Елементарними частинками фізичної матерії на планеті є атоми. У вільному вигляді вони можуть існувати лише за дуже високих температур. У звичайних умовах елементарні частинки прагнуть поєднання між собою за допомогою хімічних зв'язків: іонної, металевої, ковалентної полярної або неполярної. У такий спосіб утворюються речовини, приклади яких ми розглянемо в нашій статті.
Прості речовини
Процеси взаємодії між собою атомів однієї й тієї ж хімічного елемента закінчуються утворенням хімічних речовин, званих простими. Так, вугілля утворене лише атомами вуглецю, газ водень - атомами гідрогену, а рідка ртуть складається з частинок ртуті. Поняття просту речовину не потрібно ототожнювати з поняттям хімічного елемента. Наприклад, вуглекислий газ складається не з простих речовин вуглецю та кисню, а з елементів карбону та оксигену. Умовно з'єднання, що складаються з атомів одного і того ж елемента, можна поділити на метали та неметали. Розглянемо деякі приклади хімічних властивостей таких речовин.
Метали
Виходячи із положення металевого елемента в періодичній системі, можна виділити такі групи: активні метали, елементи головних підгруп третьої - восьмої груп, метали побічних підгруп четвертої - сьомої груп, а також лантаноїди та актиноїди. Метали - прості речовини, приклади яких ми наведемо далі, мають такі загальні властивості: тепло- та електропровідність, металевий блиск, пластичність та ковкість. Такі характеристики притаманні залізу, алюмінію, міді та іншим. Зі збільшенням порядкового номера у періодах зростають температури кипіння, плавлення, а також твердість металевих елементів. Це стисненням їх атомів, тобто зменшенням радіуса, і навіть накопиченням електронів. Усі параметри металів обумовлені внутрішньою будовою кристалічних ґрат даних сполук. Нижче розглянемо хімічні реакції, а також наведемо приклади властивостей речовин, що належать до металів.
Особливості хімічних реакцій
Усі метали, мають ступінь окислення 0, виявляють лише властивості відновників. Лужні та лужноземельні елементи взаємодіють з водою з утворенням хімічно агресивних основ - лугів:
- 2Na+2H 2 0=2NaOH+H 2
Типова реакція металів – окислення. В результаті сполуки з атомами кисню виникають речовини класу оксидів:
- Zn+O 2 =ZnO
Це бінарні сполуки, що належать до складних речовин. Прикладами основних оксидів є оксиди натрію Na 2 O, CuO міді, кальцію CaO. Вони здатні до взаємодії з кислотами, в результаті в продуктах виявляється сіль та вода:
- MgO+2HCl=MgCl 2 +H 2 O
Речовини класів кислот, основ, солей відносяться до складних сполук та виявляють різноманітні хімічні властивості. Наприклад, між гідроксидами та кислотами відбувається реакція нейтралізації, що призводить до появи солі та води. Склад солей залежатиме від концентрації реагентів: так, при надлишку в реагує суміші кислоти, виходять кислі солі, наприклад, NaHCO 3 - гідрокарбонат натрію, а висока концентрація лугу викликає утворення основних солей, таких як Al(OH) 2 Cl - дигидроксохлорид алюмінію.
Неметали
Найбільш важливі неметалеві елементи знаходяться в підгрупах азоту, карбону, а також відносяться до груп галогенів та халькогенів періодичної системи. Наведемо приклади речовин, що належать до неметалів: це сірка, кисень, азот, хлор. Усі їхні фізичні особливості протилежні властивостям металів. Вони не проводять електричного струму, погано пропускають теплові промені, мають низьку твердість. Взаємодіючи з киснем, неметали утворюють складні сполуки – кислотні оксиди. Останні, реагуючи з кислотами, дають кислоти:
- H 2 O+CO 2 → H 2 CO 3
Типова реакція, характерна для кислотних оксидів - це взаємодія з лугами, що призводить до появи солі та води.
Хімічна активність неметалів у періоді посилюється, це пов'язано зі збільшенням здатності їх атомів притягувати електрони з інших хімічних елементів. У групах спостерігаємо протилежне явище: неметалеві властивості слабшають внаслідок роздування об'єму атома за рахунок додавання нових енергетичних рівнів.
Отже, ми розглянули види хімічних речовин, приклади, що ілюструють їх властивості, становище у періодичній системі.
Поняття речовини вивчається відразу кількома науками. Питання, які є речовини, ми розберемо з двох точок зору - з позиції хімічної науки і з позиції фізики.
Речовина в хімії та фізиці
Хіміки розуміють речовину як фізичну субстанцію з певним набором хімічних елементів. У сучасній фізиці речовина розглядається як вид матерії, який складається з ферміонів або вид матерії, що містить у собі ферміони, бозони, має масу спокою. Зазвичай, речовина повинна складатися з частинок, переважно електронів, протонів і нейтронів. Протони та нейтрони утворюють атомні ядра, а всі разом ці елементи утворюють атоми (атомна речовина).
Властивості речовини
Практично кожна речовина має свій унікальний набір властивостей. Під властивостями розуміють характеристики, що вказують на індивідуальність речовини, яка у свою чергу демонструє його відмінність від решти речовин. Характерними фізико-хімічними властивостями є константи – щільність, різні типи температур, термодинаміка, показники кристалічної структури.
Хімічна класифікація речовин
У хімії поділяють речовини на сполуки та їх суміші. Крім того, слід сказати органічні речовини З'єднання - це набір атомів, які пов'язані один з одним з урахуванням певних закономірностей. При цьому слід зазначити, що межу між сполукою та сумішшю речовин визначити чітко досить складно. Це пов'язано з тим, що науці відомі речовини непостійного складу. Їх скласти точну формулу неможливо. Крім того, з'єднання - це за великим рахунком абстракція, так як в практичному сенсі може бути досягнута тільки кінцева чистота речовини, що вивчається. Будь-який зразок, що існує в реальному житті, - це суміш речовин, але з переважанням однієї речовини з усієї групи. Крім того, слід зазначити, які є органічні речовини. Ця група складних речовин має у складі вуглець (білки, вуглеводи).
Прості та складні речовини
Прості речовини (O2, O3, H2, Cl2) - це речовини, які складаються лише з атомів одного хімічного елемента. Ці речовини є формою існування елементів у вільному вигляді. Інакше кажучи, ці хімічні елементи, які пов'язані коїться з іншими елементами, утворюють прості речовини. Таких речовин науці відомо понад 400 різновидів. Прості речовини класифікують за типом зв'язку між атомами. Так, прості речовини поділяють на метали (Na, Mg, Al, Bi та ін) і неметали (H 2, N 2, Br 2, Si та ін).
Складні речовини - хімічні сполуки, які складаються із зв'язаних один з одним атомів двох і більше елементів. Прості речовини також мають право називатися хімічними сполуками, якщо їх молекули будуть складатися з атомів, з'єднаних ковалентним зв'язком (азот, кисень, бром, фтор). А ось інертні (шляхетні) гази та атомарний водень називати хімічними сполуками буде помилкою.
Фізична класифікація речовин
З погляду фізики речовини існують у кількох агрегатних станах - тіло, рідина та газ. Які тверді речовини, наприклад, видно неозброєним поглядом. Те саме можна сказати і про інший агрегатний стан. Які рідкі речовини є у природі ми зі школи знаємо. Примітно, що така речовина, як вода, може існувати відразу в трьох станах - як лід, рідка вода і пара. Три агрегатні стани речовини не вважаються індивідуальними характеристиками речовин, але відповідають різним, залежним від зовнішніх умов існування речовин. При переході від станів агрегатних станів до реальних станів хімічної речовини можна виявити ряд проміжних типів, які в науці отримали назву аморфних або склоподібних станів, а також стану рідкого кристала та полімерного стану. У зв'язку з цим вчені часто використовують поняття «фаза».
Крім інших, у фізиці розглядають ще й четвертий агрегатний стан хімічної речовини. Це плазма, тобто стан, повністю або частково іонізований, а щільність позитивних та негативних зарядів у цьому стані однакова, тобто плазма електронейтральна. Загалом речовин у природі безліч, але тепер ви знаєте, які бувають речовини, а це набагато важливіше.
Усі хімічні речовини можна поділити на два типи: чисті речовини та суміші (рис. 4.3).
Чисті речовини мають постійний склад і цілком певні хімічні та фізичні властивості. Вони завжди гомогенні (однорідні) за складом (див. нижче). Чисті речовини у свою чергу поділяються на прості речовини (вільні елементи) та сполуки.
Проста речовина (вільний елемент) - це чиста речовина, яка не піддається розподілу на простіші чисті речовини. Елементи прийнято поділяти на метали та неметали (див. гл. 11).
З'єднання-це чиста речовина, що складається з двох або декількох елементів, пов'язаних між собою у постійних та певних відносинах. Наприклад, з'єднання діоксид вуглецю складається з двох елементів - вуглецю та кисню. Діоксид вуглецю незмінно містить 27, 37% вуглецю та 72,73% кисню за масою. Це твердження однаково стосується зразків діоксиду вуглецю, отриманих на Північному полюсі, Південному полюсі, в пустелі Сахара або на Місяці. Таким чином, у діоксиді вуглецю вуглець і кисень завжди пов'язані у постійному та строго певному відношенні.
Мал. 4.3. Класифікація хімічних речовин.
Суміші - це речовини, що складаються з двох чи кількох чистих речовин. Вони мають довільний склад. У деяких випадках суміші складаються з однієї фази і тоді називаються гомогенними (однорідними). Прикладом гомогенної суміші є розчини. В інших випадках суміші складаються з двох або кількох фаз. Тоді вони називаються гетерогенними (неоднорідними). Прикладом гетерогенних сумішей є ґрунт.
Типи частинок. Усі хімічні речовини - прості речовини (елементи), сполуки чи суміші складаються з частинок однієї з трьох типів, із якими ми познайомилися попередніх розділах. Цими частинками є:
атоми (атом складається з електронів, нейтронів та протонів, див. гл. 1; атом кожного елемента характеризується певним числом протонів у його ядрі, і це число називається атомним номером відповідного елемента);
молекули (молекула складається з двох або кількох атомів, пов'язаних між собою в цілісному відношенні);
іони (іон є електрично зарядженим атомом або групою атомів; заряд іона обумовлений приєднанням чи втратою електронів).
Елементарні хімічні частинки. Елементарна хімічна частка - це будь-який хімічно чи ізотопічно індивідуальний атом, молекула, іон, радикал, комплекс тощо, що піддається ідентифікації як окрема видова одиниця. Сукупність однакових хімічних елементарних частинок утворює хімічний вигляд. Хімічні назви, формули та рівняння реакцій можуть залежати від контексту або до елементарних частинок, або до хімічних видів. Введене вище поняття «хімічна речовина» відноситься до хімічного вигляду, який може бути отриманий у достатній кількості, що допускає виявлення його хімічних властивостей.
Усі хімічні речовини можна поділити на два типи: чисті речовини та суміші (рис. 4.3).
Чисті речовини мають постійний склад і цілком певні хімічні та фізичні властивості. Вони завжди гомогенні (однорідні) за складом (див. нижче). Чисті речовини у свою чергу поділяються на прості речовини (вільні елементи) та сполуки.
Проста речовина (вільний елемент)-це чиста речовина, яка не піддається поділу на простіші чисті речовини. Елементи прийнято поділяти на метали та неметали (див. гл. 11).
З'єднання-це чиста речовина, що складається з двох або декількох елементів, пов'язаних між собою у постійних та певних відносинах.Наприклад, з'єднання діоксид вуглецю (CO2) складається з двох елементів - вуглецю та кисню. Діоксид вуглецю незмінно містить 27, 37% вуглецю та 72,73% кисню за масою. Це твердження однаково стосується зразків діоксиду вуглецю, отриманих на Північному полюсі, Південному полюсі, в пустелі Сахара або на Місяці. Таким чином, у діоксиді вуглецю вуглець і кисень завжди пов'язані у постійному та строго певному відношенні.
Мал. 4.3. Класифікація хімічних речовин
Суміші це речовини, що складаються з двох або декількох чистих речовин.Вони мають довільний склад. У деяких випадках суміші складаються з однієї фази і тоді називаються гомогенними (однорідними). Прикладом гомогенної суміші є розчини. В інших випадках суміші складаються з двох або кількох фаз. Тоді вони називаються гетерогенними (неоднорідними). Прикладом гетерогенних сумішей є ґрунт.
Типи частинок. Всі хімічні речовини - прості речовини (елементи), сполуки або суміші - складаються з частинок одного з трьох типів, з якими ми вже познайомилися в попередніх розділах. Цими частинками є:
- атоми (атом складається з електронів, нейтронів та протонів, див. гл. 1; атом кожного елемента характеризується певним числом протонів у його ядрі, і це число називається атомним номером відповідного елемента);
- молекули (молекула складається з двох або кількох атомів, пов'язаних між собою в цілісному відношенні);
- іони (іон є електрично зарядженим атомом або групою атомів; заряд іона обумовлений приєднанням чи втратою електронів).
Елементарні хімічні частинки. Елементарна хімічна частка це будь-який хімічно або ізотопічно індивідуальний атом, молекула, іон, радикал, комплекс і т.п., що піддається ідентифікації як окрема видова одиниця. Сукупність однакових хімічних елементарних частинок утворює хімічний вигляд. Хімічні назви, формули та рівняння реакцій можуть залежати від контексту або до елементарних частинок, або до хімічних видів*. Введене вище поняття хімічна речовина відноситься до хімічного виду, який може бути отриманий у достатній кількості, що припускає його виявлення хімічних властивостей.
Основне питання, на яке має знати відповідь людина для правильного розуміння картини світу – що така речовина в хімії. Дане поняття формується ще у шкільному віці та спрямовує дитину в подальшому розвитку. Приступаючи до вивчення хімії важливо знайти точки дотику з нею на побутовому рівні, це дозволяє наочно та доступно роз'яснити ті чи інші процеси, визначення, властивості тощо.
На жаль, через неідеальність системи освіти, багато хто втрачає деякі фундаментальні ази. Поняття «речовина в хімії» - це своєрідний наріжний камінь, своєчасне засвоєння даного визначення дає людині правильний старт у подальшому розвитку в галузі природознавства.
Формування поняття
Перед тим як перейти до поняття речовини необхідно визначити, чим є предмет хімії. Речовини - це те, що безпосередньо вивчає хімія, їх взаємні перетворення, будову та властивості. У загальному розумінні речовина це те, з чого складаються фізичні тіла.
Отже, у хімії? Сформуємо визначення шляхом переходу від загального поняття до суто хімічного. Речовина - це певний, що обов'язково має масу, яку можна виміряти. Ця характеристика відрізняє речовину від іншого виду матерії - поля, яке маси немає (електричне, магнітне, біополе тощо.). Матерія, у свою чергу, - це те, з чого ми створені і все, що нас оточує.
Дещо інша характеристика матерії, що визначає те, з чого саме вона складається - це вже предмет хімії. Речовини сформовані атомами і молекулами (деякі іонами), отже будь-яка субстанція, що з цих формульних одиниць, і є речовина.
Прості та складні речовини
Після засвоєння базового визначення можна перейти для його ускладнення. Речовини бувають різних рівнів організації, тобто прості і складні (або сполуки) - це перше розподіл на класи речовин, хімія має безліч наступних поділів, докладних і складніших. Ця класифікація, на відміну багатьох інших, має строго певні кордону, кожне з'єднання можна чітко зарахувати до одного з видів, взаємовиключних одне одного.
Проста речовина в хімії - це з'єднання, що складається з атомів лише одного елемента періодичної таблиці Менделєєва. Як правило, це бінарні молекули, тобто які складаються з двох частинок, з'єднаних за допомогою ковалентного неполярного зв'язку - утворення загальної неподіленої електронної пари. Так, атоми одного і того ж хімічного елемента мають ідентичну електронегативність, тобто здатність утримувати загальну електронну щільність, тому вона не зміщена до жодного з учасників зв'язку. Приклади простих речовин (неметали) - водень та кисень, хлор, йод, фтор, азот, сірка тощо. З трьох атомів складається молекула такої речовини, як озон, та якщо з одного - всіх шляхетних газів (аргону, ксенону, гелію тощо.). У металах (магнії, кальції, міді тощо.) існує власний тип зв'язку - металевий, що здійснюється рахунок усуспільнення вільних електронів усередині металу, а утворення молекул як таких немає. При записі речовини металу вказується просто символ хімічного елемента без індексів.
Проста речовина в хімії, приклади якої були наведені вище, відрізняється від складного якісного складу. Хімічні сполуки утворені атомами різних елементів від двох і більше. У таких речовинах є ковалентний полярний або іонний тип зв'язування. Так як різні атоми мають відмінну електронегативність, то при утворенні загальної електронної пари відбувається її зсув у бік більш електронегативного елемента, що призводить до загальної поляризації молекули. Іонний тип - це крайній випадок полярного, коли пара електронів повністю переходить до одного з учасників зв'язування, тоді атоми (або їх групи) перетворюються на іони. Чіткої межі, між цими типами немає, іонний зв'язок можна інтерпретувати як ковалентний сильно полярний. Приклади складних речовин – вода, пісок, скло, солі, оксиди тощо.
Модифікації речовин
Речовини, які називаються простими, насправді мають унікальну особливість, яка не притаманна складним. Деякі хімічні елементи можуть утворювати кілька форм простої речовини. В основі так само лежить один елемент, але кількісний склад, будова і властивості кардинально відрізняють такі утворення. Ця особливість має назву алотропії.
Кисень, сірка, вуглець та інші елементи мають декілька Для кисню - це О 2 і О 3 вуглець дає чотири типи речовин - карбін, алмаз, графіт і фулерени, молекула сірки буває ромбічної, моноклінної та пластичної модифікації. Така проста речовина в хімії, приклади якої не обмежені переліченими вище, має велике значення. Зокрема, фулерени використовуються як напівпровідники в техніці, фоторезистори, добавки для зростання алмазних плівок та інших цілях, а в медицині це найпотужніші антиоксиданти.
Що відбувається із речовинами?
Кожну секунду всередині та навколо відбувається перетворення речовин. Хімія розглядає та пояснює ті процеси, які йдуть з якісною та/або кількісною зміною складу реагуючих молекул. Паралельно часто взаємопов'язано протікають і фізичні перетворення, які характеризуються лише зміною форми, кольору речовин або агрегатного стану та деяких інших характеристик.
Хімічні явища - це реакції взаємодії різних видів, наприклад, сполуки, заміщення, обміну, розкладання, оборотні, екзотермічні, окислювально-відновні і т.д., залежно від зміни параметра, що цікавить. До відносять: випаровування, конденсацію, сублімацію, розчинення, замерзання, електропровідність тощо. Часто вони супроводжують одна одну, наприклад, блискавка під час грози – це фізичний процес, а виділення під її дією озону – хімічний.
Фізичні властивості
Речовина у хімії - це матерія, якій притаманні певні фізичні властивості. За їх наявністю, відсутністю, ступенем та інтенсивністю можна спрогнозувати, як речовина поведеться в тих чи інших умовах, а також пояснити деякі хімічні особливості сполук. Так, наприклад, високі температури кипіння органічних сполук, у яких є водень та електронегативний гетероатом (азот, кисень і т.д.), свідчать про те, що в речовині проявляється такий хімічний тип взаємодії, як водневий зв'язок. Завдяки знанню про те, які речовини мають найкращу здатність проводити електричний струм, кабелі та проводи електропроводки, виготовляються саме з певних металів.
Хімічні властивості
Встановленням, дослідженням та вивченням іншого боку медалі властивостей займається хімія. з її погляду - це їхня реакційна здатність до взаємодії. Деякі речовини вкрай активні у цьому сенсі, наприклад, метали чи будь-які окислювачі, інші, шляхетні (інертні) гази, за нормальних умов реакції практично не вступають. Хімічні властивості можна активувати чи пасивувати за необхідності, іноді це пов'язані з особливими труднощами, а деяких випадках доводиться нелегко. Вчені проводять багато годин в лабораторіях, методом проб і помилок домагаючись поставленої мети, іноді і не досягають їх. Змінюючи параметри довкілля (температуру, тиск тощо.) чи застосовуючи спеціальні сполуки - каталізатори чи інгібітори - можна спричинити хімічні властивості речовин, отже, і перебіг реакції.
Класифікація хімічних речовин
В основі всіх класифікацій лежить поділ сполук на органічні та неорганічні. Головний елемент органіки - це вуглець, з'єднуючись один з одним і гідрогеном, атоми карбону утворюють вуглеводневий скелет, який потім заповнюється іншими атомами (киснем, азотом, фосфором, сіркою, галогенами, металами та іншими), замикається в цикли або розгалужується, обґрунтовуючи тим самим велика різноманітність органічних сполук. На сьогоднішній день науці відомі 20 мільйонів таких речовин. У той час як мінеральних сполук лише півмільйона.
Кожне з'єднання індивідуальне, але має й безліч схожих рис з іншими властивостями, будовою та складом, на цій основі відбувається угруповання в класи речовин. Хімія має високий рівень систематизації та організації, це точна наука.
Неорганічні речовини
1. Оксиди - бінарні сполуки з киснем:
а) кислотні – при взаємодії з водою дають кислоту;
б) основні – при взаємодії з водою дають основу.
2. Кислоти - речовини, що складаються з одного або кількох протонів водню та кислотного залишку.
3. Основи (луги) - складаються з однієї або кількох гідроксильних груп та атома металу:
а) амфотерні гідроксиди - виявляють властивості і кислот та основ.
4. Солі - результат між кислотою та лугом (розчинною основою), складаються з атома металу та одного або декількох кислотних залишків:
а) кислі солі – аніон кислотного залишку має у складі протон, результат неповної дисоціації кислоти;
б) основні солі – з металом пов'язана гідроксильна група, результат неповної дисоціації основи.
Органічні сполуки
Класів речовин в органіці безліч, такий обсяг інформації складно відразу запам'ятати. Головне, знати основні поділи на аліфатичні та циклічні сполуки, карбоциклічні та гетероциклічні, граничні та ненасичені. Також вуглеводні мають безліч похідних, в яких атом гідрогену заміщений на галоген, кисень, азот та інші атоми, а також функціональні групи.
Речовина в хімії – це основа існування. Завдяки органічному синтезу людина на сьогоднішній день має величезну кількість штучних речовин, що замінюють натуральні, а також не мають аналогів за своїми характеристиками у природі.