В химии смесью называют материал , состоящий из двух или более различных химических веществ, не связанных химически. [1] Смесь – это физическое сочетание двух или более веществ, в которых сохраняются идентичности и которые смешиваются в форме растворов , суспензий и коллоидов . [2] [3]
Смеси — это продукт механического смешивания или смешивания химических веществ, таких как элементы и соединения , без химической связи или других химических изменений, так что каждое ингредиентное вещество сохраняет свои собственные химические свойства и состав. [4] Несмотря на то, что в ее составных частях не происходит никаких химических изменений, физические свойства смеси, такие как температура плавления , могут отличаться от свойств компонентов. Некоторые смеси можно разделить на компоненты физическими (механическими или термическими) способами. Азеотропы представляют собой один из видов смесей, который обычно создает значительные трудности в отношении процессов разделения, необходимых для получения их компонентов (физических или химических процессов или даже их смеси). [5] [6] [7]
Все смеси можно охарактеризовать как разделяемые механическими средствами (например, очистка, перегонка , электролиз , хроматография , нагревание , фильтрация , гравитационная сортировка, центрифугирование ). [8] [9] Смеси отличаются от химических соединений по следующим признакам:
В примере с песком и водой ни одно из двух веществ никак не изменилось при их смешивании. Несмотря на то, что песок находится в воде, он по-прежнему сохраняет те же свойства, которые имел, когда находился вне воды.
В следующей таблице показаны основные свойства и примеры всех возможных комбинаций фаз трех «семейств» смесей:
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, компоненты которой можно легко разделить. идентифицированный, как песок в воде, его называют гетерогенным.
Кроме того, « однородная смесь» — это еще один термин для обозначения гомогенной смеси , а « неоднородная смесь» — еще один термин для обозначения гетерогенной смеси . Эти термины основаны на идее о том, что гомогенная смесь имеет однородный вид или только одну видимую фазу , поскольку частицы распределены равномерно. Однако гетерогенная смесь имеет неоднородный состав, а входящие в нее вещества легко отличимы друг от друга (часто, но не всегда, в разных фазах).
Некоторые твердые вещества, такие как соль и сахар , растворяются в воде с образованием особого типа гомогенной смеси, называемой раствором , в которой присутствуют как растворенное вещество (растворенное вещество), так и растворитель (растворяющая среда). Примером раствора также является воздух : гомогенная смесь газообразного азота-растворителя, в которой растворены кислород и меньшие количества других газообразных растворенных веществ. Смеси не ограничены ни по количеству веществ, ни по количествам этих веществ, хотя в гомогенной смеси соотношение растворенного вещества к растворителю может достигать лишь определенной точки, прежде чем смесь разделится и станет гетерогенной.
Гомогенная смесь характеризуется равномерным распределением входящих в нее веществ по всему объему; вещества существуют в равных пропорциях повсюду в смеси. Иными словами, гомогенная смесь будет одинаковой независимо от того, из какой части смеси она взята. Например, если твердожидкий раствор разделить на две половины одинакового объема , половины будут содержать равные количества 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]
Раствор — это особый тип гомогенной смеси, в которой соотношение растворенного вещества и растворителя остается одинаковым во всем растворе, а частицы не видны невооруженным глазом, даже если они гомогенизированы несколькими источниками . В растворах растворенные вещества не оседают по прошествии какого-либо периода времени, и их нельзя удалить физическими методами, такими как фильтр или центрифуга . [13] Будучи гомогенной смесью, раствор имеет одну фазу (твердую, жидкую или газообразную), хотя фазы растворенного вещества и растворителя изначально могли быть разными (например, соленая вода).
Газы обладают наибольшим пространством (и, следовательно, самыми слабыми межмолекулярными силами) между атомами или молекулами; поскольку межмолекулярные взаимодействия незначительны 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).
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 различающихся концентрациях. Однако в микроскопическом масштабе один из компонентов отсутствует практически в любой достаточно маленькой области. (Если такое отсутствие является обычным явлением в макроскопических масштабах, комбинация компонентов представляет собой дисперсную среду , а не смесь.) Различные характеристики гетерогенных смесей можно отличить по наличию или отсутствию непрерывной просачивания их компонентов. Что касается пены, различают сетчатую пену , в которой один компонент образует связанную сеть, через которую может свободно просачиваться другой, или пену с закрытыми порами, в которой один компонент присутствует в виде ловушки в небольших ячейках, стенки которых образованы пенопластом. другие составляющие. Аналогичное различие возможно и для эмульсий. Во многих эмульсиях один компонент присутствует в виде изолированных областей обычно глобулярной формы, рассеянных по другому компоненту. Однако также возможно, что каждый компонент образует большую взаимосвязанную сеть. Такую смесь тогда называют бинепрерывной . [14]
Различие между гомогенными и гетерогенными смесями зависит от масштаба выборки. В достаточно грубом масштабе любую смесь можно назвать однородной, если считать ее «образцом» все изделие. В достаточно мелком масштабе любую смесь можно назвать гетерогенной, поскольку размер образца может составлять всего одну молекулу. С практической точки зрения, если интересующее свойство смеси одинаково, независимо от того, какой образец ее взят для исследования, смесь является гомогенной.
Теория выборки Гая количественно определяет неоднородность частицы как: [15]
где , , , , и соответственно: неоднородность -й частицы популяции, массовая концентрация интересующего свойства в -й частице популяции, массовая концентрация интересующего свойства в популяции, масса -я частица в популяции и средняя масса частицы в популяции.
При отборе проб гетерогенных смесей частиц дисперсия ошибки выборки , как правило, не равна нулю.
Пьер Ги вывел на основе модели выборки Пуассона следующую формулу для дисперсии ошибки выборки массовой концентрации в пробе:
где V — дисперсия ошибки выборки, N — количество частиц в популяции (до взятия выборки), q i — вероятность включения i - й частицы популяции в выборку (т. е. первой вероятность включения i-й частицы в порядок ) , 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 Гр правильная выборка определяется как сценарий выборки, при котором все частицы имеют одинаковую вероятность попадания в выборку. Это означает, что q i больше не зависит от i и поэтому может быть заменен символом q . Уравнение Гая для дисперсии ошибки выборки принимает вид:
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 .
Исследования загрязнения воздуха [16] [17] показывают, что биологические последствия и последствия для здоровья после воздействия смесей более мощные, чем эффекты от воздействия отдельных компонентов. [18]