Fot. 1. Barwa i połysk to właściwości miedzi← 3. Substancja, ciało fizyczne i materiał
5. Właściwości chemiczne substancji →
Na poprzedniej lekcji zapytaliśmy, dlaczego do wykonania okna używamy szkła, a nie drewna. Odpowiedź tkwi w tym, że różne substancje mają różne cechy. Cechy, które można zauważyć lub zmierzyć bez zmieniania substancji w inną, nazywamy właściwościami fizycznymi. Dziś nauczysz się je opisywać i wykorzystywać do rozpoznawania substancji.
Cele lekcji
Zanim zaczniesz. Dostajesz dwie bryłki o podobnym kształcie i wielkości. Jedna jest z aluminium, druga z żelaza. Nie możesz ich niczym uszkodzić. Jakie sposoby wymyślisz, żeby je odróżnić? Zapisz co najmniej trzy.
Fot. 1. Barwa i połysk to właściwości miedziGdy opisujesz kolegę, mówisz, że jest wysoki, ma ciemne włosy i jest uprzejmy. Podobnie chemik opisuje substancję: mówi, jaka jest, jak wygląda i jak się zachowuje. Takie cechy to właściwości substancji. Dzięki nim odróżniamy substancje od siebie i wiemy, do czego się nadają.
Właściwości mogą być różnego rodzaju. Dziś zajmiemy się właściwościami fizycznymi. To te, które możemy zauważyć naszymi zmysłami albo zmierzyć przyrządem, bez zmieniania substancji w inną. Innymi właściwościami, związanymi ze sposobem, w jaki substancje zmieniają się w inne, zajmiemy się na następnej lekcji.
Zapamiętaj. Właściwości fizyczne to cechy substancji, które można zaobserwować lub zmierzyć bez zmieniania substancji w inną.
W temperaturze pokojowej substancje występują w trzech stanach skupienia: stałym (żelazo, cukier), ciekłym (woda, alkohol) i gazowym (tlen, wodór). Stan skupienia zależy od warunków, ale w typowej temperaturze pokojowej jest charakterystyczny dla danej substancji.
Miedź jest czerwonawa, siarka żółta, a sól kuchenna biała. Metale zwykle mają charakterystyczny połysk, a substancje takie jak kreda są matowe. Barwa i połysk to najprostsze właściwości, ale same nie wystarczą do rozpoznania substancji, ponieważ wiele z nich wygląda podobnie: sól, cukier i soda są białe.
Niektóre substancje mają charakterystyczny zapach, na przykład ocet lub alkohol. Zapach jest jednak właściwością, której nigdy nie badamy na własną rękę.
Ważne. Nie wąchaj, nie dotykaj ani nie próbuj nieznanych substancji. Wiele z nich jest niebezpiecznych. Jeśli w doświadczeniu trzeba sprawdzić zapach, robi się to w sposób bezpieczny, pod kierunkiem nauczyciela, ruchem dłoni kierując opary w swoją stronę.
Fot. 2. Szkło jest kruche, a miedź plastycznaDiament jest bardzo twardy, bo zarysuje niemal każdą inną substancję, a talk jest tak miękki, że da się go zarysować paznokciem. Szkło jest kruche i pęka pod uderzeniem. Miedź czy złoto są plastyczne, można je ciągnąć w druty i rozklepywać w cienkie blaszki bez kruszenia.
Metalowa łyżka zanurzona w gorącej herbacie szybko się nagrzewa, a drewniana znacznie wolniej. Metale dobrze przewodzą ciepło i prąd elektryczny. Dlatego przewody elektryczne robi się z miedzi, a ich osłony z tworzywa, które prądu nie przewodzi.
Magnes przyciąga żelazo, ale nie przyciąga miedzi, aluminium ani złota. To jeden z prostszych sposobów odróżnienia żelaza od innych metali.
Cukier i sól kuchenna rozpuszczają się w wodzie. Piasek i kreda nie rozpuszczają się, a olej jedynie unosi się na jej powierzchni. Rozpuszczalność w wodzie to ważna właściwość, o której powiemy więcej w dalszej części roku.
Kawałek styropianu i kawałek ołowiu o tej samej wielkości mają bardzo różne masy. Ołów jest znacznie „cięższy”, choć zajmuje tyle samo miejsca. Mówimy, że ma większą gęstość.
Gęstość substancji określa, ile masy mieści się w jednostce objętości. Obliczamy ją, dzieląc masę ciała przez jego objętość:
d = mV
gdzie d to gęstość, m – masa, a V – objętość. Najczęściej podajemy ją w gramach na centymetr sześcienny (gcm³). Gęstość wody to około 1 gcm³: litr wody ma masę około 1 kg.
Przykład. Bryłka metalu ma masę 45 g i objętość 5 cm³. Jej gęstość wynosi 45 g5 cm³ = 9 gcm³. Z tabeli (niżej) widać, że to najprawdopodobniej miedź.
Zwróć uwagę, jak to łączy się z poprzednią lekcją. Masa i objętość to właściwości ciała: dwie bryłki miedzi mogą mieć różną masę i objętość. Gęstość to właściwość substancji: jest taka sama dla małej i dużej bryłki miedzi.
Lód topi się w temperaturze 0°C, a woda wrze w temperaturze 100°C (pod normalnym ciśnieniem). Każda substancja ma swoją własną temperaturę topnienia i swoją temperaturę wrzenia. Alkohol wrze w temperaturze około 78°C, a żelazo topi się dopiero przy około 1540°C. Te wartości są dla każdej substancji stałe i bardzo przydatne do jej rozpoznania.
Właściwości wielu substancji zostały zmierzone i zebrane w tablicach. Chemik nie musi ich pamiętać, ale powinien umieć z nich korzystać.
| Substancja | Stan skupienia (20°C) | Barwa | Gęstość (gcm³) | Temperatura topnienia (°C) |
|---|---|---|---|---|
| woda | ciekły | bezbarwna | 1,0 | 0 |
| alkohol etylowy | ciekły | bezbarwny | 0,79 | −114 |
| aluminium | stały | srebrzystobiała | 2,7 | 660 |
| żelazo | stały | srebrzystoszara | 7,9 | 1540 |
| miedź | stały | czerwonawa | 9,0 | 1085 |
| złoto | stały | żółta | 19,3 | 1064 |
Dzięki takim tablicom można odróżnić aluminium od żelaza: mają podobny wygląd, ale gęstość żelaza jest prawie trzy razy większa, a żelazo przyciąga magnes. To odpowiedź na pytanie ze wstępu.
Fot. 3. Dwie ciecze, które wyglądają podobnie, mogą być różnymi substancjamiZestaw właściwości danej substancji jest dla niej charakterystyczny, trochę jak odciski palców u człowieka. Jedna właściwość często nie wystarcza (wiele substancji jest białych), ale kilka razem zazwyczaj pozwala rozpoznać substancję. Dlatego, chcąc ustalić, z czym mamy do czynienia, sprawdzamy kolejne właściwości, aż uzyskamy pewność.
Właściwości decydują też o tym, do czego substancja się nadaje. Szkło jest przezroczyste, więc robimy z niego okna. Miedź dobrze przewodzi prąd, więc robimy z niej przewody. Aluminium jest lekkie, więc używa się go do puszek i ram rowerowych. W ten sposób wiemy, dlaczego wybieramy określony materiał.
Dowiedz się więcej. Z legendy: starożytny uczony Archimedes miał ustalić, czy korona króla jest ze szczerego złota, porównując jej gęstość z gęstością złota.
To najważniejsze