Общая химия/Основные свойства материи

Основные свойства материи

Что такое материя?

Материя определяется как всё, что занимает пространство и имеет массу. Черные дыры имеют массу, но фактически не занимают места. Черные дыры имеют бесконечную плотность и нулевой объем. Все, что имеет массу, должно быть трехмерным, поэтому, как бы малы ни были атомы (вещество, из которого состоит материя), они трехмерны.

Масса - это мера инерции объекта. Она пропорциональна весу: чем больше масса объекта, тем больше он весит. Однако масса - это не то же самое, что вес. Вес - это сила, создаваемая действием гравитации на вещество, в то время как масса - это мера сопротивления объекта изменению движения. Например, ваш вес на Луне будет составлять одну шестую вашего веса на Земле, так как гравитационное поле Луны составляет одну шестую веса Земли. Масса измеряется путем сравнения интересующего вещества со стандартным килограммом, называемым Международным прототипом килограмма (IPK). IPK представляет собой металлический цилиндр, высота и диаметр которого равны 39,17 миллиметра и изготовлен из сплава 90% платины и 10% иридия. Таким образом, определяется стандартный килограмм, а все остальные массы являются сравнением с этим килограммом. Когда массы атомов измеряются в масс-спектрометре, используется другой внутренний стандарт. Ваш домашний урок относительно массы заключается в том, что масса является относительным термином, оцениваемым путем сравнения. Теперь масса определяется весами Уатта или Киббла путем измерения постоянной Планка. Целью измерения массы с помощью постоянной Планка является измерение массы электронным способом. Причина этого в том, что гораздо проще проводить электронные измерения с помощью электроники и электричества, чем взвешивать что-то большое или маленькое, поэтому исследователи работали над точным переопределением килограмма в квантовом стандарте, который реализует баланс Ватта/Киббла для постоянной Планка. Это изменение вступило в силу 20 мая 2019 года после исторического голосования среди членов CGPM в Версале во Франции по переопределению килограмма, ампера, моля и кельвина. Переопределение килограмма зависело от постоянного совершенствования этого нового метода определения массы. Национальные метрологические лаборатории, такие как NIST, объединились, чтобы сделать возможным переопределение килограмма.

Объём ― это мера количества пространства, занимаемого объектом. Объем можно измерить напрямую с помощью оборудования, разработанного с использованием градуировочных отметок, или косвенно с помощью измерений длины в зависимости от состояния материала (газ, жидкость или твердое вещество). Например, «градуированный цилиндр» — это трубка, которая может содержать жидкость, которая маркирована и промаркирована через равные интервалы, обычно каждые 1 или 10 мл. После того, как жидкость помещена в цилиндр, можно считать отметки градуировки и записать измерение объема. Поскольку объем изменяется с температурой, градуированное оборудование имеет ограничения по точности, с которой можно считать измерение. Объем твердых объектов правильной формы можно рассчитать, измерив их размеры. В случае коробки ее объем равен длине, умноженной на ширину, умноженной на высоту.

Особенно интересно отметить, что измерение отличается от вычисления конкретного значения. Хотя массу и объем можно определить непосредственно относительно определенного стандарта или линейных отметок на стекле, вычисление других значений из измерений не считается измерением. Например, после того, как вы измерили массу и объем жидкости напрямую, можно затем рассчитать плотность вещества, разделив массу на объем. Это считается косвенным определением плотности. Достаточно интересно, что можно также измерить плотность напрямую, если провести эксперимент, позволяющий сравнить плотность со стандартом.

Другое количество материи, определяемое напрямую или косвенно, — это количество вещества. Оно может представлять собой либо подсчитанное количество объектов (например, три мыши или дюжина бубликов), либо косвенно определенное количество частиц вещества, с которым ведется работа, например, сколько атомов содержится в образце чистого вещества. Последнее количество описывается в терминах молей. Один моль раньше определялся конкретно как количество частиц в 12 граммах изотопа углерода-12. Это число составляло 6,02214078(18)x 10²³ частиц. Моль теперь определяется так, что постоянная Авогадро N_A имеет значение 6,022 140 76 умножить на 10 в степени 23, обратной молю.

Шаблон:DropBox

Атомы, элементы и соединения

Основным строительным блоком материи является атом. Атомы состоят из протонов, электронов и нейтронов. Протоны и нейтроны состоят из кварков и глюонов.

Файл:Стилизованный атом с тремя орбитами модели Бора и стилизованным ядром.svg

Красные точки — протоны, черные точки — нейтроны, а синие точки — электроны.

Любой атом состоит из маленького ядра, окруженного «облаком» электронов. В ядре находятся протоны и нейтроны.

Однако термин «атом» просто относится к строительному блоку материи; он не определяет идентичность атома. Это может быть атом углерода, атом водорода или любой другой вид атома.

Именно здесь в игру вступает термин «элемент». Когда атом определяется числом протонов, содержащихся в его ядре, химики называют его «элементом». Все элементы имеют очень специфическую идентичность, которая делает их уникальными среди других элементов. Например, атом с 6 протонами в ядре известен как элемент «углерод». Когда говорят об элементе «фтор», химики имеют в виду атом, содержащий 9 протонов в своем ядре.

Несмотря на то, что мы определяем элемент как однозначно идентифицируемый атом, когда мы говорим, например, о 5 элементах, мы обычно не имеем в виду, что эти 5 атомов одного типа (имеют одинаковое число протонов в своем ядре). Мы имеем в виду 5 «типов» атомов. Не обязательно, что есть только 5 атомов. Может быть 10 или 100 и т. д. атомов, но эти атомы принадлежат к одному из 5 типов атомов. Я бы предпочел определить «элемент» как «тип атома». Я думаю, это точнее. Если бы мы хотели обозначить 5 атомов, имеющих в ядре одинаковые 6 протонов, я бы сказал «5 атомов углерода» или «5 атомов углерода».

Важно отметить, что если число протонов в ядре атома меняется, то меняется и идентичность этого элемента. Если бы мы могли удалить протон из азота (7 протонов), это уже не был бы азот. Фактически, нам пришлось бы идентифицировать атом как углерод (6 протонов). Помните, элементы уникальны и всегда определяются числом протонов в ядре. Периодическая таблица элементов показывает все известные элементы, организованные по числу протонов, которые у них есть.

Элемент состоит из атома одного типа; элементарный углерод содержит любое количество атомов, все из которых имеют 6 протонов в своих ядрах. Напротив, соединения состоят из разных типов атомов. Точнее, соединение - это химическое вещество, которое состоит из двух или более элементов. Углеродное соединение содержит некоторые атомы углерода (по 6 протонов каждый) и некоторые другие атомы с разным количеством протонов.

Соединения имеют свойства, отличные от свойств элементов, которые их создали. Например, вода состоит из водорода и кислорода. Водород - это взрывоопасный газ, а кислород - это газ, который подпитывает огонь. Вода имеет совершенно другие свойства, будучи жидкостью, которая используется для тушения пожаров.

Наименьший представитель соединения (что означает, что он сохраняет характеристики соединения) называется молекулой. Молекулы состоят из атомов, которые «связаны» вместе. Например, «формула» молекулы воды — «H₂O»: два атома водорода и один атом кислорода.

Свойства материи

Свойства материи можно разделить на два вида: экстенсивные/интенсивные или физические/химические.

Согласно Международному союзу теоретической и прикладной химии (ИЮПАК), интенсивное свойство или интенсивная величина — это величина, величина которой не зависит от размера системы (изучаемой части среды). Интенсивные свойства включают температуру, показатель преломления (например, показатель преломления воздуха равен 1,000293) и плотность массы. Обратная или мультипликативная величина плотности массы, удельный объем, также является интенсивным свойством. Температура кипения является интенсивным свойством. Вот список интенсивных свойств:

плотность заряда
- линейная плотность заряда — это количество электрического заряда на единицу длины и обычно представлена как $\lambda$ с единицами ${\mathsf {C*{m}^{-1}}}$
- поверхностная плотность заряда — это количество электрического заряда на единицу площади поверхности и представлена как $\sigma$ и измеряется с помощью единицы ${\mathsf {C*{m}^{-2}}}$
- объемная плотность заряда — это количество электрического заряда на единицу объема и обычно представлена как rho, $\rho$ и измеряется с помощью единицы ${\mathsf {C*{m}^{-3}}}$ .
цвет
концентрация
- массовая концентрация в Невозможно разобрать выражение (синтаксическая ошибка): {\displaystyle \mathsf{{м}^{-3}*{кг}^{+1}}}
- молярная концентрация в Невозможно разобрать выражение (синтаксическая ошибка): {\displaystyle \mathsf{{м}^{-3}*{моль}^{+1}}}
- числовая концентрация в Невозможно разобрать выражение (синтаксическая ошибка): {\displaystyle \mathsf{{м}^{-3}}}
плотность энергии в Невозможно разобрать выражение (синтаксическая ошибка): {\displaystyle \mathsf{{Дж}^{+1}*{м}^{-3}}}
электрическая проницаемость как мера намагниченности, произведенной в материале в ответ на приложенное магнитное поле, обычно представленная как мю, Невозможно разобрать выражение (SVG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «http://localhost:6011/ru.wikibooks.org/v1/»:): {\displaystyle \мю} и измеряемая либо с помощью Невозможно разобрать выражение (синтаксическая ошибка): {\displaystyle \mathsf{{м}^{-1}*{Н}^{+1}}} , либо Невозможно разобрать выражение (синтаксическая ошибка): {\displaystyle \mathsf{{Н}^{+1}*{А}^{-2}}}
удельный вес
температура плавления
точка кипения
моляльность измеряется с помощью ${\mathsf {{kg}^{-1}*{mol}^{+1}}}$
давление
показатель преломления
электрическое сопротивление измеряется с помощью ${\mathsf {\Omega *m}}$
электропроводность измеряется с помощью ${\mathsf {S^{+1}*{m}^{-1}}}$

Интенсивные свойства не зависят от количества вещества. К ним относятся температура кипения и цвет. Экстенсивные свойства зависят от количества измеряемого вещества. К ним относятся масса и объем.	Физические свойства можно измерить, не меняя идентичности химического вещества. Температура замерзания вещества является физической. Когда вода замерзает, она все еще остается H₂O. Химические свойства связаны с тем, как одно химическое вещество реагирует с другим. Мы знаем, что древесина горюча, потому что при нагревании в присутствии кислорода она превращается в тепло, пепел и углекислый газ.

Состояния вещества

Одним из важных физических свойств является состояние вещества. Три из них распространены в повседневной жизни: твердое, жидкое и газообразное. Четвертое, плазма, наблюдается в особых условиях, таких как те, которые встречаются на солнце и флуоресцентных лампах. Вещества могут существовать в любом из состояний. Вода — это соединение, которое может быть жидким, твердым (лед) или газообразным (пар).

Лед на этой картинке — твердое тело. Вода на картинке — жидкость. В воздухе есть водяной пар, который является газом.

Файл:Твердый жидкий газ.svg

Состояния вещества зависят от связей между молекулами.

Твердые тела

Твердые тела имеют определенную форму и определенный объем. Большинство повседневных предметов являются твердыми телами: камни, стулья, лед и все, что имеет определенную форму и размер. Молекулы в твердом теле расположены близко друг к другу и связаны «межмолекулярными связями». Твердые тела могут быть «аморфными», что означает, что у них нет определенной структуры, или они могут быть организованы в кристаллические структуры или сети. Например, сажа, графит и алмаз состоят из элементарного углерода, и все они являются твердыми телами. Что делает их такими разными? Сажа аморфна, поэтому атомы случайным образом слипаются. Графит образует параллельные слои, которые могут скользить друг мимо друга. Однако алмаз образует кристаллическую структуру, которая делает его очень прочным.

Жидкости

Жидкости имеют определенный объем, но не имеют определенной формы. Вместо этого они принимают форму своего контейнера в той степени, в которой они действительно «содержатся» чем-то, например, стаканом или сложенной чашей рукой или даже лужей. Если они не «содержатся» формальным или неформальным сосудом, форма определяется другими внутренними (например, межмолекулярными) и внешними (например, гравитацией, ветром, инерцией) силами. Молекулы расположены близко, но не так близко, как твердое тело. Межмолекулярные связи слабы, поэтому молекулы могут свободно проскальзывать мимо друг друга, плавно теку. Свойством жидкостей является «вязкость», мера «густоты» при течении. Вода не такая вязкая, как, например, патока.

Газы

Газы не имеют определенного объема и определенной формы. Они расширяются, чтобы заполнить размер и форму своего контейнера. Кислород, которым мы дышим, и пар из горшка являются примерами газов. Молекулы в газе находятся очень далеко друг от друга, и межмолекулярные силы минимальны. Каждый атом может свободно перемещаться в любом направлении. Газы подвергаются истечению и диффузии. Истечение происходит, когда газ просачивается через небольшое отверстие, а диффузия происходит, когда газ распространяется по комнате. Если кто-то оставит бутылку аммиака на столе, и в ней есть отверстие, в конечном итоге вся комната будет пахнуть аммиачным газом. Это происходит из-за диффузии и истечения. Эти свойства газа возникают из-за того, что молекулы не связаны друг с другом. Молекулы в газе свободны и могут перемещаться в отличие от твердых молекул.

Шаблон:Информация

В газах межмолекулярные силы очень слабы, поэтому молекулы движутся хаотично, сталкиваясь друг с другом и со стенкой своего контейнера, тем самым оказывая давление на свой контейнер. Когда газы выделяют тепло, внутренняя молекулярная энергия уменьшается; в конце концов достигается точка, когда газ сжижается.