Вещества и их изменения. 
Предмет химии

Каждый отдельный вид материальной основы тел, обладающий определенными физическими свойствами, как то: вода, железо, медь, сера, известь, уголь, кислород и т. д., в химии называют веществом. Возьмем, например, кусок серы. Исследуя его, прежде всего отмечаем, что это вещество светложелтого цвета, хрупкое, имеет кристаллическое строение, нерастворимо в воде. Далее, определяя плотность серы, находим ее равной 2,07 г/см³.

Подвергая серу нагреванию, устанавливаем, что она плавится при 112,8 °С, и т. д. Все эти характерные особенности серы являются ее физическими свойствами.

Величины, количественно выражающие физические свойства вещества — плотность, температуру плавления, растворимость и др., имеющие при определенных условиях постоянные значения, называют физическими константами (от лат. «constans» — постоянный).

Для установления свойств вещества необходимо иметь его возможно более чистым, так как примеси других веществ изменяют числовые значения констант изучаемого вещества. Очистка веществ от примесей представляет собой одну из постоянно осуществляемых химических операций. Вещество с минимально достижимым содержанием примесей называют индивидуальным веществом.

Вещества в индивидуальном виде в природе встречаются редко. В большинстве случаев природные вещества представляют собой смеси, включающие большое количество разных веществ. Так, например, природная вода всегда содержит примеси солей. Когда одно из веществ содержится в смеси в преобладающем количестве, то вся смесь носит его название. На Урале иногда находят платиновые самородки. Фактически, кроме платины они содержат другие платиновые металлы, серебро, золото и другие элементы. Проводя еще одну важнейшую химическую операцию — анализ, устанавливают количественное содержание примесей.

В химии употребляются синонимы слова «вещество», среди которых следует остановиться на понятии «химический реактив». Это вещество, специально выпускаемое промышленностью и снабженное сертификатом, характеризующим его качество, т.с. допустимое максимальное содержание примесей, как в сумме, так и по отдельности. В табл. 1.1 приведены сведения об основных сортах или квалификациях химических реактивов.

Таблица 1.1

Качество химических реактивов.

Говоря о некотором образце вещества, часто употребляют слово «чистый», имея в виду, что вещество не содержит примесей. В действительности, вещества всегда содержат примеси. Слово «чистый» произносится взамен более точного понятия «индивидуальный». Иногда человек говорит о каком-то веществе, что оно абсолютно чистое. Однако это лишь эмоциональное усиление оценки качества, так как вещество, совершенно очищенное от примесей, получить невозможно.

Индивидуальное вещество характеризуется однородностью, смеси же могут быть однородными или неоднородными.

Однородными называют смеси двух или нескольких веществ, в которых ни непосредственно по внешнему виду, ни при помощи специальных приборов нельзя обнаружить частиц этих веществ измеримой величины. Такими смесями являются смеси газов, многие жидкости (растворы), некоторые сплавы.

Примерами неоднородных смесей могут служить горные породы, почва, мутная вода, пыльный воздух и т. д.

Не всегда неоднородность смеси заметна сразу. В некоторых случаях ее можно обнаружить только при помощи микроскопа. Например, кровь с первого взгляда представляется совершенно однородной красной жидкостью, но при изучении ее под микроскопом видно, что она состоит из бесцветной основы, в которой плавают красные и белые тельца.

Повсеместно мы можем наблюдать, что вещества претерпевают различные изменения: пролитая вода «высыхает», превращаясь в невидимый пар; стальной предмет во влажном воздухе покрывается ржавчиной; дрова в печи сгорают, оставляя лишь небольшую кучку пепла; опавшие листья с деревьев постепенно истлевают, превращаясь в темную массу перегноя, и т. д.

Кусочек свинца легко нагреть на домашней плите до плавления, перехода в жидкое состояние. Но этот переход не сопровождается химическим изменением свинца — металл перешел в другое состояние, оставаясь тем же веществом. Иначе обстоит дело, когда свинец в результате продолжительного нагревания на воздухе превращается в оксид свинца (глет). В этом случае вместо свинца получается новое вещество с другими свойствами, качественно отличное от свинца. Точно так же при ржавлении стали, горении древесины, гниении листьев образуются новые вещества, качественно отличные от исходных.

Явления, сопровождающиеся коренными изменениями вещества, при которых из одних веществ образуются другие, новые вещества, называются химическими. Изучением таких явлений занимается химия. Следовательно, химия есть наука о превращениях веществ. Она изучает состав и строение веществ, зависимость свойств вещества от его состава и строения, условия и пути превращения одних веществ в другие.

Химические изменения всегда сопровождаются изменениями физическими. Поэтому химия теснейшим образом связана с физикой. Очень тесно связана химия и с биологией, поскольку все процессы жизнедеятельности — среди них кровообращение, дыхание, пищеварение, зрение, мышление — сопровождаются непрерывными химическими превращениями веществ в организме, непрерывным обменом веществ между организмом и окружающей его средой. Однако, несмотря на то что химические явления и связаны с физическими, так же как биологические связаны и с химическими, и с физическими явлениями, химия не может быть сведена к физике, а биология к физике и химии, так как каждая форма движения имеет свои качественные особенности.

В химии, как и в других науках, изучение всякого явления начинается с наблюдения и описания. Но наука не ограничивается одним только описанием наблюдаемых явлений; ее важнейшей задачей является их объяснение. В поисках объяснений явлений мы стараемся глубже проникнуть в их сущность, выяснить причины, вызывающие их, установить условия, при которых они могут происходить. Для этого приходится искусственно воспроизводить различные явления в наиболее удобных для их изучения условиях и обстановке. Такое искусственное воспроизведение явления называется опытом, экспериментом. Чаще всего опыт производится для проверки справедливости мыслей или предположений, возникающих при изучении явления. Предположения, выдвигаемые для объяснения данного явления, устанавливающие его связь с другими, ранее изученными явлениями, объединяющие несколько явлений одной общей идеей, называются гипотезами. Если следствия, логически вытекающие из сделанного предположения, подтверждаются опытом, если гипотеза не только объясняет данное явление, но и позволяет делать обобщающие выводы, предугадывать новые явления, то гипотеза становится теорией. Если же опыт нс подтверждает выдвинутую гипотезу, то она отбрасывается.

Теория, являясь широким обобщением опыта, значительно облегчает изучение явлений, позволяет попять их глубже и правильнее. В то же время она дает направление и указания для постановки новых опытов, имея, таким образом, не только познавательное, но и методологическое значение. Теория позволяет вести исследования не вслепую, а планомерно, руководствуясь определенной точкой зрения, опираясь на уже установленные закономерности.

Особенно важными теоретическими обобщениями в химии, обеспечившими успехи этой науки, являются атомно-молекулярное учение, теория химического строения, закон периодической зависимости свойств химических элементов от зарядов их ядер — закон Менделеева.