Предмет химии

Почему железо ржавеет, а золотое украшение долго сохраняет блеск? Почему прозрачными бывают и стекло, и вода, и некоторые пластмассы? Как получить материал, который выдержит нагревание или, наоборот, легко разложится после использования? Такие вопросы связывает химия. Она помогает узнать, из чего состоит окружающий мир, объяснить свойства веществ и управлять их превращениями.

Что изучает химия

Химия — наука о веществах, их составе, строении, свойствах и превращениях, а также о закономерностях этих превращений.

Каждая часть определения отвечает на свой вопрос. Состав показывает, какие химические элементы входят в вещество и в каком соотношении. Строение описывает, как связаны и расположены частицы. Свойства позволяют сравнивать вещества и выбирать способы их применения. Превращения объясняют, как из одних веществ образуются другие и при каких условиях это происходит.

Например, вода состоит из водорода и кислорода. В её молекуле на один атом кислорода приходятся два атома водорода; это передаёт формула H₂O. Однако вода по свойствам отличается от простых веществ водорода и кислорода. Знать только названия элементов недостаточно: важны состав частиц и связи между ними.

Химия тесно связана с физикой, биологией, геологией и экологией. Физика помогает исследовать движение и энергию частиц, биология — превращения в живых организмах, геология — состав минералов. Границы наук не мешают им совместно отвечать на один вопрос: например, почему разрушается металлический мост или как растение образует органические вещества.

Тело, вещество и материал

Физическое тело — отдельный предмет, имеющий форму и размеры. Вещество — то, из чего состоят тела. Материал — вещество или смесь веществ, используемые для изготовления изделий.

Гвоздь — тело, железо — вещество. Реальный стальной гвоздь изготовлен из материала — стали, содержащей железо и другие компоненты. Проволока и пластина могут быть сделаны из одной и той же меди, а одинаковые по форме ложки — из стали, серебра или пластмассы. Поэтому форма предмета сама по себе не определяет его химический состав.

Слова из повседневной речи не всегда обозначают одно вещество. Воздух, древесина, молоко, стекло и большинство пластмасс содержат несколько компонентов. Химик уточняет, идёт ли речь о конкретном веществе, смеси или изделии. Такое уточнение часто оказывается первым шагом решения задачи.

Три основные задачи химика

• Установить состав и свойства. Определить, какие вещества присутствуют в образце и сколько их содержится. Для этого используют наблюдения, измерения и методы анализа.
• Объяснить и предсказать поведение. Связать свойства со строением и выяснить, какие превращения возможны при заданных условиях.
• Получить нужное вещество или материал. Выбрать исходные вещества, условия и способ очистки продукта, оценить расход ресурсов и образование отходов.

Установление состава называют химическим анализом, получение вещества из других веществ — синтезом. Эти задачи дополняют друг друга: после синтеза необходимо проверить, действительно ли получен нужный продукт и насколько он чист.

Как химия получает знания

Наблюдение даёт исходные сведения, но не всегда объясняет их причину. Если железный предмет покрылся бурым налётом, мы видим изменение цвета. Чтобы выяснить роль воды и кислорода, сравнивают образцы в разных, заранее выбранных условиях. При этом стараются изменять один фактор, а остальные сохранять одинаковыми.

Работа строится как последовательность: вопрос, предположение, план проверки, наблюдения и измерения, вывод. Результат должен допускать повторную проверку. Запись «стало теплее» менее точна, чем измеренная разность температур; запись «появились пузырьки» ещё не доказывает образование нового вещества.

Наблюдение и объяснение различаются: сначала записывают, что обнаружено, затем обосновывают вывод. Опыт проводят по согласованной инструкции, с соблюдением правил безопасности.

Неизвестные вещества нельзя пробовать на вкус, смешивать наугад или определять по запаху без разрешённой учителем методики. Цвет и внешний вид также не гарантируют безопасности: похожие порошки и прозрачные жидкости могут иметь совершенно разный состав.

Три разобранные ситуации

1. Можно ли выбрать вещество по прозрачности?

Для защитного экрана рассматривают стекло и прозрачный полимер. Оба пропускают видимый свет, поэтому одного признака недостаточно. Нужно сравнить устойчивость к удару, царапанию, нагреванию и действию веществ. Вывод: материал выбирают по совокупности свойств и условиям использования.

2. Что произошло с водой?

В одном описании вода превратилась в пар, в другом из воды при электролизе получили водород и кислород. В первом случае вещество сохранилось, изменилось агрегатное состояние. Во втором появились другие вещества. Вывод: химическое превращение отличается от изменения формы или состояния образованием новых веществ.

3. Что можно узнать о белом порошке?

На этикетке написано «хлорид натрия», но исследователю нужно проверить образец. Белый цвет согласуется с описанием вещества, однако такой цвет имеют многие соединения. Нужны дополнительные разрешённые проверки и измерения. Вывод: одно совпадение свойств не является надёжным установлением состава.

Где нужны химические знания

В сельском хозяйстве исследуют состав почв и удобрений, в строительстве — свойства цемента и полимеров, в энергетике — процессы в аккумуляторах и топливных элементах. В производстве лекарств химики получают и контролируют вещества, а их лечебное применение изучают совместно с другими специалистами. Очистка воды требует определить загрязнители и подобрать подходящие способы их удаления.

Получить полезный продукт недостаточно. Нужно учитывать затраты энергии, срок службы изделия, возможность переработки и воздействие отходов. Безопасность зависит от свойств вещества, количества, концентрации и условий контакта. Слова «натуральный» и «синтетический» сами по себе не дают оценки безопасности или качества.

Частые ошибки

• Считать химию перечнем формул. Формулы — язык описания состава; задача науки — объяснять и предсказывать явления.
• Путать свойства предмета и вещества. Масса конкретного гвоздя зависит от его размера, а плотность железа сравнивают при заданных условиях.
• Называть любое изменение химическим. Плавление льда и образование ржавчины различаются по результату.
• Делить вещества на «полезные» и «вредные» без условий. Назначение, количество и способ обращения имеют значение.

Проверьте себя

1. Что является телом, а что веществом: медь, медная проволока, капля воды, вода?
2. Почему сведения «бесцветная жидкость» недостаточно для установления вещества?
3. Чем анализ отличается от синтеза? К чему относится проверка состава питьевой воды?
4. Исследователь записал: «После смешивания появились пузырьки, значит образовался кислород». Какая часть записи — наблюдение, а какая требует доказательства?
5. Нужен материал для электрического провода. Почему нельзя выбрать его только по хорошей электропроводности?

Ответы и объяснения

1. Медь и вода — вещества; проволока и капля — тела. Тела отличаются формой и размером, даже если состоят из одного вещества.
2. Бесцветными жидкостями бывают разные вещества и смеси. Нужна совокупность признаков, измеренных в известных условиях.
3. Анализ устанавливает состав, синтез позволяет получить вещество из других веществ. Проверка воды — задача анализа.
4. Появление пузырьков — наблюдение. Вывод о кислороде требует отдельного обоснования: газ может быть другим или выделиться из раствора без химической реакции.
5. Нужны также механическая прочность, возможность изготовления проволоки, устойчивость к условиям эксплуатации и подходящая изоляция. Одно свойство не описывает весь набор требований.

Связанные темы

Продолжите изучение: вещества и их свойства, соединения и смеси, физические и химические явления, работа в химической лаборатории.

Источники

Научные понятия сверены с определением химического вещества IUPAC и материалом OpenStax о задачах и методах химии. Учебные границы соответствуют разделу начальных понятий федеральной рабочей программы для 8–9 классов.