1.2: Сучасна хімія

Last updated
Save as PDF

Page ID: 25278

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Мета навчання

Вивчіть основні терміни, що використовуються для опису матерії

Визначення хімії - вивчення взаємодії речовини з іншою речовиною та енергією - використовує деякі терміни, які також слід визначити. Почнемо вивчення хімії з визначення основних термінів.

Матерія

Матерія - це все, що має масу і займає простір. Книга - це матерія, комп'ютер - матерія, їжа - це матерія, а бруд у землі - це матерія. Іноді матерію може бути важко ідентифікувати. Наприклад, повітря - це матерія, але оскільки воно настільки тонке порівняно з іншими речовинами (наприклад, книгою, комп'ютером, їжею та брудом), ми іноді забуваємо, що повітря має масу і займає простір. Речі, які не мають значення, включають думки, ідеї, емоції та надії.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Що з наступного має значення, а не має значення?

хот-дог
кохання
дерево

Рішення

Хот-дог має масу і займає місце, тому має значення.
Любов - це емоція, а емоції не мають значення.
Дерево має масу і займає простір, тому воно має значення.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Що з наступного має значення, а не має значення?

Місяць
ідея для нового винаходу

Відповідь на: Місяць - це матерія.
Відповідь б: Сам винахід може бути матерією, але ідея для нього не є.

Щоб зрозуміти матерію і як вона змінюється, нам потрібно вміти описувати матерію. Існує два основних способи опису речовини: фізичні властивості та хімічні властивості.

Фізичні властивості

Фізичні властивості - це характеристики, які описують матерію, як вона існує. Деякі фізичні характеристики речовини - це форма, колір, розмір та температура. Важливою фізичною властивістю є фаза (або стан) речовини. Три основні фази речовини - тверда, рідина та газ (рис.\(\PageIndex{1}\)).

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Фази матерії. Хімія розпізнає три основні фази речовини: тверду (зліва), рідку (середню) та газову (праворуч). (CC BY-SA 3.0; Дух 469)

Хімічні властивості

Хімічні властивості - це характеристики речовини, які описують, як матерія змінюється форма в присутності іншої речовини. Чи згорає зразок речовини? Горіння - це хімічна властивість. Чи поводиться він бурхливо, коли його кладуть у воду? Ця реакція також має хімічну властивість (рис.\(\PageIndex{2}\)). У наступних розділах ми побачимо, як описи фізичних та хімічних властивостей є важливими аспектами хімії.

Запалений сірник енергійно горить. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Хімічні властивості. Те, що цей сірник горить, є хімічною властивістю сірника. (Себастьян Ріттер (Rise0011)).

Фізичні зміни

Фізична зміна відбувається, коли зразок речовини змінює одне або кілька своїх фізичних властивостей. Наприклад, тверда речовина може розплавитися (рис.\(\PageIndex{3}\)), або спирт в термометрі може змінювати обсяг в міру зміни температури. Фізична зміна не впливає на хімічний склад речовини.

Хімічна зміна

Хімічна зміна - це процес демонстрації хімічної властивості, наприклад спалювання сірника на малюнку\(\PageIndex{2}\) «Хімічні властивості». У міру згоряння матерії в сірнику змінюється її хімічний склад, і створюються нові форми речовини з новими фізичними властивостями. Зверніть увагу, що хімічні зміни часто супроводжуються фізичними змінами, оскільки нова речовина, ймовірно, матиме різні фізичні властивості від вихідної речовини.

Приклад\(\PageIndex{2}\)

Опишіть кожен процес як фізичну зміну або хімічну зміну.

Вода в повітрі перетворюється в сніг.
У людини стрижуться волосся.
Хлібне тісто стає прісним хлібом в духовці.

Рішення

Оскільки вода переходить від газової фази до твердої фази, це фізична зміна.
Ваші довге волосся коротшають. Це фізична зміна.
Через температуру печі в хлібному тісті відбуваються хімічні зміни, щоб зробити свіжий хліб. Це хімічні зміни. (Насправді багато приготування їжі передбачає хімічні зміни.)

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Визначте кожен процес як фізичну зміну або хімічну зміну.

У каміні вирує пожежа.
Воду підігрівають, щоб вийшла чашка кави.

Відповідь на: хімічна зміна
Відповідь б: фізична зміна

Речовина

Зразок речовини, який має однакові фізико-хімічні властивості у всьому, називається речовиною. Іноді використовується фраза чиста речовина, але слово чисте не потрібне. Визначення терміна речовина є прикладом того, як хімія має конкретне визначення слова, яке вживається в повсякденній мові з іншим, більш розпливчастим визначенням. Тут ми будемо використовувати термін речовина з його суворим хімічним визначенням.

Хімія розпізнає два різних типи речовин: елементи і сполуки.

Елемент

Елемент - найпростіший тип хімічної речовини; його неможливо розбити на простіші хімічні речовини звичайними хімічними засобами. Науці відомо 118 елементів, з яких 80 є стабільними. (Інші елементи радіоактивні, умова, яку ми розглянемо в главі 15.) Кожен елемент має свій унікальний набір фізико-хімічних властивостей. Приклади елементів включають залізо, вуглець та золото.

З'єднання

З'єднання - це поєднання більш ніж одного елемента. Фізико-хімічні властивості сполуки відрізняються від фізико-хімічних властивостей його складових елементів, тобто воно поводиться як зовсім інша речовина. Відомо понад 50 мільйонів сполук, і більше виявляються щодня. Приклади сполук включають воду, пеніцилін та хлорид натрію (хімічна назва звичайної кухонної солі).

Суміші

Фізичні поєднання більш ніж однієї речовини називаються сумішами. Елементи і сполуки - не єдині способи, в яких може бути присутнім матерія. Ми часто стикаємося з об'єктами, які є фізичними комбінаціями більш ніж одного елемента або сполуки - сумішей. Існує два види сумішей.

гетерогенна суміш

Гетерогенна суміш являє собою суміш, що складається з двох і більше речовин. Легко сказати, іноді неозброєним оком, що присутній не одна речовина.

Однорідна суміш/розчин

Гомогенна суміш являє собою поєднання двох і більше речовин, які настільки тісно перемішуються, що суміш поводиться як єдина речовина. Інше слово для однорідної суміші - розчин. Таким чином, поєднання солі та сталевої вати є неоднорідною сумішшю, оскільки легко побачити, які частинки речовини є кристалами солі, а які - сталевою ватою. З іншого боку, якщо взяти кристали солі і розчинити їх у воді, дуже важко сказати, що у вас є більше однієї речовини, просто дивлячись - навіть якщо ви використовуєте потужний мікроскоп. Сіль, розчинена у воді, являє собою однорідну суміш, або розчин (рис.\(\PageIndex{3}\)).

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Види сумішей © Thinkstock. Зліва комбінація двох речовин є неоднорідною сумішшю, оскільки частинки двох компонентів виглядають по-різному. Праворуч кристали солі настільки дрібно розчинилися у воді, що ви не можете сказати, що сіль присутня. Однорідна суміш виглядає як одна речовина.

Приклад\(\PageIndex{3}\)

Визначте такі комбінації як гетерогенні суміші або однорідні суміші.

газована вода (вуглекислий газ розчиняється у воді)
суміш залізних металевих опилок і сірчаного порошку (як залізо, так і сірка є елементами)

Рішення

Оскільки вуглекислий газ розчиняється у воді, ми можемо зробити висновок з поведінки розчинених у воді кристалів солі, що вуглекислий газ, розчинений у воді, є (також) однорідною сумішшю.
Припускаючи, що залізо і сірка просто змішані між собою, повинно бути легко побачити, що таке залізо, а що таке сірка, так це неоднорідна суміш.

Вправа\(\PageIndex{3}\)

людське тіло
амальгама, поєднання деяких інших металів, розчинених у невеликій кількості ртуті

Відповідь на: неоднорідна суміш
Відповідь б: однорідна суміш

Є й інші дескриптори, які ми можемо використовувати для опису матерії, особливо елементів. Зазвичай ми можемо розділити елементи на метали та неметали, і кожен набір має певні (але не завжди всі) властивості.

Металеві

Метал - це елемент, який добре проводить електрику і тепло і блискучий, сріблястий, твердий, пластичний і податливий. При кімнатній температурі метали тверді (хоча ртуть є відомим винятком). Метал пластичний, оскільки його можна втягнути в тонкі дроти (властивість, яка називається пластичністю); і ковкий, оскільки його можна розтерти в тонкі листи (властивість, яка називається ковкістю).

Неметалічні

Неметал - це елемент, який крихкий, коли твердий, і не дуже добре проводить електрику або тепло. Неметали не можуть бути виготовлені в тонкі листи або дроти (рис.\(\PageIndex{4}\)). Неметали також існують у різних фазах і кольорах при кімнатній температурі.

Напівметали

Деякі елементи мають властивості як металів, так і неметалів і називаються напівметалами (або металоїдами). Пізніше ми побачимо, як ці описи можна досить легко привласнити різним елементам.

Описання матерії блок-схема

«Описання матерії» - це блок-схема взаємозв'язків між різними способами опису матерії.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Опис матерії. Ця блок-схема показує, як матерія може бути описана.

Приклад\(\PageIndex{1}\): Chemistry is Everywhere: In the Morning

У більшості людей є ранковий ритуал, процес, який вони проходять щоранку, щоб підготуватися до дня. Хімія з'являється в багатьох з цих видів діяльності.

Якщо ви приймаєте душ або ванну вранці, ви, ймовірно, використовуєте мило, шампунь або обидва. Ці елементи містять хімічні речовини, які взаємодіють з маслом і брудом на вашому тілі та волоссі, щоб видалити їх і змити. Багато з цих продуктів також містять хімічні речовини, які змушують вас добре пахнути; їх називають ароматами.
Коли ви чистите зуби вранці, ви зазвичай використовуєте зубну пасту, форму мила, для чищення зубів. Зубні пасти зазвичай містять крихітні тверді частинки, які називаються абразивами, які фізично чищають зуби. Багато зубних паст також містять фтор - речовину, яка хімічно взаємодіє з поверхнею зубів, щоб запобігти порожнинам.
Можливо, ви щоранку приймаєте вітаміни, добавки або ліки. Вітаміни та інші добавки містять хімічні речовини, необхідні вашому організму в невеликих кількостях, щоб нормально функціонувати. Ліки - це хімічні речовини, які допомагають боротися з хворобами і зміцнюють здоров'я.
Можливо, ви зробите якусь яєчню на сніданок. Смаження яєць передбачає нагрівання їх настільки, щоб відбулася хімічна реакція на варіння яєць.
Після того, як ви їсте, їжа у вашому шлунку хімічно реагує так, що організм (в основному кишечник) може поглинати їжу, воду та інші поживні речовини.
Якщо ви їдете або їдете на автобусі до школи чи роботи, ви використовуєте транспортний засіб, який, ймовірно, спалює бензин, матеріал, який досить легко горить і забезпечує енергію для живлення транспортного засобу. Нагадаємо, що горіння - це хімічна зміна.

Це лише кілька прикладів того, як хімія впливає на ваше повсякденне життя. І ми ще навіть не зробили це на обід!

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Хімія в реальному житті © Thinkstock. Приклади хімії можна знайти скрізь - в засобах особистої гігієни, продуктах харчування та автотранспортних засобах.

Ключові виноси

Хімія - це вивчення речовини та її взаємодії з іншими речовинами та енергією.
Матерія - це все, що має масу і займає простір.
Матерія може бути описана з точки зору фізичних властивостей і хімічних властивостей.
Фізичні властивості і хімічні властивості речовини можуть змінюватися.
Матерія складається з елементів і з'єднань.
Комбінації різних речовин називаються сумішами.
Елементи можуть бути описані як метали, неметали та напівметали.