1.3. види матерії
Людину оточують матеріальні об'єкти ( Мал. 1.1 ), Такі, наприклад, як кам'яна стіна або стіл. Хіміка насамперед цікавлять не самі об'єкти, а види матерії, з якої вони складаються. Його цікавить деревина як матеріал (вид матерії), якщо вона використана для виготовлення столу або стільця. Його цікавить граніт, якщо з нього викладена стіна або виготовлений будь-якої предмет. Таким чином, хіміка цікавлять переважно ті властивості (характерні якості) матеріалу, що не залежать від особливостей об'єкта, виготовленого з нього.
Слово матеріал застосовують для визначення будь-яких видів речовини, як гомогенного (однорідного), так і гетерогенного (неоднорідного).
Мал. 1.1. Схематичне зіставлення різних об'єктів, що мають розміри від 10-15 м (діаметр протона) до 1025 м (радіус Всесвіту - відстань до найвіддаленішої з нині відомих галактик).
Мал. 1.2. Мікрофотографія відполірованою і протравленою поверхні зразка ковкого чавуну, на якій видно дрібні зерна заліза і великі сферичні частинки графіту (вуглецю). Зерна заліза виглядають неоднаково внаслідок різної освітленості. Знімок зроблений при стократному лінійному збільшенні; це означає, що на знімку все лінійні розміри показані в 100 разів більше дійсних.
Властивості гомогенного матеріалу у всіх частинах однакові.
Гетерогенний матеріал складається з частин з різними властивостями.
Деревина з чергуються м'якими і твердими кільцями явно гетерогенний матеріал, так само як граніт, в якому можна розрізнити зерна трьох різних речовин (мінералів * кварцу, слюди і польового шпату).
Гетерогенні матеріали являють собою суміш двох або кількох гомогенних матеріалів, наприклад трьох мінералів - кварцу, слюди і польового шпату, - які утворюють скельний граніт, будучи самі по собі гомогенними матеріалами.
фази
Матеріальну систему (т. Е. Будь-яку обмежену частину Всесвіту) можна описати, користуючись уявленням про фазах, що утворюють дану систему. Фаза - гомогенна частина системи, відокремлена від інших частин фізичними кордонами. Так, якщо посудина частково заповнений водою, в якій плаває лід, то така система складається з трьох фаз: льоду (тверда фаза), води (рідка фаза) і повітря (газоподібна фаза). Шматочок ковкого чавуну, як можна бачити під мікроскопом, є сумішшю дрібних зерен заліза і частинок графіту (форма вуглецю); чавун складається, отже, з двох фаз: заліза і графіту ( Мал. 1.2 ).
Будь-яка фаза в тій чи іншій системі включає всі частини даної системи, що володіють однаковими властивостями і складом. Так, якби в описаній вище системі було кілька шматків льоду, то вони утворили б не кілька фаз, а одну фазу - фазу льоду.
види визначень
Визначення можуть бути як строгими, так і нестрогими. Математик може точно встановити значення слів, якими він користується, і в ході подальших міркувань він строго дотримується певного значення кожного слова. У той же час словами, вживаним при описі складних за своїм характером явищ природи, не можна надати точного значення. Визначаючи зміст таких слів, намагаються описати загальноприйняте їх значення.
Так, часом важко вирішити, чи є даний матеріал гомогенним або гетерогенним. Цілком очевидно, що шматок граніту, в якому можна розрізнити зерна трьох різних видів речовини, являє собою суміш. Емульсія жиру в воді (суспензія найдрібніших крапельок жиру в воді, молоко) також є сумішшю. Гетерогенність шматка граніту можна визначити візуально. Гетерогенність молока можна виявити тільки при розгляданні краплі молока під мікроскопом.
Речовини і розчини
Дамо тепер визначення словами речовина і розчин.
Речовина - гомогенний матеріал, який має певний хімічний склад.
Розчин - гомогенний матеріал, який не має певного складу **.
Чистий сіль, чистий цукор, чисте залізо, чиста мідь, чиста сірка, чиста вода, чистий кисень і чистий водень - речовини. Кварц також речовина.
Однак відповідно до цього вище визначенням розчин цукру у воді не є речовиною. Розчин, без сумніву, гомогенен, але він не задовольняє другій частині визначення, оскільки його склад не постійний, а змінюється в широких межах залежно від кількості цукру, яке розчиняють в даній кількості води. Бензин також не є чистою речовиною; це розчин декількох речовин.
Практично всі речовини в тій чи іншій мірі забруднені, і для багатьох хімічних цілей ступінь чистоти і методи очищення і аналізу слід особливо вказувати. Крім того, існує багато матеріалів, які відносять до речовин при допущенні, що їх хімічний склад може змінюватися лише у вузьких межах. Прикладом може служити сульфід заліза, що утворюється при нагріванні заліза з сіркою. Вміст сірки в цьому гомогенному матеріалі залежить від способу отримання та становить приблизно 35-39%.
Елементи і з'єднання
Речовини подразделяютна елементарні (прості) та з'єднання.
Речовина, яке можна розкласти на два або кілька інших речовин, називають з'єднанням.
Речовина, яке не можна розкласти, називають елементарним речовиною (елементом) 3 *.
Кухонну сіль можна розкласти електричним струмом на два речовини - натрій і хлор. Отже, сіль - з'єднання.
Воду можна розкласти електричним струмом також на два речовини - водень і кисень. Отже, вода - з'єднання. Окис ртуті (II) можна розкласти нагріванням на ртуть і кисень. Отже, окис ртуті (II) -З'єднання.
Але до сих пір нікому не вдалося розкласти натрій, хлор, водень, кисень або ртуть на інші вещества4 *. Отже, ці п'ять речовин слід вважати елементарними речовинами (елементами).
В даний час (1975 г.) відомо 106 елементов5 *. Багато сотень тисяч з'єднань цих елементів виявлено в природі або отримано в лабораторії.
Процес розкладання сполуки на два або кілька найпростіших речовин іноді називають аналізом. Зворотний процес утворення речовини в результаті з'єднання двох або декількох речовин називають синтезом.
Склад з'єднання можна визначити шляхом аналізу. Так, можна виконати якісний аналіз кухонної солі шляхом розкладання її електричним струмом і визначення продуктів розкладання - натрію і хлору; тоді хімік може сказати, що сіль складається з двох елементів-натрію і хлору. Щоб виконати кількісний аналіз, йому треба буде зважити ці речовини; тоді він може сказати, що сіль містить 39,4% натрію і 60,6% хлору.
Наша класифікація матеріальних об'єктів схематично показана на Мал. 1.3 . Читачеві корисно уважно перевірити цю схему. Чи можна дати визначення всім наведеним на схемі словами? Чи можна привести два-три приклади для кожного з шести видів матеріалів, з яких може складатися той чи інший об'єкт? Чи можна назвати один-два матеріали, які важко строго класифікувати?
Приклад 1.1.
Классифицируйте перераховані нижче матеріали; в кожному випадку вкажіть, гомогенний це або гетерогенний матеріал, речовина або розчин, з'єднання або елемент:
а) лід
б) алмаз
в) кленовий сік
г) чистий цукор
д) кров
Рішення.
а) Лід гомогенен; ця речовина - хімічна сполука елементів кисню і водню.
б) Мінерал алмаз гомогенне кристалічна речовина, форма елемента вуглецю.
в) Кленовий сік-гомогенний раствсф цукру та інших речовин у воді.
г) Чистий цукор гомогенен, ця речовина - хімічна сполука елементів вуглецю, водню і кисню.
д) Кров гетерогенна, оскільки містить еритроцити і лейкоцити (формені елементи крові), а також інші клітини і багато розчинені речовини.
Мал. 1.3. Види речовин.
* Мінералів називають будь-який гомогенний матеріал, що зустрічається в природі як продукт неорганічних процесів (т. Е. Мінерал не є продуктом діяльності живих організмів).
** Слово розчин зазвичай використовують для рідких розчинів. Хіміки застосовують також терміни газові розчини (суміші двох або кількох чистих газів) і тверді розчини (наприклад, сплав золота з міддю).
3 * В зв'язку з відкриттям радіоактивності довелося дещо змінити ці визначення (див. Гл. 20).
4 * У даному викладі слово «речовина» використовується без урахування уявлень про електрони і ядрах атомів. Атоми натрію і інших елементів можна розкласти на фундаментальні частинки (гл. 3 і 20).
5 * За даними на 1978 р відомо 107 елементів. - Прим. перев.
Чи можна дати визначення всім наведеним на схемі словами?Чи можна привести два-три приклади для кожного з шести видів матеріалів, з яких може складатися той чи інший об'єкт?
Чи можна назвати один-два матеріали, які важко строго класифікувати?