Химия, как наука, направлена на изучение веществ, их свойств и превращений.
Все окружающие нас предметы состоят из различных веществ. Например, железо, полиэтилен, воск,
алюминий, шоколад, стекло, ртуть, а также аспирин, аскорбиновая кислота и другие лекарства – это все вещества.
В физике все окружающие нас объекты называют физическими телами, а то, из чего они состоят, – веществами. Тело может состоять из одного или нескольких веществ: стакан (тело) состоит из стекла (вещество), страница книги (тело) – из бумаги (вещество) и краски (вещество).
Вещество – это то, из чего состоят физические тела.
Изучить вещество – значит узнать его свойства, описать, из чего и как оно построено.
У каждого вещества есть набор характерных для него свойств – признаков, по которым одни отличаются от других.
Физические свойства вещества– цвет, плотность, температура плавления, температура кипения, растворимость, теплопроводность, теплоемкость, электропроводность, блеск, агрегатное состояние (жидкость, газ, твердое вещество, плазма), вязкость, ковкость.
Химические свойства – это такие свойства, благодаря которым вещество может взаимодействовать (вступать в реакцию) с другим веществом.
Такие свойства, как вкус и запах, тесно связаны с химической природой веществ и поэтому их могут относить к химическим свойствам.
Процесс превращения одних веществ в другие называют химической реакцией.
Например, свойство железа легко реагировать с кислородом во влажном воздухе и образовывать при этом ржавчину – химическое свойство железа – где железо – первое вещество, кислород – второе, а ржавчина – третье. Процесс соединения железа с кислород и образование ржавчины – это химическая реакция. Или при длительном нагревании сахар превращается в черную аморфную массу – уголь.
Кипение воды в кастрюле, горение свечи, движение поезда – все это примеры процессов, происходящих в материальном мире, или, иначе, явлений. Явления, происходящие с веществами, условно подразделяют на физические и химические.
Явления, в результате которых изменяются размеры, форма тел или агрегатное состояние веществ, но состав их остается постоянным, называют физическими явлениями.
Образование льда при замерзании рек, испарение воды, распространение запаха, прокатка алюминиевой фольги, перемешивание раствора, отливка изделий из расплавленной стали, дробление камня – все это физические процессы (рис.1 и 2).
Явления, в результате которых из одних веществ образуются другие, называются химическими явлениями или химическими реакциями.
Окисление железа и обугливание сахара – примеры химических явлений (рис.3). Обычно их называют химическими реакциями или химическими превращениями. О веществах, вступающих в химическую реакцию, говорят, что они реагируют, взаимодействуют между собой (железо реагирует с кислородом в воздухе), или одни вещества превращаются в другие (сахар превращается в уголь при горении).
В процессе химической реакции образуются новые вещества с новыми свойствами – цветом, вкусом, запахом. Так, о прокисании молока можно судить по изменению его вкуса, а о пригорании жирной пищи – по появлению неприятного запаха продукта разложения жиров – акролеина. Если получается вещество, плохо растворимое в воде, то о протекании химической реакции свидетельствует образование осадка. Так, при пропускании углекислого газа через известковую воду выпадает белый осадок мела. Выделение газа тоже часто свидетельствует о химическом превращении: гашение пищевой соды уксусом или лимонной кислотой сопровождается характерным шипением – образуется углекислый газ. Эту реакцию используют при выпечке хлеба.
Химическая реакция между содой и кислотой лежит в основе действия кислотных огнетушителей. Металлический корпус такого огнетушителя наполнен раствором соды. У самого его горлышка помещена стеклянная колба с кислотой. Чтобы привести огнетушитель в действие, необходимо повернуть рычаг и перевернуть огнетушитель вверх дном. При этом откроется клапан, и кислота смешается с раствором соды. Начнется химическая реакция, сопровождающаяся образованием углекислого газа. Газ выделяется под высоким давлением, захватывая с собой часть раствора и образуя пену. Отработанный огнетушитель вновь заряжают раствором соды и помещают в него новую колбу с кислотой.
Часто о химическом превращении свидетельствует изменение окраски. Многие химические реакции, например горения, сопровождаются выделением энергии, обычно в форме теплоты и света (горение природного газа метана в газовой плите). Некоторые химические процессы сопровождаются, наоборот, поглощением энергии.
Свойства, которые проявляют вещества при химических превращениях, называются химическими. Их изучение – одна из основных задач химии.
Разделение всех процессов на физические и химические – условно. Лишь простейшие явления можно однозначно отнести к той или другой группе. Более сложные процессы состоят из множества отдельных явлений – и физических, и химических.
Агрегатное состояние вещества.
В большинстве случаев каждое данное вещество может, в зависимости от внешних условий (температуры и давления), находится в газообразном, жидком и твердом состояниях, т.е. в том или ином агрегатном состоянии. Однако для некоторых веществ не все три агрегатных состояния достижимы. Так, например, карбонат кальция практически не удается получить ни в жидком, ни в газообразном состоянии, так как он разлагается при нагревании на окись кальция (оксид кальция) и двуокись углерода (оксид углерода IV) раньше, чем наступит его плавление или испарение, а оксид кальция практически не летучий. С другой стороны, возможны такие условия, при которых данное вещество может находится одновременно в двух или даже в трех состояниях. Так, например, вода при 0,0098℃ и давлении 4,579 мм рт. ст. находится в устойчивом равновесии в трех состояниях – льда, жидкой воды и водяного пара.
Каждому данному химическому соединению или простому веществу соответствует одна форма газообразного состояния и одна форма жидкого состояния (не считая жидких кристаллов). В твердом же состоянии одному и тому же веществу могут отвечать две, три и больше форм (модификаций), различающихся по внутреннему строению и свойствам. Это явление – существования нескольких модификаций данного соединения или простого вещества называется полиморфизмом. Сравнительная устойчивость той или иной из этих модификаций зависит от температуры и давления.
Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием, а в частном случае, когда парообразование происходит только с поверхности жидкости, процесс называется испарением. Аналогичный переход из твердого состояния в газообразное принято называть возгонкой или сублимацией. Обратные процессы перехода называют соответственно сжижением при переходе газа в жидкое состояние и десублимацией – при переходе его в твердое состояние. В обоих случаях их называют также конденсацией пара. В соответствии с этим твердое и жидкое состояния часто объединяют общим термином конденсированных состояний. Переход из твердого состояния в жидкое называется плавлением, а обратный процесс – отвердеванием (или замерзанием, если оно происходит при невысокой температуре). Переход из одной модификации твердого состояния в другую называется полиморфным превращением или просто переходом.
Когда газ находится при температуре в несколько сот тысяч градусов, энергия столкновений между частицами газа столь велика, что молекулы разрушаются, а атомы теряют электроны. В результате образуется «плазма», состоящая из ядер и электронов; ее можно рассматривать как четвертое состояние материи. В этом состоянии, необычном для естественных условий на Земле, находятся вещества внутри Солнца. Также существует газоразрядная плазма, которая возникает при газовом разряде. При прохождении электрического тока через газ, первый ионизирует газ, ионизированные частицы которого являются переносчиками тока. Так в лабораторных условиях получают плазму, степень ионизации которой можно контролировать при помощи изменения параметров тока. Однако, в отличие от высокотемпературной плазмы, газоразрядная нагревается за счет тока, и потому быстро охлаждается при взаимодействии с незаряженными частицами окружающего газа.
Среди твердых тел встречаются такие, в изломе которых нельзя обнаружить никаких признаков кристаллов. Например, если расколоть кусок обыкновенного стекла, то излом его окажется гладким и, в отличие от изломов кристаллов, ограничен не плоскими, а овальными поверхностями. Подобная же картина наблюдается при раскалывании кусков смолы, клея и некоторых других веществ. Такое состояние вещества называют аморфным.
Различие между кристаллическими и аморфными телами особенно резко проявляется в их отношении к нагреванию. В то время как кристаллы каждого вещества плавятся при строго определенной температуре и при той же температуре происходит переход из жидкого состояния в твердое, аморфные тела не имеют определенной температуры плавления. При нагревании аморфное тело постепенно размягчается, начинает растекаться и, наконец, становится совсем жидким. При охлаждении оно так же постепенно затвердевает.
В связи с отсутствием определенной температуры плавления аморфные тела обладают и другой особенностью: многие из них подобно жидкостям текучи, т.е. при длительном действии сравнительно небольших сил постепенно изменяют свою форму. Например, кусок смолы, положенный на плоскую поверхность, в теплом помещении за несколько недель растекается, принимая форму диска.
Вследствие сходства во внутренней структуре жидкостей и аморфных тел последние часто рассматриваются как жидкости с очень высокой вязкостью, а к твердым телам относят только вещества в кристаллическом состоянии. Уподобляя аморфные тела жидкостям, следует, однако, помнить, что в аморфных телах, в отличие от обычных жидкостей, частицы имеют незначительную подвижность – такую же, как в кристаллах.
(Примечание: все картинки взяты из интернета).