Человека окружают материальные объекты (рис. 1.1), такие, например, как каменная стена или стол. Химика прежде всего интересуют не сами объекты, а виды материи, из которой они состоят. Его интересует древесина как материал (вид материи), если она использована для изготовления стола или стула. Его интересует гранит, если из него выложена стена или изготовлен какой-либо предмет. Таким образом, химика интересуют преимущественно те свойства (характерные качества) материала, которые не зависят от особенностей объекта, изготовленного из него.
Слово материал применяют для определения любых видов вещества, как гомогенного (однородного), так и гетерогенного (неоднородного).
Рис. 1.1. Схематическое сопоставление различных объектов, имеющих размеры от 10-15 м (диаметр протона) до 1025 м (радиус Вселенной — расстояние до самой отдаленной из ныне известных галактик).
Рис. 1.2. Микрофотография отполированной и протравленной поверхности образца ковкого чугуна, на которой видны мелкие зерна железа и крупные сферические частицы графита (углерода). Зерна железа выглядят неодинаково вследствие различной освещенности. Снимок сделан при стократном линейном увеличении; это значит, что на снимке все линейные размеры показаны в 100 раз больше действительных.
Свойства гомогенного материала во всех частях одинаковы.
Гетерогенный материал состоит из частей с различными свойствами.
Древесина с чередующимися мягкими и твердыми кольцами явно гетерогенный материал, так же как гранит, в котором можно различить зерна трех разных веществ (минералов* кварца, слюды и полевого шпата).
Гетерогенные материалы представляют собой смесь двух или нескольких гомогенных материалов, например трех минералов — кварца, слюды и полевого шпата, — которые образуют скальный гранит, будучи сами по себе гомогенными материалами.
Фазы
Материальную систему (т. е. любую ограниченную часть Вселенной) можно описать, пользуясь представлением о фазах, образующих данную систему. Фаза — гомогенная часть системы, отделенная от других частей физическими границами. Так, если сосуд частично заполнен водой, в которой плавает лед, то такая система состоит из трех фаз: льда (твердая фаза), воды (жидкая фаза) и воздуха (газообразная фаза). Кусочек ковкого чугуна, как можно видеть под микроскопом, представляет собой смесь мелких зерен железа и частиц графита (форма углерода); чугун состоит, следовательно, из двух фаз: железа и графита (рис. 1.2).
Любая фаза в той или иной системе включает все части данной системы, обладающие одинаковыми свойствами и составом. Так, если бы в описанной выше системе было несколько кусков льда, то они образовали бы не несколько фаз, а одну фазу — фазу льда.
Виды определений
Определения могут быть как строгими, так и нестрогими. Математик может точно установить значения слов, которыми он пользуется, и в ходе дальнейших рассуждений он строго придерживается определенного значения каждого слова. В то же время словам, употребляемым при описании сложных по своему характеру явлений природы, нельзя придать точного значения. Определяя смысл таких слов, стараются описать общепринятое их значение.
Так, порой трудно решить, является ли данный материал гомогенным или гетерогенным. Совершенно очевидно, что кусок гранита, в котором можно различить зерна трех разных видов вещества, представляет собой смесь. Эмульсия жира в воде (взвесь мельчайших капелек жира в воде, молоко) также является смесью. Гетерогенность куска гранита можно определить визуально. Гетерогенность молока можно обнаружить только при рассматривании капли молока под микроскопом.
Вещества и растворы
Дадим теперь определение словам вещество и раствор.
Вещество — гомогенный материал, имеющий определенный химический состав.
Раствор — гомогенный материал, не имеющий определенного состава**.
Чистая соль, чистый сахар, чистое железо, чистая медь, чистая сера, чистая вода, чистый кислород и чистый водород — вещества. Кварц также вещество.
Однако в соответствии с данным выше определением раствор сахара в воде не является веществом. Раствор, без сомнения, гомогенен, но он не удовлетворяет второй части определения, поскольку его состав не постоянен, а изменяется в широких пределах в зависимости от количества сахара, которое растворяют в данном количестве воды. Бензин также не является чистым веществом; это раствор нескольких веществ.
Практически все вещества в той или иной степени загрязнены, и для многих химических целей степень чистоты и методы очистки и анализа следует особо указывать. Кроме того, существует много материалов, которые относят к веществам при допущении, что их химический состав может изменяться лишь в узких пределах. Примером может служить сульфид железа, образующийся при нагревании железа с серой. Содержание серы в этом гомогенном материале зависит от способа получения и составляет примерно 35—39%.
Элементы и соединения
Вещества подразделяют на элементарные (простые) вещества и соединения.
Вещество, которое можно разложить на два или несколько других веществ, называют соединением.
Вещество, которое нельзя разложить, называют элементарным веществом (элементом)3*.
Поваренную соль можно разложить электрическим током на два вещества — натрий и хлор. Следовательно, соль — соединение.
Воду можно разложить электрическим током также на два вещества — водород и кислород. Следовательно, вода — соединение. Окись ртути(II) можно разложить нагреванием на ртуть и кислород. Следовательно, окись ртути(II) —соединение.
Но до сих пор никому не удалось разложить натрий, хлор, водород, кислород или ртуть на другие вещества4*. Следовательно, эти пять веществ следует считать элементарными веществами (элементами).
В настоящее время (1975 г.) известно 106 элементов5*. Много сотен тысяч соединений этих элементов обнаружено в природе или получено в лаборатории.
Процесс разложения соединения на два или несколько простейших веществ иногда называют анализом. Обратный процесс образования вещества в результате соединения двух или нескольких веществ называют синтезом.
Состав соединения можно определить путем анализа. Так, можно выполнить качественный анализ поваренной соли путем разложения ее электрическим током и определения продуктов разложения — натрия и хлора; тогда химик может сказать, что соль состоит из двух элементов— натрия и хлора. Чтобы выполнить количественный анализ, ему надо будет взвесить эти вещества; тогда он может сказать, что соль содержит 39,4% натрия и 60,6% хлора.
Наша классификация материальных объектов схематически показана на рис. 1.3. Читателю полезно внимательно проверить эту схему. Можно ли дать определения всем приведенным на схеме словам? Можно ли привести два-три примера для каждого из шести видов материалов, из которых может состоять тот или иной объект? Можно ли назвать один-два материала, которые трудно строго классифицировать?
Пример 1.1.
Классифицируйте перечисленные ниже материалы; в каждом случае укажите, гомогенный это или гетерогенный материал, вещество или раствор, соединение или элемент:
а) лед
б) алмаз
в) кленовый сок
г) чистый сахар
д) кровь
Решение.
а) Лед гомогенен; это вещество — химическое соединение элементов кислорода и водорода.
б) Минерал алмаз гомогенное кристаллическое вещество, форма элемента углерода.
в) Кленовый сок—гомогенный раствсф сахара и других веществ в воде.
г) Чистый сахар гомогенен, это вещество — химическое соединение элементов углерода, водорода и кислорода.
д) Кровь гетерогенна, поскольку содержит эритроциты и лейкоциты (форменные элементы крови), а также другие клетки и многие растворенные вещества.
Рис. 1.3. Виды веществ.
* Минералом называют любой гомогенный материал, встречающийся в природе как продукт неорганических процессов (т. е. минерал не является продуктом деятельности живых организмов).
** Слово раствор обычно используют для жидких растворов. Химики применяют также термины газовые растворы (смеси двух или нескольких чистых газов) и твердые растворы (например, сплав золота с медью).
3* В связи с открытием радиоактивности пришлось несколько изменить эти определения (см. гл. 20).
4* В данном изложении слово «вещество» используется без учета представлений об электронах и ядрах атомов. Атомы натрия и других элементов можно разложить на фундаментальные частицы (гл. 3 и 20).
5* По данным на 1978 г. известно 107 элементов. — Прим. перев.