1.1.3. Хімічні властивості речовин. Молекула. Елемент. Фізичне тіло. Прості та складні речовини. Хімічна формула

Хімічні явища називають також хімічними реакціями. Про хімічні реакції ми будемо го­ворити детально дещо пізніше, а поки необхідно лише запам'ятати, що хімічною реакцією називається процес, в результаті якого утворюється хоча б одна нова речовина.

хімічні властивості речовин

Кожна речовина здатна вступати у різні хімічні реакції. Сукупність цих реакцій обумовлює хімічні властивості речовини. Таким чином, хімічні властивості речовини — це сукупність хімічних реакцій, властивих для цієї речовини. Якщо речовина чиста, тобто не містить домішок, які можна виявити, то хімічні властивості не залежать від її кількості. Скільки б ми не взяли речовини, її хімічні властивості залишаються незмінними. А якщо взяти речо­вини небагато? Незалежно від кількості речовини буде спостерігатися сталість властивостей. Але тут існує межа! Взагалі (практично це зробити дуже складно), зменшуючи кількість речовини, ми можемо отримати гранично малу (найменшу) частинку, подальший поділ якої призведе до утворення частинок інших речовин. Така найменша частинка речовини, що має її хімічні властивості, називається молекулою.

Слід зазначити, що молекула має лише хімічні властивості речовини, але не фізичні — мо­лекули не можна перетворити на пару, лід чи пропустити через них електричний струм. Це все можна зробити, якщо наявна велика сукупність молекул, що є фізичним тілом.

Фізичне тіло

Сукупність молекул речовини або суміші речовин, що відокремлена від зовнішнього сере­довища поверхнею розділення, називають фізичним тілом.

Наприклад, вода — це речовина, а крапля води — фізичне тіло.

У результаті хімічних реакцій молекули речовин можуть розпадатися на менш складні частинки — атоми та іони. Електронейтральною межею поділу молекул є атоми. На відміну від молекул, кількість яких дорівнює кількості відомих речовин (міліардам), кількість видів атомів гранична. На сьогодні відомо 114 видів атомів. Основними характеристиками атомів є заряди їх ядер (див. «Будова атома»), а також їхня маса.

При цьому, якщо заряд ядра атома визначити складно, то маса атома визначається порів­няно легко і переважно саме вона є засобом розпізнавання тих чи інших атомів.

Однак найбільш надійною «візитною карткою» атома є заряд його ядра. Всі атоми одного й того ж виду, тобто ті, що мають однакові заряди ядер, утворюють сукупність, що нази­вається елементом.

Елемент

Елемент — це сукупність атомів з однаковим зарядом ядра. Кількість відомих (в тому числі й одержаних штучно) елементів дорівнює 114. При цьому, якщо сумарна маса атомів одних елементів складає майже половину маси земної кулі (Оксиген), то існують елементи, що ма­ють декілька десятків або навіть декілька атомів (Дубній, ^Ь).

хімічні символи

Кожний елемент має назву (її, як правило, дає вчений, що відкрив цей елемент) і хімічний символ. Так, Гідроген має назву НугїгоЬепіит (той, що утворює воду), його хімічний символ Н; Купрум має назву Сиргит (від назви острова Кіпр, де він добувався на початку бронзового віку), хімічний символ Си. Хімічні назви, символи і маси атомів елементів, що найчастіше застосовуються, наведені в табл. 1.1.

Таблиця 1.1

Відносні атомні маси елементів

Порядковий номер елемента	Символ елемента	Назва елемента	Відносна атомна маса елемента (в. а. о.)
1	Н	Гідроген	1,0
2	Не	Гелій	4,0
6	С	Карбон	12
7	N	Нітроген	14
8	О	Оксиген	16
9	Г	Флуор	19
11	^	Натрій	23
12	Мд	Магній	24
13	А1	Алюміній	27
14	8і	Силіцій	28
15	Р	Фосфор	31
16	8	Сульфур	32
17	СІ	Хлор	35,5
19	К	Калій	39
20	Са	Кальцій	40
24	Сг	Хром	52
26	Ге	Ферум	56
29	Си	Купрум	63,5
Порядковий номер елемента	Символ елемента	Назва елемента	Відносна атомна маса елемента (в. а. о.)
30	2п	Цинк	65
33	Аз	Арсен	75
47	Ад	Аргентум	108
50	8п	Станум	119
56	Ва	Барій	137
82	РЬ	Плюмбум	207
83	Ві	Бісмут	209

Прості та складні речовини

Елементи існують у трьох формах: вільні атоми, прості речовини, складні речовини.

Простою називається речовина, молекули якої складаються з атомів одного елемента. Іноді елемент утворює одноатомні молекули (інертні гази — гелій, неон, аргон тощо), в інших ви­падках стабільними є не одноатомні, а двохатомні молекули (С1₂, Н₂), трьохатомні (О₃) і т. д.

Один і той самий елемент може існувати у вигляді кількох простих речовин. Це явище називається алотропією, а речовини — алотропними модифікаціями.

Так, Оксиген відомий у трьох алотропних модифікаціях — атомарний Оксиген (О), молеку­лярний кисень (О₂) та озон (О₃).

Хімічні властивості алотропних модифікацій дуже різноманітні.

Складною називається речовина, молекули якої складаються з атомів різних елементів. Наприклад: СаО, Nа₂8О₄, К₂Сг₂О₇ тощо. Перелік елементів, атоми яких наявні у складній речовині, називається якісним складом молекули.

Якщо нам, крім якісного складу молекули, відоме і число атомів у цій молекулі, це оз­начає, що ми знаємо кількісний склад молекули речовини. Існує дуже багато речовин, що мають однаковий якісний, але різний кількісний склад. Наприклад, натрій сульфіт та натрій сульфат ^а₂8О₃ та Nа₂8О₄ відповідно).

хімічна формула

Для відображення якісного та кількісного складу молекул речовин використовуються хімічні формули.

Хімічна формула речовини — це група символів хімічних елементів, що відображають якісний та кількісний склад молекул речовини. Наприклад, NаС1, К₂8, Са(С1О₄) ₂. Числа при символах елементів (К₂) або їх групах (С1О₄)₂) відображають кількість атомів хімічного еле­мента, що входять до молекули складної речовини, і називаються індексами.

Структурна формула

Іноді для визначення речовини хімічної формули недостатньо. Наприклад, хімічній фор­мулі С₂Н₆О відповідають дві речовини — етиловий спирт (Н₂С—СН₂—ОН) та диметиловий етер (Н₃С—О—СН₃). У таких випадках для надійної ідентифікації речовини використовують структурні формули. Структурна формула — це група символів хімічних елементів, що ві­дображає якісний та кількісний склад, а також взаємне розташування атомів у молекулі.

Речовини, молекули яких мають однакові хімічні, але різні структурні формули, назива­ються 1.1.4. Чисті речовини та суміші. Розділення сумішей

Абсолютно чистих речовин у природі не існує. Вони обов'язково мають домішки, хоча б у незначній кількості, і повне очищення від них неможливе. І це не потрібно. Необхідний ступінь очищення визначається тим, з якою метою буде використовуватися речовина.

Наприклад, річкова вода досить чиста для купання, але непридатна для пиття. Джерельна й очищена річкова вода придатні для пиття, але в парових котлах можуть використовуватися тільки після очищення.

У житті ми маємо справу не з чистими речовинами, а з сумішами речовин. Ці суміші мо­жуть бути неоднорідними (каламутна річкова вода з нерозчинними частками піску та глини, які можна побачити неозброєним оком) і однорідними (розчини спирту, цукру), в яких не помітна межа розділення між речовинами.

Суміші можуть складатися не тільки з твердих, а й з рідких і газоподібних речовин. Наприклад, хмари — це суміш повітря з краплями, дим — суміш твердих часток і повітря, а власне повітря — суміш різних газів. Прикладом різноманітних сумішей є молоко (краплі рідкого жиру у воді).

Складові частини сумішей називають компонентами.

Суміші та складні речовини

Слід розрізняти складні речовини та суміші. Основні відмінності між ними такі:

• суміші можуть бути виготовлені у будь-яких співвідношеннях компонентів, на відміну від складних речовин, які мають чітко визначений склад;

• речовини, що входять до складу сумішей, не змінюють своїх властивостей після їх утво­рення, а утворення складної речовини призводить до суттєвих змін властивостей атомів (іонів), з яких складається молекула;

• утворення і розділення сумішей не супроводжується хімічними реакціями, тоді як утво­рення молекул складних речовин та їх розподіл на вихідні речовини і продукти реакції є хімічними процесами.

Як приклад можна навести суміш порошків міді та сірки. Їх можна змішати в різних співвідношеннях, але властивості міді і сірки після утворення суміші не зміняться. Тому і розділити цю суміш можна, виходячи з властивостей міді та сірки. Якщо таку суміш по­містити у воду, то сірка, яка має нижчу питому вагу, спливе на поверхню, а мідь опуститься на дно посудини.

Під час утворення з міді та сірки складної речовини (Си8) одержуємо речовину чорного кольору, в якій (після очищення) на 64 частини міді припадає 32 масові частини сірки. Одержати із купрум (II) сульфіду вихідні мідь і сірку досить складно. Цей процес може бути охарактеризований такими хімічними реакціями:

Си8 + Н₂ = Си + Н₂8, 2Н₂8 + 0₂ = 2Н₂0 + 28.

Розділення сумішей

Речовини, що входять до складу сумішей, завжди відрізняються одна від одної за свої­ми фізичними властивостями — густиною, щільністю, розчинністю у різних розчинниках або воді, леткістю, здатністю притягатися магнітом (для металів) тощо. На цьому засновані засо­би розділення механічних сумішей. Ми наводимо декілька основних заходів, що ґрунтуються на цих відмінностях.

• Відстоювання та декантація.

Якщо компоненти сумішей мають суттєво різну щільність, наприклад, один із них мо­же плавати у воді (й < 1), а інші тонуть (й > 1), то суміш додають до води, перемішують, відстоюють і зливають воду (декантація) з компонентами суміші, які спливли. За необхідності цей процес повторюють.

Суміш двох рідин, що нерозчинні або малорозчинні одна в одній, поміщають у ділильну лійку і відстоюють доти, доки між ними не з'явиться чітка межа. Потім відкривають кран і одну рідину випускають, а іншу залишають у лійці.

• Фільтрування.

Рідкі та тверді нерозчинні компоненти сумішей пропускають через пористий матеріал (вата, тканина, фільтрувальний папір), при цьому рідкий компонент (фільтрат) проходить, а твердий залишається на фільтрі.

• Дистиляція (перегонка).

Якщо компоненти сумішей розчинні один в одному, але мають різні температури кипіння, то розчин заливають у прилад для дистиляції, підігріваюють до температури дещо вищої, ніж показник компонента з нижчою температурою кипіння, і відганяють його. При цьому в перегоновій колбі залишається інший компонент. Якщо перший компонент не є цінним (вода), то розчин виливають у плоскодонну посудину і чекають, коли компонент з нижчою температурою кипіння випариться мимовільно або під час нагрівання. Цей різновид перегон­ки називається упарюванням.

• У процесі охолодження тверда речовина з'являється у вигляді кристалів, цей метод на­зивають кристалізацією.

• Магнітна сепарація.

Багато металів та їх сплавів притягуються магнітом. Для розділення магнітних і немагніт­них компонентів до суміші підносять магніт і за його допомогою відокремлюють компонент, що до нього притягнувся.