Физические свойства веществ. Агрегатное состояние

Разнообразие веществ

Количество известных в настоящее время веществ воистину невообразимо: по некоторым подсчётам оно уже превысило 75 миллионов. Причём благодаря усилиям учёных это число от года к году стремительно возрастает.

 

Многие из веществ существуют в природе. Так, воздух представляет собой смесь различных газов. В реках, морях и океанах, кроме воды, содержатся растворённые в ней вещества. В твёрдом поверхностном слое нашей планеты находятся многочисленные минералы и горные породы. Чрезвычайно большое количество самых разнообразных веществ находится в живых организмах.

Проводя исследования атмосферы, гидросферы, литосферы и биосферы, учёные выделяют, изучают, классифицируют вновь открытые вещества и присваивают им названия.

 

Однако многие из ныне известных веществ в природе не существуют, а получены искусственным путём в ходе химических экспериментов. Проводя опыты, учёные используют разнообразные вещества, которые специально приготовлены для научных целей.

Вещества, которые используются в химических экспериментах, называют химическими реактивами.

Полка с реактивами	Работа с реактивами в лаборатории

 

Многие вещества используются для изготовления различных предметов.

Вещества, используемые для изготовления предметов, оборудования, а также в строительстве и других отраслях, называют материалами.

Исторически первыми, используемыми людьми, были природные материалы — древесина, камень, глина. Co временем люди научились выплавлять металлы и стекло, получать известь и цемент. В последние десятилетия на замену традиционным материалам приходят новые, в частности различные пластмассы.

Материалы, используемые человеком, можно сгруппировать по их происхождению

1. Материалы естественного происхождения, т. е. такие, которые находятся в природе.

Это вещества как минеральные (песок, глина, мрамор и другие), так и органические (белки, углеводы и другие).

 

 

Добыча мрамора в с. Коелга (Челябинская обл.). Мрамор издавна используется в качестве облицовочного материала и для изготовления памятников.

 

 

Кожа — материал животного происхождения. По своему химическому составу кожа является белком. Благодаря высокой прочности используется для изготовления обуви и других изделий.

 

 

Лён — волокно растительного происхождения. По своему химическому составу является углеводом (целлюлозой). Ткани, которые изготовлены изо льна, обладают ценными гигиеническими свойствами.

 

2. Материалы искусственного происхождения — в природе не встречаются, а создаются человеком. Сюда можно отнести цемент, стекло, сталь и чугун, пластмассы (полиэтилен и др.), резину, синтетические волокна (капрон и др.).

 

 

Первые сведения о выплавке чугуна относятся в VI в. до н. э. (Китай).

В Западной Европе первые печи для выплавки чугуна появились в XIV, а в России — в XVI в.

 

 

Цемент — один из основных строительных материалов.

Современная технология его изготовления была разработана в XIX в. Тогда была найдена необходимая для получения цемента рецептура, а также определена температура обжига сырья.

 

 

Полиэтилен — самая распространённая в мире пластмасса. Вещество получено в 1899 г. С 1933 г. его начали использовать в качестве материала для электрической изоляции кабелей. С 1950-х используется для упаковки пищевых продуктов.

 

Чистые вещества

В античные времена древнегреческими учёными было сформулировано предположение, которое позже полностью подтвердилось — о том, что вещества состоят из мельчайших невидимых глазу частиц.

 

Например, вода состоит из одинаковых частиц, называемых молекулами воды. Сахар состоит из одинаковых частиц, называемых молекулами сахара. Вода и сахар — это чистые вещества.

Чистыми веществами называются вещества, которые состоят из частиц одинакового вида.

Если же сахар смешать с водой, происходит диффузия — молекулы сахара проникают между молекулами воды. Образуется раствор, в состав которого входят как молекулы воды, так и молекулы сахара.

Раствор — это смесь веществ.

 

Смесями называют вещества, в состав которых входят частицы разного вида.

Все вещества являются либо чистыми, либо смесями.

 

 

Чистые вещества состоят из частиц одного вида, а смеси — из частиц разного вида.

 

Кроме веществ, состоящих из молекул, существуют вещества, имеющие немолекулярное строение.

Например, металлы и инертные газы состоят не из молекул, а из более мелких частиц — атомов.

 

Таким образом, медь состоит только из атомов меди, а цинк состоит только из атомов цинка. Медь и цинк — чистые вещества. Если к меди добавить цинк и сильно нагреть, получится сплав, который называют латунью.

Латунь — это смесь, в состав которой входят как атомы меди, так и атомы цинка.

Существуют вещества немолекулярного строения, состоящие из частиц другого вида, называемых ионами. В состав ионных соединений входят не электрически нейтральные атомы или молекулы, а частицы, несущие на себе положительный или отрицательный заряд.

 

Примером таких веществ может служить хлорид натрия, то есть обычная поваренная соль, кристаллы которой состоят из положительно заряженных ионов натрия и отрицательно заряженных ионов хлора. Поваренная соль является чистым веществом. Если же её растворить в воде, образуется раствор, который является смесью двух веществ — воды и поваренной соли.

Сравнение чистых веществ и смесей

	Чистые вещества	Смеси
Состав	Чистое вещество состоит из частиц одного вида. Например, вода состоит только из молекул воды. Чистое вещество имеет постоянный состав. Например, любая молекула воды состоит из двух атомов химического элемента водорода и одного атома химического элемента кислорода.	Смесь состоит из частиц разного вида. Например, раствор сахара в воде содержит как молекулы воды, так и молекулы сахара. Смесь не имеет постоянного состава: содержание отдельных составных частей одной и той же смеси может быть разным. Условно говоря, в стакане воды можно растворить и одну чайную ложку сахара, и две.
Свойства	Чистое вещество имеет постоянные свойства.	В смеси каждое вещество в основном сохраняет свои свойства. Например, железо так же, как обычно, притягивается магнитом, поваренная соль остаётся солёной.   Физические свойства смеси отчасти меняются с изменением её количественного состава.

 

Обрати внимание!

Следует иметь в виду, что идеально чистых веществ не существует, поскольку ни одно из веществ невозможно полностью очистить от содержащихся в нём примесей.

Какое же вещество в таком случае на практике считается чистым?

Практически чистым (чистым) называют вещество, в котором содержание примесей столь ничтожно, что эти примеси существенным образом не влияют на его свойства.

Например, вода считается практически чистой, если образец жидкости не имеет цвета, вкуса и запаха, замерзает при температуре 0 °С, кипит при температуре +100 °С, при температуре +4 °С имеет плотность 1000 кг/м³ и практически не проводит электрический ток.

 

Чистые вещества: кислород, дистиллированная вода, рафинированный сахар

 

В некоторых отраслях науки и техники используют особо чистые вещества.

 

В банках золото хранится в слитках, массовая доля благородного металла в которых составляет 99,9 %; в технике для изготовления электронных приборов и микросхем используется кремний, чистота которого составляет 99,999 %.

 

В природе, в технике и в повседневной жизни большей частью приходится иметь дело со смесями. Так, смесью является воздух, природная вода, почва, биологические жидкости, пища и многое другое.

Смеси бывают двух видов: однородные (гомогенные) и неоднородные (гетерогенные).

 

Однородные смеси

Смеси могут отличаться между собой не только по составу, но и по внешнему виду. В соответствии с тем, как выглядит данная смесь и какими свойствами она обладает, её можно отнести либо к однородным (гомогенным), либо к неоднородным (гетерогенным) смесям.

Однородными (гомогенными) называют такие смеси, в которых даже при помощи микроскопа нельзя обнаружить частицы других веществ.

Состав и физические свойства во всех частях такой смеси одинаковы, поскольку между отдельными её составными частями отсутствуют поверхности раздела.

 

К однородным смесям относятся:

• смеси газов;
• растворы;
• сплавы.

Смеси газов

В качестве примера такой однородной смеси можно назвать воздух.

 

В состав чистого воздуха входят различные газообразные вещества:

• азот (его объёмная доля в чистом воздухе составляет 78 %);
• кислород (21 %);
• благородные газы — аргон и другие (0,96 %);
• углекислый газ (0,04 %).

Газообразной смесью являются природный газ и попутный нефтяной газ. Основными составными частями этих смесей являются газообразные углеводороды: метан, этан, пропан и бутан.

 

Также газообразной смесью является такой возобновляемый ресурс, как биогаз, образующийся при переработке бактериями органических остатков на свалках, в ёмкостях очистных сооружений и в специальных установках. Главная составная часть биогаза — метан, который содержит примесь углекислого газа, сероводорода и целого ряда других газообразных веществ.

 

Cмеси газов: воздух и биогаз. Воздух можно продавать любознательным туристам, а биогаз, получаемый из зелёной массы в специальных ёмкостях — использовать в качестве топлива

Растворы

Обычно так называют жидкие смеси веществ, хотя этот термин в науке имеет более широкое значение: раствором принято называть любую (в том числе газообразную и твёрдую) однородную смесь веществ. Итак, о жидких растворах.

 

Важным раствором, встречающимся в природе, является нефть. Жидкие продукты, получаемые при её переработке: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, смазочные масла — также представляют собой смесь различных углеводородов.

 

Обрати внимание!

Чтобы приготовить раствор, нужно газообразное, жидкое или твёрдое вещество смешать с растворителем (водой, спиртом, ацетоном и др.).

Например, нашатырный спирт получают, растворяя вводе газ аммиак. В свою очередь, для приготовления тинктуры йода кристаллическиййод растворяют в этиловом спирте(этаноле).

 

Жидкие однородные смеси (растворы): нефть и нашатырный спирт

Сплавы

Сплав (твёрдый раствор) может быть получен на основе любого металла, и в его состав может входить множество различных веществ.

 

Самыми важными в настоящее время являются сплавы железа — чугуны и стали.

Чугунами называют сплавы железа, содержащие более 2 % углерода, а сталями — сплавы железа, содержание углерода в которых меньше.

То, что обычно называют «железом», на самом деле является сталью с низким содержанием углерода. Кроме углерода в состав сплавов железа могут входить кремний, фосфор, сера.

Для того чтобы придать сталям какие-то особые свойства, их легируют — вводят специальные добавки. Например, ударопрочная сталь отличается повышенным содержанием марганца, а при выплавке нержавеющей стали в её состав вводится хром.

 

В настоящее время широкое распространение получили сплавы алюминия. Они отличаются лёгкостью и высокой механической прочностью. В состав сплавов алюминия обычно входят магний, марганец, медь и кремний.

 

С давних времён человечество широко использует сплавы на основе меди.

Бронзой называют сплав меди с оловом, а латунью — сплав меди с цинком.

Хотя в настоящее время в состав этих сплавов меди могут входить и другие металлы (алюминий, никель, свинец и др.).

 

Изделия из чугуна и алюминиевой бронзы

 

Неоднородные смеси

Если в случае однородных смесей состав и физические свойства во всех частях такой смеси одинаковы, то в случае неоднородных смесей между отдельными составными частями имеются поверхности раздела, при переходе через которые свойства вещества существенным образом изменяются.

Неоднородными (гетерогенными) называют такие смеси, в которых невооружённым глазом или при помощи микроскопа можно заметить частицы других веществ.

К неоднородным смесям принадлежат:

• аэрозоли (дымы, туманы);
• суспензии;
• эмульсии;
• пены;
• и другие смеси, не имеющие собственных названий.

В случае образования неоднородной (гетерогенной) смеси частички (капельки, пузырьки) одного вещества оказываются распределены в среде другого вещества. Классифицируя (группируя) такие смеси, удобно принимать во внимание агрегатное состояние того вещества, в среде которого оказывается распределено другое вещество.

Неоднородные (гетерогенные) смеси, среда которых газообразная

Если в среде газообразного вещества распределены частички твёрдого вещества, такую смесь называют дымом.

Простейшим примером такой смеси является пыль, висящая в воздухе.

Если в среде газообразного вещества распределены мелкие капельки жидкости, такую смесь называют туманом.

Туманы и дымы имеют общее название — аэрозоли.

В качестве примера аэрозоля можно также назвать смог — чрезвычайно ядовитую смесь, которая образуется в воздухе при определённых погодных условиях и содержит вредные вещества, выделившиеся в результате работы предприятий, сжигания топлива на транспорте и в печах теплоэлектростанций, крупных лесных пожаров.

 

Неоднородные смеси: туман, дым и смог в Москве (2010 г.)

Неоднородные (гетерогенные) смеси, среда которых жидкая

Если в жидкости распределены частички твёрдого вещества, такую смесь называют суспензией.

Например, суспензию представляет собой взвесь песка или глины в воде.

Если в жидкости распределены мелкие капельки другой (не смешивающейся с первой) жидкости, такую смесь называют эмульсией.

Эмульсия образуется при энергичном смешивании растительного масла с водой. Эмульсию представляет собой майонез и многие другие продукты питания. Чтобы не происходило расслоение не смешивающихся между собой жидкостей, к таким смесям добавляют вещества, называемые эмульгаторами.

Если в среде жидкости распределены пузырьки газа, такую смесь называют пеной.

Пена образуется каждый раз при откупоривании бутылки с газированным напитком.

 

Неоднородные смеси: суспензия (глина в воде), эмульсия (капельки жира в молоке) и мыльная пена

Неоднородные (гетерогенные) смеси, среда которых твёрдая

Такие смеси не имеют специфических названий, поэтому ограничимся соответствующими примерами.

 

В среде твёрдого вещества могут находиться пузырьки газа. Примером такой смеси может служить пемза — пористое стекло вулканического происхождения. Такое же строение имеют пенопласт и обычный хлеб.

 

Встречаются смеси и такого вида, когда в среде твёрдого вещества распределены мельчайшие капельки жидкости. В качестве примера такой смеси можно назвать влажную почву.

 

В среде твёрдого вещества могут быть распределены частицы других твёрдых веществ. Примером такой смеси может служить гранит, в состав которого входят полевой шпат, кварц и слюда.

 

Неоднородные смеси: пемза, почва, гранит

 

Признаки химических реакций

При химических реакциях происходит превращение одних веществ в другие. Изменяются вещества, значит, изменяются их свойства:

 

исходные вещества →продукты реакции,

свойства исходных веществ → свойства продуктов реакции.

 

Изменения, происходящие с веществами, свидетельствуют о протекании химической реакции и являются признаками химических реакций.

 

Признаки химических реакций:

• выделение газа;
• образование или растворение осадка;
• изменение цвета;
• изменение запаха;
• излучение света;
• выделение или поглощение тепла.

 

Выделение газа (уксус + питьевая сода)

 

Выпадение осадка иодида свинца

 

Изменение окраски метилоранжа

 

Выделение света и тепла при горении газа

Пример:

горение спички сопровождается появлением запаха, выделением тепла и света.

 

При добавлении иода к крахмалу появляется синее окрашивание.

 

При действии уксуса на мел происходит его растворение, и выделяется газ.

 

Разнообразие веществ

Количество известных в настоящее время веществ воистину невообразимо: по некоторым подсчётам оно уже превысило 75 миллионов. Причём благодаря усилиям учёных это число от года к году стремительно возрастает.

 

Многие из веществ существуют в природе. Так, воздух представляет собой смесь различных газов. В реках, морях и океанах, кроме воды, содержатся растворённые в ней вещества. В твёрдом поверхностном слое нашей планеты находятся многочисленные минералы и горные породы. Чрезвычайно большое количество самых разнообразных веществ находится в живых организмах.

Проводя исследования атмосферы, гидросферы, литосферы и биосферы, учёные выделяют, изучают, классифицируют вновь открытые вещества и присваивают им названия.

 

Однако многие из ныне известных веществ в природе не существуют, а получены искусственным путём в ходе химических экспериментов. Проводя опыты, учёные используют разнообразные вещества, которые специально приготовлены для научных целей.

Вещества, которые используются в химических экспериментах, называют химическими реактивами.

Полка с реактивами	Работа с реактивами в лаборатории

 

Многие вещества используются для изготовления различных предметов.

Вещества, используемые для изготовления предметов, оборудования, а также в строительстве и других отраслях, называют материалами.

Исторически первыми, используемыми людьми, были природные материалы — древесина, камень, глина. Co временем люди научились выплавлять металлы и стекло, получать известь и цемент. В последние десятилетия на замену традиционным материалам приходят новые, в частности различные пластмассы.

Материалы, используемые человеком, можно сгруппировать по их происхождению

1. Материалы естественного происхождения, т. е. такие, которые находятся в природе.

Это вещества как минеральные (песок, глина, мрамор и другие), так и органические (белки, углеводы и другие).

 

 

Добыча мрамора в с. Коелга (Челябинская обл.). Мрамор издавна используется в качестве облицовочного материала и для изготовления памятников.

 

 

Кожа — материал животного происхождения. По своему химическому составу кожа является белком. Благодаря высокой прочности используется для изготовления обуви и других изделий.

 

 

Лён — волокно растительного происхождения. По своему химическому составу является углеводом (целлюлозой). Ткани, которые изготовлены изо льна, обладают ценными гигиеническими свойствами.

 

2. Материалы искусственного происхождения — в природе не встречаются, а создаются человеком. Сюда можно отнести цемент, стекло, сталь и чугун, пластмассы (полиэтилен и др.), резину, синтетические волокна (капрон и др.).

 

 

Первые сведения о выплавке чугуна относятся в VI в. до н. э. (Китай).

В Западной Европе первые печи для выплавки чугуна появились в XIV, а в России — в XVI в.

 

 

Цемент — один из основных строительных материалов.

Современная технология его изготовления была разработана в XIX в. Тогда была найдена необходимая для получения цемента рецептура, а также определена температура обжига сырья.

 

 

Полиэтилен — самая распространённая в мире пластмасса. Вещество получено в 1899 г. С 1933 г. его начали использовать в качестве материала для электрической изоляции кабелей. С 1950-х используется для упаковки пищевых продуктов.

 

Физические свойства веществ. Агрегатное состояние

Сходство и отличие различных веществ можно установить по отдельным признакам.

Признаки, по которым вещества схожи, или же по которым можно отличить одно вещество от другого, называют свойствами.

Первое (и важнейшее) свойство любого вещества — это его агрегатное состояние при так называемых нормальных условиях (н. у.).

 

Обрати внимание!

В науке нормальными условиями (н. у.) принято считать такие условия, когда температура составляет 0°С, а давление равно 101,3 кПа (килопаскалям).

Агрегатное состояние может быть твёрдым, жидким или газообразным (в звёздах вещество существует ещё в одном — плазменном — состоянии).

В твёрдом агрегатном состоянии частички, из которых состоит вещество (атомы, молекулы или ионы), обладают наименьшим запасом энергии, расстояние между частичками наименьшее, а сами частички совершают колебательные движения.

 

Например, при нормальных условиях в твёрдом агрегатном состоянии находятся металлы (кроме ртути), алмаз, графит, поваренная соль, пищевая сода, сахар (сахароза).

В жидком агрегатном состоянии частички, из которых состоит вещество, обладают большим запасом энергии, расстояния между ними больше, и движутся они поступательно и хаотично (неупорядоченно).

 

Например, при нормальных условиях жидкостью является вода, глицерин, винный спирт, ацетон, а также ртуть.

 

Если вещество находится в газообразном агрегатном состоянии, частички, из которых состоит вещество, имеют наибольший запас энергии, расстояние между ними наибольшее, и движутся они хаотично с большой скоростью.

 

Например, при нормальных условиях в газообразном агрегатном состоянии находятся азот, кислород, озон, углекислый газ, аргон и гелий.

Обрати внимание!

При изменении условий агрегатное состояние может измениться.

Так, если температура опускается ниже 0 °С, вода переходит из жидкого в твёрдое агрегатное состояние, то есть превращается в лёд. Если же температура повышается до 100 °С, вода переходит из жидкого в газообразное агрегатное состояние, то есть превращается в водяной пар.

 

Обрати внимание!

Большинство веществ, в зависимости от условий, может существовать как в твёрдом, так в жидком или газообразном состояниях.

Однако некоторые вещества, такие как целлюлоза, из которой изготавливают бумагу, бывают только твёрдыми. Сахар можно расплавить, но перевести его в газообразное агрегатное состояние не получится. Дело в том, что такие вещества при нагревании начинают разлагаться, то есть превращаются в другие вещества, обладающие другими свойствами.