24. Физические явления в химии

Определения и обозначения

Физическое явление — изменение состояния, формы или размеров вещества, при котором его химический состав остаётся прежним. Например, лёд может растаять, а металлическая проволока — согнуться: ни в одном случае новое вещество не возникает. Это понятие нужно, чтобы отличать физические изменения от химических реакций.

Агрегатное состояние — состояние вещества: твёрдое, жидкое или газообразное. В каждом состоянии частицы вещества расположены и движутся по-разному, поэтому вещество может сохранять состав, но менять форму и свойства. Это понятие помогает описывать, в каком виде находится вещество и какие переходы с ним возможны.

Плавление — переход вещества из твёрдого состояния в жидкое при нагревании. Частицы твёрдого вещества начинают двигаться свободнее, поэтому оно теряет постоянную форму, но остаётся тем же веществом. Термин нужен, чтобы точно называть переход, например превращение льда в воду.

Кристаллизация — переход вещества из жидкого состояния в твёрдое при охлаждении. При охлаждении частицы движутся медленнее и располагаются упорядоченнее, образуя твёрдое вещество. Это понятие помогает описывать получение кристаллов из расплава или раствора.

Как это устроено

При физическом явлении могут измениться отдельные свойства вещества, но не состав его частиц. Например, кусок вещества можно измельчить, а воду — заморозить: частицы не становятся частицами другого вещества. Причина различия между физическим и химическим явлениями именно в том, что при химическом процессе состав частиц меняется, а при физическом — нет.

Нагревание и охлаждение могут переводить вещество из одного агрегатного состояния в другое. При нагревании частицы получают больше энергии и движутся активнее, поэтому твёрдое тело может расплавиться, а жидкость — перейти в газ; при охлаждении движение ослабевает и возможен обратный переход. Поэтому плавление и кристаллизация, как и испарение и конденсация, связаны с изменением условий, а не обязательно с образованием нового вещества.

При испарении жидкость превращается в газ, а при конденсации газ превращается в жидкость; состав вещества при обоих переходах сохраняется. Испарение идёт с поверхности жидкости: некоторые частицы получают достаточно энергии, чтобы покинуть её. При охлаждении газовые частицы движутся медленнее и могут сближаться, образуя жидкость; так возникает конденсация.

Растворение вещества в воде обычно относят к физическим явлениям, потому что частицы растворяемого вещества распределяются между частицами воды. Соль в растворе становится незаметной, но это не означает, что она обязательно превратилась в новое вещество. Если удалить воду выпариванием, соль снова можно получить в виде кристаллов, что показывает сохранение её состава.

Физические явления позволяют разделять смеси, если их компоненты отличаются физическими свойствами. Например, одно вещество может растворяться в воде, а другое — нет; тогда растворимое вещество можно отделить от нерастворимого фильтрованием. Различия в температурах кипения тоже используют при разделении: один компонент испаряется раньше, а затем его пар можно сконденсировать.

Физические явления и изменения вещества

Сначала найдите в таблице нужное явление, а затем проследите, откуда и куда переходит вещество или что с ним происходит. Последний столбец помогает проверить, является ли изменение физическим: при таком явлении состав сохраняется.

Разбор задач

Задача 1. Определите, какое явление происходит, когда лёд тает и превращается в воду. Чтобы ответить, нужно сравнить начальное и конечное состояния вещества и выяснить направление перехода. Если твёрдое вещество становится жидким, это переход из твёрдого состояния в жидкое.

1. В начале лёд находится в твёрдом состоянии.
2. После таяния образуется жидкая вода, значит, агрегатное состояние изменилось на жидкое.
3. Переход твёрдого вещества в жидкое при нагревании называют плавлением; состав вещества при этом сохраняется.

Ответ: лёд плавится, происходит физическое явление.

Задача 2. При испарении воды из раствора соли на стенках сосуда появляются кристаллы. Объясните, какие физические явления происходят. Нужно отдельно проследить судьбу воды и соли: в растворе они находятся вместе, но при удалении воды ведут себя по-разному. Появление кристаллов само по себе ещё не означает химическую реакцию.

1. Вода из раствора переходит в газообразное состояние с поверхности, то есть испаряется.
2. По мере удаления воды раствор становится более концентрированным, и растворённая соль выделяется в виде твёрдых кристаллов.
3. Образование твёрдых кристаллов из раствора называют кристаллизацией; состав воды и соли при этом не меняется.

Ответ: происходят испарение воды и кристаллизация соли, оба процесса являются физическими явлениями.

Задача 3. Предложите, как разделить смесь песка и поваренной соли, используя физические явления. Сначала нужно найти свойство, по которому вещества различаются. Соль растворяется в воде, а песок остаётся твёрдым и нерастворённым, поэтому компоненты можно разделить последовательно.

1. Добавьте к смеси воду и перемешайте: соль перейдёт в раствор, а песок останется отдельными частицами.
2. Пропустите смесь через фильтр: песок останется на фильтре, а раствор соли пройдёт через него.
3. Нагрейте раствор, чтобы вода испарилась, и соберите оставшиеся кристаллы соли.

Ответ: соль растворяют, песок отделяют фильтрованием, затем воду выпаривают и получают соль.

Типичные ошибки

Ошибка: считать любое изменение внешнего вида химическим превращением. Измельчение, изменение формы или плавление могут выглядеть заметно, но внешний вид не показывает, изменился ли состав. Такую ошибку допускают, когда судят только по тому, что можно увидеть. Проверьте, образовалось ли новое вещество: если состав остался прежним, явление физическое.

Ошибка: путать испарение с кипением. Оба процесса превращают жидкость в газ, поэтому их часто называют одним словом. Испарение идёт только с поверхности и при разных температурах, а кипение происходит во всём объёме при определённых условиях. Чтобы проверить себя, спросите, образуются ли пузырьки пара внутри жидкости.

Ошибка: считать, что при растворении вещество обязательно превращается в новое. Соль перестаёт быть видимой в воде, и может показаться, что она исчезла или изменилась химически. Но частицы соли распределяются в воде, а при выпаривании растворителя можно получить кристаллы соли. Проверьте, можно ли вернуть исходное вещество физическим способом.

Ошибка: называть плавление кристаллизацией или наоборот. Оба понятия описывают переходы между твёрдым и жидким состояниями, поэтому легко перепутать их направления. При плавлении твёрдое вещество становится жидким, а при кристаллизации жидкое превращается в твёрдое. Для проверки запомните, что плавление обычно связано с нагреванием, а кристаллизация — с охлаждением.

Связь с другими темами

Для понимания физических явлений нужно знать, что вещества состоят из частиц и могут находиться в твёрдом, жидком и газообразном состояниях. Разное движение и расположение частиц объясняют, почему вещество сохраняет состав, но меняет форму или состояние. Эти представления помогают рассуждать о плавлении, испарении и других переходах.

Эта тема пригодится при изучении смесей и способов их разделения. Чтобы выбрать способ, сравнивают физические свойства компонентов — например, растворимость или температуру кипения. Умение отличать физическое явление от химического также помогает понять, образовалось ли новое вещество.

Что запомнить

• При физическом явлении состав вещества сохраняется.
• Плавление — переход из твёрдого состояния в жидкое.
• Кристаллизация — переход из жидкого состояния в твёрдое.
• Испарение и кипение — переход жидкости в газ.
• Конденсация — переход газа в жидкость.
• Физические явления помогают разделять смеси.