Какие существуют физические свойства

Разнообразие веществ

За последние 200 лет человечество изучило свойства веществ лучше, чем за всю историю развития химии. Естественно, количество веществ так же стремительно растет, это связано, прежде всего, с освоением различных методов получения веществ.

В повседневной жизни мы сталкиваемся с множеством веществ. Среди них – вода, железо, алюминий, пластмасса, сода, соль и множество других. Вещества, существующие в природе, например, кислород и азот, содержащиеся в воздухе, вещества, растворенные в воде, и имеющие природное происхождение, называются природными веществами. Алюминия, цинка, ацетона, извести, мыла, аспирина, полиэтилена и многих других веществ в природе не существует.

Их получают в лаборатории, и производит промышленность. Искусственные вещества не встречаются в природе, их создают из природных веществ. Некоторые вещества, существующие в природе, можно получить и в химической лаборатории.

Так, при нагревании марганцовки выделяется кислород, а при нагревании мела – углекислый газ. Ученые научились превращать графит в алмаз, выращивают кристаллы рубина, сапфира и малахита. Итак, наряду с веществами природного происхождения существует огромное множество и искусственно созданных веществ, не встречающихся в природе.

Вещества, не встречающиеся в природе, производятся на различных предприятиях: фабриках, заводах, комбинатах и т.п.

В условиях исчерпания природных ресурсов нашей планеты, сейчас перед химиками стоит важная задача: разработать и внедрить методы, при помощи которых можно искусственно, в условиях лаборатории, или промышленного производства, получать вещества, являющиеся аналогами природных веществ. Например, запасы топливных ископаемых в природе на исходе.

Может настать тот момент, когда нефть и природный газ закончатся. Уже сейчас ведутся разработки новых видов топлива, которые были бы такими же эффективными, но не загрязняли окружающую среду. На сегодняшний день человечество научилось искусственно получать различные драгоценные камни, например, алмазы, изумруды, бериллы.

Агрегатное состояние вещества

Вещества могут существовать в нескольких агрегатных состояниях, три из которых вам известны: твердое, жидкое, газообразное. Например, вода в природе существует во всех трех агрегатных состояниях: твердом (в виде льда и снега), жидком (жидкая вода) и газообразном (водяной пар). Известны вещества, которые не могут существовать в обычных условиях во всех трех агрегатных состояниях. Например, таким веществом является углекислый газ. При комнатной температуре это газ без запаха и цвета. При температуре –79°С данное вещество «замерзает» и переходит в твердое агрегатное состояние. Бытовое (тривиальное) название такого вещества «сухой лед». Такое название дано этому веществу из-за того, что «сухой лед» превращается в углекислый газ без плавления, то есть, без перехода в жидкое агрегатное состояние, которое присутствует, например, у воды.

Таким образом, можно сделать важный вывод. Вещество при переходе из одного агрегатного состояния в другое не превращается в другие вещества. Сам процесс некоего изменения, превращения, называется явлением.

Физические явления. Физические свойства веществ.

Явления, при которых вещества изменяют агрегатное состояние, но при этом не превращаются в другие вещества, называют физическими. Каждое индивидуальное вещество обладает определенными свойствами. Свойства веществ могут быть различными или сходными друг с другом. Каждое вещество описывают при помощи набора физических и химических свойств. Рассмотрим в качестве примера воду. Вода замерзает и превращается в лед при температуре 0°С, а закипает и превращается в пар при температуре +100°С. Данные явления относятся к физическим, так как вода не превратилась в другие вещества, происходит только изменение агрегатного состояния. Данные температуры замерзания и кипения – это физические свойства, характерные именно для воды.

Свойства веществ, которые определяют измерениями или визуально при отсутствии превращения одних веществ в другие, называют физическими

Испарение спирта, как и испарение воды – физические явления, вещества при этом изменяют агрегатное состояние. После проведения опыта можно убедиться, что спирт испаряется быстрее, чем вода – это физические свойства этих веществ.

К основным физическим свойствам веществ можно отнести следующие: агрегатное состояние, цвет, запах, растворимость в воде, плотность, температура кипения, температура плавления, теплопроводность, электропроводность. Такие физические свойства как цвет, запах, вкус, форма кристаллов, можно определить визуально, с помощью органов чувств, а плотность, электропроводность, температуру плавления и кипения определяют измерением. Сведения о физических свойствах многих веществ собраны в специальной литературе, например, в справочниках. Физические свойства вещества зависят от его агрегатного состояния. Например, плотность льда, воды и водяного пара различна.

Газообразный кислород бесцветный, а жидкий – голубой Знание физических свойств помогает «узнавать» немало веществ. Например, медь – единственный металл красного цвета. Соленый вкус имеет только поваренная соль. Иод – почти черное твердое вещество, которое при нагревании превращается в фиолетовый пар. В большинстве случаев для определения вещества нужно рассматривать несколько его свойств. В качестве примера охарактеризуем физические свойства воды:

• цвет – бесцветная (в небольшом объеме)
• запах – без запаха
• агрегатное состояние – при обычных условиях жидкость
• плотность – 1 г/мл,
• температура кипения – +100°С
• температура плавления – 0°С
• теплопроводность – низкая
• электропроводность – чистая вода электричество не проводит

Кристаллические и аморфные вещества

При описании физических свойств твердых веществ принято описывать структуру вещества. Если рассмотреть образец поваренной соли под увеличительным стеклом, можно заметить, что соль состоит из множества мельчайших кристаллов. В соляных месторождениях можно встретить и весьма крупные кристаллы. Кристаллы – твердые тела, имеющие форму правильных многогранников Кристаллы могут иметь различную форму и размер. Кристаллы некоторых веществ, таких как поваренная соль – хрупкие, их легко разрушить. Существуют кристаллы довольно твердые. Например, одним из самых твердых минералов считается алмаз. Если рассматривать кристаллы поваренной соли под микроскопом, можно заметить, что все они имеют похожее строение. Если же рассмотреть, например, частицы стекла, то все они будут иметь различное строение – такие вещества называют аморфными. К аморфным веществам относят стекло, крахмал, янтарь, пчелиный воск. Аморфные вещества – вещества, не имеющие кристаллического строения

Химические явления. Химическая реакция.

Если при физических явлениях вещества, как правило, лишь изменяют агрегатное состояние, то при химических явлениях происходит превращение одних веществ в другие вещества. Приведем несколько простых примеров: горение спички сопровождается обугливанием древесины и выделением газообразных веществ, то есть, происходит необратимое превращение древесины в другие вещества. Другой пример: со временем бронзовые скульптуры покрываются налетом зеленого цвета. Дело в том, что в состав бронзы входит медь. Этот металл медленно взаимодействует с кислородом, углекислым газом и влагой воздуха, в результате на поверхности скульптуры образуются новые вещества зеленого цвета Химические явления – явления превращений одних веществ в другие Процесс взаимодействия веществ с образованием новых веществ называют химической реакцией. Химические реакции происходят повсеместно вокруг нас. Химические реакции происходят и в нас самих. В нашем организме непрерывно происходят превращения множества веществ, вещества реагируют друг с другом, образуя продукты реакции. Таким образом, в химической реакции всегда есть реагирующие вещества, и вещества, образовавшиеся в результате реакции.

• Химическая реакция – процесс взаимодействия веществ, в результате которого образуются новые вещества с новыми свойствами
• Реагенты – вещества, вступающие в химическую реакцию
• Продукты – вещества, образовавшиеся в результате химической реакции

Химическая реакция изображается в общем виде схемой реакции РЕАГЕНТЫ -> ПРОДУКТЫ

• реагенты – исходные вещества, взятые для проведения реакции;
• продукты – новые вещества, образовавшиеся в результате протекания реакции.

Любые химические явления (реакции) сопровождаются определенными признаками, при помощи которых химические явления можно отличить от физических. К таким признакам можно отнести изменение окраски веществ, выделение газа, образование осадка, выделение тепла, излучение света.

Многие химические реакции сопровождаются выделением энергии в виде тепла и света. Как правило, такими явлениями сопровождаются реакции горения. В реакциях горения на воздухе вещества реагируют с кислородом, содержащимся в воздухе. Так, например, металл магний вспыхивает и горит на воздухе ярким слепящим пламенем. Именно поэтому вспышку магния использовали при создании фотографий в первой половине ХХ века. В некоторых случаях возможно выделение энергии в виде света, но без выделения тепла. Один из видов тихоокеанского планктона способен испускать ярко-голубой свет, хорошо заметный в темноте. Выделение энергии в виде света – результат химической реакции, которая протекает в организмах данного вида планктона.

Итог статьи:

• Существуют две большие группы веществ: вещества природного и искусственного происхождения
• В обычных условиях вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях
• Свойства веществ, которые определяют измерениями или визуально при отсутствии превращения одних веществ в другие, называют физическими
• Кристаллы – твердые тела, имеющие форму правильных многогранников
• Аморфные вещества – вещества, не имеющие кристаллического строение
• Химические явления – явления превращений одних веществ в другие
• Реагенты – вещества, вступающие в химическую реакцию
• Продукты – вещества, образующиеся в результате химической реакции
• Химические реакции могут сопровождаться выделением газа, осадка, тепла, света; изменением окраски веществ
• Горение – сложный физико-химический процесс превращения исходных веществ в продукты сгорания в ходе химической реакции, сопровождающийся интенсивным выделением тепла и света (пламени)

Физические свойства – внутренние, присущие данному материалу или веществу особенности, обусловливающие их различие или общность с другими веществами или материалами и проявляющиеся как ответная реакция на воздействие внешних физических полей или сред.

Физические свойства, определенные стандартными методами с указанием состава, строения и структур, представляют собой стандартные справочные данные веществ и материалов. Порядок разработки и аттестации стандартных справочных данных о физико-химических константах и свойствах веществ и материалов установлен в Правилах по межгосударственной стандартизации (ПМГ 28-99).

Наиболее важными физическими свойствами, значения которых учи­тывают при практическом использовании материалов, являются плот­ность, теплоемкость, теплопроводность, тепловое расширение, электро­проводность. Особые магнитные свойства железа, никеля, кобальта и их сплавов, а также ферритов выделили их в группы материалов исключи­тельной ценности — ферро- и ферримагнетики.

Физические свойства определяются типом межатомных и межмолекулярных связей, хими­ческим составом материалов, температурой и давлением. Для большин­ства процессов обработки материалов давления не превышают 500 МПа. Такие давления практически не влияют на значения физических свойств. Различают зависимые и независимые от структуры материала физические свойства. Значения последних определяются только химическим составом материала и температурой.

При нагреве физические свойства изменяются нелинейно. Прибли­женно они характеризуются соответствующими температурными коэф­фициентами. Например, удельное электросопротивление r при нагреве на ΔТ определяется зависимостью:

rТ = r0 (1 + b ΔТ), (4.1)

где r0, rТ− удельное электросопротивление на нижней и верхней границе интервала температур ΔТ; b − температурный коэффициент.

Так как значения температурных коэффициентов малы, то аналогичные линейные зависимости свойств от температуры применимы в широких интервалах температур с достаточной для практических целей точностью.

Плотность− мера количества вещества (m) в единице объема (V) кг/м3
ρ= т/V. (4.2)

Плотность, определенная для однородных веществ, может рас­сматриваться как теоретическая. Плотностью, близкой к теоретиче­ской, обладают, как правило, металлы, жидкости, некоторые полиме­ры и др. Для неоднородных веществ используют понятие «объемная плотность».

Объемная плотность − величина, определяемая отношением массы неоднородного вещества ко всему занимаемому им объему, включая имеющиеся в нем поры и пустоты.

Объемную плотность ρср. вычисляют по формуле:

ρср.= m/Ve , (4.3)

где Ve− объем вещества в естественном состоянии.

Для инженерных расчетов используются понятия «относи­тельная плотность» и «насыпная плотность».

Относительная плотность представляет собой отношение плотности вещества ρ к плотности эталонного вещества ρэтпри опре­деленных внешних условиях:

ρот = ρ / ρэт.. (4.4)

Плотность твердых и жидких материалов обычно сравнивают с плот­ностью воды при температуре 4°С (1000 кг/ м3).

Насыпная плотность ρн — масса единицы объема свободно на­сыпанных дисперсных материалов (например, цемент, песок, мине­ральная вата и др.)

Плотностьсущественно зависит от типа межатомной связи. Макси­мальную плотность имеют материалы с ненаправленными металлически­ми или ионными связями. Направленная ковалентная связь предопределя­ет менее плотное расположение атомов.

У металлов плотность изменяется от 22,5 г/см3 − у осмия до 0,534 г/см3 − у лития. Легирование сплава более тяжелыми элементами, чем основа, увеличивает, а более легкими − уменьшает его плотность. Масштабы легирования ограничены техническими и экономическими соображениями Плотность основы является определяющей для группы сплавов разного химического состава на основе данного металла.

Пористость уменьшает плотность. Для порошковых сплавов и других пористых материалов она является одним из критериев качества. Пористость оценивают по фактической плотности материала и определяют методом гидростатического взвешивания или другими способами.

Уменьшение расхода конструкционных материалов и снижение массы металлоконструкций и машин является тенденцией современного машиностроения. Чем меньше плотность материалов, тем ниже динамические нагрузки на детали и меньше расход энергии на эксплуатацию машины.

Преимущество легких материалов над тяжелыми становится более наглядным при сравнении материалов по их удельной прочности и удельной жесткости. По этим характеристикам первое место занимают композиционные материалы, а сплавы алюминия (дуралюмины) не уступают более прочным легированным конструкционным сталям.

При нагреве плотность материалов уменьшается из-за теплового расширения.

Тепловое расширение− это изменение объёма (линейных размеров тела) при повышении температуры при постоянном давлении. В основе теплового расширения лежит несимметричность тепловых колебаний атомов, поэтому при повышении температуры увеличиваются средние межатомные расстояния.

Для практических целей пользуются средними значениями коэффициентов объемного αV и линейного αl расширения:

(4.5)

где V, l — объем и длина образца соответственно; ΔV, Δl изменения объёма и длины при повышении температуры на ΔТ.

В общем случае

b = a1 + a2 + a3, (4.6)

где a1, a2 и a3 — соответственно коэффициенты линейного расширения по трем осям симметрии кристалла (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Значение коэффициента линейного расширения a • 106 , К-1

Для кристаллов кубической системы, а также для стекла и других изотропных материалов с аморфной структурой b = 3a. В кристаллах с низкой симметрией отдельные слагаемые коэффициента объемного рас­ширения могут принимать отрицательные значения. При поляризации атомов и появлении дальнодействующих составляющих межатомного вза­имодействия коэффициент b становится отрицательным. Например, гер­маний при нагреве от 15 до 40К не расширяется, а сжимается. Среди полимеров самое большое тепловое расширение имеют неполярные поли­меры, у которых силы Ван-дер-Ваальса малы.

Создание текстур в металлических сплавах, ориентация макромоле­кул в полимерах отражаются на значениях коэффициента линейного рас­ширения: они существенно различаются в направлении преимуществен­ной ориентации и в поперечном направлении.

Тепловое расширение полимеров уменьшается при усилении межмо­лекулярного притяжения благодаря взаимодействию диполей, наличию во­дородных и химических связей между молекулами.

Тепловое расширение стекол по мере повышения содержания щелочных оксидов Ме2О возрастает от a =0,56 · 10-6 К-1 − у кварцевого стекла до a < 6 ·10-6 К-1 − у так называемых твердых стекол и a > 6 · 10-6 К-1 − у так называемых мягких стекол, к которым относится большая часть промышленных стекол (a = (6 … 9) · 10-6 К-1).

Различие значений коэффициента теплового расширения двух соеди­няемых материалов является причиной появления значительных терми­ческих напряжений. Согласование значений a при соединении стекол с металлами необходимо при впаивании металлических проводников в сте­кла. Получаемые спаи отличаются простотой конструкции и надежно­стью в эксплуатации.

Тепловое расширение учитывают при расчете прессовых посадок, сварке и пайке разнородных материалов, изготовлении аппаратуры из двухслойных сталей и ее эксплуатации, при выборе клеев и эксплуата­ции машин и приборов в изменяющихся температурных полях. У боль­шинства материалов при повышении температуры коэффициенты тепло­вого расширения увеличиваются. При термоциклировании или частых колебаниях температур в изделиях и деталях создаются неоднородные температурные поля и возникают напряжения. Работа материала при повышенных температурах и меняющихся напряжениях сопровождается появлением трещин и разрушением даже, если эти материалы являются высокопластичными. Наиболее стойки к термической усталости и раз­рушению при термических ударах материалы, в которых малое тепловое расширение сочетается с высокой теплопроводностью.

Теплопроводностьюназывается перенос энергии в форме теплоты в твердых телах, жидкостях и газах при макроскопической неподвижности среды. Основным законом передачи тепла в неподвижной среде (молекулярной теплопроводностью или кондукцией) является закон Фурье:

, (4.7)

где q — плотность теплового потока, Дж/м2 ·с; l — теплопроводность, Вт/(м·К).

Теплопроводность зависит от типа межатомной связи, температуры, химического состава и структуры материала.

Тепловая энергия в твердых телах переносится электронами и фононами, т.е.

l = lэ + lф. (4.8)

Механизм передачи энергии в первую очередь определяется типом связи: в металлах энергию переносят электроны; в материалах с ковалентным или ионным типом связи — фононы. Самым теплопроводным является алмаз. В полупроводниках при весьма незначительной концен­трации носителей заряда теплопроводность осуществляется в основном фононами. Чем совершеннее кристаллы, тем выше их теплопроводность. Монокристаллы лучше проводят тепловую энергию, чем поликристаллы, так как границы зерен и другие дефекты кристаллической структуры рассеива­ют фононы и увеличивают электросопротивление.

Кристаллическая решетка создает периодическое энергетическое пространство, в котором передача энергии электронами или фононами облегчена по сравнению с аморфным состоянием (табл. 4.2).

Таблица 4.2

Теплопроводность кварцевого стекла, кварца, поликристаллических

и жидких металлов

_______________________________________________________________________

* В числителе − в перпендикулярном, а в знаменателе − в парал­лельном оси направлении. ** В числителе − в расплавленном, а в знаменателе − в поликристаллическом состоянии.

Чем больше примесей содержит металл, мельче зерна и больше иска­жена кристаллическая решетка, тем меньше теплопроводность. Легиро­вание вносит искажение в кристаллические решетки твердых растворов и понижает теплопроводность по сравнению с чистым металлом — основой сплава. Структурные составляющие, представляющие дисперсные сме­си нескольких фаз (эвтектики, эвтектоиды), снижают теплопроводность. Структуры с равномерным распределением частиц фаз имеют меньшую теплопроводность, чем основа сплава. Предельным видом подобной струк­туры является пористый материал. По сравнению с твердыми телами газы являются теплоизоляторами.

Теплопроводность пористых керамических и металлических матери­алов независимо от типа межатомной связи можно оценить по формуле:

lпор @ l(1 – р), (4.9)

где l — теплопроводность беспористого материала, Вт/(м·К); р — доля пор в объёме пористого материала (пористость).

Графит имеет высокую теплопроводность. При передаче теплоты па­раллельно слоям атомов углерода базисной плоскости теплопроводность графита превышает теплопроводность меди более чем в 2 раза (табл. 4.3).

Разветвленные пластины графита в сером чугуне имеют структуру мо­нокристалла, и поэтому он имеет высокую теплопроводность (50-70 Вт/(м·К)). Высокопрочный чугун с шаровидным графитом при той же объемной доле графита имеет теплопроводность 25…40 Вт/м·К, что почти вдвое меньше по сравнению с серым чугуном.

При нагреве теплопроводности сталей разных классов сближаются (рис. 4.1).

Стекло имеет низкую теплопроводность. Полимерные материалы плохо проводят теплоту, теплопроводность большинства термопластов не превышает 1,5 Вт/(м·К).

Таблица 4.3

Физические свойства материалов с металлической, ковалентной

иионной межатомной связью

Теплоемкость− это способность вещества поглощать теплоту при нагреве. Ее характеристикой является удельная теплоемкость − количе­ство энергии, поглощаемой единицей массы при нагреве на один градус.

У металлических сплавов удельная теплоемкость находится в пре­делах 100…2000 Дж/(кг·К). Тугоплавкие металлы характеризуются низкими значениями, например, W (134 Дж/(кг·К) и Мо (254 Дж/(кг·К) , а лег­кие металлы, напротив − высокими значениями теплоемкости, например, Al, Mg и Be (896, 1017 и 1750 Дж/(кг·К), соответственно. У большинства металлов теплоемкость составляет 300-400 Дж/(кг·К). Теплоемкость металличе­ских материалов растет с повышением температуры.

Полимерные материалы, как правило, имеют удельную теплоемкость 1000 Дж/(кг·К) и более.

Электрические свойства материалов характеризуются наличием но­сителей зарядов — электронов или ионов — и свободой их передвижения под действием электрического поля. Высокие энергии ковалентной и ионной связи сообщают материалам с этими типами связи свойства диэлектрика. Их слабая электрическая проводимость обусловлена влиянием примесей, причем под влиянием влаги, образующей с примесями проводящие растворы, электропроводность таких материалов возрастает.

Материалы с разными типами связи имеют различные температурные коэффициенты электросопротивления: у металлов он положителен, у материалов с ковалентным и ионным типом связи — отрицателен. При нагреве металлов концентрация носителей зарядов — электронов не увеличивается, а сопротивление их движению возрастает из-за увеличена амплитуд колебаний атомов. В материалах с ковалентной или ионной связью при нагреве концентрация носителей зарядов повышается настолько, что нейтрализуется влияние помех от увеличения колебаний атомов. По этой причине удельное электросопротивление таких материалов при нагреве снижается. Начиная с (0,8 — 0,9)Тпл концентрация носителей заряда становится большой, а сами материалы делаются проводящими.