Все окружающие нас предметы и явления, существующие и происходящие независимо от нашей воли, называются материей. Любая экспериментально обнаруживаемая форма является ее частью. Существующие объекты составляют физические тела, которые в свою очередь называются веществами. Это тип материи, обладающий постоянным химическим составом, из которого состоит данное тело. Например, говоря о серебряном ожерелье, мы имеем в виду физическое тело в виде ожерелья и вещество, из которого оно сделано – серебро. Другими веществами являются, например, вода, древесина, полиэтилен, сахар и воздух.
Различие веществ
Вещества могут различаться между собой, а их строго определенный набор характеристик позволяет распознавать и использовать их соответствующим образом. Эти характеристики также называются свойствами данного вещества. Например, можно рассмотреть возможность использования ножа, сделанного из нескольких веществ — пластика, дерева и металла, чтобы разрезать яблоко. Нетрудно заметить, что каждое из перечисленных веществ обладает различными, характерными свойствами. Для резки лучшим выбором будет нож из качественного металлического сплава, позволяющего осуществлять правильную заточку. Однако свое применение в производстве ножей находят и другие вещества – для одноразовых столовых приборов используется дешевый пластик, а для ножей, предназначенных для смазки, хорошо подходит дерево.
Характеристики вещества
Свойства вещества мы описываем, принимая во внимание две основные взаимосвязи — рассматривая физические явления и происходящие химические реакции. Возможно исследовать с помощью органов чувств (с помощью обоняния или зрения), а также с помощью соответствующих приборов (таких как плотномер), признаки называются физическими свойствами. Это, в том числе, агрегатное состояние, цвет, твердость, плотность и изменение формы под действием соответствующих сил (хрупкость, эластичность, ковкость). Немного сложнее определить химические свойства интересующих нас веществ. Это все характеристики, которые можно описать только по их реакции по отношению к другим, например, токсичность, воспламеняемость и реактивность. Мы определяем их на основе химических изменений, происходящих между данным веществом и другими факторами, часто с изменением структуры.
Реактивность
Реактивность — широкое понятие, которое на практике описывает количество реакций, которым подвергается вещество, и эффективность, которую оно получает в нормальных условиях. Это означает, что если рассматриваемая реакция протекает с высокой эффективностью и требует лишь незначительного изменения условий температуры и давления, то это химическое свойство данного вещества. Однако любые реакции, которые происходят только под воздействием нескольких сотен градусов или атмосфер и с низкой эффективностью, отвергаются. На это свойство указывает периодическая система химических элементов, так как с увеличением атомного номера в случае металлов реактивность увеличивается внутри группы и уменьшается в периоде, а в случае неметаллов — уменьшается в группе и увеличивается в периоде. Благородные газы считаются наименее реактивными веществами в периодической таблице, поскольку, обладая наиболее стабильными электронными состояниями (дублет и октет), они неохотно реагируют с другими веществами.
Кислородные реакции
Горение, а точнее способность вступать в реакцию с кислородом, позволяет определить еще одно химическое свойство вещества — воспламеняемость. Если материал подвергается этой экзотермической реакции с выделением тепла и света, он может быть горючим или легковоспламеняющимся. Экспериментальное определение горючести основано на определении кислородного индекса (КИ), выражающего процентное содержание кислорода в смеси с азотом, необходимое для поддержания горения материала, температура которого в момент воспламенения составляет 20oC. Если коэффициент ниже 21, вещество считается легковоспламеняющимся, в диапазоне от 21 до 28 — огнестойким материалом, а выше 28 — негорючим. К легковоспламеняющимся веществам относятся бензин и природный газ, к огнестойким веществам относится полиэстер, а к негорючим веществам относятся углекислый газ, бетон, фреоны и каменная вата.
Вредное воздействие на организмы
Токсичность описывает способность вещества причинять вред организму при проглатывании, проникновении через кожу или при вдыхании. Это может привести к дисфункции клеток и органов, а, следовательно, к отравлению организма. Такие эффекты в основном исследуются в токсикологических экспериментах «in vitro» с использованием клеток или биомаркеров, а также «in vivo» на лабораторных животных. К высокотоксичным веществам относятся, например, мышьяк, то есть триоксид димышьяка.
Пример — химические свойства воды
При рассмотрении химического состава воды изучаются такие параметры, как pH, окислительно-восстановительные условия, кислотность и щелочность, минерализация, сухой остаток и жесткость. Это характеристики, основанные главным образом на реактивности вещества и тесно связанные с конкретным типом воды. Дистиллированная вода, представляющая собой чистое вещество, будет иметь одни параметры, а дождевая вода с несколько иным составом — другие. Однако существуют и такие химические свойства, как негорючесть, неподдерживание горения, нетоксичность и хорошая способность растворять другие вещества.
Пример – химические свойства металлов
Для металлов проще всего найти зависимости, разделив их по блокам s, p и d в соответствии с периодической системой химических элементов. Благодаря электронной конфигурации металлов s-блока переход валентных электронов не требует большой энергии. Это делает их наиболее химически активными. В реакции с водой образуют гидроксиды щелочных металлов, химические преобразования претерпевают также при контакте с кислотами. Они обладают восстановительными свойствами, проявляющимися в реакциях с водой, кислородом, водородом или анаэробными кислотами, усиливающимися с увеличением атомного номера в группе. Сгорая, они придают пламени характерную окраску, например, барий окрашивает его в желто-зеленый цвет. Металлы p-блока обладают валентными электронами, расположенными исключительно на последней оболочке, также являются реактивными. Химически важнейшим элементом этой группы является алюминий, который, несмотря на свою реактивность, при использовании в сплавах устраняет коррозионное действие кислот-окислителей, создавая пассивирующий слой. Является амфотерным восстановителем и реагирует как с кислотами, так и с основаниями. С другой стороны, металлы d-блока имеют валентные электроны на последней и предпоследней внешней оболочке, поэтому они чаще всего встречаются в различных степенях окисления и охотно отдают электроны с S-оболочки. Атом железа может отдать два или три электрона, чтобы образовать ионы Fe2+ или Fe3+. Это умеренно реактивное вещество, реагирующее с неметаллами, такими как сера и хлор, с водяным паром и кислородом в условиях водяного пара. Также реагирует с кислородными кислотами, образуя пассивирующий слой. Химические элементы 12-й группы обычно образуют биположительные катионы. Их реактивность уменьшается с увеличением атомной массы. Среди металлов медь обладает наименьшей способностью вступать в химические реакции. Они являются слабыми восстановителями, и их наиболее типичные реакции протекают с окислительными кислотами. Они не способны вытеснять водород из анаэробных кислот.