Физические вещества: примеры и описание

Есть темы, которые тесно связывают между собой знания из различных научных дисциплин естественного профиля. Одна из них относится к понятию физического вещества. С точки зрения химии, речь идет об основной форме материи, способной к взаимодействию и превращению в различные состояния, но сохраняющей свой элементарный состав в виде атомов и молекул. Физика рассматривает более глубокие аспекты строения соединений и допускает распад электронейтральных частиц на мельчайшие составляющие: протоны, нейтроны, электроны и т.д. Следует рассмотреть примеры физических веществ в качестве объектов химических превращений, и остановиться на детальном описании их свойств.

Виды существования материи

Принятая в современной науке классификация выделяет три материальные формы: поле, вещество и плазма. В процессе эволюции человек наилучшим образом адаптировался к восприятию своими анализаторами, прежде всего, тактильными, различных видов соединений, образующих живую и неживую природу. Познавая их свойства, он создал целую науку – химию, с помощью которой возникла металлургия, затем нефтяная и газовая промышленность. В то же время зародилась и органическая химия, вслед за ней – эра искусственно созданных веществ (лекарств, синтетических волокон, керамитов, красителей и пластмасс). Эти органические вещества, физические свойства которых резко отличались от натуральных соединений, позволили человеку подчинить себе глубины океана, завоевать новые континенты и шагнуть в космос.

Из чего состоят химические соединения?

Благодаря научным трудам М. В. Ломоносова и Джона Дальтона стало известно, что основой материи являются атомы. Именно они, объединяясь в различных видах и количествах, образуют молекулы, а те, в свою очередь – сотни тысяч веществ, из которых сформирована видимая часть реального мира. В науке принято разделять соединения на две формы: простые и сложные. К первой из них относятся кислород (O₂₎, углерод (C), магний (Mg) и т. д. Они состоят только из атомов одного химического элемента.

Физические свойства простого вещества зависят, прежде всего, от его агрегатного состояния, а оно определяется типом химической связи и особенностями кристаллической решетки. Например, самое твердое в природе простое вещество – алмаз, имеет атомную кристаллическую решетку. Она определяет его главные физические характеристики: очень высокую температуру плавления, теплопроводность, а также способность лучше других природных материалов преломлять световые лучи и люминесцировать.

Простые газообразные соединения

Трудно найти человека, который бы никогда не слышал о кислороде. В обычных условиях – это газ, который немного тяжелее воздуха, не имеет запаха и цвета. При низких температурах, порядка - 183°С и атмосферном давлении соединение изменяет свое агрегатное состояние, переходя в жидкость.

При этом у кислорода появляется новое физическое свойство: он может притягиваться магнитом. Физические свойства твердого вещества, например, такого, как графит, также обусловлены строением его кристалла. Он имеет такую же формулу, как и алмаз, но совершенно другие характеристики. Так, атомы в его кристаллической решетке расположены слоями, расстояние между которыми велико. Поэтому само соединение достаточно мягкое и оставляет на поверхности или бумаге чешуйчатый след. Графит жирный на ощупь и проводит электрический ток, поэтому широко применяется в промышленности полупроводников и для изготовления электродов.

Путешествие в страну органической химии

Чтобы разобраться, что такое органические вещества, физические свойства которых изучают даже в школе, следует сначала выяснить особенности их строения. Оказывается, все они содержат атомы углерода, находящиеся в возбужденном состоянии и проявляющие валентность, равную четырем. Более того, от пространственного расположения карбоновых частиц зависят физические и химические свойства соединений. Изомерия – явление, встречающееся только в органической химии.

Два или более соединений могут иметь одну и ту же молекулярную формулу, но совершенно разные свойства. Например, метилпропан и бутан отличаются температурами кипения, но их формула одна и та же – C₄H₁₀. Примеры физических свойств веществ, относящихся к изомерам, подтверждают факт их зависимости от строения молекулы и структурной формулы. Причина изомерии заключается в различной пространственной конфигурации углеродного скелета молекулы. Все особенности таких соединений были изучены выдающимся российским ученым М. Бутлеровым, который создал теорию строения органических соединений.

Новые возможности полимеров

Ранее мы упоминали о том, что искусственно созданные человеком органические вещества обладают уникальными, ранее не встречающимися в природе характеристиками. Приведем примеры физических веществ органического происхождения, полученных в лабораториях ученых. Так, бутадиен-стирольные каучуки образуются в результате реакции полимеризации между винилбензолом и бутадиеном. Они обладают высокой износостойкостью, эластичностью и устойчивостью к аномально высоким и низким температурам. Из таких полимеров изготавливают автомобильные шины, транспортерные ленты, эскалаторы, облегченный микропористый материал для обувной промышленности.

Фенолформальдегидные пластмассы и их роль

Реакции поликонденсации, проводимые в промышленных масштабах, позволяют получать такие соединения, которые становятся незаменимыми во многих областях промышленности. К ним можно отнести продукты взаимодействия между циклическим углеводородом, содержащим гидроксильную группу – фенолом, и метаналем. Реакция между ними проходит при нагревании с использованием катализатора (кислоты или щелочи). Рассмотрим конкретные примеры. Физические вещества, относящиеся к пластмассам, получают из фенолформальдегидных смол.

Что такое бакелиты?

Материалы, получаемые из полимеров, называются фенопластами или бакелитами. Это сырье для производства деталей в отрасли машиностроения. Также пластмассы используют как заменители изделий из цветных и черных металлов. Предметы из искусственных материалов имеют ряд преимуществ: они стойки к истиранию, устойчивы к коррозии, легкие и прочные. Широкий ассортимент изделий из фенолформальдегидных пластмасс можно увидеть среди предметов домашнего обихода: кухонной утвари, мебели, посуды и игрушек.

Физические и химические вещества

Если стоит задача познакомиться с такими свойствами соединений, как плотность, твердость, температура кипения и плавления, то принято говорить о характеристике физических веществ, которые рассматриваются, в основном, в курсе физики. Возьмем для примера металлы. Их общие свойства – это электро- и теплопроводность. Самым легким из них является литий: его плотность составляет всего 0,53 г/см³, а самым тяжелым металлом – осмий (22,6 г/см³).

Твердость – это еще одно свойство физических веществ. Здесь хром занимает первое место, поскольку он способен разрезать даже стекло. А вот натрий, калий и цезий настолько мягкие, что их резать обычным ножом.

О химических веществах принято говорить в контексте их способности к взаимодействию с другими соединениями. Эти свойства изучает химия. Металлы, например, реагируют с кислородом, образуя основные оксиды. Самые активные из них взаимодействуют с водой, что приводит к появлению щелочей: гидроксидов натрия, калия, кальция и т. д.

Итак, примеры физических веществ, характеризующихся способностью проводить тепло и электрический ток, обладающих плотностью, твердостью и другими свойствами, были приведены выше.