Какие физико химические свойства

Разнообразие веществ

За последние 200 лет человечество изучило свойства веществ лучше, чем за всю историю развития химии. Естественно, количество веществ так же стремительно растет, это связано, прежде всего, с освоением различных методов получения веществ.

В повседневной жизни мы сталкиваемся с множеством веществ. Среди них – вода, железо, алюминий, пластмасса, сода, соль и множество других. Вещества, существующие в природе, например, кислород и азот, содержащиеся в воздухе, вещества, растворенные в воде, и имеющие природное происхождение, называются природными веществами. Алюминия, цинка, ацетона, извести, мыла, аспирина, полиэтилена и многих других веществ в природе не существует.

Их получают в лаборатории, и производит промышленность. Искусственные вещества не встречаются в природе, их создают из природных веществ. Некоторые вещества, существующие в природе, можно получить и в химической лаборатории.

Так, при нагревании марганцовки выделяется кислород, а при нагревании мела – углекислый газ. Ученые научились превращать графит в алмаз, выращивают кристаллы рубина, сапфира и малахита. Итак, наряду с веществами природного происхождения существует огромное множество и искусственно созданных веществ, не встречающихся в природе.

Вещества, не встречающиеся в природе, производятся на различных предприятиях: фабриках, заводах, комбинатах и т.п.

В условиях исчерпания природных ресурсов нашей планеты, сейчас перед химиками стоит важная задача: разработать и внедрить методы, при помощи которых можно искусственно, в условиях лаборатории, или промышленного производства, получать вещества, являющиеся аналогами природных веществ. Например, запасы топливных ископаемых в природе на исходе.

Может настать тот момент, когда нефть и природный газ закончатся. Уже сейчас ведутся разработки новых видов топлива, которые были бы такими же эффективными, но не загрязняли окружающую среду. На сегодняшний день человечество научилось искусственно получать различные драгоценные камни, например, алмазы, изумруды, бериллы.

Агрегатное состояние вещества

Вещества могут существовать в нескольких агрегатных состояниях, три из которых вам известны: твердое, жидкое, газообразное. Например, вода в природе существует во всех трех агрегатных состояниях: твердом (в виде льда и снега), жидком (жидкая вода) и газообразном (водяной пар). Известны вещества, которые не могут существовать в обычных условиях во всех трех агрегатных состояниях. Например, таким веществом является углекислый газ. При комнатной температуре это газ без запаха и цвета. При температуре –79°С данное вещество «замерзает» и переходит в твердое агрегатное состояние. Бытовое (тривиальное) название такого вещества «сухой лед». Такое название дано этому веществу из-за того, что «сухой лед» превращается в углекислый газ без плавления, то есть, без перехода в жидкое агрегатное состояние, которое присутствует, например, у воды.

Таким образом, можно сделать важный вывод. Вещество при переходе из одного агрегатного состояния в другое не превращается в другие вещества. Сам процесс некоего изменения, превращения, называется явлением.

Физические явления. Физические свойства веществ.

Явления, при которых вещества изменяют агрегатное состояние, но при этом не превращаются в другие вещества, называют физическими. Каждое индивидуальное вещество обладает определенными свойствами. Свойства веществ могут быть различными или сходными друг с другом. Каждое вещество описывают при помощи набора физических и химических свойств. Рассмотрим в качестве примера воду. Вода замерзает и превращается в лед при температуре 0°С, а закипает и превращается в пар при температуре +100°С. Данные явления относятся к физическим, так как вода не превратилась в другие вещества, происходит только изменение агрегатного состояния. Данные температуры замерзания и кипения – это физические свойства, характерные именно для воды.

Свойства веществ, которые определяют измерениями или визуально при отсутствии превращения одних веществ в другие, называют физическими

Испарение спирта, как и испарение воды – физические явления, вещества при этом изменяют агрегатное состояние. После проведения опыта можно убедиться, что спирт испаряется быстрее, чем вода – это физические свойства этих веществ.

К основным физическим свойствам веществ можно отнести следующие: агрегатное состояние, цвет, запах, растворимость в воде, плотность, температура кипения, температура плавления, теплопроводность, электропроводность. Такие физические свойства как цвет, запах, вкус, форма кристаллов, можно определить визуально, с помощью органов чувств, а плотность, электропроводность, температуру плавления и кипения определяют измерением. Сведения о физических свойствах многих веществ собраны в специальной литературе, например, в справочниках. Физические свойства вещества зависят от его агрегатного состояния. Например, плотность льда, воды и водяного пара различна.

Газообразный кислород бесцветный, а жидкий – голубой Знание физических свойств помогает «узнавать» немало веществ. Например, медь – единственный металл красного цвета. Соленый вкус имеет только поваренная соль. Иод – почти черное твердое вещество, которое при нагревании превращается в фиолетовый пар. В большинстве случаев для определения вещества нужно рассматривать несколько его свойств. В качестве примера охарактеризуем физические свойства воды:

• цвет – бесцветная (в небольшом объеме)
• запах – без запаха
• агрегатное состояние – при обычных условиях жидкость
• плотность – 1 г/мл,
• температура кипения – +100°С
• температура плавления – 0°С
• теплопроводность – низкая
• электропроводность – чистая вода электричество не проводит

Кристаллические и аморфные вещества

При описании физических свойств твердых веществ принято описывать структуру вещества. Если рассмотреть образец поваренной соли под увеличительным стеклом, можно заметить, что соль состоит из множества мельчайших кристаллов. В соляных месторождениях можно встретить и весьма крупные кристаллы. Кристаллы – твердые тела, имеющие форму правильных многогранников Кристаллы могут иметь различную форму и размер. Кристаллы некоторых веществ, таких как поваренная соль – хрупкие, их легко разрушить. Существуют кристаллы довольно твердые. Например, одним из самых твердых минералов считается алмаз. Если рассматривать кристаллы поваренной соли под микроскопом, можно заметить, что все они имеют похожее строение. Если же рассмотреть, например, частицы стекла, то все они будут иметь различное строение – такие вещества называют аморфными. К аморфным веществам относят стекло, крахмал, янтарь, пчелиный воск. Аморфные вещества – вещества, не имеющие кристаллического строения

Химические явления. Химическая реакция.

Если при физических явлениях вещества, как правило, лишь изменяют агрегатное состояние, то при химических явлениях происходит превращение одних веществ в другие вещества. Приведем несколько простых примеров: горение спички сопровождается обугливанием древесины и выделением газообразных веществ, то есть, происходит необратимое превращение древесины в другие вещества. Другой пример: со временем бронзовые скульптуры покрываются налетом зеленого цвета. Дело в том, что в состав бронзы входит медь. Этот металл медленно взаимодействует с кислородом, углекислым газом и влагой воздуха, в результате на поверхности скульптуры образуются новые вещества зеленого цвета Химические явления – явления превращений одних веществ в другие Процесс взаимодействия веществ с образованием новых веществ называют химической реакцией. Химические реакции происходят повсеместно вокруг нас. Химические реакции происходят и в нас самих. В нашем организме непрерывно происходят превращения множества веществ, вещества реагируют друг с другом, образуя продукты реакции. Таким образом, в химической реакции всегда есть реагирующие вещества, и вещества, образовавшиеся в результате реакции.

• Химическая реакция – процесс взаимодействия веществ, в результате которого образуются новые вещества с новыми свойствами
• Реагенты – вещества, вступающие в химическую реакцию
• Продукты – вещества, образовавшиеся в результате химической реакции

Химическая реакция изображается в общем виде схемой реакции РЕАГЕНТЫ -> ПРОДУКТЫ

• реагенты – исходные вещества, взятые для проведения реакции;
• продукты – новые вещества, образовавшиеся в результате протекания реакции.

Любые химические явления (реакции) сопровождаются определенными признаками, при помощи которых химические явления можно отличить от физических. К таким признакам можно отнести изменение окраски веществ, выделение газа, образование осадка, выделение тепла, излучение света.

Многие химические реакции сопровождаются выделением энергии в виде тепла и света. Как правило, такими явлениями сопровождаются реакции горения. В реакциях горения на воздухе вещества реагируют с кислородом, содержащимся в воздухе. Так, например, металл магний вспыхивает и горит на воздухе ярким слепящим пламенем. Именно поэтому вспышку магния использовали при создании фотографий в первой половине ХХ века. В некоторых случаях возможно выделение энергии в виде света, но без выделения тепла. Один из видов тихоокеанского планктона способен испускать ярко-голубой свет, хорошо заметный в темноте. Выделение энергии в виде света – результат химической реакции, которая протекает в организмах данного вида планктона.

Итог статьи:

• Существуют две большие группы веществ: вещества природного и искусственного происхождения
• В обычных условиях вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях
• Свойства веществ, которые определяют измерениями или визуально при отсутствии превращения одних веществ в другие, называют физическими
• Кристаллы – твердые тела, имеющие форму правильных многогранников
• Аморфные вещества – вещества, не имеющие кристаллического строение
• Химические явления – явления превращений одних веществ в другие
• Реагенты – вещества, вступающие в химическую реакцию
• Продукты – вещества, образующиеся в результате химической реакции
• Химические реакции могут сопровождаться выделением газа, осадка, тепла, света; изменением окраски веществ
• Горение – сложный физико-химический процесс превращения исходных веществ в продукты сгорания в ходе химической реакции, сопровождающийся интенсивным выделением тепла и света (пламени)

К группе физико-химических свойств принято относить свойства, определяющие такие параметры состояния материалов, которые существенным образом влияют на химическую кинетику и физико-механические свойства материалов. Ряд технологических свойств, проявляющихся на физическом уровне, объясняется физико-химическими свойствами материалов.

Дисперсность – это характеристика степени измельчения материала. Дисперсность является важнейшим свойством порошкообразных материалов, таких, например, как вяжущие вещества, минеральные наполнители, пигменты. С ростом дисперсности увеличивается суммарная площадь поверхности материала. Поверхности твердых и жидких веществ отличаются особыми свойствами, так как поверхностные слои обладают свободной энергией за счет неуравновешенности молекул, образующих границу раздела. Дисперсность порошкообразных материалов может быть оценена рядом показателей. На практике ее часто определяют по остатку на контрольном сите после просеивания пробы, гранулометрическим составом и удельной поверхностью.

Для определения гранулометрического состава порошков с крупностью частиц, не превышающей 100 мкм, предпринимают седиментационный анализ. Седиментационный анализ основан на том, что скорость падения частиц в жидкой среде зависит от их размеров и, согласно закону Стокса, может быть определена по формуле:

V = , м с-1

где g = 9,81 м/с2 – ускорение силы тяжести ;

и – плотности частицы и среды, кг/м3;

– коэффициент вязкости, кг м-1с –1;

Седиментационный метод определения гранулометрического состава порошкообразных материалов заключается в том, что по истечению определенного срока отстаивания суспензии, приготовленной из исследуемого порошка, отбирается проба, которую выпаривают и взвешивают. По известной концентрации начальной пробы и концентрации проб, взятых спустя различное время отстаивания, можно определить содержание отдельных фракций в исследуемом материале.

Удельная поверхность – это суммарная площадь поверхности частиц, приходящаяся на единицу массы порошкообразного материала. Удельную поверхность порошкообразных материалов можно измерять с помощью приборов типа ПСХ-2 и Т-3. Принцип работы этих приборов основан на том, что с уменьшением размеров частиц в материале возрастают силы сопротивления воздухопроницаемости, что связано с ростом площади поверхности порового пространства. Возрастание удельной поверхности цемента увеличивает скорость его твердения.

Способность образовывать жидкие дисперсии. Порошкообразные материалы обладают способностью образовывать с жидкой средой дисперсные системы. Чем выше степень дисперсности, тем выше устойчивость дисперсных систем. При очень высокой степени дисперсности, которая имеет место в коллоидных системах, самопроизвольное осаждение дисперсоида не происходит, так как ничтожно малые силы земного тяготения, действующие на частицы диспергированного вещества, компенсируются броуновским движением, препятствующим осаждению.

Способность образовывать с водой пластично-вязкие системы. В порошкообразном состоянии материалы способны также образовывать пластично-вязкие системы. Причиной, обуславливающей образование пластично-вязких систем, является наличие в них промежуточной фазы – воды, связанной с поверхностью смежных твердых частиц. При значительной площади поверхности высокодисперсных материалов роль связанной воды сильно возрастает. Оболочки воды на поверхности твердых частиц выполняют двойную функцию: они служат и связующим звеном пластично-вязкой системы, обеспечивающим сохранение сплошности при деформациях, и, вместе с тем, облегчают скольжение твердых частиц друг относительно друга.

Свойства образовывать жидкие дисперсные системы и пребывать в пластично-вязком состоянии характерны для разнообразных композиционных материалов: красок, эмульсий, мастик, грунтовок; растворных, бетонных, керамических смесей и пластмасс на стадии их технологической переработки.

Растворимость – это способность материалов образовывать с жидкой средой однородные прозрачные системы, состоящие из молекул растворителя и частиц растворенного вещества, между которыми происходят физические и химические взаимодействия. Наиболее распространенным растворителем является вода. По степени растворимости вещества делят на хорошо растворимые, малорастворимые и нерастворимые. В практической деятельности возникают задачи определения содержания массовой доли растворенного вещества в единице объема исследуемого раствора. Решение таких задач может быть сведено к использованию таблиц зависимости концентрации вещества от плотности раствора при заданной температуре. Плотность раствора определяют по шкале ареометра, погружаемого в раствор.

Когезия – это свойство материала быть прочным под влиянием сил взаимного сцепления частиц. Когезию оценивают энергией когезии, под которой понимают работу образования новых поверхностей или работу разрыва вещества. Косвенно о когезии можно судить по прочности материалов.

Адгезия – это свойство одного вещества прилипать к поверхности другого. Адгезию характеризуют энергией адгезии, оцениваемую работой удаления одного вещества с поверхности другого. Свойство адгезии используют для создания клеящих, герметизирующих и защитно-декоративных композиционных материалов. Адгезия зависит от природы и строения соприкасающихся веществ.

Определение адгезии лакокрасочных покрытий к металлическим поверхностям проводят методом решетчатых надрезов. Метод состоит в нанесении на готовое лакокрасочное покрытие решетчатых надрезов и визуальной оценке степени отслоения покрытия от основания по четырехбалльной шкале. Адгезию приклеивающих, герметизирующих и гидроизоляционных мастик оценивают испытанием склеенных мастикой образцов бетона, кирпича, металла на прочность при отрыве, при сдвиге.

Адсорбция – это свойство поверхности материала притягивать к себе частицы из другой фазы за счет свободной энергии поверхности. По величине энергии, выделяющейся вследствие этого физико-химического процесса, различают физическую, активированную адсорбции и хемосорбцию с химическим взаимодействием.

Строение. Известно, что одни и те же материалы могут иметь как кристаллическое, так и аморфное строение. В аморфном состоянии вещества обладают большим запасом внутренней энергии по сравнению с этими же веществами в кристаллическом состоянии и поэтому они более реакционноспособны. Например, аморфный оксид кремния при атмосферном давлении и комнатной температуре химически взаимодействует с известью. Для протекания активной химической реакции между кристаллическим кварцем и известью требуются автоклавные условия.

Минералогический состав является важной характеристикой природных и искусственных каменных материалов. Практика показывает, что материалы, имеющие один и тот же химический состав, но отличающиеся минералогическим составом, могут значительно отличаться и своими свойствами.

Для изучения минералогического состава каменных материалов в настоящее время используют методы физико-химического анализа. Методы микроскопического анализа позволяют непосредственно наблюдать конфигурацию и свойства кристаллов. Естественные грани кристаллов очень помогают при идентификации минералов: для любого минерала характерными являются постоянство углов между гранями и определенная степень упорядоченности в расположении граней и ребер кристаллов – симметрия. Для идентификации минералов применяют также методы рентгеновской дифрактометрии и инфракрасной спектроскопии. Дифференциально-термический и дифференциально-термогравиметрический методы анализа применяются для идентификации отдельных минералов в сложных смесях.

2. МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЯЖУЩИЕ ВЕЩЕСТВА

Общие сведения

Около трех тыс. лет тому назад в строительстве стали применять вяжущие вещества для связывания отдельных камней. В современном строительстве применяют минеральные и органические вяжущие вещества. Минеральными вяжущими материалами называют порошкообразные вещества, которые при смешивании с водой образуют пластичную массу, со временем затвердевающую в прочное камневидное тело. Органические вяжущие материалы представляют собой высокомолекулярные соединения, как правило, не смачивающиеся водой. В рабочее, пластичное состояние они приводятся нагревом или растворением в органических растворителях.

По способности твердеть и сохранять свою прочность в воде или на воздухе минеральные вяжущие вещества делят на воздушные и гидравлические. Воздушные минеральные вяжущие затвердевают, сохраняют и повышают свою прочность только на воздухе. Гидравлические вяжущие обладают такой способностью не только на воздухе, но и в воде. К группе воздушных вяжущих веществ