Состояния и свойства материи
Все, что имеет массу и занимает пространство, называется материей. Материя окружает нас повсюду: это и твердый стол, за которым вы сидите, и воздух, которым вы дышите, и даже вода, утоляющая жажду.Материя существует в трех главных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Эти состояния определяются тем, как движутся и взаимодействуют частицы материи — атомы и молекулы. Например, в твердом теле частицы расположены плотно и почти не двигаются, в жидкостях они свободны, а в газах стремятся занять всё доступное пространство.Изучение материи — основа химии. Ученые исследуют её свойства и превращения, чтобы понять, как устроен наш мир. Научный процесс начинается с наблюдений, затем ученые формулируют гипотезы и проверяют их экспериментами. Благодаря этому подходу мы научились создавать новые материалы, лекарства, источники энергии и многое другое.
Физические состояния материиТвердое телоТвердое тело имеет определенную форму и объем, которые не изменяются при переносе в другую емкость. Например, кубик льда или деревянный брусок сохраняют свои размеры и очертания, независимо от того, где они находятся. Это происходит из-за того, что частицы в твердых телах расположены близко друг к другу и удерживаются сильными силами притяжения. Частицы образуют жесткую структуру, в которой они могут лишь вибрировать в фиксированном положении. ЖидкостьЖидкость имеет определенный объем, но её форма изменяется в зависимости от формы емкости. Например, вода или масло сохраняют свой объем, если их перелить из стакана в тарелку, но при этом принимают форму нового сосуда. В жидкости частицы движутся в случайных направлениях, но достаточно притягиваются друг к другу, чтобы поддерживать определенный объем.ГазГаз не имеет ни определенного объема, ни формы. Он заполняет весь доступный объем емкости, в которую помещен, и принимает её форму. Частицы газа находятся далеко друг от друга, слабо взаимодействуют друг с другом и движутся с высокой скоростью. Газы также легко сжимаются: при уменьшении пространства частицы газа сближаются, как это происходит, когда вы сжимаете воздушный шар или садитесь на надувной матрас.
Агрегатные состояния материи
Химическое состояние материиПервый вопрос, который химик задает о неизвестном веществе – является ли оно чистым веществом или содержит примеси.Чистое вещество однородно по химическому составу и свойствам. Существует два вида чистых веществ: элементы и соединения. Важно отметить, что абсолютно чистых веществ в природе не существует. Когда мы говорим, что вещество является чистым, это означает что содержание примесей в них относительно невелико.
Смесь — это система, состоящая из двух или более различных веществ, которые не вступают в химическую реакцию друг с другом. Большая часть материи состоит из смесей: Смеси бывают однородными и неоднородными: В отличие от соединений, пропорции веществ в смеси не постоянны. Например, мы можем приготовить две смеси сахара с водой, при этом в одном стакане будет в два раза больше сахара, чем в другом. На вид оба стакана не будут отличаться, но на вкус вы легко определите, какая смесь содержит больше сахара. Количество сахара, растворенного в стакане воды, будет определять сладость, температуру кипения и другие свойства смеси.
Смесь и чистое вещество
Химические и физические явления
Каждый день мы наблюдаем, как изменяется материя: лед тает, железо ржавеет, бензин горит, фрукты созревают, а вода испаряется. Но что же происходит с молекулами и атомами этих веществ во время таких изменений?Физическое явление — это процесс, при котором изменяется агрегатное состояние или форма вещества, но при этом новые вещества не образуются.
Например, когда вода закипает, она переходит из жидкого состояния в газообразное, однако состав остается прежним — газ по-прежнему состоит из молекул воды.Химическое явление (или химическая реакция) — это процесс, при котором одни вещества превращаются в другие. Во время химического изменения атомы переупорядочиваются, формируя новые вещества.
Например, ржавление железа — это химическое изменение. Атомы железа соединяются с молекулами кислорода из воздуха, образуя оксид железа — оранжевое вещество, которое мы называем ржавчиной.Различие между физическими и химическими изменениями не всегда очевидно. Только проведение химического анализа позволяет точно определить, какого рода изменения происходят в конкретном случае.
Физические и химические явления и свойства
ЭнергияВсе объекты во Вселенной состоят из материи, но этого недостаточно, чтобы объяснить поведение окружающего нас мира. Вода в озере и кипящая вода в кастрюле представляют собой одно и то же вещество, но ваши ощущения будут совершенно разными, если вы опустите руку в каждую из них. Причина этой разницы кроется в их энергетическом состоянии: кипящая вода содержит больше энергии, чем холодная.Для того чтобы понять химию, важно понимать энергию и изменения энергии, сопровождающие химические процессы. В отличие от материи, энергия не обладает массой, но её влияние можно наблюдать и измерять.Энергия определяется как способность совершать работу или передавать тепло. Работа — это энергия, необходимая для перемещения объекта, а тепло — энергия, используемая для повышения температуры объекта.Температура кажется нам интуитивно понятной, однако природа работы не всегда очевидна. Например, когда вы толкаете коробку по полу или крутите педали велосипеда, чтобы проехать через улицу, вы совершаете работу.
Полная энергия объекта представляет собой сумму его кинетической энергии (энергии, связанной с движением) и потенциальной энергии (энергии, обусловленной положением или составом объекта).Кинетическая энергия объекта зависит от его массы и скорости. С увеличением скорости кинетическая энергия возрастает. Например, автомобиль, движущийся со скоростью 65 километров в час, обладает большей кинетической энергией, чем при скорости 25 километров в час. При фиксированной скорости кинетическая энергия увеличивается с ростом массы. Таким образом, большой грузовик, движущийся со скоростью 65 километров в час, имеет больше кинетической энергии, чем мотоцикл, движущийся с той же скоростью, поскольку масса грузовика больше.В химии нас интересует кинетическая энергия атомов и молекул. Несмотря на то, что эти частицы слишком малы, чтобы их увидеть, они обладают массой, находятся в постоянном движении и, следовательно, имеют кинетическую энергию. Когда вещество нагревается — будь то кастрюля с водой на плите или алюминиевая банка на солнце — атомы и молекулы в этом веществе получают кинетическую энергию, что увеличивает их среднюю скорость. Таким образом, передача тепла на молекулярном уровне — это передача кинетической энергии.Потенциальная энергия охватывает все другие формы энергии, такие как энергия, накопленная в растянутой пружине, в грузе, поднятом над землей, или в химической связи. Объект обладает потенциальной энергией благодаря своему положению относительно других объектов. По сути, это «сохраненная» энергия, которая возникает в результате взаимодействий, например, притяжения или отталкивания между объектами.
Давайте разберемся, как потенциальная энергия превращается в кинетическую. Представьте велосипедиста на вершине холма. Из-за силы притяжения Земли потенциальная энергия велосипеда на вершине выше, чем у его подножия. Поэтому велосипед легко катится вниз, набирая скорость. При этом потенциальная энергия превращается в кинетическую. Чем ниже спускается велосипед, тем меньше у него потенциальной энергии, и тем больше становится кинетической, так как он ускоряется. Запомните: энергия не создается и не исчезает, она лишь переходит из одной формы в другую, а ее общее количество всегда остается неизменным.Объекты с высокой потенциальной энергией часто нестабильны. Например, поднятый над землей груз, является нестабильным, потому что в нем содержится значительное количество потенциальной энергии. Если груз отпустить, он упадет, и его потенциальная энергия уменьшится. Часть этой энергии можно использовать для выполнения работы. Например, если прикрепить груз к веревке, она сможет вращать колесо, пока груз падает. Когда груз достигнет земли, его потенциальная энергия станет минимальной, и он становится более устойчивым.Некоторые химические вещества можно сравнить с поднятым грузом. Например, молекулы бензина содержат высокую потенциальную энергию, которая сконцентрирована в их структуре, подобно энергии, накопленной в поднятом предмете. Эти молекулы склонны к химическим изменениям, таким как горение, которые снижают их потенциальную энергию. Часть высвобожденной энергии используется, например, для движения автомобиля. Молекулы, образующиеся в результате химической реакции, обладают меньшей потенциальной энергией и большей стабильностью по сравнению с исходными молекулами бензина.Химическая потенциальная энергия, такая как энергия, содержащаяся в молекулах бензина, возникает благодаря электростатическим силам между заряженными частицами — протонами и электронами, из которых состоят атомы и молекулы.
Пища, которую мы употребляем, обеспечивает организм энергией, необходимой для выполнения различных функций, включая рост и восстановление клеток. Углеводы являются основным источником топлива для организма. Однако, если их запасы исчерпаны, организм начинает использовать жиры, а затем белки для получения энергии.В области питания энергия, получаемая из пищи, измеряется в калориях или килокалориях (1 ккал = 1000 кал). Международная единица измерения энергии — килоджоуль (кДж). Например, печеный картофель имеет энергетическую ценность около 100 килокалорий, что соответствует 418 кДж. Типичная диета, обеспечивающая 2100 ккал, эквивалентна диете в 8800 кДж.Соотношение единиц измерения:1 Кал = 1 ккал = 1000 кал = 4,184 кДж = 4184 ДжДля определения энергетической ценности продуктов в лаборатории питания используют калориметр. Продукты сжигают в калориметре, чтобы измерить количество выделенной энергии (в ккал/г или кДж/г). Образец продукта помещают в стальной контейнер, наполненный кислородом. Область вокруг камеры сгорания заполняют измеренным количеством воды. Продукт поджигают, и выделяемое при этом тепло нагревает воду. По известной массе продукта и воды, а также по величине повышения температуры рассчитывают энергетическую ценность продукта.Энергетическая ценность пищевых продуктовЭнергетическая ценность пищи — это количество килокалорий или килоджоулей, выделяемых при сжигании 1 г углеводов (выделяется 4 ккал/г) жиров (выделяется 9 ккал/г ) или белков (выделяется 4 ккал/г). Например, если 100 г продукта содержит 10 г углеводов, 5 г жиров и 2 г белков, его энергетическая ценность составит: (10 × 4) + (5 × 9) + (2 × 4) = 93 ккал.
Каждое вещество обладает уникальной способностью поглощать тепло. Эта способность определяет, как быстро или медленно вещество нагревается и охлаждается. Например, когда вы запекаете картофель, вы помещаете его в горячую духовку, где он постепенно нагревается. Если вы варите макароны, то добавляете их в кипящую воду, где они нагреваются быстрее из-за высокой теплоемкости воды.Некоторые вещества требуют больше тепла для повышения температуры, чем другие. Это свойство называется удельной теплоемкостью — количеством тепла, необходимым для повышения температуры 1 г вещества на 1 °C. Изменение температуры обозначается как ∆T, где греческая буква «дельта» означает «изменение».Для нагрева 1 г воды на 1 °C требуется 1,00 кал или 4,184 Дж (смотри таблицу). Удельная теплоемкость воды примерно в пять раз выше, чем у алюминия.Удельная теплоемкость алюминия, в свою очередь, почти в два раза выше, чем у меди.Если добавить одинаковое количество тепла (например, 1,00 кал или 4,184 Дж), то температура 1 г воды повысится на 1 °C, а температура 1 г алюминия — на 5 °C, а меди — на 10 °C. Это объясняет, почему металлы, такие как алюминий и медь, с их низкой удельной теплоемкостью, так эффективно передают тепло, что делает их идеальными материалами для кухонной посуды.
Энергия
Конец
Комментариев пока нет