§ 27. Вещества и материалы вокруг нас

Определения и обозначения

Вещество — вид материи, имеющий определённый состав и характерные свойства. Веществами являются, например, вода, кислород и железо. Это понятие нужно, чтобы описывать, из каких частиц состоит окружающий мир и как эти частицы ведут себя при физических и химических изменениях.

Материал — вещество или смесь веществ, которые применяют для изготовления предметов и конструкций. Стекло, бетон, бумага и сталь — материалы, используемые для разных целей. Такое понятие помогает связать химию с практикой: при создании изделия выбирают не просто вещество, а подходящий материал с нужными свойствами.

Свойства вещества — признаки, по которым его описывают и отличают от других веществ. К физическим свойствам относятся, например, плотность, цвет и температура плавления, а к химическим — способность гореть или вступать в реакцию. Разделение нужно, чтобы понимать, можно ли наблюдать признак без изменения состава вещества или для этого должна пройти химическая реакция.

Как это устроено

Состав и строение вещества объясняют его свойства, потому что поведение материала зависит от частиц, из которых он состоит, и связей между ними. В металлах частицы соединены так, что материал обычно проводит электрический ток и тепло, а также может менять форму без разрушения. У стекла строение иное: оно твёрдое и прозрачное, но при ударе может расколоться. Поэтому одинаковый внешний вид или назначение ещё не означают одинаковых химических свойств.

Материал выбирают под конкретную задачу, поскольку разные свойства важны в разных условиях. Для электрического провода нужна высокая электропроводность, а для теплоизоляции — низкая теплопроводность. Если предмет будет соприкасаться с водой или нагреваться, учитывают устойчивость к влаге и температуре. Один показатель редко решает всё: материал также должен быть достаточно прочным, безопасным и доступным.

Чистые вещества и смеси ведут себя неодинаково, потому что смесь содержит частицы нескольких компонентов. Состав смеси может меняться, а вместе с ним могут изменяться её свойства. Например, сплав — это материал на основе нескольких элементов, обычно металлов; добавление другого элемента позволяет изменить твёрдость или устойчивость к коррозии. Поэтому свойства материала не всегда можно приписать одному исходному веществу.

Материалы получают из природного сырья или создают искусственно, потому что потребности людей не всегда можно удовлетворить природными материалами в готовом виде. Древесину, камень и некоторые минералы используют после обработки, а пластмассы и многие синтетические волокна производят химическими способами. При этом обработка может менять форму, поверхность и свойства исходного сырья. Для понимания материала важно знать не только его название, но и происхождение и состав.

Использование материала связано с его воздействием на окружающую среду, поскольку добыча сырья, производство и утилизация требуют ресурсов и могут образовывать отходы. Долговечность изделия полезна, если оно служит долго, но после использования материал всё равно нужно безопасно удалить или переработать. Повторное применение и переработка помогают сократить расход сырья. Поэтому при оценке материала учитывают весь путь от получения до утилизации, а не только удобство готового изделия.

Свойства и применение материалов

Таблица показывает, как отдельные свойства связаны с использованием материалов. Примеры не означают, что каждый материал подходит только для указанной цели: при реальном выборе учитывают сразу несколько характеристик и условия эксплуатации. Сравнивайте материалы по одному и тому же свойству, а затем оценивайте, какие из них важны для изделия.

Разбор задач

Задача. Для изготовления ручки электрического прибора выбирают медь или пластмассу. Какой материал целесообразнее использовать для внешней части ручки и почему? Нужно учитывать, что ручку держат рукой, а внутри прибора могут находиться проводящие ток детали. Сравним материалы по назначению, а не только по внешнему виду.

1. Определим, какое свойство важно для внешней части ручки. Она не должна проводить электрический ток так, как проводник, иначе прикосновение к прибору может быть опасным.
2. Сопоставим материалы по электропроводности. Медь хорошо проводит электрический ток, поэтому её применяют в проводах и токопроводящих деталях, но это свойство делает её неподходящим выбором для внешней изолирующей ручки.
3. Рассмотрим пластмассу. Многие пластмассы плохо проводят ток и могут придавать изделию удобную форму, поэтому их используют для корпусов и ручек. Однако точный выбор зависит от состава пластмассы и температуры, при которой прибор будет работать.
4. Проверим, не упустили ли мы другие условия. Материал должен выдерживать нагрев, механическую нагрузку и контакт с окружающей средой; одной электропроводности недостаточно для окончательного решения.

Ответ: для внешней части ручки обычно выбирают подходящую пластмассу, поскольку она плохо проводит электрический ток и легко принимает нужную форму. Медь подходит для токопроводящих деталей, но не для изолирующей поверхности. При выборе конкретной пластмассы необходимо также проверить её термостойкость и прочность.

Типичные ошибки

• Считать, что «вещество» и «материал» — одно и то же. Так ошибаются, потому что в разговоре эти слова часто употребляют как близкие по смыслу. Проверьте себя вопросом: идёт ли речь о составе и свойствах вещества или о его практическом использовании для изготовления изделия?

• Полагать, что у всех материалов одного вида свойства одинаковы. Это происходит, когда забывают о составе, добавках и способе обработки. Чтобы проверить вывод, уточните состав материала и сравните конкретные характеристики, а не только его общее название.

• Выбирать материал по одному свойству, например только по прочности. Такое упрощение удобно, но изделие может нагреваться, контактировать с водой или требовать электрической изоляции. Составьте список условий использования и проверьте материал по каждому важному условию.

• Путать физические свойства с химическими изменениями. Изменение формы или плавление само по себе не означает, что возникло новое вещество, тогда как горение обычно сопровождается образованием новых веществ. Спросите себя, изменился ли химический состав: если да, происходило химическое превращение.

Связь с другими темами

Тема опирается на знания о строении атомов, молекул и ионов: именно частицы и связи между ними объясняют свойства вещества. Она связана с химическими реакциями, потому что при производстве материалов одни вещества могут превращаться в другие. Понятия растворов, смесей и сплавов помогают разбирать состав сложных материалов. Знания о свойствах металлов, неметаллов, оксидов и полимеров позволяют сравнивать материалы и понимать, где их применять.

Что запомнить

• Вещество характеризуется составом и свойствами, а материал используют для создания предметов и конструкций.

• Свойства материала связаны с его составом и строением; добавки и обработка могут их изменить.

• Материал выбирают по совокупности свойств и условий применения, а не по одному признаку.

• При оценке материала учитывают его получение, безопасность, срок службы и возможность переработки.