Вещества и их свойства
Два белых порошка могут выглядеть одинаково, но один растворится в воде, другой почти не растворится. Прозрачный стакан и прозрачная пластмассовая линейка пропускают свет, однако по-разному выдерживают нагревание и изгиб. Чтобы сравнивать вещества и выбирать материалы, химики описывают их свойства и обязательно указывают условия наблюдения.
Что такое вещество
Химическое вещество характеризуется определённым составом и свойствами. Физическое тело — отдельный предмет, состоящий из вещества или смеси веществ.
Капля и ледяной кубик — разные тела, но оба могут состоять из воды. Алюминиевая ложка и алюминиевая фольга различаются формой и размером. Их нельзя считать разными веществами только из-за различия предметов. В то же время обычное стекло, древесина, сталь и воздух содержат несколько компонентов, поэтому не всякий бытовой материал является одним чистым веществом.
Для описания образца нужно различать его количество и характеристики вещества. Масса двух медных пластин может отличаться в десять раз. Плотность однородной меди при одинаковых температуре и давлении от размера пластин практически не зависит. Это позволяет сравнивать вещества, а не только конкретные предметы.
Физические и химические свойства
Физические свойства характеризуют вещество без превращения в другое вещество. Химические свойства описывают его способность участвовать в химических превращениях.
Цвет, плотность, растворимость и температура плавления относятся к физическим свойствам. Способность гореть, реагировать с кислотой или окисляться на воздухе — к химическим. Чтобы установить температуру плавления, образец приходится изменить, но само вещество при плавлении сохраняется. Значит, физическое свойство не обязательно наблюдают без какого-либо изменения образца.
Свойство и явление — разные понятия. «Медь проводит электрический ток» — описание свойства. «По медному проводнику проходит ток» — описание происходящего процесса. «Железо способно ржаветь» — химическое свойство, а образование ржавчины на конкретной ограде — химическое явление.
Как описывать физические свойства
| Свойство | Что выясняют | Важное уточнение |
|---|---|---|
| Агрегатное состояние | Твёрдое, жидкое или газообразное | Указывают температуру и давление: вода может быть льдом, жидкостью и паром. |
| Цвет, прозрачность, блеск | Как образец взаимодействует с видимым светом | Вид зависит также от поверхности, размера частиц и примесей. |
| Плотность | Масса единицы объёма | Указывают единицы, температуру и, особенно для газа, давление. |
| Растворимость | Сколько вещества может раствориться | Называют растворитель и температуру. «Растворимо» не означает «растворяется мгновенно». |
| Температуры плавления и кипения | Условия переходов между состояниями | Температура кипения зависит от давления; примеси могут менять температуры переходов. |
| Электро- и теплопроводность | Способность проводить ток и передавать тепло | Это разные свойства; сравнение проводят в указанных условиях. |
| Твёрдость, пластичность, хрупкость | Сопротивление царапанию или деформации, способность разрушаться | Твёрдый материал не обязательно устойчив к удару. |
Запах тоже является характеристикой, но неизвестные вещества нельзя самостоятельно нюхать или пробовать на вкус. В школьной работе используют этикетку, справочные данные и разрешённые учителем наблюдения. Обычные названия и внешний вид не заменяют проверку состава.
Твёрдость по Моосу
Для минералов часто используют шкалу Мооса: более твёрдый образец царапает менее твёрдый. Эталонные минералы расположены по возрастанию сопротивления царапанию.
| Число Мооса | Эталонный минерал | Число Мооса | Эталонный минерал |
|---|---|---|---|
| 1 | Тальк | 6 | Ортоклаз |
| 2 | Гипс | 7 | Кварц |
| 3 | Кальцит | 8 | Топаз |
| 4 | Флюорит | 9 | Корунд |
| 5 | Апатит | 10 | Алмаз |
Это порядковая шкала, а не линейная мера: число 10 не означает, что алмаз ровно вдвое твёрже апатита. Алмаз очень устойчив к царапанию, но может расколоться при ударе. Хрупкость, твёрдость и прочность нельзя заменять друг другом.
Почему нужно указывать условия
Сравнивать численные свойства веществ нужно при известных условиях. Один внешний признак обычно не позволяет надёжно определить вещество.
При обычном атмосферном давлении, приблизительно 101,3 кПа, чистая вода плавится около 0 °C и кипит около 100 °C. В горах давление ниже, поэтому вода кипит при более низкой температуре. Плотность жидкой воды около 4 °C составляет приблизительно 1,00 г/см3; при другой температуре значение меняется.
Чистая вода плохо проводит электрический ток. Заметная проводимость водопроводной воды связана прежде всего с растворёнными ионами. Поэтому фраза «вода проводит ток» без уточнения состава образца слишком груба. При этом реальную воду и электрические приборы всегда рассматривают с учётом правил безопасности.
Три разобранных примера
1. Что узнаём по плотности?
Масса однородного металлического образца равна 54 г, объём — 20 см3. В учебном примере величины считаем известными без погрешности:
ρ = m/V = 54 г / 20 см3 = 2,7 г/см3.
Значение близко к плотности алюминия при комнатной температуре. Это аргумент в пользу предположения, но не окончательное доказательство: нужно учесть точность измерений, состав и другие признаки. В формуле ρ обозначает плотность, m — массу, V — объём.
2. Изменилось ли вещество при плавлении?
Лёд стал жидкой водой. Изменились состояние, форма и плотность, но химическое вещество осталось водой. Температура плавления — физическое свойство. Если из воды получают водород и кислород, это уже превращение в другие вещества.
3. Почему металлическую ложку легко почувствовать горячей?
В горячем напитке тепло распространяется по металлической ложке. Это проявление теплопроводности, а не химической реакции. По такому наблюдению нельзя заключить, что ложка плавится или превращается в другое вещество. Чтобы выбрать материал ручки, сравнивают также её нагревание, прочность и устойчивость к условиям использования.
Частые ошибки
- Называть массу порции постоянным свойством вещества: масса меняется вместе с количеством образца.
- Считать отсутствие видимых крупинок доказательством чистоты: раствор соли прозрачен, но является смесью.
- Путать растворимость и скорость растворения: измельчение часто ускоряет процесс, но не делает любое вещество неограниченно растворимым.
- Сравнивать температуры кипения без давления или плотности газов без температуры.
- Определять химические свойства по одному цвету. Цвет — физический признак; способность реагировать устанавливают отдельно.
Проверьте себя
- Выберите химические свойства: голубой цвет, способность гореть, плотность, способность реагировать с кислотой.
- Две порции чистой воды при одинаковой температуре имеют объёмы 10 и 100 мл. Должны ли их массы и плотности быть одинаковыми?
- В учебном примере масса образца 78 г, объём 10 см3. Найдите плотность.
- Почему твёрдость алмаза 10 не означает, что он не может расколоться?
- Ученик сравнил кипение воды на уровне моря и в горах и решил, что это разные вещества. Какую информацию он не учёл?
Ответы и объяснения
- Горение и взаимодействие с кислотой — химические свойства, поскольку речь идёт о превращениях веществ. Цвет и плотность — физические.
- У большей порции масса приблизительно в десять раз больше. Плотности при одинаковых условиях практически равны: плотность не является массой всей порции.
- Принимая данные без погрешности, получаем:
ρ = 78 г / 10 см3 = 7,8 г/см3.
- Шкала Мооса характеризует сопротивление царапанию. Устойчивость к удару и раскалыванию — другие характеристики.
- Он не учёл давление. Разные температуры кипения при разных давлениях не доказывают различия химического состава.
Связанные темы
Далее: чистые вещества и смеси, физические и химические явления, атомы, молекулы и ионы.
Источники
Определение вещества: IUPAC Gold Book. Условия и свойства воды: USGS о плотности и основные сведения о воде. Различие твёрдости и устойчивости к разрушению: Геммологический институт Америки (GIA).