 |
Разнообразие веществ
За последние 200 лет человечество изучило свойства веществ больше, чем за всю историю развития химии. Естественно, количество веществ так же стремительно растет, это связано, прежде
всего, с освоением различных методов получения веществ.
В повседневной жизни мы сталкиваемся с множеством веществ. Среди них – вода, железо, алюминий, пластмассы, сода, соль и множество других.
Вещества, существующие в природе, например, кислород и азот, которые содержатся в воздухе, вещества, растворенные в воде, природного происхождения, называются природными веществами.
Алюминия, цинка, ацетона, извести, мыла, аспирина, полиэтилена и многих других веществ в природе не существует. Их получают в лаборатории и производит промышленность. Искусственные вещества не встречаются в природе, их создают из природных веществ.
Некоторые вещества, существующие в природе, можно получить и в химической лаборатории. Так, при нагревании марганцовки выделяется кислород, а при нагревании мела – углекислый газ. Ученые научились превращать графит в алмаз, выращивают кристаллы рубина, сапфира и малахита.
| Минерал кварц | Самородное золото | Минерал мрамор |
| Рисунок 32. Примеры природных веществ | ||
Наряду с веществами
природного происхождения существует огромное множество и 
искусственно созданных веществ, не
встречающихся в природе. Вещества, не встречающиеся в природе, производятся на различных предприятиях: фабриках, заводах, комбинатах и т.п.
В условиях исчерпания природных ресурсов нашей
планеты, сейчас перед химиками стоит важная задача: разработать и
внедрить методы, при помощи которых можно искусственно, в условиях лаборатории, или промышленного производства, получать вещества, являющиеся аналогами природных веществ. Например, в природе запасы топливных ископаемых на исходе. Непременно настанет тот момент, когда нефть и природный газ закончатся. Уже сейчас ведутся разработки новых видов топлива, которые были бы такими же эффективными, и не загрязняли окружающую среду. На сегодняшний день человечество научилось искусственно получать различные драгоценные камни, например, алмазы, изумруды, бериллы.
Агрегатное состояние вещества
Вещества могут существовать в нескольких агрегатных состояниях, три из которых вам известны: твердое, жидкое, газообразное. Например, вода в природе существует во всех трех
агрегатных состояниях: твердом в виде льда и снега, жидком (жидкая вода), и газообразном (водяной пар).
Известны вещества, которые не могут существовать в обычных условиях во всех трех агрегатных состояниях. Например, таким веществом является углекислый газ. При комнатной температуре это газ без запаха и цвета. При температуре –79°С
данное вещество «замерзает» и переходит в твердое
Рисунок 33. Сухой лед
агрегатное состояние. Тривиальное название такого
вещества «сухой лед». Такое название дано этому веществу из-за того, что «сухой лед» превращается в углекислый газ без плавления, то есть, без перехода в жидкое агрегатное состояние, которое присутствует, например у воды.
Таким образом, можно сделать важный вывод. Вещество, при переходе из
одного агрегатного состояния в другое не превращается в другие вещества. Сам процесс некоего изменения, превращения, называется явлением.
Физические явления. Физические свойства веществ
Каждое индивидуальное вещество обладает определенными свойствами. Свойства веществ могут быть различными или сходными друг с другом. Каждое вещество описывают при помощи набора физических и химических свойств.
Рассмотрим в качестве примера воду. Вода замерзает и превращается в лед при температуре 0°С, а закипает и превращается в пар при температуре +100°С. Данные явления относятся к физическим, так как вода не превратилась в другие вещества, происходит только изменение агрегатного состояния. Данные температуры замерзания и кипения – это физические свойства, характерные именно для воды.
Испарение спирта, как и испарение воды – физические явления, вещества изменяют агрегатное состояние. После проведения опыта можно убедиться, что спирт испаряется быстрее, чем вода – это физические свойства этих веществ.
К основным физическим свойствам веществ можно отнести следующие: цвет, запах, растворимость в воде, агрегатное состояние, плотность, температура кипения, температура плавления, теплопроводность, электропроводность.
Такие физические свойства как цвет, запах, вкус, форма кристаллов можно определить визуально, с помощью органов чувств, а плотность, электропроводность, температуру плавления и кипения определяют измерением. Сведения о физических свойствах многих веществ собраны в специальной литературе, в частности – в справочниках.
Физические свойства вещества зависят от его агрегатного состояния. Например, плотность льда, воды и водяного пара различна. Газообразный кислород бесцветный, а жидкий – голубой.
Знание физических свойств помогает «узнавать» немало веществ. Например, медь – единственный металл красного цвета. Соленый вкус имеет только поваренная соль. Иод – почти черное твердое вещество, которое при нагревании превращается в темно-фиолетовый пар. В большинстве случаев для определения вещества нужно принимать во внимание несколько его свойств.
В качестве примера охарактеризуем физические свойства воды. Цвет – бесцветна (в небольшом объеме), запах – без запаха, агрегатное состояние – при
обычных условиях жидкость, плотность – 1 г/мл, температура кипения – +100°С, температура плавления – 0°С, теплопроводность – низкая, электропроводность – чистая вода электричество не проводит.
Кристаллические и аморфные вещества
При описании физических свойств твердых веществ принято описывать структуру вещества. Если рассмотреть образец поваренной соли под увеличительным стеклом, можно заметить, что соль состоит из множества мельчайших кристаллов. В соляных месторождениях можно встретить и
весьма крупные кристаллы.
Кристаллы – твердые тела, имеющие форму правильных многогранников
Рисунок 34. Кристаллы поваренной соли
Кристаллы могут иметь различную форму и размер. Кристаллы некоторых веществ, таких как поваренная соль – хрупкие, их легко разрушить. Существуют кристаллы довольно твердые. Например, одним из самых твердых минералов считается алмаз.
Если рассматривать кристаллы поваренной соли под микроскопом, можно заметить, что все они имеют идентичное строение. Если же рассмотреть, например, частицы стекла, то все они будут иметь различное строение
– такие вещества называют аморфными. К аморфным
веществам относят стекло, крахмал, янтарь, пчелиный воск.
Рисунок 35. Янтарь
Химические явления. Химическая реакция
 |
Если при физических явлениях вещества, как правило, лишь изменяют агрегатное состояние, то при химических явлениях происходит превращение одних веществ в другие. Приведем несколько простых примеров: горение спички сопровождается обугливанием древесины и выделением газообразных веществ, то есть, происходит необратимое превращение древесины в другие вещества. Другой пример: со временем бронзовые памятники покрываются налетом зеленого цвета. Дело в том, что в состав бронзы входит медь. Этот металл медленно взаимодействует с кислородом и влагой воздуха, в результате на поверхности памятника образуются новые вещества зеленого цвета.
Процесс взаимодействия веществ с образованием новых веществ называют химической реакцией. Химические реакции окружают нас повсеместно. Химические
реакции происходят и в нас самих. В нашем организме непрерывно происходят превращения множества веществ в другие, вещества реагируют друг с другом, образуя продукты реакции. Таким образом, в химической реакции всегда есть реагирующие вещества, и вещества, образованные в результате реакции.
Химическая реакция изображается в общем виде схемой реакции
РЕАГЕНТЫ ® ПРОДУКТЫ,
где реагенты – исходные вещества, взятые для проведения реакции; продукты – новые вещества, образовавшиеся в результате протекания реакции.
Рассмотрим вышесказанное на конкретном примере. При гашении соды уксусом наблюдается вспенивание смеси вследствие выделения углекислого газа. Сода и уксус – реагенты, которые вступают в реакцию, выделяющийся углекислый газ – продукт реакции.
Любые химические явления (реакции) сопровождаются определенными признаками, при помощи которых химические явления можно отличить от физических. К таким признакам можно отнести изменение окраски веществ, выделение газа, образование осадка, выделение тепла, выделение света.
 |
 |
Рисунок 36.
Образование осадка
 |
Многие химические реакции сопровождаются выделением энергии в виде тепла и света. Как правило, такими явлениями сопровождаются реакции горения. В
реакциях горения на воздухе вещества реагируют с кислородом, который содержится в воздухе. Так, например, металл магний вспыхивает и горит на воздухе ярким слепящим пламенем. Именно поэтому вспышку магния использовали при создании фотографий в первой половине ХХ века.
В некоторых случаях возможно выделение энергии в виде света, но без выделения тепла. Один из видов тихоокеанского планктона способен
Рисунок 37. Горение магния
светиться ярко-голубым светом. Выделение энергии в виде света – результат химической реакции, которая
протекает в организмах данного вида планктона.
Рисунок 38. Светящийся планктон
Таким образом,
Свойства веществ –
признаки, согласно которым разные вещества похожи, либо отличаются друг от друга
Физические (агрегатное состояние, цвет, вкус, запах, тепло- и электропроводность, растворимость в воде, Ткип, Тпл, r и др.)
Химические (способность взаимодействовать с другими веществами,
претерпевать превращения, изменяя состав и свойства)
 |
Подведем итоги
Вопросы, упражнения и задачи
| 5.1. | В чем отличие физических явлений от химических? | |
| 5.2. | Какие свойства веществ относят к физическим? | |
| 5.3. | Что такое химическая реакция? | |
| 5.4. | Приведите примеры физических и химических явлений, встречающихся | в |
повседневной жизни.
Из предложенного перечня отдельно выпишите физические и химические явления: а) скисание молока, б) испарение спирта, в) кипение воды, г) ржавление железа, д) горение электролампочки, е) выпекание хлеба, ж) квашение капусты, з) измельчение мела в ступке, и) таянье снега, к) горение бумаги, л) ковка металла, м) растворение соли в воде, н) фотосинтез растений.
Какие из явлений относятся к химическим, а какие – к физическим: а) притягивание железа магнитом; б) горение пороха; в) потемнение серебряных изделий со временем; г) «исчезновение» кусочка «сухого льда»; д) свечение вольфрамовой спирали в электролампочке; е) поглощение влаги ватой; ж) образование осадка при отстаивании мутной воды; з) растворение уксуса в воде; и) горение
«бенгальского огня»? Каждый ответ объясните.
По предложенным физическим свойствам, приведенным в параграфе в пункте 5.3, охарактеризуйте физические свойства следующих веществ: железо, полиэтилен, кислород, графит. Для характеристики воспользуйтесь справочными данными, приведенными в конце учебника. Ответ оформите в виде таблицы:
| Железо | Полиэтилен | Кислород | Графит | |
| Агрегатное состояние | ||||
| … |
В пробирках без этикеток содержатся кусочки мела, кухонная соль, вода, подсолнечное масло, духи. По каким физическим свойствам можно различить каждое вещество? Составьте план определения.
Приведите как можно больше примеров веществ, которые можно определить по запаху.
Назовите типы переходов между агрегатными состояниями: а) кубик льда в стакане превратился в жидкую воду; б) при высоком давлении воздух становится сначала жидким, а затем – твердым; в) если кусочек «сухого льда» оставить на воздухе, то через некоторое время он бесследно исчезнет; г) если капля расплавленного металла падает на землю, то она становится твердой; д) если сильно нагревать железо, оно размягчается, становится жидким, а затем начинает кипеть и испаряться; е) если кожу протереть одеколоном, то вскоре на ней не останется и следа жидкости.
Укажите, какими признаками будут сопровождаться следующие химические реакции: горение парафина свечи, скисание молока, превращение сахара в карамель, брожение фруктового сока.
Какими сходными и различными свойствами обладают следующие вещества: сахар и пищевая сода; спирт и вода?
Приведите примеры использования человеком физических и химических явлений.
Каковы основные различия между кристаллическими и аморфными веществами? Приведите несколько примеров.
Юный Химик исследовал свойства серы:
1) мелко истолок кусочек серы в ступке и получил порошок желтого цвета;
2) высыпал часть порошка в воду – порошок всплыл на поверхность;
3) другую часть порошка поджег, сера сгорела голубоватым пламенем;
4) в воздухе распространился резкий запах.
Укажите, какие явления – физические или химические – наблюдал юный химик.
Какие явления наблюдаются при горении свечи? Образуются ли при этом новые вещества и если да, то какие и как доказать их наличие?
Капля спирта попала на нагретую поверхность и испарилась. В другом случае спирт сгорел в спиртовке, т.е. жидкость тоже «исчезла», и образовались газообразные
продукты – углекислый газ и водяной пар. Как экспериментально можно было бы убедиться, что в первом случае произошло физическое, а во втором химическое явление?
Объясните, на каких свойствах веществ основывается их использование: а) из меди изготавливают электрические провода; б) из золота изготавливают ювелирные украшения; в) ванилин добавляют в кондитерские изделия; г) из алюминия изготавливают фольгу; д) из графита изготавливают стержни для карандашей.
Объясните, почему гвозди изготавливают из железа, а не из свинца или алюминия.
Почему вещества имеют разные свойства? Почему свойства некоторых веществ похожи? Могут два вещества иметь одинаковые температуры плавления, одинаковую плотность, одинаковый цвет? Напишите свои предположения.
Блокнот эрудита
12. Плазма – электрически нейтральный, сильно ионизированный газ, состоящий из положительно заряженных ионов, электронов и нейтральных молекул. Во многом плазма ведёт себя как обычный газ.
Плазма возникает в разрядах молний, в пламени. Верхние слои атмосферы Земли также представляют собой плазму, образовавшуюся под действием солнечного излучения.
Плазму можно создавать искусственно, подвергая нейтральный разреженный газ действию электрического поля (как в лампах дневного света) или очень высоких температур.
Звёзды состоят из высокоионизированной плазмы, в которой атомы теряют уже не один внешний, а все электроны, для чего требуются колоссальные температуры – миллионы градусов.
По-видимому, большая часть Вселенной состоит из плазмы, порождённой чрезвычайно высокими температурами или радиацией. Таким образом,
«необычным» это состояние материи является только с нашей, земной точки зрения.
Примером низкотемпературной плазмы является огонь (поток раскаленных
газов).
13. Стекло трудно однозначно отнести к одному из двух состояний
материи – жидкому или твёрдому. Оно обладает свойствами твёрдых веществ, но в то же время имеет структуру жидкостей.
Почему же расплавленное стекло при охлаждении не кристаллизуется? Дело в том, что при охлаждении расплавленного стекла его вязкость возрастает очень быстро, и не успевает образоваться кристалл. Подобным же образом ведёт себя, например, глицерин, который трудно закристаллизовать. В стеклообразном состоянии можно получить даже металл, если его расплавить, а потом охладить с очень большой скоростью – миллионы градусов в секунду.
Тем не менее, в специальных условиях стекло можно всё же получить и в кристаллическом состоянии. Такие материалы называются ситаллами. Они обладают ценными механическими, оптическими и электрическими свойствами, которые можно целенаправленно менять, изменяя химический состав стёкол.
Практическая работа 2.
 |
Изучение физических и химических явлений
Правила техники безопасности при выполнении работы
В данной практической работе будут предложены опыты, при выполнении которых необходимо использовать стеклянную посуду, спиртовку.
При выполнении практической работы соблюдайте порядок на рабочем столе. Все лишние предметы должны быть убраны.
Работайте в халате! Не суетитесь.
Помните, аккуратность – залог успеха! Оформите работу согласно требований учителя.
Изучение физических явлений
Опыт 1. В пробирку при помощи шпателя поместите несколько кристалликов медного купороса. С помощью пипетки прилейте 1–2 мл воды. Аккуратно перемешайте содержимое пробирки стеклянной палочкой. Что наблюдаете? Растворяются ли кристаллы в воде? Какую окраску приобретает раствор? Проведите аналогичный опыт с кристаллами пищевой соды в другой пробирке.
Опыт 2. Несколько капель раствора медного купороса при помощи пипетки поместите в фарфоровую чашку. Чашку разместите в штативном кольце и осторожно нагрейте на слабом пламени. Во избежание попадания в глаза во время внезапного разбрызгивании жидкости при нагревании, работайте в защитных очках! Прекратите нагрев после испарения воды. Что наблюдаете?
По каким признакам можно судить, что наблюдаемые вами явления – физические?
Изучение химических явлений
Опыт 3. Смешайте приготовленные в прошлом опыте растворы медного купороса и соды. Что наблюдаете? По какому признаку можно судить, что протекает химическая реакция?
Опыт 4. К полученному в опыте 3 осадку голубого цвета прибавьте несколько капель уксусной кислоты (используйте пипетку). Содержимое пробирки перемешайте стеклянной палочкой. Что наблюдаете? По какому признаку можно судить, что протекает химическая реакция?
Опыт 5. Поместите в пробирку несколько кусочков нарезанного листа краснокочанной капусты (можно использовать свежий лист капусты или сушенный). Прилейте с помощью пипетки несколько миллилитров воды, закрепите пробирку в пробиркодержателе и нагрейте до кипения. Что наблюдаете?
Немного остудите пробирку. Аккуратно перелейте жидкость (без кусочков капусты) в две пустые пробирки. В первую прибавьте из пипетки несколько капель уксусной кислоты, во вторую – несколько капель раствора соды. Что наблюдаете? По какому признаку можно судить, что протекает химическая реакция?
 |
Подведем итоги
Вопросы, упражнения и задачи
Для чего перед началом работы проверяют наличие всего необходимого для опытов оборудования и обдумывают последовательность выполнения опытов?
По какому свойству вода и уксус сходны, а по какому их легко отличить друг от друга?
О каком веществе можно сказать: твердое вещество, блестящее, красноватого цвета, плотность около 9 г/см3, высокая электропроводность? Где применяется это вещество?
Какие из признаков (свойств): круглый, плоский, овальный, зеленый, газообразный, выпуклый, тяжелый, твердый, растворимый, имеющий определенную температуру плавления – могут быть отнесены:
а) только к предметам (телам);
б) и к телам (предметам), и к веществам?
Предложите несколько признаков (свойств), которыми можно охарактеризовать:
а) вещество; б) тело; в) и тело, и вещество.
Придя домой с одного из первых уроков химии, Юный Химик с удивлением обнаружил, что его просто-таки преследуют химические процессы. Так, цвет изменяют бумага под кисточкой с акварелью, экран включенного телевизора, высыхающие брызги грязи на ботинках; тепло выделяют горящая спичка, батарея отопления и кожа самого Юный Химик; сырой картофель отличается по вкусу от жареного, даже если его обмакнуть в масло; пузырьки газа выделяются из бутылки «Колы», из сдобного теста и с горячей сковороды, на которую попала вода. Отнеся все эти явления к химическим, Юный Химик решил, что химия – самая главная наука и, забросив все остальные предметы, занялся только ею. Какие свои ошибки Юный Химик скоро увидит? Ответ обоснуйте.
Вставьте пропущенные слова:
В результате... явления меняется форма тела или агрегатное состояние вещества. В результате... явления образуется новое вещество.
Процесс фотосинтеза относится к... явлениям, потому что....
Назовите, какие признаки химических реакций появляются: а) при скисании молока; б) при гниении белка;
в) при ржавлении железа; г) при горении спирта в спиртовке.
Какие факты свидетельствуют о том, что работа автомобильного двигателя связана с физическими и химическими явлениями? Ответ поясните.
Безводный сульфат меди – белого цвета. При добавлении к нему воды наблюдается разогревание и получается раствор, окрашенный в голубой цвет. Происходит ли при этом физическое или же химическое явление? Ответ поясните.
 |
продолжается до тех пор, пока вся соль не растворится или пока не выделится весь углекислый газ.
Если посолить нагретую до 70–80°С водопроводную воду, она «вскипает» от выделившихся пузырьков растворенного воздуха. Объяснение этому явлению – то же.
16. Какого цвета соль?
Чистая поваренная соль бесцветна.
«Деликатесная», или «царская», поваренная соль нежно-розового цвета и с приятным ароматом, содержит микроскопические водоросли, попавшие в нее из воды соляного озера. Встречается и соль синего цвета.
В природе синяя поваренная, или каменная, соль – большая редкость. А в лаборатории ее
Рисунок 39. Синяя каменная соль
получить не так уж трудно. Для этого в плотно закрытом сосуде нагревают смесь металлического натрия и поваренной соли. Металл способен растворяться в соли, это и служит причиной появления окраски кристаллов. Кстати, при растворении синих кристаллов в воде образуется бесцветный раствор – совсем как из обычной поваренной соли. В природной каменной соли синяя окраска образуется под действием излучения, сопровождающего радиоактивные превращения.
17. Поиск истины
В английских патентах вплоть до конца XIX в. содержались рекомендации добавлять в закалочную жидкость при обработке железа полевые цветы. Эту курьезную рекомендацию породило незнание действительных причин закаливания стали. Твердость закаленной стали долгое время объясняли превращением содержащегося в ней углерода в алмаз. Более того, в конце XVIII в. французский ученый Гитон де Морво получал сталь (наверное, самую дорогую в мире во все времена!) сильным нагреванием чистого железа с алмазами.
18. Почему зеленеет медь?
Медная посуда и бронзовые изделия покрываются со временем зеленым налетом. Это объясняется тем, что в воздухе всегда присутствуют влага и углекислый газ. Взаимодействуя с ними, медь превращается в соединение зеленого цвета. Это вещество тождественно известному зеленому минералу малахиту. Если надо очистить изделие от зеленого налета, следует подержать его в водном растворе аммиака (нашатырном спирте).
После растворения зеленого налета нужно обязательно промыть поверхность металла для удаления следов аммиака и солей аммония, так как в их присутствии металлическая медь реагирует с кислородом воздуха.
19. Цвет пламени
Некоторые вещества способны окрашивать пламя в непривычные для человека цвета. Это удивительное и захватывающее зрелище, которое можно показать и в классе на уроке химии, и дома своим близким. Ведь изменить цвет огня очень легко. Так, пламя можно окрасить в красный, зеленый, ослепительно-белый цвет. Это явление применяется в производстве фейерверков. Для окраски пламени можно использовать соединения натрия, например, поваренную соль, NaCl. Пламя окрасится в ярко-желтый цвет. Зеленый цвет различных оттенков можно получить
