Все, что окружает нас, имеет свою физическую и химическую природу. Что называют веществом и какие виды его существуют? Оно представляет собой физическую субстанцию, обладающую специфическим химическим составом. На латыни слово «вещество» обозначается термином Substantia, которое также часто используют ученые. Что же оно собой представляет?
На сегодняшний день известно более 20 млн различных веществ. В воздухе присутствуют всевозможные газы, в океане, морях и реках – вода с минералами и солями. Твердый поверхностный слой нашей планеты состоит из многочисленных горных пород. Огромное количество различных веществ присутствует в любом живом организме.
Общие понятия
В современной химии вещество, определение которого понимают как вид материи, обладает массой покоя. Оно состоит из элементарных частиц либо квазичастиц. Неотъемлемым признаком любого вещества является его масса. Как правило, при сравнительно низких плотностях и температурах в его составе чаще всего встречаются такие элементарные частицы, как электроны, нейтроны и протоны. Из последних двух состоят атомные ядра. Все эти элементарные частицы образуют такие субстанции, как молекулы и кристаллы. По сути своей, их атомное вещество (атомы) состоит из электронов, протонов и нейтронов.
С точки зрения биологии «вещество» - понятие материи, которая образует ткани любых организмов. Оно входит в состав органелл, которые имеются в клетках. В общем смысле «вещество» - это форма материи, из которой образуются все физические тела.
Свойства вещества
Свойствами вещества называют набор объективных характеристик, определяющих индивидуальность. Они позволяют различать одну субстанцию от другой. Наиболее характерные физико-химические свойства вещества:
• плотность;
• температуры кипения и плавления;
• термодинамические характеристики;
• химические свойства;
• значения кристаллической структуры.
Все перечисленные параметры представляют собой неизменяющиеся константы. Поскольку все вещества отличаются друг от друга, они обладают определенными физическими свойствами. Что подразумевают под этим понятием? Свойствами вещества называют его особенности, определяемые измерением или наблюдением, без трансформации его в другую субстанцию. Важнейшими из них являются:
• агрегатное состояние;
• цвет и блеск;
• наличие запаха;
• вкус;
• нерастворимость или растворимость в воде;
• температура плавления и кипения;
• плотность;
• электропроводность;
• теплопроводность;
• твердость;
• хрупкость;
• пластичность.
Для кристаллических веществ характерно еще такое физическое свойство, как форма. Цвет, вкус, запах определяют визуально и при помощи органов чувств. Такие физические параметры, как плотность, температура плавления и кипения, электропроводность вычисляют с помощью различных измерений. Сведения о физических свойствах большинства веществ представлены в специальных справочниках. Они зависят от агрегатного состояния субстанции. Так, плотность воды, льда и пара совершенно различна. Кислород в газообразном состоянии бесцветный, а в жидком - имеет голубой оттенок. Благодаря отличиям физических свойств можно различить множество веществ. Так, медь – единственный металл, имеющий красноватый оттенок. Только каменная соль имеет соленый вкус. В большинстве случаев, чтобы определить вещество, необходимо учитывать несколько известных его свойств.
Отношение понятий
Многие люди смешивают понятия «химический элемент», «атом», «простое вещество». На самом деле они различаются между собой. Так, атом – это конкретное понятие, поскольку он существует реально. Химический элемент – абстрактное (собирательное) определение. В природе он существует только в виде связанных или свободных атомов. Другими словами, он представляет собой простое или сложное вещество. У каждого химического элемента есть свое условное обозначение – знак (символ). В некоторых случаях он выражает и состав простого вещества (В, С, Zn). Но нередко этот символ обозначает только химический элемент. Это наглядно демонстрирует формула кислорода. Так О – это всего лишь химический элемент, а простое вещество кислород обозначается формулой О2.
Существуют и другие отличия между этими понятиями. Следует различать характеристики (свойства) простых веществ, представляющих собой совокупность частиц, и химического элемента, являющегося атомом определенного вида. Есть определенные отличия и в названиях. Чаще всего обозначение химического элемента и простого вещества совпадает. Однако есть и исключения из этого правила.
Классификация веществ
Что называют веществом с точки зрения науки? Количество различных субстанций очень велико. Природное вещество, определение которого связано с его натуральным происхождением, может быть органическим или неорганическим. Многие соединения человек научился синтезировать искусственно. Определение «вещество» подразумевает разделение на простые (индивидуальные) субстанции и смеси. Отношение к классификации зависит от того, какое их количество в него входит.
Определение простого вещества понимает абстрактное понятие, которое означает набор атомов, соединенных между собой по определенным физико-химическим законам. Несмотря на это граница между ним и смесью весьма расплывчата, поскольку некоторые субстанции имеют непостоянный состав. Для них даже еще не предложена точная формула. В силу того, что для простого вещества достижима только конечная его чистота, это понятие остается абстракцией. Иными словами, в любом из них имеется смесь химических элементов, в которой преобладает одно. Зачастую чистота субстанции непосредственным образом влияет на ее свойства. В общем смысле простое вещество построено из атомов одного химического элемента. Например, в молекуле газа кислорода содержится по 2 одинаковых атома (О2).
Что называют веществом сложным? Такое химическое соединение включает в себя различные атомы, составляющие молекулы. Иногда его называют смешанной химической субстанцией. Сложными веществами называют смеси, молекулы которых образуются из атомов двух и более элементов. Так, например, в молекуле воды есть один атом кислорода и 2 водорода (Н2О). Понятию сложного вещества отвечает молекула, содержащая различные химические элементы. Таких субстанций намного больше, чем простых. Они могут быть натуральными и искусственными.
Простые и сложные вещества, понятие которых в некоторой степени условны, отличаются своими свойствами. Так, например, титан становится прочным только тогда, когда он будет избавлен от атомов кислорода до меньше сотой доли процента. Сложное и простое вещество, химическое определение которого немного сложно для восприятия, может быть двух видов: неорганическое и органическое.
Неорганические вещества
К неорганическим относятся все химические соединения, не содержащие углерода. В эту группу входят и некоторые вещества, в составе которых есть этот элемент (цианиды, карбонаты, карбиды, оксиды углерода и несколько других веществ). Они не имеют характерного для органических субстанций скелета. Назвать вещество по формуле может каждый благодаря периодической системе Менделеева и школьному курсу химии. Все они обозначаются латинскими буквами. Что называют веществом в этом случае? Все неорганические субстанции делятся на такие группы:
• простые вещества: металлы (Mg, Na, Ca); неметаллы (P, S); благородные газы (He, Ar, Xe); амфотерные вещества (Al, Zn, Fe);
• сложные: соли, оксиды, кислоты, гидроксиды.
Органические вещества
Определение органических веществ довольно простое. К этим субстанциям относят химические соединения, в составе которых имеется углерод. Этот класс веществ является самым обширным. Правда, в этом правиле существуют и исключения. Так, к органическим веществам не относятся: оксиды углерода, карбиды, карбонаты, угольная кислота, цианиды и тиоцианаты.
Ответ на вопрос "назовите органические вещества" включает целый ряд сложных соединений. К ним относятся: амины, амиды, кетоны, ангидриды, альдегиды, нитрилы, карбоновые кислоты, сераорганические соединения, углеводороды, спирты, простые и сложные эфиры, аминокислоты.
К основным классам биологических органических веществ относят липиды, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы. Они, помимо углерода, имеют в своем составе водород, кислород, фосфор, серу, азот. Какие характерные черты у органических веществ? Их многообразие и разнообразие строения объясняется особенностями атомов углерода, которые способны образовывать прочные связи при соединении в цепочки. Благодаря этому получаются очень устойчивые молекулы. Атомы углерода образуют зигзагообразную цепь, которая является характерной особенностью органических веществ. При этом строение молекул прямо влияет на химические свойства. Углерод в органических веществах может объединяться в открытые и циклические (замкнутые) цепи.
Агрегатные состояния
Определение «вещество» в химии не дает развернутого понятия о его агрегатных состояниях. Они различаются той ролью, которую играет в их существовании взаимодействие молекул. Различают 3 агрегатных состояния вещества:
• Твердое, в котором молекулы плотно соединены. Между ними устанавливается сильное притяжение. В твердом состоянии молекулы вещества не способны двигаться свободно. Они могут совершать только колебательные движения. Благодаря этому твердые вещества прекрасно сохраняют свою форму и объем.
• Жидкое, при котором молекулы более свободны и могут передвигаться с одного места на другое. Благодаря таким свойствам любые жидкости могут принимать форму сосуда и перетекать.
• Газообразное, в котором элементарные частицы вещества двигаются свободно и хаотично. Молекулярные связи в этом состоянии настолько слабы, что они могут далеко находиться друг от друга. В газообразном состоянии вещество способно заполнять собой большие объемы.
На примере воды очень просто понять разницу между льдом, жидкостью и паром. Все эти агрегатные состояния не относятся к индивидуальным характеристикам химического вещества. Они соответствуют только состояниям существования субстанции, зависящим от внешних физических условий. Именно поэтому воде нельзя однозначно приписать признак жидкости. При изменении внешних условий многие химические вещества переходят из одного агрегатного состояния в другое. В ходе этого процесса обнаруживаются промежуточные (пограничные) типы. Самым известным из них является аморфное состояние, называемое стеклообразным. Такое определение «вещество» в химии связано с его строением (в переводе с греческого amorphos - бесформенный).
В физике рассматривается еще одно агрегатное состояние, называемое плазмой. Оно полностью или частично ионизировано и характеризуется одинаковой плотностью отрицательных и положительных зарядов. Иными словами: плазма электронейтральна. Это состояние вещества возникает только при предельно высоких температурах. Иногда они достигают тысячи кельвинов. По некоторым своим свойствам плазма является противоположностью газу. Последний обладает низкой электрической проводимостью. Газ состоит из частиц, которые подобны друг другу. При этом они редко сталкиваются. Плазма обладает высокой электрической проводимостью. Она состоит из элементарных частиц, различающихся электрическим зарядом. Они постоянно взаимодействуют друг с другом.
Существуют также такие промежуточные состояния вещества, как жидкий кристалл и полимер (высокоэластичный). В связи с наличием этих переходных форм специалисты часто используют более широко понятие «фаза». При определенных условиях, достаточно отличающихся от обычных, некоторые вещества переходят в особые состояния, например, сверхпроводящее и сверхтекучее.
Кристаллы
Кристаллы относятся к твердым веществам, имеющим естественную форму правильных многогранников. Она основана на их внутренней структуре и зависит от расположения составляющих его атомов, молекул и ионов. В химии она называется кристаллической решеткой. Такая структура индивидуальна для каждого вещества, поэтому она является одним из основных физико-химических параметров.
Расстояния между частицами, составляющими кристаллы, называют параметрами решетки. Они определяются с помощью физических методов структурного анализа. Нередко твердые вещества имеют более одной формы кристаллической решетки. Такие структуры называются полиморфными модификациями. Среди простых веществ распространены ромбическая и моноклинная форма. К таким веществам относят графит, алмаз, серу, представляющие гексагональную и кубическую модификации углерода. Данная форма отмечается и у сложных веществ, таких как кварц, кристобалит, тридимит, которые являют собой модификации диоксида кремния.
Вещество как форма материи
Несмотря на то что по своему значению понятия «вещество» и «материя» очень близки, они не являются полностью равнозначными. Это утверждают многие ученные. Так, при упоминании термина «материя» чаще всего подразумевают грубую, инертную и мертвую действительность, подверженную господству механических законов. Под определением «вещество» больше понимают материал, который, благодаря своей форме, вызывает мысль о жизненной пригодности и оформленности.
Сегодня ученные считают материю объективной реальностью, которая существует в пространстве и изменяется во времени. Она может быть представлена в двух формах:
• Первая обладает волновой природой. К ней относятся невесомость, проницаемость, непрерывность. Она может распространяться со скоростью света.
• Вторая – корпускулярная, обладающая массой покоя. Она состоит из элементарных частиц, отличающихся своей локализацией. Она малопроницаема или непроницаема и не может распространяться со скоростью света.
Первую форму существования материи называют полем, а вторую - веществом. У них много общего, ведь даже электроны обладают свойствами частицы и волны. Они проявляются на уровне микромира. Именно поэтому разделение на поле и вещество очень удобно.
Единство вещества и поля
Ученные давно установили, что чем массивнее и крупнее элементарная частица вещества, тем резче выражается ее индивидуальность и отграниченность. При этом ярче видна противоположность между веществом и полем, которое характеризуется непрерывностью. Чем меньше элементарные частицы вещества, тем меньше его масса. В этом случае противопоставление его с полем становится более сложным. В различных микроволнениях оно вообще теряет смысл, поскольку разные элементарные частицы – это кванты, возбужденные состояниями различных полей (электромагнитного – фотоны, ядерного – мезоны).
Единство вещества и поля и отсутствие четкой границы между ними выражается в том, что в определенных условиях частицы возникают за счет поля, а других случаях – наоборот. Наглядным примером тому может служить такое явление, как аннигиляция (явление превращения элементарных частиц). Любое вещественное тело – это устойчивое целое, возможное благодаря связи его элементов через поля.
