1.3. Види матерії

Людину оточують матеріальні об'єкти (рис. 1.1), такі, наприклад, як кам'яна стіна чи стіл. Хіміка насамперед цікавлять не самі об'єкти, а види матерії, з яких вони складаються. Його цікавить деревина як матеріал (вид матерії), якщо її використано для виготовлення столу чи стільця. Його цікавить граніт, якщо з нього викладено стіну або виготовлено якийсь предмет. Отже, хіміка цікавлять переважно ті властивості (характерні якості) матеріалу, які не залежать від особливостей об'єкта, виготовленого з нього.

Слово матеріал застосовують для позначення будь-яких видів речовини, як гомогенного (однорідного), так і гетерогенного (неоднорідного).

Рис. 1.1. Схематичне зіставлення різних об'єктів, розміри яких лежать між 10^-15 м (діаметр протона) і 10²⁵ м (радіус Всесвіту — відстань до найвіддаленішої з нині відомих галактик).

 Рис. 1.2. Мікрофотографія відполірованої та витравленої поверхні зразка ковкого чавуну, на якій видно дрібні зерна заліза й великі сферичні частинки графіту (вуглецю). Зерна заліза мають неоднаковий вигляд через різне освітлення. Знімок зроблено за стократного лінійного збільшення; це означає, що на знімку всі лінійні розміри показано у 100 разів більшими за дійсні.

Властивості гомогенного матеріалу в усіх частинах однакові.

Гетерогенний матеріал складається з частин з різними властивостями.

Деревина з чергуванням м'яких і твердих кілець — явно гетерогенний матеріал, так само як і граніт, у якому можна розрізнити зерна трьох різних речовин (мінералів* кварцу, слюди й польового шпату).

Гетерогенні матеріали являють собою суміш двох чи кількох гомогенних матеріалів, наприклад трьох мінералів — кварцу, слюди й польового шпату, — які утворюють скельний граніт, будучи самі по собі гомогенними матеріалами.

Матеріальну систему (тобто будь-яку обмежену частину Всесвіту) можна описати, користуючись уявленням про фази, що утворюють цю систему. Фаза — гомогенна частина системи, відокремлена від інших частин фізичними межами. Так, якщо посудину частково заповнено водою, у якій плаває лід, то така система складається з трьох фаз: льоду (тверда фаза), води (рідка фаза) і повітря (газоподібна фаза). Шматочок ковкого чавуну, як можна побачити під мікроскопом, являє собою суміш дрібних зерен заліза та частинок графіту (форма Карбону); чавун складається, отже, з двох фаз: заліза й графіту (рис. 1.2).

Будь-яка фаза в тій чи іншій системі включає всі частини цієї системи, що мають однакові властивості й склад. Так, якби в описаній вище системі було кілька шматків льоду, то вони утворили б не кілька фаз, а одну фазу — фазу льоду.

Означення можуть бути як строгими, так і нестрогими. Математик може точно встановити значення слів, якими він користується, і в ході подальших міркувань він суворо дотримується визначеного значення кожного слова. Водночас словам, що вживаються під час опису складних за своїм характером явищ природи, не можна надати точного значення. Визначаючи зміст таких слів, намагаються описати загальноприйняте їхнє значення.

Так, часом важко вирішити, чи є даний матеріал гомогенним, чи гетерогенним. Цілком очевидно, що шматок граніту, у якому можна розрізнити зерна трьох різних видів речовини, являє собою суміш. Емульсія жиру у воді (завись найдрібніших крапельок жиру у воді, молоко) також є сумішшю. Гетерогенність шматка граніту можна встановити візуально. Гетерогенність молока можна виявити лише під час розгляду краплі молока під мікроскопом.

Дамо тепер означення слів речовина і розчин.

Речовина — гомогенний матеріал, що має певний хімічний склад.

Розчин — гомогенний матеріал, що не має певного складу**.

Чиста сіль, чистий цукор, чисте залізо, чиста мідь, чиста сірка, чиста вода, чистий кисень і чистий водень — речовини. Кварц також речовина.

Проте відповідно до наведеного вище означення розчин цукру у воді не є речовиною. Розчин, без сумніву, гомогенний, але він не задовольняє другу частину означення, оскільки його склад не сталий, а змінюється в широких межах залежно від кількості цукру, яку розчиняють у даній кількості води. Бензин також не є чистою речовиною; це розчин кількох речовин.

Практично всі речовини тією чи іншою мірою забруднені, і для багатьох хімічних цілей ступінь чистоти та методи очищення й аналізу слід особливо зазначати. Крім того, існує багато матеріалів, які відносять до речовин за допущення, що їхній хімічний склад може змінюватися лише у вузьких межах. Прикладом може бути ферум(II) сульфід, що утворюється під час нагрівання заліза із сіркою. Вміст Сульфуру в цьому гомогенному матеріалі залежить від способу добування і становить приблизно 35—39%.

Речовини поділяють на елементарні (прості) речовини та сполуки.

Речовину, яку можна розкласти на дві чи кілька інших речовин, називають сполукою.

Речовину, яку не можна розкласти, називають елементарною речовиною (елементом)^3*.

Кухонну сіль можна розкласти електричним струмом на дві речовини — натрій і хлор. Отже, сіль — сполука.

Воду можна розкласти електричним струмом також на дві речовини — водень і кисень. Отже, вода — сполука. Меркурій(II) оксид можна розкласти нагріванням на ртуть і кисень. Отже, меркурій(II) оксид — сполука.

Але досі нікому не вдалося розкласти натрій, хлор, водень, кисень чи ртуть на інші речовини^4*. Отже, ці п'ять речовин слід уважати елементарними речовинами (елементами).

Нині (1975 р.) відомо 106 елементів^5*. Багато сотень тисяч сполук цих елементів виявлено в природі або одержано в лабораторії.

Процес розкладання сполуки на дві чи кілька простіших речовин іноді називають аналізом. Зворотний процес утворення речовини в результаті сполучення двох чи кількох речовин називають синтезом.

Склад сполуки можна визначити шляхом аналізу. Так, можна виконати якісний аналіз кухонної солі шляхом розкладання її електричним струмом і визначення продуктів розкладання — натрію та хлору; тоді хімік може сказати, що сіль складається з двох елементів— Натрію і Хлору. Щоб виконати кількісний аналіз, йому треба буде зважити ці речовини; тоді він може сказати, що сіль містить 39,4% Натрію і 60,6% Хлору.

Наша класифікація матеріальних об'єктів схематично показана на рис. 1.3. Читачеві корисно уважно перевірити цю схему. Чи можна дати означення всім наведеним на схемі словам? Чи можна навести два-три приклади для кожного з шести видів матеріалів, з яких може складатися той чи інший об'єкт? Чи можна назвати один-два матеріали, які важко строго класифікувати?

Класифікуйте перелічені нижче матеріали; у кожному випадку вкажіть, гомогенний це чи гетерогенний матеріал, речовина чи розчин, сполука чи елемент:

а) лід

б) алмаз

в) кленовий сік

г) чистий цукор

д) кров

Розв'язання.

а) Лід гомогенний; це речовина — хімічна сполука елементів Оксигену та Гідрогену.

б) Мінерал алмаз — гомогенна кристалічна речовина, форма елемента Карбону.

в) Кленовий сік — гомогенний розчин цукру та інших речовин у воді.

г) Чистий цукор гомогенний, це речовина — хімічна сполука елементів Карбону, Гідрогену та Оксигену.

д) Кров гетерогенна, оскільки містить еритроцити й лейкоцити (формені елементи крові), а також інші клітини та багато розчинених речовин. 

Рис. 1.3. Види речовин.

* Мінералом називають будь-який гомогенний матеріал, що трапляється в природі як продукт неорганічних процесів (тобто мінерал не є продуктом діяльності живих організмів).

** Слово розчин зазвичай вживають для рідких розчинів. Хіміки застосовують також терміни газові розчини (суміші двох чи кількох чистих газів) і тверді розчини (наприклад, сплав золота з міддю).

3* У зв'язку з відкриттям радіоактивності довелося дещо змінити ці означення (див. розд. 20).

4* У цьому викладі слово «речовина» вживається без урахування уявлень про електрони та ядра атомів. Атоми Натрію та інших елементів можна розкласти на фундаментальні частинки (розд. 3 і 20).

5* За даними на 1978 р. відомо 107 елементів. — Прим. перекл.