Основной вопрос, на который должен знать ответ человек для правильного понимания картины мира – что такое вещество в химии. Данное понятие формируется ещё в школьном возрасте и направляет ребёнка в дальнейшем развитии. Приступая к изучению химии важно найти точки соприкосновения с ней на бытовом уровне, это позволяет наглядно и доступно разъяснить те или иные процессы, определения, свойства и т.д.
К сожалению, в силу неидеальности системы образования, многие упускают некоторые фундаментальные азы. Понятие «вещество в химии» – это своего рода краеугольный камень, своевременное усвоение данного определения даёт человеку правильный старт в последующем развитии в области естествознания.
Формирование понятия
Перед тем как перейти к понятию вещества, необходимо определить, чем является предмет химии. Вещества – это то, что непосредственно изучает химия, их взаимные превращения, строение и свойства. В общем понимании вещество – это то, из чего состоят физические тела.
Итак, что такое вещество в химии? Сформируем определение путём перехода от общего понятия к чисто химическому. Вещество – это определённый тип материи, обязательно имеющий массу, которую можно измерить. Данная характеристика отличает вещество от другого вида материи – поля, которое массы не имеет (электрическое, магнитное, биополе и т.д.). Материя, в свою очередь, – это то, из чего созданы мы и всё, что нас окружает.
Несколько другая характеристика материи, определяющая то, из чего конкретно она состоит – это уже предмет химии. Вещества сформированы атомами и молекулами (некоторые ионами), а значит любая субстанция, состоящая из этих формульных единиц, и есть вещество.
Простые и сложные вещества
После усвоения базового определения можно перейти к его усложнению. Вещества бывают различных уровней организации, то есть простые и сложные (или соединения) – это самое первое деление на классы веществ, химия имеет множество последующих разделений, подробных и более сложных. Эта классификация, в отличие от многих других, имеет строго определённые границы, каждое соединение можно чётко отнести к одному из видов, взаимоисключающих друг друга.
Простое вещество в химии – это соединение, состоящее из атомов только одного элемента из периодической таблицы Менделеева. Как правило, это бинарные молекулы, то есть состоящие из двух частиц, соединённых посредством ковалентной неполярной связи – образования общей неподелённой электронной пары. Так, атомы одного и того же химического элемента имеют идентичную электроотрицательность, то есть способность удерживать общую электронную плотность, поэтому она не смещена ни к одному из участников связи. Примеры простых веществ (неметаллы) - водород и кислород, хлор, йод, фтор, азот, сера и т.д. Из трёх атомов состоит молекула такого вещества, как озон, а из одного – всех благородных газов (аргона, ксенона, гелия и т.д.). В металлах (магнии, кальции, меди т.д.) существует свой собственный тип связи – металлический, осуществляющийся за счёт обобществления свободных электронов внутри металла, а образования молекул как таковых не наблюдается. При записи вещества металла указывается просто символ химического элемента без каких-либо индексов.
Простое вещество в химии, примеры которого были приведены выше, отличается от сложного качественным составом. Химические соединения образованы атомами разных элементов, от двух и более. В таких веществах имеет место ковалентный полярный или ионный тип связывания. Так как разные атомы имеют отличающуюся электроотрицательность, то при образовании общей электронной пары происходит её сдвиг в сторону более электроотрицательного элемента, что приводит к общей поляризации молекулы. Ионный тип – это крайний случай полярного, когда пара электронов полностью переходит к одному из участников связывания, тогда атомы (или их группы) превращаются в ионы. Чёткой границы, между этими типами нет, ионную связь можно интерпретировать как ковалентную сильно полярную. Примеры сложных веществ - вода, песок, стекло, соли, оксиды и т.д.
Модификации веществ
Вещества, именуемые простыми, на самом деле имеют уникальную особенность, которая не присуща сложным. Некоторые химические элементы могут образовывать несколько форм простого вещества. В основе всё так же лежит один элемент, но количественный состав, строение и свойства кардинально отличают такие образования. Эта особенность имеет название аллотропии.
Кислород, сера, углерод и другие элементы имеют несколько аллотропных модификаций. Для кислорода – это О2 и О3, углерод даёт четыре типа веществ – карбин, алмаз, графит и фуллерены, молекула серы бывает ромбической, моноклинной и пластической модификации. Такое простое вещество в химии, примеры которого не ограничены вышеперечисленными, имеет огромное значение. В частности, фуллерены используются как полупроводники в технике, фоторезисторы, добавки для роста алмазных плёнок и в других целях, а в медицине это мощнейшие антиоксиданты.
Что происходит с веществами?
Каждую секунду внутри и вокруг происходит превращение веществ. Химия рассматривает и объясняет те процессы, которые идут с качественным и/или количественным изменением состава реагирующих молекул. Параллельно, часто взаимосвязано протекают и физические превращения, которые характеризуются лишь изменением формы, цвета веществ или агрегатного состояния и некоторых других характеристик.
Химические явления – это реакции взаимодействия различных видов, например, соединения, замещения, обмена, разложения, обратимые, экзотермические, окислительно-восстановительные и т.д., в зависимости от изменения интересующего параметра. К физическим явлениям относят: испарение, конденсацию, сублимацию, растворение, замерзание, электропроводимость и т.д. Часто они сопровождают друг друга, например, молния во время грозы – это физический процесс, а выделение под её действием озона – химический.
Физические свойства
Вещество в химии – это материя, которой присущи определённые физические свойства. По их наличию, отсутствию, степени и интенсивности можно спрогнозировать, как вещество поведёт себя в тех или иных условиях, а также объяснить некоторые химические особенности соединений. Так, например, высокие температуры кипения органических соединений, в которых есть водород и электроотрицательный гетероатом (азот, кислород и т.д.), свидетельствуют о том, что в веществе проявляется такой химический тип взаимодействия, как водородная связь. Благодаря знанию о том, какие вещества имеют наилучшую способность проводить электрический ток, кабеля и провода электропроводки изготавливаются именно из определённых металлов.
Химические свойства
Установлением, исследованием и изучением другой стороны медали свойств занимается химия. Свойства веществ с её точки зрения – это их реакционная способность к взаимодействию. Некоторые вещества крайне активны в этом смысле, например, металлы или любые окислители, а другие, благородные (инертные) газы, при нормальных условиях в реакции практически не вступают. Химические свойства можно активировать или пассивировать при необходимости, иногда это не связано с особыми трудностями, а в некоторых случаях приходится нелегко. Учёные проводят многие часы в лабораториях, методом проб и ошибок добиваясь поставленных целей, иногда и не достигают их. Изменяя параметры окружающей среды (температуру, давление и т.д.) или применяя специальные соединения – катализаторы или ингибиторы - можно повлиять на химические свойства веществ, а значит и на ход реакции.
Классификация химических веществ
В основе всех классификаций лежит разделение соединений на органические и неорганические. Главный элемент органики – это углерод, соединяясь друг с другом и гидрогеном, атомы карбона образуют углеводородный скелет, который после заполняется другими атомами (кислородом, азотом, фосфором, серой, галогенами, металлами и другими), замыкается в циклы или разветвляется, обосновывая тем самым большое разнообразие органических соединений. На сегодняшний день науке известны 20 миллионов таких веществ. В то время как минеральных соединений всего лишь полмиллиона.
Каждое соединение индивидуально, но имеет и множество похожих черт с другими в свойствах, строении и составе, на этой основе происходит группировка в классы веществ. Химия имеет высокий уровень систематизации и организации, это точная наука.
Неорганические вещества
1. Оксиды – бинарные соединения с кислородом:
а) кислотные – при взаимодействии с водой дают кислоту;
б) основные – при взаимодействии с водой дают основание.
2. Кислоты – вещества, состоящие из одного или нескольких протонов водорода и кислотного остатка.
3. Основания (щёлочи) – состоят из одной или нескольких гидроксильных групп и атома металла:
а) амфотерные гидроксиды – проявляют свойства и кислот и оснований.
4. Соли – результат реакции нейтрализации между кислотой и щелочью (растворимым основанием), состоят из атома металла и одного или нескольких кислотных остатков:
а) кислые соли – анион кислотного остатка имеет в составе протон, результат неполной диссоциации кислоты;
б) основные соли – с металлом связана гидроксильная группа, результат неполной диссоциации основания.
Органические соединения
Классов веществ в органике великое множество, такой объём информации сложно сразу запомнить. Главное, знать основные разделения на алифатические и циклические соединения, карбоциклические и гетероциклические, предельные и непредельные. Также углеводороды имеют множество производных, в которых атом гидрогена замещён на галоген, кислород, азот и другие атомы, а так же функциональные группы.
Вещество в химии - это основа сущестования. Благодаря органическому синтезу человек на сегодняшний день имеет огромное количество искусственных веществ, заменяющих натуральные, а также не имеющих аналогов по своим характеристикам в природе.
