Свойства вещества

У веществ различают физические и химические свойства.

Свойства вещества (например плотность, температура плавления, прочность), которые можно измерить и охарактеризовать без превращения этого вещества в другое (или другие), называются физическими свойствами. Одним интересным примером физического свойства вещества является температура кипения, долгое время вводившая в заблуждение алхимиков (см. параграф 1.1), так как в процессе кипения вещество как будто бы бесследно исчезало.

Цвет, запах и состояние вещества охарактеризовать очень просто. Однако такие физические свойства как плотность вещества, его твёрдость и прочность, электро- и теплопроводность требуют более детального изучения.

Большинство веществ могут находиться в трёх состояниях: в твёрдом, в жидком и в газообразном. Состояние вещества более точно называется агрегатным состоянием. Агрегатное состояние вещества при определённой температуре определяется силой взаимодействия между частицами этого вещества.

Твёрдое вещество имеет определённую форму, так как его частицы находятся в тесном контакте между собой и взаимодействия между ними сильные. У каждой частицы есть определённое положение в пространстве, в котором она колеблется. Во многих твёрдых веществах частицы располагаются в строгом порядке и образуют кристалл.

В жидком веществе сила взаимодействия между частицами не очень велика, и они могут изменять своё положение в пространстве. Жидкое вещество не имеет определённой формы, так как частицы в нём не расположены упорядоченно. Жидкости можно переливать, и они принимают форму сосуда.

В газообразном веществе частицы находятся на больших расстояниях друг от друга и силы взаимодействия между ними очень малы. Частицы газа движутся хаотично и заполняют весь объём.

Температура фазового перехода

Переход из одного агрегатного состояния (фазы) в другое происходит при определённой температуре, называемой температурой фазового перехода. Температура плавления – температура, при которой вещество плавится или отвердевает. Температура кипения – температура, при которой вещество кипит (испаряется по всему объёму жидкости) и ниже которой оно может конденсироваться.

Плотность вещества показывает, какое количество единиц массы вещества приходится на единицу объёма вещества. Плотность обозначается символом ρ (ро) и её основная единица измерения $1\frac{кг}{{м}^3}.$

Для небольших количеств веществ часто используется единица измерения $1\frac{г}{{см}^3}.$ Для того, чтобы найти плотность вещества, необходимо его массу разделить на его объём. Например, 21 г серебра имеют объём 2 см³, поэтому плотность серебра равна

$\frac{\mathrm{21\; г} }{2 {\mathrm{см}}^3}=\mathrm{10,5} \frac{г}{{см}^3}\mathrm{.}$

У каждого вещества есть определённая плотность. Плотность чистой воды – $1\frac{г}{{см}^3}.$ Вещества, плотность которых больше чем у воды, тонут в ней (например, серебро). Вещества с плотностью меньшей, чем у воды, остаются плавать на её поверхности, как парафин.

Твёрдость – способность вещества сопротивляться царапанию. Чем твёрже вещество, тем сложнее его поцарапать. Алмаз — одно из наиболее твёрдых веществ, им можно провести царапину практически на любом другом веществе. Резаки с нанесённым алмазным покрытием используются в случае, когда надо резать другие твёрдые материалы. Таблица твёрдости веществ приведена в приложении 8.2.

Прочность – способность вещества сопротивляться изменению формы и крошению. Чем прочнее вещество, тем бóльшую силу необходимо приложить для того, чтобы его согнуть или разломать. Прочность очень важна в случае металлов, из которых изготавливают инструменты, строительные конструкции и транспортные средства. Прочные вещества не обязательно являются, в то же время, твёрдыми веществами и наоборот. К примеру алмаз очень твёрдое вещество, но для того, чтобы разбить его на осколки, требуются сравнительно небольшие усилия.

Электропроводность – способность вещества проводить электрический ток. Электрический ток – это направленное движение электрически заряженных частиц. Вещества с высокой электропроводностью нужны для изготовления электрических проводов и устройств. Металлы, в основном, хорошие проводники электричества. Чистая вода практически не проводит электрический ток, но если в воде растворить соль, то электропроводность заметно возрастёт. Вещества, которые практически не проводят электрический ток, называют изоляторами, или диэлектриками. К примеру, пластмассой и резиной изолируют электрические провода.

Теплопроводность – способность вещества проводить теплоту. Теплота передаётся, поскольку частицы вещества всё время находятся в движении и сталкиваются между собой. Каждое столкновение приводит к тому, что движение передаётся от частицы к частице – медленно двигавшаяся частица начинает двигаться быстрее и способна передать энергию дальше. Вещества с хорошей электропроводностью часто обладают и высокой теплопроводностью, но бывают и исключения. К примеру, алмаз обладает хорошей теплопроводностью, но плохой электропроводностью (изолятор). Металлы обладают высокой теплопроводностью, поэтому часто используются там, где это свойство необходимо (например, в радиаторах). Плохо проводят тепло пластмассы и резины, а также безвоздушное пространство между оконными стёклами.

Химическая стабильность

Химическая стабильность – свойство вещества сохранять неизменным свой химический состав. Иными словами, это способность вещества не вступать в химические реакции в данных условиях. Это свойство важно учитывать, к примеру, при выборе строительных материалов, особенно в районах с повышенной влажностью и вероятностью кислотных осадков. Железо является очень прочным строительным материалом, но оно быстро ржавеет под действием воды и кислорода. По этой причине железные детали необходимо покрывать краской или слоем более инертного металла.

Токсичность

Токсичность (ядовитость) – химическое свойство вещества, показывающее, насколько оно опасно для организма. Токсичность вещества обычно характеризуется его количеством, достаточным для смерти 50% подопытных животных, получивших такую дозу вещества. Одним из наиболее ядовитых веществ является ботулотоксин; 0.2 микрограмма этого вещества достаточно для смертельного отравления человека. Интересно, что именно это вещество применяется для сглаживания морщин (препарат Botox). На самом деле практически все вещества являются ядовитыми, если принимать их в больших количествах. Даже поваренная соль (хлорид натрия) ядовита; приём большого количества соли вызывает рвоту, затруднение дыхания и судороги.