1.4: Хімія - вивчення речовини та її змін

Last updated
Save as PDF

Page ID: 20194

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

Цілі навчання

Відокремити фізичні від хімічних властивостей.
Позначте зміну як хімічну або фізичну.

C h емістерія - це вивчення матерії - з чого вона складається, які її властивості та як вона змінюється. Матерія - це все, що має масу і займає простір - тобто все, що є реальним фізичним союзником. Деякі речі легко ідентифікуються як матерія - наприклад, екран, на якому ви читаєте цю книгу. Інші не настільки очевидні. Оскільки ми так легко рухаємося по повітрю, ми іноді забуваємо, що це теж матерія. Через це хімія - це наука, яка має свої пальці майже у всьому. Навіть опис інгредієнтів в торті, і як ці інгредієнти змінюються, коли торт випікається, - це хімія!

Фізико-хімічні властивості

Вся матерія має фізико-хімічні властивості. Фізичні властивості - це характеристики, які вчені можуть виміряти, не змінюючи складу досліджуваного зразка, такі як маса, колір і обсяг (кількість місця, зайнятого зразком). Хімічні властивості описують характерну здатність речовини реагувати з утворенням нових речовин; до них відносять його горючість і сприйнятливість до корозії. Всі зразки чистої речовини мають однакові хімічні і фізичні властивості. Наприклад, чиста мідь завжди червонувато-коричнева тверда речовина (фізична властивість) і завжди розчиняється в розведеній азотній кислоті, утворюючи синій розчин і коричневий газ (хімічна властивість).

Фізична власність

Фізична властивість - це характеристика речовини, яку можна спостерігати або вимірювати без зміни ідентичності речовини. Срібло - блискучий метал, який дуже добре проводить електрику. Його можна формувати в тонкі листи - властивість, яка називається ковкістю. Сіль тьмяна і крихка і проводить електрику, коли її розчиняють у воді, що робить досить легко. Фізичні властивості речовини включають колір, твердість, ковкість, розчинність, електропровідність, щільність, температуру плавлення та температуру кипіння. У таблиці зверніть увагу\(\PageIndex{1}\), що кукурудзяна олія має менший коефіцієнт маси до обсягу, ніж вода. Це означає, що при додаванні в воду кукурудзяна олія буде «плавати».

Таблиця\(\PageIndex{1}\) щільності поширених речовин
Речовина	Щільність при 25° C (г/см3)
крові	1.035
жирових відкладень	0,918
незбиране молоко	1.030
кукурудзяна олія	0,922
майонез	0,910
мед	1.420

Твердість допомагає визначити, як елемент (особливо метал) може бути використаний. Багато елементів досить м'які (наприклад, срібло і золото), тоді як інші (такі як титан, вольфрам і хром) набагато твердіше. Вуглець - цікавий приклад твердості. У графіті («свинець», який міститься в олівцях) вуглець дуже м'який, тоді як вуглець у алмазі приблизно в сім разів твердий.

\(\PageIndex{1}\)Малюнок. Олівець (зверху) і кільце з діамантом (знизу). Обидва є формою вуглецю, але проявляють дуже різні фізичні властивості.

Точки плавлення та кипіння є дещо унікальними ідентифікаторами, особливо сполук. Крім того, що дає деяке уявлення про ідентичність з'єднання, можна отримати важливу інформацію про чистоту матеріалу.

Хімічна властивість

Хімічна властивість речовини описує його «потенціал» зазнати деяких хімічних змін або реакції в силу свого складу; а також те, що елементи, електрони та зв'язок присутні, щоб дати потенціал для хімічних змін. Визначити хімічну властивість без використання слова «змінити» досить складно. Зрештою, студенти хімії повинні вміти дивитися на формулу сполуки і заявити хімічну властивість. Наприклад, водень може зайняти і вибухнути, враховуючи правильні умови - це хімічна властивість. Метали взагалі мають хімічну властивість вступати в реакцію з кислотами. Цинк реагує з соляною кислотою, утворюючи водневий газ - це хімічна властивість.

Малюнок\(\PageIndex{2}\) Важка іржа на ланках ланцюга біля мосту Золоті Ворота в Сан-Франциско; вона постійно піддавалася впливу вологи та сольових бризок, спричиняючи руйнування поверхні, розтріскування та відшаровування металу. (КУБ.СМ ЗА 3,0;).

Хімічна властивість заліза полягає в тому, що воно здатне поєднуватися з киснем утворювати оксид заліза, хімічна назва іржі (рис.\(\PageIndex{2}\)). Більш загальним терміном для іржавіння та інших подібних процесів є корозія. Інші терміни, які зазвичай використовуються в описі хімічних змін, - це опік, гниття, вибух, розкладання та бродіння. Хімічні властивості дуже корисні при виявленні речовин. Однак, на відміну від фізичних властивостей, хімічні властивості можна спостерігати лише в міру зміни речовини на іншу речовину.

Таблиця\(\PageIndex{2}\): Контрастні фізико-хімічні властивості
Фізичні властивості	Хімічні властивості
Металевий галій плавиться при температурі 30 ^o С	Залізний метал іржавіє.
Ртуть - дуже щільна рідина.	Зелений банан жовтіє при дозріванні.
Золото блискуче.	Горить сухий аркуш паперу.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Яке з перерахованого є хімічна властивість заліза?

Залізо роз'їдає у вологому повітрі.
Щільність = 7,874 г/см ³
Залізо м'яке в чистому вигляді.
Залізо плавиться при 1808 К.

Рішення

«Залізо роз'їдає в повітрі» - єдина хімічна властивість заліза зі списку.

Вправа\(\PageIndex{1A}\)

Що з перерахованого нижче є фізичною властивістю матерії?

корозійність
рН (кислотність)
щільність
займистість

Відповідь: 3.

Вправа\(\PageIndex{1B}\)

Що з перерахованого нижче має хімічну властивість?

займистість
температура плавлення
температура кипіння
щільність

Відповідь: 1.

Фізико-хімічні зміни

Зміни відбуваються навколо нас весь час. Подібно до того, як хіміки класифікували елементи та сполуки, вони також класифікували типи змін. Зміни класифікуються як фізичні, так і хімічні зміни. Хіміки дізнаються багато нового про природу матерії, вивчаючи зміни, які може зазнати матерія. Хіміки розрізняють два різні типи змін, які вони вивчають - фізичні зміни та хімічні зміни.

Фізичні зміни

Фізичні зміни - це зміни, при яких жодні зв'язки не розриваються або не утворюються. Це означає, що ті ж типи з'єднань або елементів, які були там на початку зміни, є в кінці зміни. Оскільки кінцеві матеріали такі ж, як і початкові матеріали, властивості (такі як колір, температура кипіння тощо) також будуть однаковими. Фізичні зміни передбачають переміщення молекул навколо, але не змінюючи їх. Деякі типи фізичних змін включають:

Зміна стану (переходить від твердого до рідкого або газового і навпаки).
Поділ суміші.
Фізична деформація (різання, вм'ячення, розтягування).
Виготовлення розчинів (спеціальних видів сумішей).

Коли кубик льоду тане, його форма змінюється в міру набуття здатності протікати. Однак його склад не змінюється. Плавлення є прикладом фізичної зміни. Фізична зміна - це зміна зразка матерії, в якій змінюються деякі властивості матеріалу, але ідентичність матерії - ні. При нагріванні рідкої води вона змінюється на водяну пару. Однак, незважаючи на те, що фізичні властивості змінилися, молекули точно такі ж, як і раніше. Кожна молекула води все ще містить два атоми водню, ковалентно пов'язані з одним атомом кисню. Коли у вас є баночка, що містить суміш копійок і нікелів, і ви сортуєте суміш так, щоб у вас була одна купа копійок і інша купа нікелів, ви не змінили ідентичність ні копійок, ні нікелів - ви просто розділили їх на дві групи. Це було б прикладом фізичної зміни. Так само, якщо у вас є аркуш паперу, ви не змінюєте його на щось інше, ніж аркуш паперу, розірвавши його. Те, що було папером, перш ніж ви почали розривати, все ще є папером, коли ви закінчите. Знову ж таки, це приклад фізичної зміни.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Танення льоду - це фізична зміна. Коли рідка вода (\(H_2O\)) замерзає в твердий стан (лід), вона виявляється зміненою; однак ця зміна є лише фізичним, так як склад складових молекул однаковий: 11,19% водню і 88,81% кисню по масі. (Громадське надбання; Мусса).

Фізичні зміни можна додатково класифікувати як оборотні або незворотні. Розплавлений кубик льоду може бути повторно заморожений, тому танення є оборотною фізичною зміною. Фізичні зміни, які передбачають зміну стану, є оборотними. Інші зміни стану включають випаровування (від рідини до газу), заморожування (від рідини до твердої речовини) та конденсацію (від газу до рідини). Розчинення також є оборотною фізичною зміною. Коли сіль розчиняється у воді, сіль, як кажуть, увійшла у водний стан. Сіль можна відновити, кип'ятивши воду, залишивши сіль позаду.

Хімічна зміна

Хімічні зміни відбуваються, коли зв'язки розриваються і/або утворюються між молекулами або атомами. Це означає, що одна речовина з певним набором властивостей (наприклад, температура плавлення, колір, смак і т.д.) перетворюється в іншу речовину з різними властивостями. Хімічні зміни часто важче змінити, ніж фізичні зміни.

Одним з наочних прикладів хімічної зміни є спалювання свічки. Акт спалювання паперу фактично призводить до утворення нових хімічних речовин (вуглекислого газу і води, якщо бути точним) від горіння воску. Іншим прикладом хімічної зміни є те, що відбувається при спалюванні природного газу в печі. На цей раз зліва знаходиться молекула метану\(\ce{CH_4}\), і дві молекули кисню,\(\ce{O_2}\) праворуч - дві молекули води\(\ce{H_2O}\), і одна молекула вуглекислого газу\(\ce{CO_2}\). При цьому не тільки змінився зовнішній вигляд, але і структура молекул змінилася. Нові речовини не володіють такими ж хімічними властивостями, як оригінальні. Тому це хімічна зміна.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Спалювання воску для утворення води та вуглекислого газу є хімічною реакцією. (КС-СА-БАЙ-3.0; Андріккос)

Насправді ми не можемо бачити, як молекули руйнуються і утворюють зв'язки, хоча саме це визначає хімічні зміни. Ми повинні зробити інші спостереження, щоб вказати, що відбулася хімічна зміна. Деякі докази хімічної зміни стосуватимуться енергетичних змін, які відбуваються в хімічних змінами, але деякі докази передбачають той факт, що нові речовини з різними властивостями утворюються при хімічній зміні.

Спостереження, які допомагають вказати на хімічні зміни, включають:

Перепади температури (підвищення або зниження температури).
Світло віддано.
Несподівані зміни кольору (робиться речовина з іншим кольором, а не просто змішування вихідних кольорів разом).
Бульбашки утворюються (але речовина не кипить - ви зробили речовину, яка є газом при температурі початкових матеріалів, замість рідини).
Різний запах або смак (хоча не скуштуйте свої хімічні експерименти!).
Тверда утворюється, якщо змішуються дві прозорі рідини (шукайте флоати - технічно називають осадом).

Приклад\(\PageIndex{2}\)

Позначте кожну з наступних змін як фізичну або хімічну зміну. Дайте докази, що підтверджують вашу відповідь.

Окроп.
А цвях іржавіє.
Змішується зелений розчин і безбарвний розчин. Отримана суміш являє собою розчин з блідо-зеленим кольором.
Змішуються два безбарвних розчину. Отримана суміш має жовтий осад.

Рішення

Фізичні: кип'ятіння і плавлення - це фізичні зміни. Коли вода закипає, зв'язки не розриваються і не утворюються. Зміна може бути записана як:\(\ce{H_2O} \left( l \right) \rightarrow \ce{H_2O} \left( g \right)\)
Хімічна речовина: Темно-сірий ніготь змінює колір, утворюючи помаранчеву лускатий речовину (іржу); це має бути хімічна зміна. Зміни кольору вказують на хімічну зміну. Відбувається наступна реакція:\(\ce{Fe} + \ce{O_2} \rightarrow \ce{Fe_2O_3}\)
Фізичні: оскільки жодна з властивостей не змінилася, це фізична зміна. Зелена суміш ще зелена, а безбарвний розчин все ще безбарвний. Вони тільки що були об'єднані. Жодних змін кольору або інших доказів хімічної зміни не відбулося.
Хімічна: утворення осаду і зміна кольору з безбарвного на жовтий вказує на хімічну зміну.

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Позначте кожну з наступних змін як фізичну або хімічну зміну.

Розбите дзеркало.
Залізний цвях піддається корозії у вологому повітрі.
Мідний метал розплавляється.
Каталітичний нейтралізатор змінює діоксид азоту на газ азоту та газ кисню.

Відповідь 1:: фізичні зміни

Відповідь 2:: хімічна зміна

Відповідь 3:: фізичні зміни

Відповідь 4:: хімічна зміна

Резюме

Фізична властивість - це характеристика речовини, яку можна спостерігати або вимірювати без зміни ідентичності речовини. Фізичні властивості включають колір, щільність, твердість, а також температури плавлення та кипіння.
Хімічна властивість описує здатність речовини зазнавати специфічні хімічні зміни. Щоб виявити хімічну властивість, ми шукаємо хімічну зміну.
Фізичні зміни - це зміни, які не змінюють ідентичність речовини.
Хімічні зміни - це зміни, які відбуваються при перетворенні однієї речовини в іншу речовину.
Хімічні зміни часто важче змінити, ніж фізичні зміни. Спостереження, які вказують на хімічну зміну, включають зміну кольору, зміну температури, світло, що виділяється, утворення бульбашок та утворення осаду.