Материалы могут быть твердыми, жидкими и газообразными. Образец твердого тела, скажем кусочек льда, имеет определенный объем, а также жесткость. Он сохраняет свою форму даже под действием внешней силы, если эта сила не столь велика, чтобы разрушить образец. Жидкость, например некоторое количество воды в чашке, имеет определенный объем, но ее форма определяется формой сосуда. Газ, подобно водяному пару в цилиндре паровой машины, не имеет ни определенной формы, ни определенного объема — он изменяет и форму и объем с изменением формы и объема сосуда, в котором он заключен.
Лед, вода и водяной пар представляют собой одно и то же химическое вещество — воду в трех разных состояниях. Лед — твердое состояние (кристаллическое состояние) этого вещества, вода — жидкое состояние и пары воды — газообразное состояние.
Твердые тела бывают кристаллические и некристаллические.
Кристалл представляет собой гомогенный материал (чистое вещество или раствор), который вследствие строго определенного внутреннего строения имеет самопроизвольно образующуюся форму, ограниченную плоскими гранями*.
Так, при выпаривании раствора соли образуются небольшие кубические кристаллы твердой соли. Эти кубические кристаллы ограничены плоскими квадратными гранями.
Большинство твердых тел имеет кристаллическое строение. Иногда отдельные кристаллы с плоскими гранями и острыми ребрами и вершинами можно видеть невооруженным глазом; иногда их можно наблюдать только под микроскопом.
Некоторые твердые вещества, например древесный уголь, не обнаруживают кристаллического характера даже при рассмотрении под микроскопом высокого разрешения; такие твердые тела называют аморфными (слово «аморфный» означает бесформенный).
Ряд других материалов, таких, как сургуч и стекло, называют переохлажденными жидкостями. Если кусочек сургуча, твердого и хрупкого при комнатной температуре, постепенно нагревать, то он размягчается и в конце концов превращается в подвижную жидкость. При охлаждении он постепенно переходит в вязкую жидкость, а затем в твердое тело. Таким образом, и при комнатной температуре его можно считать жидкостью, но настолько вязкой, что ее течение происходит предельно медленно.
Упражнения
1.1 Какая разница между массой и весом?
1.2. Шар из металлического плутония (одной из пяти его кристаллических модификаций) диаметром 7,4 cм весит 3,92 кг. Какова плотность плутония данной кристаллической структуры?
1.3. Укажите, какие из перечисленных ниже материалов гомогенные и какие гетерогенные:
| чистое золото | воздух | стекло | гранит |
| молоко | лед | сахар | кварц |
| древесина | бензин | кофе | снег |
1.4. Подходит ли под определение минерала (cм. сноску в разд. 1.3) ледниковый лед?
1.5. Укажите, какие из перечисленных ниже гомогенных материалов являются веществами, какие растворами:
| дождевая вода | морская вода | кислород | мед |
| воздух | соль | ртуть | водка |
1.6. На каком основании можно утверждать, что вода — соединение, а не элемент?
Какие химические признаки указывают на то, что кислород — элемент, а не соединение? Почему в первой фразе сказано «можно утверждать», а во второй «указывают»?
1.7. Известны металлические метеориты, представляющие собой сплав железа и никеля. Многие из таких гомогенных метеоритов были подвергнуты анализу. Установлено, что они содержат разные количества никеля — 6—10%. Из чего состоят такие метеориты — из железоникелевого соединения или из твердого раствора?
1.8. При нагревании вещества кальцита образуется негашеная известь и двуокись углерода. Кальцит — это элементарное вещество или соединение? Можно ли на основании этой информации сказать, является ли известь элементарным веществом или соединением?
1.9. При нагревании алмаза в вакууме (в отсутствие какого-либо другого материала) он полностью превращается в графит. Доказывает ли это, что алмаз — соединение?
1 10. Укажите, какие из приведенных ниже утверждений относятся к физическим и какие к химическим свойствам:
а) серебро тускнеет;
б) свинец имеет высокую плотность;
в) металлы пластичны;
г) бензин горит на воздухе.
1.11. Килограмм золота занимает объем 51,5 см3. Какова плотность золота? (Ответ: 19,4 г·см-3.)
1.12. Существует версия, что Архимеду (род. около 287 г. до н. э.) было поручено проверить, не из сплава ли золота с медью вместо чистого золота сделана корона короля Хиеро в Сиракузах (Сицилия). Предложенный им метод заключался в сравнении объема воды, вытесненного короной, с объемами воды, вытесненными образцами чистого золота и чистой меди того же веса. Предположим, что корона весила 1000 г и вытеснила объем 71,5 см3:
а) какова плотность короны?
б) какому проценту содержания золота в сплаве золота с медью соответствует эта плотность?
Предположим, что при образовании сплава этих двух (металлов путем их смешивания (сплавления) не происходит изменения объема. Плотность золота 19,40 г·см-3, (плотность меди 8,99 г·см-3.
1.13. Ртуть замерзает приблизительно при —40 °С. Сколько это градусов по шкале Фаренгейта?
1.14. Простой способ перехода от шкалы Фаренгейта к стоградусной шкале Цельсия и наоборот заключается в следующем: (прибавить к исходной температуре 40°, умножить на 5/9 или на 9/5 соответственно и затем вычесть 40°. Проверьте этот способ, пользуясь определениями этих двух шкал.
1.15. Какое количество теплоты необходимо, чтобы повысить температуру 100 г воды от 10 до 50 °С? (Ответ: 16,7 кДж.)
1.16. Температура плавления чистого железа 1535 °С. Чему равна эта температура по шкале Фаренгейта?
1.17. Один литр кипящей воды перелили в сосуд, содержащий 3 л воды при 20 °С. Какова будет температура воды после перемешивания? (Пренебрегите потерями теплоты, связанными с нагреванием сосуда.)
1.18. Плотность воды приблизительно равна 1 г·см-3. На какую глубину ниже уровня озера должен опуститься ныряльщик, чтобы оказываемое на него давление стало равным 3 атм вместо 1 атм, которое он испытывает под действием веса воздуха? Чему равна эта глубина?
* Другое определение кристалла, данное на основании атомной теории, будет приведено в ходе последующего изложения.