Физико-химические свойства

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

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)

Механические свойства

Механические свойства отражают способность материала сопротивляться силовым, тепловым, усадочным или другим внутренним напряжениям.

При приложении внешних сил материал деформируется. Деформации могут быть обратимыми и необратимыми. В свою очередь обратимые деформации могут быть упругими и эластичными. Характер и величина деформаций зависят от величины нагрузки, скорости нагружения и температуры материала.

Упругость — свойство материала при воздействии нагрузки изменять свои размеры и форму и полностью восстанавливать их после снятия нагрузки.

Пластичность — свойство материала при воздействии нагрузки в значительных пределах изменять свои размеры и форму без нарушения сплошности и сохранять их после снятия нагрузки.

Хрупкость — свойство материала разрушаться под действием нагрузки без заметных пластических деформаций. Многие строительные материалы (кирпич, бетон, стекло и др.) являются хрупкими. У хрупких материалов прочность при сжатии существенно больше (в 10…20 раз) прочности при растяжении.

Прочность — свойство материала сопротивляться внутренним напряжениям, которые возникают при действии внешних нагрузок. Материал в сооружении подвергается тем или иным воздействиям, которые вызывают напряженное состояние (сжатие, растяжение, изгиб, кручение, сдвиг, скалывание и др.).

В самом общем случае напряжение

где σ — напряжение, МПа (1 кН/см2 ≈ 10 МПа ≈ 100 кг/см2); Р — нагрузка, кН; F — площадь поперечного сечения образца до испытания, см2.

Величина напряжения зависит от величины нагрузки. Максимального значения, при котором наступает разрушение материала, напряжения достигают при разрушающей нагрузке. Прочность характеризуется пределом прочности

Предел прочности одного и того же материала может иметь различную величину в зависимости от размера образца, его формы, скорости нагружения, а также конструкции прибора, на котором проводятся испытания, поэтому для получения объективных результатов необходимо строго соблюдать все условия испытаний, которые установлены для данного материала соответствующими нормативными документами.

Предел прочности при сжатии определяется на образцах правильной геометрической формы: кубы, призмы, цилиндры. Разрушающая нагрузка, как правило, определяется на гидравлическом прессе:

Прочность различных материалов на сжатие варьируется от 0,5 до 1000 МПа и выше. У некоторых материалов прочность на сжатие характеризует их марки или классы, т.е. качество.

Предел прочности на растяжение определяется на образцахстержнях, образцах-призмах или «восьмерках», которые имеют переменное сечение. Разрушающая нагрузка определяется на разрывных машинах:

Возможно также определение прочности на растяжение методом раскалывания на кубах или цилиндрах.

Предел прочности на изгиб определяется на образцах-призмах:

где Р — разрушающая нагрузка, кН; l — расстояние между опорами, см; b — ширина образца, см; h — высота образца, см.

В последнее время широкое распространение получили различные неразрушающие методы испытания строительных материалов на прочность.

Ударная вязкость — свойство материала сопротивляться ударным нагрузкам.

Твердость — свойство материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого материала.

Истираемость — свойство материала сопротивляться истирающим воздействиям.

Форма и размер частиц

Порошкообразные лекарственные препараты состоят из частиц различных размеров и форм. Отдельные частицы представляют собой кристаллы (реже аморфные вещества) или их конгломераты. Они могут быть анизодиаметрические (несимметричные) и изодиаметрические (симметричные). К анизодиаметрическим относят палочки, иголки (длина превышает поперечные размеры), пластинки, чешуйки (длина и ширина больше толщины). Симметричные частицы представляют собой шаровидные образования, правильные многогранники и т.д.

Форма и размер частиц у кристаллических препаратов зависят от структуры кристаллической решетки и условий кристаллизации. Для измельченных растительных материалов определяющими факторами являются способ измельчения и анатоморфологические особенности измельчаемых органов. Размеры частиц варьируются в широких пределах.

Плотность порошка

Знание массовой плотности крайне важно для определения технологических (объемных) характеристик препаратов. Численно равна массе (в килограммах), заключенной в единице объема (в кубических метрах)

Удельная поверхность порошка

Удельная поверхность напрямую зависит от степени дисперсности порошков. Знание этой величины помогает определять количество увлажнителя для процесса гранулирования. Она выражается отношением суммарной поверхности всех частиц (в метрах квадратных) к единице массы (в килограммах). Определяется поверхностномером методом воздухопроницаемости.

Истинная плотность

Данная величина является отношением массы препарата к его объему при нулевой пористости порошка. Нулевая пористость достигается путем прессования порошка в таблетку заданного объема массой в пределах 0.3-0.5г. Затем по формуле r=g/V вычисляют истинную плотность.

Внутреннее (контактное) трение

Данный коэффициент позволяет косвенно судить об абразивности таблетируемой массы. Чем выше значение коэффициента, тем более стойким к истиранию (износу) должен быть пресс-инструмент. Наименьшая абразивность — у веществ с длинной углеродной цепью и гранулированных масс со смазывающими веществами. Наибольший коэффициент трения — у растительных порошков, органических веществ с крупными кристаллами и неорганических солей.

Смачиваемость

Под этим понятием понимают способность порошкообразных препаратов взаимодействовать с жидкостью (лиофильность) и прежде всего с водой (гидрофильность). Смачиваемость имеет разную величину в зависимости от количества атомов кислорода или гидрофильных групп на поверхности частиц и интенсивности взаимодействия межмолекуляных сил.

В практическом отношении значение смачиваемости заключается в том, что в полученную из хорошо смачиваемых веществ таблетку легко проникает вода, ускоряя распадаемость таблетки.

Склонность к смачиванию поверхности порошков водой проявляется:

Полным смачиванием – жидкость растекается по поверхности порошка.
Частичным смачиванием – вода частично растекается по поверхности порошка.
Полным несмачиванием – капля воды, нанесенная на поверхность, сохраняет форму, близкую к сферической.

Коэффициент фильности определяет лиофильность таблетируемых порошкообразный средств. Он представляет собой отношение удельной теплоты смачивания полярной жидкостью к удельной теплоте смачивания неполярной жидкостью. Выделение теплоты при образовании мономолекулярного слоя на поверхности твердой частицы называют теплотой смачивания.

Гигроскопичность

Если упругость паров воды на поверхности твердых частиц ниже, чем их упругость в воздухе, подготовленная к таблетированию масса начнет поглощать пары воды из воздуха и расплываться. Поэтому необходимо строго соблюдать условия хранения и подготовки к таблетированию.

Кристаллизационная вода

С наличием кристаллизационной воды в таблетируемых препаратах тесно связано явление «цементации». Также кристаллизационная вода определяет термические (отношение к температуре окружающей среды) и механические (пластичность, прочность) свойства кристаллов, оказывает существенное влияние на поведение таблетируемой массы под давлением.

Электрические свойства

При обработке и прессовании полярных порошкообразных препаратов зачастую возникает явление электризации. Поэтому при рассмотрении природы связи частиц в таблетках наряду с деформационными характеристиками необходимо рассматривать и диэлектрические. Для неполярных веществ явление электризации не наблюдается.

Гидрофизические свойства

Свойства, связанные со статическим или циклическим воздействием воды или водяного пара на материал, называются гидрофизическими свойствами материалов.

Гигроскопичность — способность материала поглощать и конденсировать водяные пары из воздуха. Зависит от величины пористости, характера и размера пор, а также от параметров окружающей среды (температуры и относительной влажности воздуха). В самом общем случае — чем больше пористость, тем выше гигроскопичность.

Капиллярное всасывание — способность материала при непосредственном контакте с водой поднимать ее на определенную высоту по капиллярным порам, которые имеют размер от 1000Å до 10 мкм.

Влажность — это относительное содержание влаги в материале:

где m_c — масса материала, высушенного до постоянной массы, г;

m_вл — масса влажного материала, г.

Все материалы имеют ту или иную влажность, которая зависит от условий эксплуатации, величины пористости, характера и размера пор материала. Влажность влияет на ряд свойств материалов (плотность, прочность, теплопроводность и др.).

Влажностные деформации — увеличение линейных размеров и объема материала при его увлажнении (набухание) или уменьшение — при высыхании (усушка). Зависят от строения материала.

Материалы высокопористого и волокнистого строения, способные поглощать много воды, характеризуются большой усадкой (древесина 30…100 мм/м; ячеистый бетон 1…3 мм/м), материалы с маленькой пористостью — незначительной усадкой (гранит 0,02…0,06 мм/м).

Водопоглощение — способность материала поглощать и удерживать воду при непосредственном контакте с ней. Количество воды, которое поглотил образец, отнесенное к его массе в сухом состоянии, называют водопоглощением по массе Wm, а отнесенное к его объему — водопоглощением по объему Wo:

где m_в — масса материала, насыщенного до постоянной массы, г; m_с — масса сухого материала, г; V_e— объем материала в естественном состоянии; ρ_в — плотность воды, г/см3.

Водопоглощение зависит от величины пористости, характера и размеров пор.

Между этими водопоглощениями существует взаимосвязь:

Последняя формула удобна для определения Wo в случае затруднения определения объема материала, когда он имеет неправильную геометрическую форму.

Коэффициент насыщения — степень заполнения пор материала водой:

Этот коэффициент позволяет оценить структуру материала. Уменьшение Kн при постоянной величине пористости свидетельствует о сокращении открытой пористости.

Водостойкость — способность материала сохранять прочность при увлажнении. Характеризуется коэффициентом размягчения

где Rв и Rc — пределы прочности при сжатии соответственно водонасыщенного и сухого материала.

Материалы, имеющие Kр > 0,8, считаются водостойкими и их разрешается применять в сырых условиях эксплуатации, материалы с Kр < 0,8 — неводостойкими.

Воздухостойкость — способность материала выдерживать многократные циклические воздействия увлажнения и высушивания без заметных деформаций и потери механической прочности.

Водопроницаемость — способность материала пропускать воду под давлением. В строительстве чаще необходимо противоположное свойство — водонепроницаемость, которая характеризуется или периодом времени, по истечении которого проявляются признаки просачивания воды через материал, или величиной давления воды, при котором она не проходит через материал. Эти свойства зависят от величины пористости, характера и размера пор.

Морозостойкость — способность материала, насыщенного водой, выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без значительных признаков разрушения и существенного снижения прочности. Это свойство взаимосвязано с долговечностью, зависит от величины пористости, характера и размера пор, начальной прочности, а также от условий эксплуатации. Характеризуется количеством циклов попеременного замораживания при температуре –15…–17 °С и оттаивания в воде при температуре +20 °С. Число циклов (марка или класс), которое должен выдерживать материал, в зависимости от его назначения, указывается в нормативных документах. Материал считается выдержавшим испытание, если после заданного количества циклов потеря массы и снижение прочности не превышают значений, указанных в нормативных документах.

Связь состава, структуры, строения и свойств материалов

Свойства материалов взаимосвязаны с их составом, структурой и внутренним строением.

Если для природных материалов (каменные материалы, древесина) возможно только частичное изменение их свойств, например, пропитка древесины антисептиками, которые препятствуют гниению древесины, то при получении искусственных материалов технологию следует рассматривать с точки зрения ее влияния на строение, структуру и, как следствие, на получение материалов с заданными свойствами.

Строительные материалы характеризуются химическим, минеральным и фазовым составами.

По химическому составу материалы делятся на органические (древесина, битум, полимеры) и минеральные, т.е. неорганические (природный камень, кирпич, бетон), а также металлы (чугун, сталь, алюминий). Органические материалы горючи, а минеральные нет. Химический состав некоторых материалов иногда выражают количеством содержащихся в них оксидов. Оксиды, химически связанные между собой, образуют минералы, которые характеризуют минеральный состав материала. Варьируя содержание и количество минералов, можно получить материалы с разными свойствами (например, портландцемент, быстротвердеющий и сульфатостойкий цемент и т.д.).

Фазовый состав — это соотношение между твердым каркасом материала и порами. Фазовый состав, а также фазовые переходы воды в порах материала взаимосвязаны со всеми свойствами и поведением материала при эксплуатации.

Свойства материала взаимосвязаны с его структурой. При изучении структуры материала различают макро- и микроструктуры.

Макроструктура — это строение, видимое невооруженным глазом. Микроструктура — строение, видимое под микроскопом.

Материалы могут иметь следующую макроструктуру:

рыхлозернистую — состоящую из отдельных не связанных друг с другом зерен (песок, гравий, цемент);
конгломератную — когда зерна прочно соединены между собой (бетон, керамические материалы);
ячеистую — которая характеризуется большим количеством равномерно распределенных по объему материала макрои микропор (ячеистые бетоны, пеностекло);
волокнистую (древесина, минеральная вата);
слоистую (фанера, текстолит).

Волокнистой и слоистой структурам присуща анизотропия, т.е. различие свойств в различных направлениях (например, прочность вдоль и поперек волокон).

Внутреннее строение материалов изучают методами рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии и т.д. По взаимному расположению атомов и молекул материалы могут быть кристаллическими и аморфными. Неодинаковое строение кристаллических и аморфных материалов определяет и различие их свойств. Материалы аморфного строения химически более активны, имеют меньшие прочность и теплопроводность, чем кристаллические такого же состава.

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.

Физико-химические свойства – это совокупность характеристик вещества, которые могут быть измерены и описаны с помощью физических и химических методов. Эти свойства позволяют определить поведение вещества в определенных условиях, его реакционную способность и стабильность.

Физико-химические свойства могут включать такие параметры, как температура плавления и кипения, плотность, теплоемкость, теплопроводность, электропроводность, растворимость, кислотность и многие другие. Эти параметры могут использоваться для определения состава и структуры вещества, его физических и химических свойств, а также для прогнозирования реакций вещества с другими веществами.

Знание физико-химических свойств вещества имеет большое практическое значение. Это позволяет контролировать процессы производства, оптимизировать технологии, разрабатывать новые материалы и продукты, повышать их качество и эффективность, облегчать утилизацию отходов и т.д.

Примеры физико-химических свойств:
- Температура плавления и кипения
- Плотность и объем
- Теплоемкость и теплопроводность
- Растворимость
- Электропроводность и магнитные свойства
- Оптические свойства (прозрачность, цвет, отражательная способность)

Физико-химические свойства также могут использоваться для описания условий окружающей среды и влияния вещества на нее. Например, за счет изучения показателей растворимости и засоленности воды можно определить ее качество и пригодность для питья или для использования в производстве.

Таким образом, знание физико-химических свойств является важным компонентом в науке и производстве, позволяя оптимизировать и улучшить процессы, повышать качество продукции и облегчать контроль за воздействием вещества на окружающую среду.