Substancje i ich przemiany - metale, niemetale i mieszaniny

Materia obejmuje substancje oraz ich mieszaniny. Substancjami są zarówno pierwiastki chemiczne, których nie można rozłożyć na prostsze substancje, jak i związki chemiczne, zbudowane z co najmniej dwóch połączonych pierwiastków.

Pierwiastki dzielą się na metale i niemetale. Związek chemiczny ma stały skład pierwiastkowy, a rozdzielenie go na składniki wymaga reakcji chemicznych.

Mieszanina powstaje po zmieszaniu co najmniej dwóch substancji w dowolnych proporcjach. W mieszaninie jednorodnej składników nie można rozróżnić gołym okiem ani za pomocą prostych przyrządów optycznych; w niejednorodnej są rozróżnialne.

Właściwości fizyczne opisują wygląd i zachowanie substancji bez zmiany jej rodzaju. Należą do nich stan skupienia, barwa, zapach, gęstość, rozpuszczalność, temperatury topnienia i wrzenia oraz przewodnictwo cieplne i elektryczne.

Właściwości chemiczne opisują zachowanie substancji wobec innych substancji. Aktywność chemiczna informuje o zdolności do reagowania; jej porównanie wymaga sprawdzenia zachowania substancji w takich samych warunkach.

Gęstość jest stosunkiem masy do objętości: $d=m/V$, gdzie $m$ oznacza masę, a $V$ objętość. Znając gęstość i masę, objętość obliczamy ze wzoru $V=m/d$. Przy jednakowej objętości większa masa oznacza większą gęstość.

Metale mają wiele wspólnych cech, natomiast niemetale są znacznie bardziej zróżnicowane. Nie można przypisać wszystkim niemetalom jednej barwy ani jednego stanu skupienia.

Stałymi niemetalami są między innymi siarka, fosfor czerwony i jod. Chlor jest gazem, a brom cieczą. Niektóre niemetale mają charakterystyczny zapach.

Metale różnią się twardością, temperaturą topnienia, gęstością oraz aktywnością chemiczną. Metale lekkie mają gęstość mniejszą niż 4,5 grama na centymetr sześcienny, a ciężkie - większą. Sód i potas należą do bardzo aktywnych metali, dlatego przechowuje się je w nafcie.

Stopy metali są jednorodnymi mieszaninami różnych metali otrzymanymi w odpowiednich proporcjach. Mogą zawierać również niemetale, na przykład węgiel lub krzem.

Nawet niewielki dodatek innego pierwiastka może znacznie zmienić właściwości stopu. Zmianie mogą ulec twardość, odporność na korozję i temperaturę oraz właściwości magnetyczne i elektryczne. Temperatura topnienia stopu jest zwykle niższa niż temperatury topnienia metali, z których powstał.

Czyste złoto jest zbyt miękkie i plastyczne do wielu zastosowań jubilerskich, dlatego łączy się je z innymi metalami. Próba wyrobu wskazuje zawartość czystego złota w stopie.

Przewodnictwo elektryczne metali wykorzystuje się w przewodach i częściach maszyn, a przewodnictwo cieplne - w grzejnikach i garnkach. Miedź nadaje się do przewodów dzięki dobremu przewodnictwu prądu.

W konstrukcjach dobiera się materiały o odpowiedniej masie i wytrzymałości. Duraluminium ma małą gęstość i dużą wytrzymałość mechaniczną. Z kolei materiał z włókien węglowych, nazywany karbonem, służy między innymi do wyrobu ram rowerowych.

Niemetale i ich związki wykorzystuje się także w produkcji szkła, kosmetyków, nawozów i barwników. Siarka jest składnikiem preparatów stosowanych w leczeniu chorób skóry dzięki działaniu odkażającemu i przeciwgrzybiczemu. Chlor służy do produkcji środków wybielających, odkażających i czyszczących.

Korozja niszczy metale i ich stopy pod wpływem czynników środowiska. Rozpoczyna się na powierzchni, postępuje w głąb i zmienia właściwości materiału, przez co zagraża trwałości konstrukcji i przedmiotów użytkowych.

Korozję żelaza nazywa się rdzewieniem. Sprzyja jej wspólne działanie wody i tlenu, a obecność soli przyspiesza proces. Miedź również ulega zmianom powierzchniowym: z czasem może pokryć się zieloną patyną.

Ochrona polega na ograniczeniu kontaktu metalu z otoczeniem, zmniejszeniu agresywności środowiska albo zastosowaniu odporniejszego stopu. Powłoki ochronne wykonuje się z cynku, chromu lub niklu, a także z farby, emalii i lakieru. Dodatek chromu lub niklu do żelaza pozwala otrzymać stopy odporniejsze na korozję.

Zjawisko fizyczne nie prowadzi do powstania nowej substancji. Może zmieniać stan skupienia, kształt lub rozdrobnienie. Reakcja chemiczna prowadzi do powstania nowych substancji o innych właściwościach.

Zmiany stanów skupienia mają określone nazwy:

• Topnienie: ciało stałe przechodzi w ciecz; krzepnięcie: ciecz przechodzi w ciało stałe.
• Parowanie: ciecz przechodzi w gaz; skraplanie: gaz przechodzi w ciecz.
• Sublimacja: ciało stałe przechodzi bezpośrednio w gaz; resublimacja: gaz przechodzi bezpośrednio w ciało stałe.

O rodzaju przemiany decyduje powstawanie nowych substancji, a nie sama widoczna zmiana wyglądu. Rozdrabnianie ziaren kawy jest zjawiskiem fizycznym, natomiast korozja prowadzi do chemicznej zmiany materiału.

Rozdzielanie mieszanin wykorzystuje różnice właściwości fizycznych ich składników. Przed wyborem metody trzeba ustalić, czym składniki się różnią, na przykład wielkością cząstek, gęstością, rozpuszczalnością lub temperaturą wrzenia.

• Sączenie i rozdzielanie za pomocą sita wykorzystują różnice wielkości cząstek.
• Dekantacja polega na zlewaniu cieczy znad osadu; przy rozdzielaniu znaczenie mogą mieć różnice gęstości składników.
• Rozdzielacz pozwala rozdzielać ciecze tworzące oddzielne warstwy i różniące się gęstością.
• Magnes umożliwia wydzielenie składnika o właściwościach magnetycznych.

Destylacja służy do rozdzielania mieszanin jednorodnych dzięki różnym temperaturom wrzenia. Najpierw składnik paruje, a potem jego pary zostają skroplone. Odparowanie pozwala natomiast usunąć lotny składnik mieszaniny, na przykład wodę.