1}^{N}q_{j}m_{j}}}\right)^{2},}$

где V — дисперсия ошибки выборки, N — число частиц в популяции (до взятия образца), q _i — вероятность включения i- й частицы популяции в образец (т.е. вероятность включения i- й частицы первого порядка ), m _i — масса i -й частицы популяции, а a _i — массовая концентрация интересующего свойства в i -й частице популяции.   

Приведенное выше уравнение для дисперсии ошибки выборки представляет собой приближение, основанное на линеаризации массовой концентрации в образце.

В теории Gy правильный отбор проб определяется как сценарий отбора проб, в котором все частицы имеют одинаковую вероятность быть включенными в выборку. Это подразумевает, что q _i больше не зависит от  i , и поэтому может быть заменено символом  q . Уравнение Gy для дисперсии ошибки отбора проб становится: 

${\displaystyle V={\frac {1-q}{qM_{\text{batch}}^{2}}}\sum _{i=1}^{N}m_{i}^{2}\left(a_{i}-a_{\text{batch}}\right)^{2},}$

где партия — это концентрация интересующего свойства в популяции, из которой должна быть взята выборка, а _{партия M} — это масса популяции, из которой должна быть взята выборка.

Влияние на здоровье

Исследования загрязнения воздуха ^{[16] [17]} показывают, что биологические и медицинские эффекты после воздействия смесей более сильны, чем эффекты от воздействия отдельных компонентов. ^[18]

Гомогенизация

Свойства смеси

• Химическое вещество
• Смешивание (технология процесса)

Ссылки

1. IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «mixture». doi :10.1351/goldbook.M03949
2. Whitten KW, Gailey KD и Davis RE (1992). Общая химия (4-е изд.). Филадельфия: Saunders College Publishing. ISBN 978-0-03-072373-5.^{[ нужна страница ]}
3. Петруччи, Ральф Х.; Харвуд, Уильям С.; Херринг, Ф. География (2002). Общая химия: принципы и современные приложения (8-е изд.). Верхняя Сэддл-Ривер, Нью-Джерси: Prentice Hall. ISBN 978-0-13-014329-7. LCCN  2001032331. OCLC  46872308.^{[ нужна страница ]}
4. Де Паула, Хулио; Аткинс, П. В. (2002). Физическая химия Аткинса (7-е изд.). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-879285-7.^{[ нужна страница ]}
5. Альбертс Б.; и др. (2002). Молекулярная биология клетки, 4-е изд . Гирляндная наука. ISBN 978-0-8153-4072-0.^{[ нужна страница ]}
6. Laidler KJ (1978). Физическая химия с биологическими приложениями . Menlo Park: Benjamin/Cummings. ISBN 978-0-8053-5680-9.^{[ нужна страница ]}
7. Weast RC, Ed. (1990). Справочник CRC по химии и физике . Boca Raton: Chemical Rubber Publishing Company. ISBN 978-0-8493-0470-5.^{[ нужна страница ]}
8. Pleasants, Julian M, ред. (2017). «Призыв к службе: Закон о выборочной службе 1940 года». Home Front . doi : 10.5744/florida/9780813054254.003.0003. ISBN 978-0-8130-5425-4.
9. Эшворт, Уильям; Литтл, Чарльз Э., ред. (2001). «Смесь». Энциклопедия исследований окружающей среды . Факты в деле.
10. "Определение смеси - Химический словарь". www.chemicool.com . Получено 30 ноября 2018 г. .
11. Everett, DH (23 июля 1971 г.). Руководство по символам и терминологии для физико-химических величин и единиц. Приложение II Определения, терминология и символы в коллоидной и поверхностной химии. Часть I (PDF) (Отчет). Лондон: Международный союз теоретической и прикладной химии: Отделение физической химии. Архивировано (PDF) из оригинала 28 октября 2016 г. . Получено 28 октября 2016 г. .
12. Лью, Кристи (2009). «Гомогенный». Кислоты и основания, Основы химии. Нью-Йорк: Chelsea House Publishing . Онлайн-издатель: Science Online. Факты в файле, Inc. ISBN 978-0-7910-9783-0.дата доступа: 2010–01-01
13. Эшворт, Уильям; Литтл, Чарльз Э. (2001). "Раствор (химия)". Энциклопедия исследований, новое издание . Онлайн-издатель: Science Online. Факты в файле, Inc.
14. Сахими, Мухаммад (26 мая 2006 г.). Гетерогенные материалы I: Линейный транспорт и оптические свойства . Springer. стр. 31. ISBN 978-0-387-21705-5.
15. Gy, P (1979). Отбор проб дисперсных материалов: теория и практика . Амстердам: Elsevier.
16. US EPA, ORD. «Воздействие смесей загрязняющих воздух веществ и их влияние на здоровье». 19 января 2017 г. snapshot.epa.gov . Получено 10 ноября 2022 г.
17. Институт, Влияние на здоровье (9 марта 2016 г.). «Смеси многозагрязнителей». Институт влияния на здоровье . Получено 10 ноября 2022 г. .
18. Маджумдер, Наиррита; Кодали, Вамси; Велаютам, Муругесан; Голдсмит, Трэвис; Амедро, Джессика; Храмцов Валерий Владимирович; Эрдели, Аарон; Нуркевич, Тимоти Р.; Харкема, Джек Р.; Келли, Эрик Э; Хусейн, Салик (27 октября 2022 г.). «Аэрозольные физико-химические детерминанты легочной токсичности, вызванной сажей и озоном при совместном вдыхании». Токсикологические науки . 191 (1): 61–78. doi : 10.1093/toxsci/kfac113. ISSN  1096-6080. ПМЦ 9887725 . ПМИД  36303316. 

• IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «mixture». doi :10.1351/goldbook.M03949