Самые удивительные вещества. Что такое вещество в физике и химии

Различие между веществом и полем

Поле, в отличие от веществ, характеризуется непрерывностью, известны электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, волновые поля различных элементарных частиц.

Современное естествознание нивелирует различие между веществом и полем, считая, что и вещества, и поля состоят из различных частиц, обладающих корпускулярно-волновой (двойственной) природой. Выявление тесной взаимосвязи между полем и веществом привело к углублению представлений о единстве всех форм и структуры материального мира.

Однородное вещество характеризуется плотностью - отношением массы вещества к его объёму:

где ρ - плотность вещества, m - масса вещества, V - объём вещества.

Физические поля такой плотностью не обладают.

Свойства вещества

Каждому веществу присущ набор специфических свойств - объективных характеристик, которые определяют индивидуальность конкретного вещества и тем самым позволяют отличить его от всех других веществ. К наиболее характерным физико-химическим свойствам относятся константы - плотность, температура плавления , температура кипения , термодинамические характеристики, параметры кристаллической структуры. К основным характеристикам вещества принадлежат его химические свойства.

Разнообразие веществ

Число веществ в принципе неограниченно велико; к известному числу веществ всё время добавляются новые вещества, как открываемые в природе, так и синтезируемые искусственно.

Индивидуальные вещества и смеси

Агрегатные состояния

Все вещества в принципе могут существовать в трёх агрегатных состояниях - твёрдом, жидком и газообразном. Так, лёд, жидкая вода и водяной пар - это твёрдое, жидкое и газообразное состояния одного и того же вещества - воды H 2 O. Твёрдая, жидкая и газообразная формы не являются индивидуальными характеристиками веществ, а соответствуют лишь различным, зависящим от внешних физических условий состояниям существования веществ. Поэтому нельзя приписывать воде только признак жидкости, кислороду - признак газа, а хлориду натрия - признак твёрдого состояния. Каждое из этих (и всех других веществ) при изменении условий может перейти в любое другое из трёх агрегатных состояний.

При переходе от идеальных моделей твёрдого, жидкого и газообразного состояний к реальным состояниям вещества обнаруживается несколько пограничных промежуточных типов, общеизвестными из которых являются аморфное (стеклообразное) состояние, состояние жидкого кристалла и высокоэластичное (полимерное) состояние. В связи с этим часто пользуются более широким понятием «фаза».

В физике рассматривается четвёртое агрегатное состояние вещества - плазма , частично или полностью ионизированное состояние, в котором плотность положительных и отрицательных зарядов одинакова (плазма электронейтральна).

Кристаллы

Кристаллы - это твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре, то есть на одном из нескольких определённых регулярных расположений составляющих вещество частиц (атомов, молекул, ионов). Кристаллическая структура , будучи индивидуальной для каждого вещества, относится к основным физико-химическим свойствам. Составляющие данное твёрдое вещество частицы образуют кристаллическую решётку . Если кристаллические решётки стереометрически (пространственно) одинаковы или сходны (имеют одинаковую симметрию), то геометрическое различие между ними заключается, в частности, в разных расстояниях между частицами, занимающими узлы решётки. Сами расстояния между частицами называются параметрами решётки. Параметры решётки, а также углы геометрических многогранников определяются физическими методами структурного анализа, например методами рентгеновского структурного анализа.

Часто твёрдые вещества образуют (в зависимости от условий) более чем одну форму кристаллической решётки; такие формы называются полиморфными модификациями. Например, среди простых веществ известны ромбическая и моноклинная сера , графит и алмаз , которые являются гексагональной и кубической модификациями углерода , среди сложных веществ - кварц , тридимит и кристобалит представляют собой различные модификации диоксида кремния.

Органические вещества

Литература

• Химия: Справ. изд./ В. Шретер, К.-Х. Лаутеншлегер, Х. Бибрак и др.: Пер. с нем. - М.: Химия, 1989

См. также

Материя
Физика
Качественная характеристика	Вещество Адронное вещество Нейтронное вещество Атомное вещество

Понятие вещества изучается сразу несколькими науками. Вопрос о том, какие есть вещества, мы разберём с двух точек зрения - с позиции химической науки и с позиции физики.

Вещество в химии и физике

Химики понимают вещество, как физическую субстанцию с определённым набором химических элементов. В современной физике вещество рассматривается как вид материи, который состоит из фермионов или вид материи, содержащий в себе фермионы, бозоны, обладает массой покоя. По обыкновению, вещество должно состоять из частиц, по большей части электронов, протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны образуют атомные ядра, а все вместе эти элементы образуют атомы (атомное вещество).

Свойства вещества

Практически каждое из веществ имеет свой уникальный набор свойств. Под свойствами понимают характеристики, указывающие на индивидуальность вещества, которая в свою очередь демонстрирует его отличия от всех остальных веществ. Характерными физико-химическими свойствами являются константы - плотность, различные типы температур, термодинамика, показатели кристаллической структуры.

Химическая классификация веществ

В химии разделяют вещества на соединения и их смеси. Кроме того, следует сказать органические вещества Соединение - это есть набор атомов, которые связаны друг с другом с учётом определённых закономерностей. При этом следует отметить, что границу между соединением и смесью веществ определить чётко довольно сложно. Это обусловлено тем, что науке известны вещества непостоянного состава. Для них составить точную формулу невозможно. Кроме того, соединение - это по большому счёту абстракция, так как в практическом смысле может быть достигнута только лишь конечная чистота изучаемого вещества. Любой существующий в реальной жизни образец - это смесь веществ, но с преобладанием одного вещества из всей группы. Кроме того, следует сказать, какие есть органические вещества. Эта группа сложных веществ имеет в составе углерод (белки, углеводы).

Простые и сложные вещества

Простые вещества(O2, O3, H2, Cl2) - это те вещества, которые состоят только из атомов одного химического элемента. Эти вещества - есть форма существования элементов в свободном виде. Другими словами, эти химические элементы, которые не связаны с другими элементами, образуют простые вещества. Таких веществ науке известно более чем 400 разновидностей. Простые вещества классифицируют по типу связи между атомами. Так, простые вещества разделяют на металлы(Na, Mg, Al, Bi и др.) и неметаллы (H 2 , N 2 , Br 2 , Si и др).

Сложные вещества - химические соединения, которые состоят из связанных друг с другом атомов двух и более элементов. Простые вещества также имеют право называться химическими соединениями, если их молекулы будут состоять из атомов, соединённых ковалентной связью (азот, кислород, бром, фтор,). А вот инертные (благородные) газы и атомарный водород называть химическими соединениями будет ошибкой.

Физическая классификация веществ

С точки зрения физики вещества существуют в нескольких агрегатных состояниях - тело, жидкость и газ. О том, какие твердые вещества, например, видно невооружённым взглядом. Тоже самое можно сказать и о другом агрегатном состоянии. Какие жидкие вещества есть в природе мы со школы знаем. Примечательно, что такое вещество как вода может существовать сразу в трёх состояния - как лёд, жидкая вода и пар. Три агрегатных состояния вещества не считаются индивидуальными характеристиками веществ, но соответствуют разным, зависимым от внешних условий существования веществ. При переходе от состояний агрегатных состояний к реальным состояниям химического вещества можно выявить ряд промежуточных типов, которые в науке получили название аморфных или стеклообразных состояний, а также состояния жидкого кристалла и полимерного состояние. В связи с этим учёные часто используют понятие «фаза».

Помимо прочих в физике рассматривают ещё и четвёртое агрегатное состояние химического вещества. Это плазма, то есть состояние, полностью или частично ионизированное, а плотность положительных и отрицательных зарядов в этом состоянии одинакова, иными словами плазма электронейтральна. В целом, веществ в природе множество, но теперь вы знаете, какие бывают вещества, а это гораздо важнее.

Химический элемент, простое и сложное вещество, аллотропия. Относительная атомная и молекулярная массы, моль, молярная масса. Валентность, степень окисления, химическая связь, структурная формула.

Практикум: Расчеты по химическим формулам, химическим уравнениям.Решение задач на нахождение химической формулы вещества. Решение задач с использованием понятия «молярная масса». Вычисления по химическим уравнениям, если одно из веществ взято в избытке, если одно из веществ содержит примеси. Решение задач на определение выхода продукта реакции.

Химия - это наука о веществах, их свойствах и превращениях, происходящих в результате химических реакций, а также о фундаментальных законах, которым эти превращения подчиняются. Поскольку все вещества состоят из атомов, которые благодаря химическим связям способны формировать молекулы, то химия занимается в основном изучением взаимодействий между атомами и молекулами, полученными в результате таких взаимодействий.

Химический элемент - определённый вид атома имеющий название, порядковый номер, и положение в таблице Менделеева называют химическим элементом. В настоящее время известно 118 химических элементов, заканчивая Uuo (Ununoctium - Унуноктий). Каждый элемент обозначен символом, который представляет одну или две буквы из его латинского названия (водород обозначен буквой H - первой буквой его латинского названия Hydrogenium).

Вещество - вид материи с определёнными химическими и физическими свойствами. Совокупность атомов, атомных частиц или молекул, находящаяся в определённом агрегатном состоянии. Из веществ состоят физические тела (медь - вещество, а медная монета - физическое тело).

Простое вещество - вещество, состоящее из атомов одного химического элемента: водород, кислород и т.д.

Сложное вещество - вещество, состоящее из атомов разных химических элементов: кислоты, вода и др.

Аллотропия - это способность некоторых химических элементов существовать в виде двух или нескольких простых веществ, различных по строению и свойствам. Например: алмаз и уголь состоят из одного и того же элемента - углерода.

Относительная атомная масса. Относительной атомной массой элемента называют отношение абсолютной массы атома к 1/12 части абсолютной массы атома изотопа углерода 12С. Обозначают относительную атомную массу элемента символом Аr, где r - начальная буква английского слова relative (относительный).

Относительная молекулярная масса. Относительной молекулярной массой Мr называют отношение абсолютной массы молекулы к 1/12 массы атома изотопа углерода 12С.

Обратите внимание на то, что относительные массы по определению являются безразмерными величинами.

Таким образом, мерой относительных атомных и молекулярных масс избрана 1/12 часть массы атома изотопа углерода 12С, которая называется атомной единицей массы (а.е.м.):

Моль. В химии чрезвычайное значение имеет особая величина - количество вещества.

Количество вещества определяется числом структурных единиц (атомов, молекул, ионов или других частиц) этого вещества, оно обозначается обычно n и выражается в молях (моль).

Моль - это единица количества вещества, содержащая столько же структурных единиц данного вещества, сколько атомов содержится в 12 г углерода, состоящего только из изотопа 12С.

Число Авогадро. Определение моля базируется на числе структурных единиц, содержащихся в 12 г углерода. Установлено, что данная масса углерода содержит 6,02× 1023 атомов углерода. Следовательно, любое вещество количеством 1 моль содержит 6,02× 1023 структурных единиц (атомов, молекул, ионов).

Число частиц 6,02 × 1023 называется числом Авогадро или постоянной Авогадро и обозначается NA:

N A = 6,02 × 10 23 моль -1

Молярная масса. Для удобства расчетов, проводимых на основании химических реакций и учитывающих количества исходных реагентов и продуктов взаимодействия в молях, вводится понятие молярной массы вещества.

Молярная масса M вещества представляет собой отношение его массы к количеству вещества:
где г - масса в граммах, n - количество вещества в молях, М - молярная масса в г/моль - постоянная величина для каждого данного вещества.
Значение молярной массы численно совпадает с относительной молекулярной массой вещества или относительной атомной массой элемента.

Валентность - способность атомов химических элементов образовывать определённое число химических связей с атомами других элементов или количество связей, которые может образовывать вещество.

Степень окисления (окислительное число, формальный заряд) - вспомогательная условная величина для записи процессов окисления, восстановления и окислительно-восстановительных реакций, численная величина электрического заряда, приписываемого атому в молекуле в предположении, что электронные пары, осуществляющие связь, полностью смещены в сторону более электроотрицательных атомов.
Представления о степени окисления положены в основу классификации и номенклатуры неорганических соединений.

Степень окисления соответствует заряду иона или формальному заряду атома в молекуле или в формульной единице, например:

Na + Cl - , Mg 2+ Cl 2 - , N -3 H 3 - , C +2 O -2 , C +4 O 2 -2 , Cl + F - , H + N +5 O -2 3 , C -4 H 4 + , K +1 Mn +7 O -2 4 .

Степень окисления указывается сверху над символом элемента. В отличие от указания заряда иона, при указании степени окисления первым ставится знак, а потом численное значение, а не наоборот.

H + N +3 O -2 2 - степень окисления, H + N 3+ O 2- 2 - заряды.

Степень окисления атома в простом веществе равна нулю, например:

O 0 3 , Br 0 2 , C 0 .

Алгебраическая сумма степеней окисления атомов в молекуле всегда равна нулю:

H + 2 S +6 O -2 4 , (+1 2) + (+6 1) + (-2 4) = +2 +6 -8 = 0

Химическая связь, взаимное притяжение атомов, приводящее к образованию молекул и кристаллов. Принято говорить, что в молекуле или в кристалле между соседними атомами существуют химические связи. Химическая связь определяется взаимодействием между заряженными частицами (ядрами и электронами). Основные характеристики химической связи - прочность, длина, полярность.

Свойства - совокупность признаков по которым одни вещества отличаются от других, они бывают химическими и физическими.

Физические свойства - признаки вещества, при характеристике которых вещество не изменяет свой химический состав.(плотность, агрегатное состояние, температуры плавления и кипения и т.п.)

Химические свойства - способность веществ взаимодействовать с другими веществами или изменятся под действием определённых условий.Результатом является превращения одного вещества или веществ в другие вещества.

Физические явления - новые вещество не образуется.
Химические явления - новые вещество образуется.

Изучая в рамках школьного или вузовского курса различные направления науки, несложно заметить, что они очень часто оперируют понятием вещества.


Но что такое вещество в физике и химии, в чём разница между определениями этих двух наук? Постараемся рассмотреть подробнее.

Что такое вещество в физике?

Классическая физика учит, что , из которой состоит Вселенная, находится в одном из двух основных состояний – в виде вещества и в виде поля. Веществом в физике называют материю, состоящую из элементарных частиц (по большей части это нейтроны, протоны и электроны), образующих атомы и молекулы, которые обладают массой покоя, отличной от нуля.

Вещество представлено различными физическими телами, обладающими рядом параметров, которые поддаются объективным измерениям. В любой момент можно измерить удельный вес и плотность исследуемого вещества, его упругость и твёрдость, электропроводность и магнитные свойства, прозрачность, теплоёмкость и т.д.

В зависимости от вида вещества и внешних условий, эти параметры могут изменяться в достаточно широких пределах. В то же время каждому типу вещества свойственен определённый набор постоянных характеристик, отражающих его качественные показатели.

Агрегатные состояния веществ

Все существующие во Вселенной вещества могут пребывать в одном из агрегатных состояний:

— в виде газа;

— в виде жидкости;

— в твёрдом состоянии;

— в виде плазмы.

При этом многим веществам свойственны переходные, или пограничные состояния. Наиболее распространёнными из них являются:

— аморфное, или стеклообразное;

— жидкокристаллическое;

— высокоэластичное.


Кроме того, некоторые вещества при особых внешних условиях могут переходить в состояния сверхтекучести и сверхпроводимости.

Что такое вещество в химии?

Химическая наука изучает вещества, состоящие из атомов, а также законы, по которым происходят преобразования веществ, называемые химическими реакциями. Вещества могут пребывать в виде атомов, молекул, ионов, радикалов, а также их смесей.

Химия делит вещества на простые, т.е. те, которые состоят из атомов одного вида, и сложные, состоящие из разных видов атомов. Простые вещества называют химическими элементами: из них, как из кирпичиков, состоят все вещества в мире.

В ходе химической реакции вещества взаимодействуют друг с другом, обмениваясь атомами и атомными группами, в результате чего образуются новые вещества. В то же время химия не рассматривает процессы, при которых происходят изменения в атомарной структуре: количество и виды атомов, участвующих в реакции, всегда остаются неизменными.

Все простые вещества сведены в так называемую периодическую таблицу элементов, которая была создана русским учёным Д.И. Менделеевым. В этой таблице простые вещества расставлены в порядке возрастания их атомных масс и сгруппированы по свойствам, что существенно упрощает их дальнейшее изучение.

Органические и неорганические вещества

В современной химии принято разделение всех веществ на две основные группы: неорганические и органические. К неорганическим веществам относятся:

— оксиды – соединения химических элементов с кислородом;

— кислоты – соединения, состоящие из атомов водорода и так называемого кислотного остатка;

— соли – вещества, состоящие из атомов металла и кислотного остатка;

— основания, или щёлочи – соединения, состоящие из металла и гидроксильной группы или нескольких групп;

— амфотерные гидроксиды – вещества, обладающие свойствами оснований и кислот.

Существуют и более сложные соединения неорганических элементов. Всего насчитывается до полумиллиона разновидностей неорганических веществ.


Органические вещества – это соединения углерода с гидрогеном и другими химическими элементами. По большей части они представляют собой сложные молекулы, состоящие из большого количества атомов. Существует множество разновидностей органических веществ, в зависимости от их состава и молекулярного строения. Всего на текущий момент науке известно более 20 миллионов разновидностей органических веществ.

Что такое вещество – один из тех вопросов, ответ на который вроде бы ясен, но с другой стороны – попробуй-ка ответь! На первый взгляд всё просто: вещество – это то, из чего состоят тела… как-то неопределённо получилось. Попробуем разобраться.

Для простоты начнём с понятия ещё более сложного и абстрактного – материя. На сегодняшний день считается, что материя – это объективная реальность, существующая в пространстве и изменяющаяся во времени.

Реальность эта существует в двух формах. Одна из этих форм обладает волновой природой: невесомость, непрерывность, проницаемость, способность распространяться со скоростью света. Природа другой формы – корпускулярная: она обладает массой покоя, состоит из локализованных частиц (атомных ядер и электронов), малопроницаема (а в некоторых случаях непроницаема вообще), и до скорости света ей далеко. Первая форма существования материи называется полем, вторая веществом.

Тут следует оговориться: такое чёткое разделение проводилось в XIX веке, позднее – с открытием корпускулярно-волнового дуализма – пришлось поставить это под сомнение. Оказалось, что у поля и вещества намного больше общего, чем можно было предполагать, ведь даже электрон демонстрирует свойства и частицы, и волны! Впрочем, проявляется это в микромире, на уровне элементарных частиц, в макромире – на уровне тел – это неочевидно, так что разделение на вещество и поле вполне подходит.

Но вернёмся к нашему веществу. Как все мы помним со школьной скамьи, оно может существовать в трёх состояниях. Одно из них – твёрдое: молекулы практически неподвижны, сильно притягиваются друг к другу, поэтому тело сохраняет форму. Другое – жидкое: молекулы могут перемещаться с места на место, тело принимает форму сосуда в котором находится, не имея собственной формы. И наконец – газообразное: хаотичное движение молекул, слабая связь между ними, как следствие – отсутствие не только формы, но и объема: газ заполнит ёмкость любого объёма, распределившись по ней. В таких состояниях может находиться любое вещество, вопрос только в том, какие условия для этого нужны – например, металлический водород, имеющийся на Юпитере, на Земле пока не удаётся получить даже в лаборатории.

Но есть и четвёртое состояние вещества – плазма. Это ионизированный газ – т.е. газ, в котором наряду с нейтральными атомами присутствуют положительно и отрицательно заряженные частицы – ионы (атомы, лишившиеся части электронов) и электроны, при этом количество положительно и отрицательно заряженных частиц уравновешивает друг друга – это называется квазинейтральностью. Такое состояние вещества возможно при очень высокой температуре – счёт идёт на тысячи кельвинов. Напрашивается вопрос: если плазма – ионизированный газ, почему её надо считать четвёртым состоянием вещества, почему нельзя рассматривать как разновидность газа?

Оказывается, нельзя! По некоторым свойствам плазма противоположна газу. Газы обладают крайне низкой электрической проводимостью, а плазма – высокой. Газы состоят из частиц, подобных друг другу, которые крайне редко сталкиваются, а плазма – из частиц, различающихся по электрическому заряду, постоянно взаимодействующих друг с другом.

Если вам трудно представить, что такое плазма, не расстраивайтесь: вы видите её каждый день, а если повезёт, то и каждую ночь, ведь именно из неё состоят звёзды, в том числе и наше Солнце! Человек тоже научился её использовать: в светящихся вывесках «работает» именно неоновая или аргоновая плазма!

Таким образом, можно с уверенностью говорить не о трёх, а о четырёх состояниях вещества… не об этом ли догадывались философы древности, говоря о четырёх элементах бытия: «земля» (твёрдое), «вода» (жидкое), «воздух» (газообразное), «огонь» (плазма)? А мы, неразумные потомки, всё ищем в этом какую-то мистику!