1.2 Фазы и классификация веществ (Phases and Classification of Matter)

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• описать основные свойства каждого физического состояния вещества: твёрдого, жидкого и газообразного;
• различать массу и вес;
• применять закон сохранения вещества;
• классифицировать вещество как элемент, соединение, гомогенную смесь или гетерогенную смесь по его физическому состоянию и составу;
• дать определение атома и молекулы и привести их примеры.

Веществом (matter) называется всё, что занимает пространство и обладает массой; вещество окружает нас повсюду. Принадлежность твёрдых тел и жидкостей к веществу очевиднее: мы видим, что они занимают объём, а их вес говорит нам о наличии массы. Газы — это тоже вещество: если бы газы не занимали пространства, воздушный шар не раздувался бы (то есть не увеличивал свой объём) при заполнении газом.

Твёрдые тела, жидкости и газы — три состояния вещества, наиболее часто встречающиеся на Земле (Рис. 1.6). Твёрдое тело (solid) — это жёсткое тело определённой формы. Жидкость (liquid) течёт и принимает форму сосуда, образуя плоскую или слегка искривлённую верхнюю поверхность под действием силы тяжести. (В невесомости жидкости принимают шарообразную форму.) Объём жидких и твёрдых тел практически не зависит от давления. Газ (gas) принимает и форму, и объём сосуда.

Рис. 1.6. Три наиболее распространённых состояния, или фазы, вещества — твёрдое, жидкое и газообразное.

Четвёртое состояние вещества, плазма (plasma), встречается в природе в недрах звёзд. Плазма — это газообразное состояние вещества, содержащее значительное число электрически заряженных частиц (Рис. 1.7). Присутствие этих заряженных частиц придаёт плазме особые свойства, которые позволяют выделять её в отдельное состояние вещества, отличное от газа. Помимо звёзд, плазма встречается и в других высокотемпературных средах — как природных, так и искусственных, — например в разрядах молний, в некоторых типах телевизионных экранов и в специализированных аналитических приборах, применяемых для обнаружения следовых количеств металлов.

Рис. 1.7. Плазменный резак можно использовать для резки металла. (источник: «Hypertherm»/Wikimedia Commons)

Дополнительно

В крошечной ячейке плазменного телевизора плазма излучает ультрафиолетовый свет, который, в свою очередь, заставляет соответствующий участок дисплея светиться определённым цветом. Совокупность этих маленьких цветных точек и образует видимое изображение. Посмотрите этот ролик, чтобы узнать о плазме и о том, где с ней можно столкнуться, подробнее.

Некоторые образцы вещества, как кажется, одновременно проявляют свойства твёрдых тел, жидкостей и/или газов. Так бывает, когда образец состоит из множества мелких частиц. Например, песок можно переливать словно жидкость, потому что он состоит из множества мелких твёрдых песчинок. Свойства более чем одного состояния вещество может проявлять и в виде смеси — например, в виде облаков. Облака ведут себя отчасти подобно газам, но в действительности они представляют собой смеси воздуха (газа) и мельчайших частиц воды (жидких или твёрдых).

Масса (mass) тела — мера количества вещества в нём. Один из способов измерить массу тела — определить силу, необходимую для придания ему ускорения. Чтобы разогнать автомобиль, требуется значительно большая сила, чем чтобы разогнать велосипед, поскольку масса автомобиля намного больше. Более распространённый способ определить массу тела — сравнить её на весах с эталонной массой.

Хотя вес (weight) связан с массой, это не одно и то же. Вес — это сила, с которой гравитация действует на тело. Эта сила прямо пропорциональна массе тела. Вес тела меняется при изменении силы тяжести, а его масса — нет. Масса астронавта не изменяется от того, что она оказалась на Луне. Но её вес на Луне составляет лишь одну шестую от земного, потому что лунная гравитация составляет лишь одну шестую от земной. Во время полёта она может ощущать себя «невесомой», когда испытывает пренебрежимо малые внешние силы (как гравитационные, так и любые другие), хотя, разумеется, никогда не бывает «безмассовой».

Закон сохранения вещества (law of conservation of matter) обобщает множество научных наблюдений над веществом: он утверждает, что не наблюдается никакого изменения общего количества вещества при переходе вещества из одной формы в другую (химическое превращение) или при изменении его агрегатного состояния — твёрдого, жидкого или газообразного (физическое превращение). Примерами сохранения вещества служат пивоварение и работа аккумуляторов (Рис. 1.8). При варке пива исходные ингредиенты (вода, дрожжи, зерно, солод, хмель и сахар) превращаются в пиво (воду, спирт, газ и ароматические соединения) без какой-либо потери вещества. Особенно отчётливо это видно при розливе по бутылкам: глюкоза превращается в этанол и углекислый газ, а общая масса веществ не изменяется. Это наблюдается и в свинцово-кислотном автомобильном аккумуляторе: исходные вещества (свинец, оксид свинца и серная кислота), способные производить электричество, превращаются в другие вещества (сульфат свинца и воду), уже не производящие электричества, и при этом фактическое количество вещества не меняется.

Рис. 1.8. (a) Масса исходных веществ-предшественников совпадает с массой получаемого пива: сахар превратился в спирт и углекислый газ. (b) Масса свинца, оксида свинца и серной кислоты, расходуемых при производстве электричества, в точности равна массе образующихся сульфата свинца и воды.

Хотя этот закон сохранения справедлив для любых превращений вещества, убедительных примеров его действия немного. Дело в том, что вне контролируемых лабораторных условий мы редко собираем весь материал, образующийся в ходе того или иного превращения. Например, когда вы едите, перевариваете и усваиваете пищу, всё вещество исходной пищи сохраняется. Но поскольку часть вещества встраивается в ваш организм, а значительная часть выводится в виде различных отходов, проверить это измерениями затруднительно.

Классификация веществ

Вещество можно разделить на несколько категорий. Две широкие категории — смеси (mixtures) и чистые вещества (pure substances). Чистое вещество имеет постоянный состав. Все образцы одного чистого вещества имеют в точности одинаковый состав и свойства. Любой образец сахарозы (столового сахара) состоит из 42,1 % углерода, 6,5 % водорода и 51,4 % кислорода по массе. Любой образец сахарозы обладает также одними и теми же физическими свойствами — температурой плавления, цветом, сладким вкусом, — независимо от источника, из которого он выделен.

Чистые вещества делятся на два класса: элементы (elements) и соединения (compounds). Чистые вещества, которые не могут быть разложены на более простые путём химических превращений, называются элементами. Железо, серебро, золото, алюминий, сера, кислород и медь — знакомые примеры из более чем 100 известных элементов, около 90 из которых встречаются на Земле в природе, а около двух десятков получены в лабораториях.

Чистые вещества, состоящие из двух или более элементов, называются соединениями. Соединения могут быть разложены химическими превращениями на элементы либо на другие соединения, либо и на то, и на другое. Оксид ртути(II) — оранжевое кристаллическое твёрдое вещество — при нагревании разлагается на элементы ртуть и кислород (Рис. 1.9). При нагревании без доступа воздуха сахароза разлагается на элемент углерод и соединение воду. (Начальная стадия этого процесса, когда сахар буреет, называется карамелизацией; именно она придаёт характерный сладкий и ореховый вкус карамельным яблокам, карамелизованному луку и карамели.) Хлорид серебра(I) — белое твёрдое вещество, которое можно разложить на составляющие его элементы — серебро и хлор — при поглощении света. Это свойство лежит в основе применения данного соединения в фотоплёнках и фотохромных очках (с линзами, темнеющими на свету).

Рис. 1.9. (a) Соединение оксид ртути(II) (b) при нагревании © разлагается на серебристые капли жидкой ртути и невидимый газообразный кислород. (источник: модификация работы Paul Flowers)

Дополнительно

Многие соединения разлагаются при нагревании. На этом ресурсе показано разложение оксида ртути \(\ce{HgO}\). Также можно посмотреть пример фотохимического разложения хлорида серебра \(\ce{AgCl}\), лежащего в основе ранней фотографии.

Свойства соединённых элементов отличаются от свойств тех же элементов в свободном, то есть несоединённом, состоянии. Например, белый кристаллический сахар (сахароза) — соединение, образующееся при химическом соединении элемента углерода (который в одной из своих несоединённых форм представляет собой чёрное твёрдое вещество) и двух элементов — водорода и кислорода, — которые в несоединённом виде представляют собой бесцветные газы. Свободный натрий — элемент, представляющий собой мягкое блестящее металлическое твёрдое вещество, — и свободный хлор — элемент, представляющий собой жёлто-зелёный газ, — соединяются в хлорид натрия (поваренную соль), соединение, представляющее собой белое кристаллическое твёрдое вещество.

Смесь (mixture) состоит из двух или более типов вещества, которые могут присутствовать в различных количествах и могут быть разделены физическими превращениями, такими как испарение (о чём вы узнаете подробнее далее). Смесь, состав которой меняется от точки к точке, называется гетерогенной смесью (heterogeneous mixture). Пример гетерогенной смеси — итальянская заправка к салату (Рис. 1.10). Её состав может варьироваться, поскольку её готовят из различных количеств масла, уксуса и приправ. Состав такой смеси неодинаков от точки к точке: одна капля может состоять преимущественно из уксуса, тогда как другая — преимущественно из масла или приправ, потому что масло и уксус расслаиваются, а приправы оседают. Другие примеры гетерогенных смесей — печенье с шоколадной крошкой (мы видим отдельные кусочки шоколада, орехов и теста) и гранит (в нём видны кварц, слюда, полевой шпат и другие минералы).

Гомогенная смесь (homogeneous mixture), называемая также раствором (solution), имеет однородный состав и визуально выглядит одинаково по всему объёму. Пример раствора — спортивный напиток, состоящий из равномерно смешанных воды, сахара, красителя, ароматизатора и электролитов (Рис. 1.10). Каждая капля спортивного напитка имеет одинаковый вкус, поскольку каждая капля содержит одни и те же количества воды, сахара и прочих компонентов. Заметим, что состав спортивного напитка может варьироваться: его можно приготовить с несколько большим или меньшим содержанием сахара, ароматизатора или иных компонентов, и при этом он останется спортивным напитком. Другие примеры гомогенных смесей — воздух, кленовый сироп, бензин и раствор соли в воде.

Рис. 1.10. (a) Заправка из масла и уксуса — гетерогенная смесь, потому что её состав не одинаков по всему объёму. (b) Готовый спортивный напиток — гомогенная смесь, потому что его состав одинаков во всём объёме. (источник a: модификация работы John Mayer; источник b: модификация работы Umberto Salvagnin; источник c: модификация работы Jeff Bedford)

Хотя элементов чуть больше 100, из их различных комбинаций возникают десятки миллионов химических соединений. Каждое соединение имеет определённый состав и обладает определёнными химическими и физическими свойствами, отличающими его от всех других соединений. И, конечно, существует бесчисленное множество способов комбинировать элементы и соединения в различные смеси. Сводная схема того, как различать основные классификационные категории вещества, приведена на рис. 1.11.

Рис. 1.11. В зависимости от свойств данное вещество может быть классифицировано как гомогенная смесь, гетерогенная смесь, соединение или элемент.

На одиннадцать элементов приходится около 99 % массы земной коры и атмосферы (Таблица 1.1). Кислорода почти половина, а кремния около четверти от общего количества этих элементов. Большинство элементов на Земле находится в химических соединениях с другими элементами; около четверти элементов встречается также и в свободном состоянии.

Таблица 1.1. Элементный состав Земли

Элемент	Символ	Массовая доля, %	Элемент	Символ	Массовая доля, %
кислород	O	49,20	хлор	Cl	0,19
кремний	Si	25,67	фосфор	P	0,11
алюминий	Al	7,50	марганец	Mn	0,09
железо	Fe	4,71	углерод	C	0,08
кальций	Ca	3,39	сера	S	0,06
натрий	Na	2,63	барий	Ba	0,04
калий	K	2,40	азот	N	0,03
магний	Mg	1,93	фтор	F	0,03
водород	H	0,87	стронций	Sr	0,02
титан	Ti	0,58	все прочие	—	0,47

Атомы и молекулы

Атом (atom) — это наименьшая частица элемента, которая обладает свойствами этого элемента и способна вступать в химические соединения. Возьмём, например, золото. Представьте, что вы разрезаете самородок золота пополам, затем половину снова пополам, и так до тех пор, пока не останется кусочек золота настолько малый, что его уже невозможно разрезать (как бы малы ни были ваши инструменты). Этот предельно малый кусочек золота и есть атом (от греческого atomos — «неделимый») (Рис. 1.12). Если бы такой атом удалось разделить дальше, он перестал бы быть золотом.

Рис. 1.12. (a) На фотографии — самородок золота. (b) Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) позволяет получать сильно увеличенные изображения поверхностей твёрдых тел — например, это изображение кристалла золота. Каждая сфера соответствует одному атому золота. (источник a: модификация работы United States Geological Survey; источник b: модификация работы «Erwinrossen»/Wikimedia Commons)

Впервые предположение о том, что вещество состоит из атомов, приписывают греческим философам Левкиппу и Демокриту, разработавшим эти представления в V веке до н. э. Однако лишь в начале XIX века Джон Дальтон (John Dalton, 1766–1844), британский школьный учитель с глубоким интересом к науке, подкрепил эту гипотезу количественными измерениями. С тех пор многочисленные эксперименты подтвердили многие положения этой гипотезы, и она стала одной из центральных теорий химии. Другие положения атомной теории Дальтона по-прежнему используются с небольшими уточнениями (подробности теории Дальтона приведены в главе об атомах и молекулах).

Атом столь мал, что его размер трудно представить. Один из самых мелких объектов, которые мы можем разглядеть невооружённым глазом, — отдельная нить паутины: такие нити имеют диаметр около \(1/10\,000\) сантиметра (\(0{,}0001\ \text{см}\)). Хотя поперечное сечение одной нити почти невозможно увидеть без микроскопа, в атомном масштабе оно огромно. Один атом углерода в паутинной нити имеет диаметр около \(0{,}000\,000\,015\ \text{см}\), и потребовалось бы около \(7000\) атомов углерода, чтобы перекрыть диаметр такой нити. Для наглядности: если бы атом углерода был размером с десятицентовую монету, то поперечное сечение нити было бы больше футбольного поля, на которое потребовалось бы около \(150\) миллионов таких атомов-«монет». На рис. 1.13 показаны последовательные приближения от макроскопического до атомного уровня для обычного хлопка.

Рис. 1.13. Эти изображения дают всё более крупный план: (a) коробочка хлопка, (b) отдельное хлопковое волокно под оптическим микроскопом (увеличение 40×), © изображение хлопкового волокна, полученное электронным микроскопом (увеличение значительно выше, чем у оптического), (d) и (e) атомно-уровневые модели волокна (сферы разных цветов соответствуют атомам разных элементов). (источник c: модификация работы «Featheredtar»/Wikimedia Commons)

Атом столь лёгок, что его массу также трудно представить. Миллиард атомов свинца (\(1\,000\,000\,000\) атомов) весит около \(3 \times 10^{-13}\ \text{г}\) — массу, слишком малую, чтобы её можно было измерить даже на самых чувствительных в мире весах. Чтобы получить массу всего \(0{,}000\,000\,1\ \text{г}\), потребовалось бы более \(300\,000\,000\,000\,000\) атомов свинца (300 триллионов, или \(3 \times 10^{14}\)).

Скопления отдельных атомов встречаются нечасто. Лишь немногие элементы — например, газы гелий, неон и аргон — состоят из отдельных атомов, движущихся независимо друг от друга. Другие элементы, такие как газы водород, азот, кислород и хлор, состоят из частиц, образованных парами атомов (Рис. 1.14). Одна из форм элемента фосфора состоит из частиц, образованных четырьмя атомами фосфора. Элемент сера существует в различных формах, одна из которых состоит из частиц, образованных восемью атомами серы. Такие частицы называются молекулами (molecules). Молекула состоит из двух или более атомов, связанных сильными взаимодействиями, называемыми химическими связями (chemical bonds). Атомы в молекуле движутся как единое целое — подобно банкам газировки в упаковке из шести штук или связке ключей на одном кольце. Молекула может состоять из двух или более одинаковых атомов (как в молекулах элементов водорода, кислорода и серы) или из двух или более различных атомов (как в молекулах воды). Каждая молекула воды представляет собой частицу из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Каждая молекула глюкозы — частица из 6 атомов углерода, 12 атомов водорода и 6 атомов кислорода. Как и атомы, молекулы невероятно малы и легки. Если обычный стакан воды увеличить до размеров Земли, то молекулы воды внутри него были бы размером примерно с мяч для гольфа.

Рис. 1.14. Элементы водород, кислород, фосфор и сера образуют молекулы, состоящие из двух или более атомов одного элемента. Соединения вода, углекислый газ и глюкоза состоят из комбинаций атомов разных элементов.

Химия в повседневной жизни

Разложение воды и получение водорода

Вода состоит из элементов водорода и кислорода, соединённых в соотношении 2 к 1. Воду можно разложить на газообразные водород и кислород, добавив энергию. Один из способов сделать это — использовать батарею или источник питания, как показано на рис. 1.15.

Рис. 1.15. Разложение воды показано на макроскопическом, микроскопическом и символическом уровнях. Батарея обеспечивает электрический ток (микроскопический уровень), который разлагает воду. На макроскопическом уровне жидкость разделяется на газообразные водород (слева) и кислород (справа). Символически это превращение представляют уравнением, показывающим, как жидкая \(\ce{H2O}\) разделяется на газы \(\ce{H2}\) и \(\ce{O2}\) в соотношении \(\ce{2 H2O(l) -> 2 H2(g) + O2(g)}\).

Разложение воды связано с перестройкой атомов из молекул воды в другие молекулы, состоящие, соответственно, из двух атомов водорода и двух атомов кислорода. Из двух молекул воды образуются одна молекула кислорода и две молекулы водорода. Запись этого превращения

\[ \ce{2 H2O(l) -> 2 H2(g) + O2(g)} \]

будет подробнее рассмотрена в последующих главах.

Образующиеся два газа обладают существенно различными свойствами. Кислород не горюч, но необходим для горения топлива, а водород чрезвычайно горюч и является мощным источником энергии. Как это можно применить на практике? Одно из применений связано с разработкой более экономичных видов транспорта. Автомобили на топливных элементах (fuel-cell vehicles, FCV) работают на водороде вместо бензина (Рис. 1.16). Они эффективнее автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, не загрязняют окружающую среду, снижают выбросы парниковых газов и делают нас менее зависимыми от ископаемого топлива. Однако пока такие автомобили экономически невыгодны, а современное производство водорода зависит от природного газа. Если удастся разработать процесс экономичного разложения воды или иного экологически чистого получения водорода, автомобили на топливных элементах могут стать транспортом будущего.

Рис. 1.16. Топливный элемент вырабатывает электрическую энергию из водорода и кислорода в ходе электрохимического процесса; единственным побочным продуктом является вода.

Химия в повседневной жизни

Химия мобильных телефонов

Представьте себе, насколько иной была бы ваша жизнь без мобильных телефонов (Рис. 1.17) и других «умных» устройств. Мобильные телефоны изготавливаются из множества химических веществ, которые извлекаются, очищаются, рафинируются и собираются на основе глубокого и всестороннего понимания химических принципов. Около 30 % элементов, встречающихся в природе, можно найти в типичном смартфоне. Корпус (рамка) изготовлен из сочетания прочных и долговечных полимеров, состоящих главным образом из углерода, водорода, кислорода и азота [акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС) и поликарбонатные термопласты], а также из лёгких прочных конструкционных металлов — алюминия, магния и железа. Экран дисплея сделан из специально упрочнённого стекла (силикатного стекла, упрочнённого добавлением алюминия, натрия и калия) и покрыт материалом, придающим ему электропроводность (например, оксидом индия–олова). В печатной плате используются полупроводниковый материал (обычно кремний); распространённые металлы — медь, олово, серебро и золото, а также менее знакомые элементы — иттрий, празеодим и гадолиний. Аккумулятор работает на ионах лития и ряде других материалов, включая железо, кобальт, медь, полиэтиленоксид и полиакрилонитрил.

Рис. 1.17. Почти треть встречающихся в природе элементов используется при изготовлении мобильного телефона. (источник: модификация работы John Taylor)