Какие физические свойства характерны для веществ

Тема: Химическая связь. Электролитическая диссоциация

Урок: Физические свойства веществ с различным типом связи

1. Свойства веществ с ковалентной неполярной связью

Вещества с таким типом связи относятся к неметаллам. Они могут быть при н.у. газообразными (кислород, водород, хлор), жидкими (бром), твердыми (сера, фосфор, графит).

Интересная закономерность наблюдается с температурами кипения и плавления газообразных и жидких неметаллов (см. Таблицу 1): с увеличением относительной молекулярной массы , как правило, увеличиваются температуры кипения и плавления веществ с ковалентной неполярной связью.

Таблица 1. Температуры кипения и плавления некоторых газообразных и жидких простых веществ и их Мr

С твердыми неметаллами все не так просто (см. Таблицу 2). Среди них встречаются как легкоплавкие (сера, селен, фосфор), так и тугоплавкие вещества (графит, алмаз, кремний, бор). Температуры плавления этих веществ не зависят от их относительной атомной массы: относительная атомная  масса йода 127, а бора всего 11, но температура плавления бора значительно выше. Рассмотрим причины такой разницы в физических свойствах твердых неметаллов.

Таблица 2. Температуры плавления некоторых твердых веществ-неметаллов и их Ar

Почему кремний, бор, графит и алмаз имеют очень высокие температуры плавления? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно рассмотреть строение кристаллов этих веществ. Дело в том, что в узлах кристаллических решеток этих веществ находятся атомы неметаллов, соединенные друг с другом прочными ковалентными неполярными связями. Рассмотрим кристаллические решетки графита и алмаза. В кристалле алмаза все атомы углерода связаны между собой равноценными ковалентными неполярными связями. Такой кристалл отличается особой прочностью, поэтому алмаз – необычайно твердое вещество.

Кристалл графита состоит из своеобразных слоев. Расстояние между слоями существенно больше, чем между атомами внутри слоя. Поэтому твердость графита низкая, графитом можно писать (при этом разрываются связи между слоями атомов углерода).

Кремний и бор тоже образуют атомную кристаллическую структуру.

Итак, вещества с атомной кристаллической структурой имеют более высокие температуры кипения и плавления, чем вещества с молекулярной кристаллической структурой. Это объясняется тем, что атомный кристалл разрушить сложнее, чем молекулярный, т.к. связи между молекулами слабые, а между атомами прочные.

Сера, селен, фосфор – вещества молекулярного строения, их молекулы имеют следующий состав: S8, Se8, P4. И для них также соблюдается закономерность: чем больше молекулярная масса вещества с молекулярной кристаллической структурой, тем выше его температура кипения и плавления (см. Таблицу 3).

Таблица 3. Температуры плавления некоторых твердых простых веществ-неметаллов и их Мr

2. Свойства веществ с ковалентной полярной связью

Среди веществ, образованных ковалентной полярной связью, при н.у. встречаются газообразные (углекислый газ, хлороводород), жидкие (вода, серная кислота) и твердые вещества (оксид кремния, оксид фосфора (V)).

Посмотрим на значения температур кипения и плавления этих веществ (см. Таблицу 4). Высокими значениями температур кипения и плавления отличается оксид кремния. Это можно объяснить его строением. Оксид кремния — вещество с атомной кристаллической решеткой. Для того чтобы расплавить это вещество, надо разорвать ковалентные полярные связи между атомами кремния и кислорода. На это требуется большая энергия.

Остальные вещества  в Таблице 4 имеют молекулярную кристаллическую структуру. Но мы не наблюдаем здесь прямой зависимости между относительной молекулярной массой и температурой плавления. Например, вода с Mr=18 имеет температуру кипения, равную 100°С, а сероводород с Mr=34 имеет температуру кипения, равную -60°С. Для веществ с ковалентной полярной связью температуры плавления и кипения во многом определяются не только их относительной молекулярной массой, но и полярностью их молекул. Чем полярнее молекулы, тем сильнее они взаимодействуют между собой.

Таблица 4. Температуры плавления и кипения веществ с ковалентной полярной связью и их Mr

3. Свойства веществ, образованных металлами и неметаллами

Соединения, образованные химическими элементами металлами и неметаллами могут быть образованы ионной или ковалентной полярной связью. Вы удивлены? Ионная связь возникает между атомами типичного металла и типичного неметалла, когда разница их значений относительных электроотрицательностей больше 2. При небольшой разнице в значениях относительных электроотрицательностей (менее 2) соединение будет образовано ковалентной полярной связью.

Вы уже знаете, что вещества с ковалентной полярной связью могут иметь молекулярную или атомную кристаллическую структуру. Вещества же с ионной химической связью образованы ионной кристаллической структурой (в узлах кристаллической решетки находятся ионы). Для разрушения ионных кристаллов требуется значительно больше энергии, чем для разрушения молекулярных. Температуры плавления ионных соединений лежат в диапазоне 700-1000°С. Вещества с атомной кристаллической решеткой имеют температуры плавления, как правило, больше 1500°С.

Посмотрим на Таблицу 5 и найдем вещества с атомной, молекулярной и ионной кристаллическими структурами. Как вы видите, оксид алюминия и оксид железа (III) – вещества с атомной структурой, т.к. имеют очень высокие температуры плавления. Вещества, с относительно низкими температурами плавления – хлорид алюминия, хлорид ртути, хлорид железа (III) – имеют в большей степени молекулярную кристаллическую структуру, чем ионную.

Таблица 5.  Температуры плавления веществ, образованных металлами и неметаллами

Список рекомендованной литературы

1.      Оржековский П.А. Химия: 9-й класс: учеб. для общеобраз. учрежд. / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, Л.С. Понтак. – М.: АСТ: Астрель, 2007. (§18)

2.      Оржековский П.А. Химия: 9-ый класс: учеб для общеобр. учрежд. / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, М.М. Шалашова. – М.: Астрель, 2013. (§7)

3.      Рудзитис Г.Е. Химия: неорган. химия. Орган. химия: учеб. для 9 кл. / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М.: Просвещение, ОАО «Московские учебники», 2009.

4.      Хомченко И.Д. Сборник задач и упражнений по химии для средней школы. – М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2008.

5.      Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред. В.А. Володин, вед. науч. ред. И. Леенсон. – М.: Аванта+, 2003.

Дополнительные веб-ресурсы

1.      Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов (видеоопыты по теме): (Источник).

2.      Электронная версия журнала «Химия и жизнь»: (Источник).

Домашнее задание

1.      Определите тип химической связи и кристаллической решетки в следующих веществах: LiCl, K, Ba(OH)2, NH3, P4, SiO2, CaF2..

2.      с. 48-49  №№ А1-А3  из учебника П.А. Оржековского «Химия: 9-ый класс» / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, М.М. Шалашова. – М.: Астрель, 2013.

На сегодняшний день существует около 2,5 миллионов разнообразных соединений как природного происхождения, так и синтезированных искусственно человеком. Все они очень разные, часть из них — незаменимые участники биологических процессов, происходящих в живых организмах. Отличают соединения друг от друга свойства веществ. Характеристики и то, что еще позволяет идентифицировать ту или иную химическую молекулу, рассмотрим далее.

Что такое вещество?

Если давать определение этому понятию, то нужно указать на его связь с физическими телами. Ведь веществом принято считать именно то, из чего состоят эти тела. Так, стекло, железо, сера, дерево — это вещества. Примеры можно приводить бесконечно. Проще понять следующее: рассматриваемым термином обозначают все существующее в мире многообразие различных сочетаний молекул, а также простых одноатомных частиц.

Таким образом, вода, спирт, кислоты, щелочи, белки, углеводы, соль, сахар, песок, глина, алмаз, газы и прочее — это все и есть вещества. Примеры позволяют более четко уловить суть этого понятия.

Физическое тело — это продукт, который создается природой или человеком на основе различных соединений. Например, стакан — это тело, которое состоит из стекла, а лист бумаги — это тело, которое представляет собой обработанную целлюлозу или древесину.

Конечно, все молекулы разные. То, что лежит в основе их отличия, называется их свойствами — физическими, органолептическими и химическими. Определяются они при помощи специальных методов, которые у каждой науки свои. Это могут быть и математические, аналитические, экспериментальные, инструментальные способы, и еще множество самых разнообразных. Например, наука химия использует для каждого вещества, вернее, для его идентификации, свой реагент. Он подбирается на основании особенностей строения молекулы и прогнозирования химических свойств. Затем проверяется экспериментально, утверждается и закрепляется в теоретической базе.

Классификация веществ

В основу деления соединений на группы может быть положено множество разных признаков. Например, агрегатное состояние. Все они могут быть по этому фактору четырех видов:

• плазма;
• газ;
• жидкость;
• кристаллическое вещество (твердое).

Если брать за основу более «глубокий» признак, то все вещества можно разделить на:

• органические — в основе цепочки и циклы из атомов углерода и водорода;
• неорганические — все остальные.

По элементному составу, который отражают формулы веществ, все они бывают:

• простые — из одного вида химического атома;
• сложные — два и больше разных типов элементов.

В свою очередь, простые делятся на металлы и неметаллы. Сложные имеют множество классов: соли, основания, кислоты, оксиды, сложные эфиры, углеводороды, спирты, нуклеиновые кислоты и так далее.

Разные виды формул соединений

Что является наглядным, то есть графическим, отображением соединений? Конечно, это формулы веществ. Они бывают разными. В зависимости от вида заключенная в них информация о молекуле тоже отличается. Так, существуют такие варианты:

1. Эмпирическая, или молекулярная. Отражает количественный и качественный состав вещества. Она включает в себя символы входящих в состав элементов и индекс в нижнем левом углу у него, показывающий количество данного атома в составе молекулы. Например, Н2О, Na2SO4, AL2(SO4)3.
2. Электронно-графическая. Такая формула показывает количество валентных электронов у каждого элемента, входящего в состав соединения. Поэтому по такому варианту уже можно предсказать некоторые химические и физические свойства веществ.
3. В органической химии принято использовать полные и сокращенные структурные формулы. Они отражают порядок связи атомов в молекулах, кроме того, четко указывают на принадлежность вещества к тому или иному классу соединений. А это позволяет с точностью определить конкретный тип молекулы и спрогнозировать все характерные для нее взаимодействия.

Поэтому химическая символика и правильно составленные формулы соединений — важнейшая часть работы со всеми известными веществами. Это теоретические основы, которые должен знать каждый школьник, изучающий химию.

Физические свойства

Очень важной характеристикой являются проявляемые физические свойства веществ. Что относится именно к этой группе?

1. Агрегатное состояние при различных условиях, в том числе при стандартных.
2. Температуры кипения, плавления, замерзания, испарения.
3. Органолептические характеристики: цвет, запах, вкус.
4. Растворимость в воде и других растворителях (органических, например).
5. Плотность и текучесть, вязкость.
6. Электро- и теплопроводность, теплоемкость.
7. Электрическая проницаемость.
8. Радиоактивность.
9. Абсорбция и эмиссия.
10. Индуктивность.

Также есть ряд показателей, которые очень важны для полного списка, отражающего свойства веществ. Однако они находятся между физическими и химическими. Это:

• электродный потенциал;
• тип кристаллической решетки;
• электроотрицательность;
• твердость и хрупкость;
• ковкость и пластичность;
• испаряемость или летучесть;
• биологическое воздействие на живые организмы (отравляющее, удушающее, нервнопаралитическое, нейтральное, благоприятное и прочее).

Часто эти показатели упоминаются именно тогда, когда рассматриваются уже непосредственно химические свойства веществ. Однако можно указать их и в разделе физических, что ошибкой не будет.

Химические свойства веществ

К данной группе относятся все возможные виды взаимодействий рассматриваемой молекулы с другими простыми и сложными веществами. То есть это непосредственно химические реакции. Для каждого вида соединения они строго специфичны. Однако выделяют общие групповые свойства для целого класса веществ.

Например, все кислоты способны реагировать с металлами согласно их положению в электрохимическом ряду напряжений металлов. Также для всех характерны реакции нейтрализации с щелочами, взаимодействие с нерастворимыми основаниями. Однако концентрированная серная и азотная кислоты особые, так как продукты их взаимодействия с металлами отличаются от полученных в результате реакций с другими представителями класса.

Химических свойств очень много у каждого вещества. Их количество определяется активностью соединения, то есть способностью реагировать с другими компонентами. Есть высокореакционноспособные, есть практически инертные. Это строго индивидуальный показатель.

Простые вещества

К таковым относятся те, что состоят из одного вида атомов, но разного их количества. Например, S8, O2, O3, Au, N2, P4, CL2, Ar и прочие.

Химические свойства простых веществ сводятся к взаимодействию с:

• металлами;
• неметаллами;
• водой;
• кислотами;
• щелочами и амфотерными гидроксидами;
• органическими соединениями;
• солями;
• оксидами;
• пероксидами и ангидридами и прочими молекулами.

Опять же следует указать, что это узко специфичная характеристика для каждого конкретного случая. Поэтому физические и химические свойства простых веществ рассматриваются индивидуально.

Сложные вещества

К данной группе относятся такие соединения, молекулы которых образованы двумя и более разными химическими элементами. Количество каждого из них может быть разным. Для понимания приведем несколько простых примеров:

• H3PO4;
• K3[Fe(CN)6];
• Cu(OH)2;
• LiF;
• AL2O3 и прочие.

Так как все они относятся к разным классам веществ, выделить общие физические и химические характеристики для всех невозможно. Это специфичные свойства, своеобразные и индивидуальные в каждом конкретном случае.

Неорганические вещества

Их на сегодняшний день насчитывается свыше 500 тысяч. Встречаются как простые, так и сложные. Всего можно выделить несколько основных классов неорганических соединений, которые представляют все их многообразие.

1. Простые вещества металлы.
2. Оксиды.
3. Простые вещества неметаллы.
4. Благородные или инертные газы.
5. Пероксиды.
6. Ангидриды.
7. Летучие водородные соединения.
8. Гидриды.
9. Соли.
10. Кислоты.
11. Основания.
12. Амфотерные соединения.

Любой представитель каждого из классов имеет свой набор физико-химических свойств, позволяющих отличить его среди других соединений и идентифицировать.

Свойства органических веществ

Органика — это такой раздел химии, который занимается изучением соединений, отличных от неорганических, и их свойств. В основе их строения лежат атомы углерода, способные соединяться друг с другом в различные структуры:

• линейные и разветвленные цепи;
• циклы;
• ароматические кольца;
• гетероциклы.

Живые организмы состоят как раз из таких соединений, ведь основа жизни — это белки, жиры и углеводы. Все они — представители органических веществ. Поэтому и свойства их особенные. Однако в любом случае, независимо от того, о какой молекуле идет речь, все равно для нее будет характерен определенный набор физико-химических свойств, которые мы уже упоминали раньше.

Что такое живое вещество?

Живым называется вещество, из которого сложена вся биомасса нашей планеты. То есть те организмы, которые составляют жизнь на ней:

• бактерии и вирусы;
• простейшие;
• растения;
• животные;
• грибы;
• люди.

Так как основная часть соединений в составе живого существа — органические, то именно их и можно отнести к группе живого вещества. Однако не все. Только те, без которых невозможно существование представителей живой биосферы. Это белки, нуклеиновые кислоты, гормоны, витамины, жиры, углеводы, аминокислоты и прочие. Термин «живое вещество» был введен Вернадским, основателем учения о биосфере планеты.

Свойства живого вещества:

• обладание энергией с возможностью ее преобразования;
• саморегуляция;
• произвольное движение;
• чередование поколений;
• чрезвычайное разнообразие.

Кристаллы и металлические вещества

Кристаллическими называют все соединения, имеющие определенный тип строения пространственной решетки. Существуют соединения с атомной, молекулярной или металлической кристаллической решеткой. В зависимости от типа отличаются и свойства кристаллических веществ. Типичными твердыми соединениями, имеющими вид мелко- или крупнодисперсных кристалликов, являются различные соли.

Также существуют и простые вещества с подобной структурой, например, алмаз или графит, драгоценные и полудрагоценные камни, минералы, горные породы. Основные свойства их:

• твердость;
• хрупкость;
• средние температуры плавления и кипения.

Однако, как и всегда, каждая характеристика не может подходить для всех.

Металлические свойства вещества проявляют металлы, их сплавы. Для них можно выделить набор общих характеристик:

• ковкость и пластичность;
• высокие температуры кипения, плавления;
• электро- и теплопроводность;
• металлический блеск.