Тіла і речовини, що оточують людину

Тіла у природи утворені з речовини, яка, в свою чергу, складається з маленьких частинок, що взаємодіють між собою і рухаються. Частинки, з яких «побудована» речовина, називають молекулами. Молекули – це ніби «цеглинки» будь-якого тіла і так само, як цегла, вони теж із чогось складаються. Частинки, з яких складаються молекули, називаються атомами. У перекладі на нашу мову «атом» означає «неподільний». Таким чином, атом – найдрібніша, хімічно неподільна частинка речовини.

Таку назву частинці дав давньогрецький учений Демокрит (Δημόκριτος бл.460 – 370 до н.е.) який уперше ще 2500 років тому висловив здогад, що всі речовини складаються з окремих неподільних частинок.

Рис. 1.1 Будова атому гелію

Атоми складаються з трьох основних частинок: протони – мають позитивний заряд; нейтрони – не мають заряду; протони і нейтрони з’єднуються разом й утворюють ядро – центральну частину атома; електрони – мають негативний заряд і рухаються навколо ядра. Електрони дуже маленькі й дуже легкі. Їх легко «відірвати» від атома й потім використовувати для передавання електричної енергії. Якби електрон важив як монета у 10 центів (2,268 г) , то протон важив би як чотири літри молока!

Рис. 1.2 Будова атому літію

Нейтрони і протони мають приблизно однакову масу. Атоми мають однакову кількість електронів і протонів. Зазвичай атоми мають однакову кількість протонів і нейтронів. Якщо добавити до атома протон, до отримаємо ізотоп того ж самого атома, тобто «важкий» варіант того ж самого атома.

Атоми можуть існувати окремо. Проте, частіше вони сполучаючись між собою, можуть утворювати молекули. Виявилося, що не всі речовини складаються з молекул. Структурними частинками речовини можуть бути атоми або інші частинки, об'єднані як у молекулярні, так і не молекулярні структури. Наприклад, атоми Сульфуру (Сірки) об'єднуються в молекули з восьми атомів. Останні утворюють кристал, тобто з'єднуються в певній послідовності, утворюючи структуру, що нагадує решітку. У вузлах такої кристалічної решітки містяться восьмиатомні молекули. При цьому утворюється тверда за звичайних умов речовина жовтого кольору, легкоплавка. Це - сірка.

Інший приклад. Атоми Феруму об'єднуються у немолекулярні кристали. Утворюється речовина залізо – метал сріблясто-сірого кольору, з високою температурою плавлення, електро- і теплопровідний.

Сукупність однакових атомів, які мають однакову будову називають хімічним елементом. Нині відомо 110 видів атомів (хімічних елементів). З них утворені всі речовини навколишнього світу (а їх понад 10 мільйонів) подібно до того, як з невеликої кількості видів будівельних матеріалів побудовано безліч різноманітних споруд.

Кожний хімічний елемент має свою назву та умовне позначення у вигляді хімічного символу. Наприклад, графіт, з якого складаються стрижні олівців, утворений атомами Карбону.

Сучасні хімічні знаки ввів у науку в XIX столітті шведський учений Єнс Якоб Берцеліуc (Jöns Jakob Berzelius, 1779 –1848). Він вважав, що хімічні знаки мають бути позначені літерами, щоб зручно було розуміти написане. Для цього Берцеліус використав початкові літери латинських назв елементів. Наприклад, Карбон позначається літерою С (від латинського слова carbonium – вугілля), а Ферум –Fe (від латинського слова ferrum – залізо).

Фізики та хіміки умовно зображують атоми речовини у вигляді кольорових кульок.

Хімічні елементи рідко трапляються в природі у вигляді окремих атомів. Атоми хімічних елементів, поєднуючись у різних комбінаціях, утворюють молекули різних речовин.

Якщо молекули відрізняються одна від одної лише одним-однісіньким атомом – вони вже будуть входити до складу зовсім різних речовин. Візьмемо, наприклад, гази – кисень і озон. Їхні молекули відрізняються тільки за кількістю атомів Оксигену – у кисню їх 2, а в озону 3.

І що ж ми маємо? Кисень – це газ без кольору і запаху, він необхідний для існування майже всіх живих організмів, а озон – це газ блакитного кольору, з характерним запахом, і до того ж у великих кількостях шкідливий для здоров'я. Проте, він нам необхідний, оскільки захищає все живе від негативного впливу коротких ультрафіолетових променів. Утворюється озон при електричних розрадах (під час грози) та під дією ультрафіолетового опромінення. Він складається з трьох молекул Оксигену й має хімічну формулу О₃.

А ось ще три речовини – алмаз, графіт, вугілля. Ці кристалічні речовини складаються з атомів одного хімічного елемента – Карбону, але розташовані ці атоми в них по-різному. І ось одна речовина (алмаз) є найтвердішою у світі, а з графіту виготовляють стержні олівців. Різниця у їх властивостях пояснюється різною формою кристалічних ґраток.

Молекула води складається з трьох атомів – одного атома Оксигену і двох атомів Гідрогену.

А молекула цукру складається аж із 45 атомів трьох видів – Карбону, Оксигену і Нітрогену.

Фізичне тіло може складатися з однієї чи декількох речовин. Наприклад, ложки, виделки – фізичні тіла, виготовлені здебільшого зі сталі. Столові прибори можуть бути також зроблені з порцеляни або срібла. Ніж, як правило, роблять не з однієї речовини, а з двох: лезо - зі сталі, руків'я – з дерева. А от для виробництва такого фізичного тіла, як мобільний телефон, використовують десятки різних речовин.

У давнину людина для виготовлення необхідних предметів шукала придатні речовини в природі: для наконечника стріли – твердий камінець, для теплого одягу – еластичні шкури з хутром тощо.

Штучно створені речовини з'явилися пізніше. Сьогодні переважна більшість речовин, із якими ми маємо справу щодня, штучного походження. Усі вони створені людиною з конкретною метою – для виготовлення фізичних тіл того чи іншого призначення. Як приклад штучно створених речовин насамперед слід назвати пластики. Кожний вид пластику створено для забезпечення найкращих властивостей того чи іншого фізичного тіла. Так, пластик для такого фізичного тіла, як бампер автомобіля, насамперед має бути міцним. Пластик, призначений для посуду, у якому зберігають продукти в холодильнику, повинен не виділяти отруйних речовин. Пластик, що його застосовують для виготовлення окулярів і лінз, має бути прозорим. Безліч інших прикладів ви, певно, можете назвати й самі.

Прості й складні речовини

Якщо речовина утворена з атомів одного хімічного елементу її вважають простою. Наприклад, молекули простих газів складаються з двох атомів одного й того ж хімічного елементу. Молекула кисню складається з двох атомів Оксигену. Її хімічна формула – О₂. Молекула водню – з двох атомів Гідрогену (H₂), азоту – з двох атомів Нітрогену (N₂), хлору – з двох атомів Хлору (Cl₂).

Хімічні формули металів записують, як такі, що складені з одного атому: Fe – залізо, ΑΙ – алюміній, Сu – мідь, Na – натрій (з латини, арабської та грецької – природна сода), Au – золото, Ag – срібло, Hg – ртуть.

Прості речовини умовно поділяють на метали й неметали. Метали мають немолекулярну будову, добре проводять струм та тепло, є пластичними (легко куються, витягуються у дріт), більшість (крім золота, міді) мають сірий, або сріблясто-сірий колір, металічний блиск. Неметали погано проводять струм та тепло, крихкі, мають різний колір (фосфор – червоний, сірка – жовтий, графіт – чорний, водень – безбарвний газ).

Якщо речовина утворена з атомів кількох хімічних елементів її вважають складною або хімічною сполукою. Наприклад, вода: H₂О. При температурі 2000^оС молекула води розпадаються на два типи атомів: Оксиген та Гідроген.

Складних речовин у природі значно більше, ніж простих. Це пояснюється тим, що атоми різних хімічних елементів здатні сполучатися один з одним у різній кількості та послідовності, як літери у мові, які сполучаючись утворюють різноманітні слова.

Складними речовинами є вуглекислий газ (СО₂), кухонна сіль (NaCl), метан (СН₄), сульфатна кислота (H₂SO₄), соляна кислота (HCl), глина (складена переважно із сполуки Al₂O₃) та безліч інших.

У 1855 році на одній зі світових виставок увагу відвідувачів привернув сріблясто-білий метал. Але не так своєю легкістю та легкоплавкістю, як тим, що всі 12 виставлених на розгляд шматочків металу було видобуто зі звичайнісінької глини. Тому й називали його «сріблом із глини». Це був добре нам знайомий алюміній. На той час він коштував дуже дорого (майже як золото). А все тому, що виробництво алюмінію потребує великої кількості електричної енергії. Минали роки, разом зі здешевленням електроенергії зменшувалась вартість алюмінію. Нині його виробляють у великих кількостях і коштує він порівняно недорого. Принаймні тепер нікому не спаде на думку зробити цінний подарунок з алюмінію, як це було у позаминулому столітті.

Поділ речовин на прості й складні не єдиний. Існує також поділ речовин на чисті та суміші. Речовину, що містить лише частинки однієї речовини, називають чистою. А речовину, утворену сукупністю кількох чистих речовин, які не втратили своїх властивостей, називають сумішшю. Наприклад, дистильована вода складається тільки з молекул води (Н₂0), тому вона є чистою речовиною. Якщо ви візьмете морську воду і спробуєте її на смак, то відчуєте, що вона солонувата. Крім молекул води, морська вода вміщує домішки солі та багато інших речовин, тому її називають сумішшю.