1.3 Физические и химические свойства (Physical and Chemical Properties)¶

Цели обучения¶

К концу этого раздела вы сможете:

различать свойства и превращения вещества как физические или химические;
различать свойства вещества как экстенсивные или интенсивные.

Характеристики, по которым одно вещество отличается от другого, называют свойствами (properties). Физическое свойство (physical property) — это характеристика вещества, не связанная с изменением его химического состава. Знакомые примеры физических свойств: плотность, цвет, твёрдость, температуры плавления и кипения, электропроводность. Одни физические свойства, такие как плотность и цвет, можно наблюдать, не изменяя физического состояния вещества. Другие, например температуру плавления железа или температуру замерзания воды, можно наблюдать только тогда, когда вещество претерпевает физическое превращение (physical change). Физическое превращение — это изменение состояния или свойств вещества, не сопровождающееся изменением химической природы образующих его веществ. Физические превращения наблюдаются, когда плавится воск, когда сахар растворяется в кофе и когда водяной пар конденсируется в жидкую воду (Рис. 1.18). Другие примеры физических превращений — намагничивание и размагничивание металлов (как, например, в обычных противокражных метках в магазинах), а также измельчение твёрдых веществ в порошок (что иногда приводит к заметным изменениям цвета). В каждом из этих примеров меняется физическое состояние, форма или свойства вещества, но его химический состав остаётся неизменным.

Слева — небольшая металлическая кастрюля на плите, в которой плавится воск: твёрдые кусочки переходят в жёлтую жидкость. Справа — стеклянная крышка кастрюли, на внутренней поверхности которой осели мелкие капли воды, образовавшиеся при конденсации пара.

Рис. 1.18. (a) Воск претерпевает физическое превращение, когда твёрдый воск нагревают и он переходит в жидкое состояние. (b) Конденсация пара внутри кастрюли — физическое превращение, поскольку водяной пар превращается в жидкую воду. (источник a: модификация работы «95jb14»/Wikimedia Commons; источник b: модификация работы «mjneuby»/Flickr)

Способность одного вещества превращаться в другое (или неспособность к такому превращению) представляет собой химическое свойство (chemical property). Примеры химических свойств — горючесть, токсичность, кислотность и многие другие виды реакционной способности. Железо, например, соединяется с кислородом в присутствии воды и образует ржавчину; хром же не окисляется (Рис. 1.19). Нитроглицерин очень опасен, потому что легко взрывается; неон практически не представляет опасности, поскольку крайне инертен.

Слева — фотография старых железных деталей, полностью покрытых ржавчиной красно-бурого цвета. Справа — крупный план блестящей детали мотоцикла с хромированной поверхностью, на которой нет следов коррозии.

Рис. 1.19. (a) Одно из химических свойств железа — то, что оно ржавеет; (b) одно из химических свойств хрома — то, что он не ржавеет. (источник a: модификация работы Tony Hisgett; источник b: модификация работы «Atoma»/Wikimedia Commons)

Химическое превращение (chemical change) всегда приводит к образованию одного или нескольких видов вещества, отличающихся от того, что было до превращения. Образование ржавчины — химическое превращение, потому что ржавчина — это иной тип вещества, чем железо, кислород и вода, имевшиеся до её появления. Взрыв нитроглицерина — химическое превращение, потому что образующиеся газы — это совсем другие вещества, чем исходное. Другие примеры химических превращений — реакции, проводимые в лаборатории (например, взаимодействие меди с азотной кислотой), любые виды горения, а также приготовление, переваривание и порча пищи (Рис. 1.20).

Композитное изображение из четырёх частей: (a) колба, в которой медь реагирует с азотной кислотой — образуется голубой раствор и над ним поднимается бурый газ; (b) горящая спичка с ярким жёлтым пламенем; (c) обжаренные кусочки красного мяса, потемневшие до коричневого цвета; (d) спелый банан с тёмными пятнами на кожуре.

Рис. 1.20. (a) Медь и азотная кислота претерпевают химическое превращение с образованием нитрата меди(II) и бурого газа — диоксида азота. (b) При горении спички целлюлоза спички и кислород воздуха претерпевают химическое превращение с образованием диоксида углерода и водяного пара. © При обжаривании красного мяса происходит ряд химических превращений, в том числе окисление железа в миоглобине, что приводит к привычной смене цвета с красного на коричневый. (d) Потемнение банана — химическое превращение: образуются новые, более тёмные (и менее вкусные) вещества. (источник b: модификация работы Jeff Turner; источник c: модификация работы Gloria Cabada-Leman; источник d: модификация работы Roberto Verzo)

Свойства вещества делятся на две категории. Если свойство зависит от количества имеющегося вещества, его называют экстенсивным свойством (extensive property). Масса и объём — примеры экстенсивных свойств: галлон молока имеет большую массу, чем чашка молока. Значение экстенсивного свойства прямо пропорционально количеству вещества. Если же свойство образца вещества не зависит от количества вещества, его называют интенсивным свойством (intensive property). Температура — пример интенсивного свойства. Если галлон и чашка молока находятся при температуре $20\ \text{°C}$ (комнатная температура), то после их смешивания температура останется равной $20\ \text{°C}$. В качестве ещё одного примера рассмотрим различные, но связанные между собой свойства — теплоту и температуру. Капля горячего растительного масла, попавшая на руку, вызывает кратковременный лёгкий дискомфорт, тогда как кастрюля с горячим маслом приводит к тяжёлым ожогам. И капля, и кастрюля с маслом находятся при одной и той же температуре (интенсивное свойство), но в кастрюле содержится гораздо больше теплоты (экстенсивное свойство).

Химия в повседневной жизни. Знак опасности

Возможно, вы видели символ, показанный на Рис. 1.21, на ёмкостях с химикатами в лаборатории или на производстве. Этот знак, который иногда называют «пожарным ромбом» (fire diamond) или «знаком опасности» (hazard diamond), несёт ценную информацию, кратко обобщающую различные опасности, о которых следует знать при работе с конкретным веществом.

$Знак опасности NFPA: четыре ромба, образующих квадратный «алмаз». Синий (левый) — опасность для здоровья со шкалой 0–4: 0 — нормальный материал, 1 — слабо опасен, 2 — опасен, 3 — крайне опасен, 4 — смертельно опасен. Красный (верхний) — пожарная опасность со шкалой 0–4: 0 — не горит, 1 — выше $200\,°\text{F}$, 2 — выше $100\,°\text{F}$, но не выше $200\,°\text{F}$, 3 — ниже $100\,°\text{F}$, 4 — ниже $73\,°\text{F}$. Жёлтый (правый) — реакционная опасность со шкалой 0–4: 0 — стабилен, 1 — нестабилен при нагревании, 2 — возможно бурное химическое превращение, 3 — может детонировать от удара и нагрева, 4 — может детонировать. Белый (нижний) — особая опасность: «OX» — окислитель, «ACID» — кислота, «ALK» — щёлочь, «COR» — коррозионен, перечёркнутая «W» — не использовать воду, символ радиации — радиоактивен.$

Рис. 1.21. Знак опасности Национальной ассоциации противопожарной защиты США (National Fire Protection Agency, NFPA) кратко обобщает основные опасности химического вещества.

Система идентификации опасностей NFPA 704 была разработана Национальной ассоциацией противопожарной защиты США (NFPA) для предоставления сведений о безопасности при работе с веществами. Система описывает горючесть, реакционную способность, опасность для здоровья и другие виды опасности. В пределах общего ромбовидного символа верхний (красный) ромб указывает уровень пожарной опасности (диапазон температур вспышки). Синий (левый) ромб показывает уровень опасности для здоровья. Жёлтый (правый) ромб описывает реакционную опасность — например, насколько легко вещество детонирует или вступает в бурную химическую реакцию. Белый (нижний) ромб указывает на особые опасности: является ли вещество окислителем (что позволяет ему гореть в отсутствие воздуха или кислорода), вступает ли в необычную или опасную реакцию с водой, является ли коррозионным, кислотным, щелочным, биологически опасным, радиоактивным и так далее. Каждый вид опасности оценивается по шкале от 0 до 4, где 0 — отсутствие опасности, а 4 — крайне высокая опасность.

Хотя многие элементы заметно различаются по своим химическим и физическим свойствам, у некоторых элементов свойства схожи. Так, многие элементы хорошо проводят тепло и электричество, тогда как другие — плохие проводники. По этим свойствам элементы можно разделить на три класса: металлы (metals) — элементы, хорошо проводящие электрический ток; неметаллы (nonmetals) — элементы, плохо проводящие ток; и металлоиды (metalloids) — элементы с промежуточной проводимостью.

Периодическая таблица — это таблица элементов, в которой элементы со сходными свойствами располагаются рядом (Рис. 1.22). О периодической таблице вы узнаете больше по мере дальнейшего изучения химии.

Рис. 1.22. Периодическая таблица показывает, как элементы можно сгруппировать по сходным свойствам. Цвет фона указывает, является ли элемент металлом, металлоидом или неметаллом, а цвет символа элемента показывает, является ли простое вещество при обычных условиях твёрдым, жидким или газообразным.