Sve što nas okružuje ima svoju fizičku i kemijsku prirodu. Što se zove tvar i koje vrste postoje? To je fizikalna tvar specifičnog kemijskog sastava. Na latinskom se riječ "tvar" označava izrazom Substantia, koji također često koriste znanstvenici. Što je to?
Danas je poznato više od 20 milijuna različitih tvari. Sve vrste plinova prisutne su u zraku, u oceanu, morima i rijekama - voda s mineralima i solima. Čvrsti površinski sloj našeg planeta sastoji se od brojnih stijena. Ogroman broj različitih tvari prisutan je u svakom živom organizmu.
Opći koncepti
U modernoj kemiji, tvar, čija se definicija shvaća kao vrsta materije, ima masu mirovanja. Sastoji se od elementarnih čestica ili kvazičestica. Sastavni dio svake tvari je njena masa. U pravilu se pri relativno niskim gustoćama i temperaturama u njegovom sastavu najčešće nalaze elementarne čestice poput elektrona, neutrona i protona. Izposljednje dvije su atomske jezgre. Sve te elementarne čestice tvore takve tvari kao što su molekule i kristali. U suštini, njihova atomska tvar (atomi) se sastoji od elektrona, protona i neutrona.
Sa stajališta biologije, "supstancija" je koncept materije koja tvori tkiva bilo kojeg organizma. To je dio organela koje se nalaze u stanicama. U općem smislu, "supstancija" je oblik materije iz koje su nastala sva fizička tijela.
Svojstva materije
Svojstva tvari su skup objektivnih karakteristika koje određuju individualnost. Omogućuju vam razlikovanje jedne tvari od druge. Najkarakterističnija fizikalna i kemijska svojstva tvari:
• gustoća;
• Točke ključanja i topljenja;
• termodinamičke karakteristike;
• kemijska svojstva;
• vrijednosti kristalne strukture.
Svi navedeni parametri su konstante. Budući da se sve tvari međusobno razlikuju, imaju određena fizikalna svojstva. Što se podrazumijeva pod ovim konceptom? Svojstva tvari su njezine osobine, određene mjerenjem ili promatranjem, bez pretvaranja u drugu tvar. Najvažniji od njih su:
• agregatno stanje;
• boja i sjaj;
• miris;
• okus;
• netopljivost ili topljivost u vodi;
• točke topljenja i ključanja;
• gustoća;
• električna vodljivost;
•toplinska vodljivost;
• tvrdoća;
• krhkost;
• plastičnost.
Kristalne tvari također karakterizira takvo fizičko svojstvo kao što je oblik. Boja, okus, miris određuju se vizualno i uz pomoć osjetila. Fizički parametri kao što su gustoća, talište i vrelište, električna vodljivost izračunavaju se različitim mjerenjima. Podaci o fizikalnim svojstvima većine tvari predstavljeni su u posebnim referentnim knjigama. Oni ovise o agregatnom stanju tvari. Dakle, gustoća vode, leda i pare je potpuno drugačija. Kisik je bezbojan u plinovitom stanju, ali plav u tekućem stanju. Zbog razlika u fizikalnim svojstvima mogu se razlikovati mnoge tvari. Dakle, bakar je jedini metal koji ima crvenkastu nijansu. Samo kamena sol ima slan okus. U većini slučajeva, da bi se identificirala tvar, potrebno je uzeti u obzir nekoliko njezinih poznatih svojstava.
Odnos pojmova
Mnogi ljudi brkaju pojmove "kemijski element", "atom", "jednostavna tvar". Zapravo se međusobno razlikuju. Dakle, atom je konkretan pojam, budući da stvarno postoji. Kemijski element - apstraktna (kolektivna) definicija. U prirodi postoji samo u obliku vezanih ili slobodnih atoma. Drugim riječima, to je jednostavna ili složena tvar. Svaki kemijski element ima svoj simbol – znak (simbol). U nekim slučajevima izražava i sastav jednostavne tvari (B, C, Zn). Ali često ovaj simboloznačava samo kemijski element. To jasno pokazuje formula kisika. Dakle, O je samo kemijski element, a jednostavna tvar kisik označena je formulom O2.
Postoje i druge razlike između ovih pojmova. Potrebno je razlikovati karakteristike (svojstva) jednostavnih tvari, koje su skup čestica, i kemijskog elementa, koji je atom određene vrste. Postoje i neke razlike u imenima. Najčešće je oznaka kemijskog elementa i jednostavne tvari ista. Međutim, postoje iznimke od ovog pravila.
Klasifikacija tvari
Što se u znanstvenom smislu naziva supstancom? Broj različitih tvari je vrlo velik. Prirodna tvar, čija je definicija povezana s njezinim prirodnim podrijetlom, može biti organska ili anorganska. Čovjek je naučio umjetno sintetizirati mnoge spojeve. Definicija "tvari" podrazumijeva podjelu na jednostavne (individualne) tvari i smjese. Stav prema klasifikaciji ovisi o tome koliko ih je u njoj uključeno.
Definicija jednostavne tvari razumijeva apstraktni koncept, što znači skup atoma međusobno povezanih prema određenim fizikalnim i kemijskim zakonima. Unatoč tome, granica između njega i smjese je vrlo nejasna, budući da neke tvari imaju promjenjiv sastav. Za njih čak ni točna formula još nije ponuđena. Zbog činjenice da je za jednostavnu tvar dostižna samo konačna čistoća, ovaj koncept ostaje apstrakcija. Drugim riječima, u bilo kojem od njih postoji mješavina kemijskih elemenata u kojojjedna prevladava. Često čistoća tvari izravno utječe na njezina svojstva. U općem smislu, jednostavna tvar je izgrađena od atoma jednog kemijskog elementa. Na primjer, molekula plina kisika sadrži 2 identična atoma (O2).
Što se zove složena tvar? Takav kemijski spoj uključuje različite atome koji čine molekulu. Ponekad se naziva miješanom kemijskom tvari. Složene tvari su smjese čije molekule nastaju od atoma dva ili više elemenata. Tako, na primjer, u molekuli vode postoji jedan atom kisika i 2 atoma vodika (N2O). Koncept složene tvari odgovara molekuli koja sadrži različite kemijske elemente. Takvih je tvari mnogo više od jednostavnih. Mogu biti prirodni ili umjetni.
Jednostavne i složene tvari, čiji je koncept donekle proizvoljan, razlikuju se po svojim svojstvima. Tako, na primjer, titan postaje jak tek kada se oslobodi atoma kisika na manje od stotinke postotka. Složena i jednostavna tvar, čiju je kemijsku definiciju malo teško razumjeti, može biti dvije vrste: anorganska i organska.
Anorganske tvari
Anorganski su svi kemijski spojevi koji ne sadrže ugljik. U ovu skupinu spadaju i neke tvari koje sadrže ovaj element (cijanidi, karbonati, karbidi, ugljični oksidi i nekoliko drugih tvari). Nemaju kostur karakterističan za organske tvari. imenovati tvarsvatko može koristiti formulu zahvaljujući periodičnom sustavu Mendeljejeva i školskom tečaju kemije. Svi su označeni latiničnim slovima. Kako se u ovom slučaju naziva tvar? Sve anorganske tvari podijeljene su u sljedeće skupine:
• jednostavne tvari: metali (Mg, Na, Ca); nemetali (P, S); plemeniti plinovi (He, Ar, Xe); amfoterne tvari (Al, Zn, Fe);
• kompleks: soli, oksidi, kiseline, hidroksidi.
Organska tvar
Definicija organske tvari je prilično jednostavna. Te tvari uključuju kemijske spojeve koji sadrže ugljik. Ova klasa tvari je najopsežnija. Istina, postoje iznimke od ovog pravila. Dakle, organske tvari ne uključuju: ugljične okside, karbide, karbonate, ugljičnu kiselinu, cijanide i tiocijanate.
Odgovor na pitanje "imenovati organske tvari" uključuje niz složenih spojeva. To uključuje: amine, amide, ketone, anhidride, aldehide, nitrile, karboksilne kiseline, organske sumporne spojeve, ugljikovodike, alkohole, etere i estere, aminokiseline.
Glavne klase bioloških organskih tvari uključuju lipide, proteine, nukleinske kiseline, ugljikohidrate. Oni, osim ugljika, imaju u svom sastavu vodik, kisik, fosfor, sumpor, dušik. Koje su karakteristike organske tvari? Njihova raznolikost i raznolikost strukture objašnjava se osobitostima ugljikovih atoma, koji su u stanju tvoriti jake veze kada su spojeni u lance. To rezultira vrlo stabilnim molekulama. Atomi ugljika tvore cik-cak lanac,što je karakteristično obilježje organskih tvari. U ovom slučaju, struktura molekula izravno utječe na kemijska svojstva. Ugljik u organskim tvarima može se kombinirati u otvorene i cikličke (zatvorene) lance.
Agregatna stanja
Definicija "tvari" u kemiji ne daje detaljan koncept njezina agregacijskog stanja. Razlikuju se po ulozi koju interakcija molekula igra u njihovom postojanju. Postoje 3 agregatna stanja materije:
• Čvrsto tijelo, u kojem su molekule čvrsto povezane. Između njih postoji snažna privlačnost. U čvrstom stanju, molekule tvari ne mogu se slobodno kretati. Mogu činiti samo oscilatorne pokrete. Kao rezultat toga, čvrste tvari savršeno zadržavaju svoj oblik i volumen.
• Tekućina, u kojoj su molekule slobodnije i mogu se kretati s jednog mjesta na drugo. Zahvaljujući ovim svojstvima, svaka tekućina može imati oblik posude i teći.
• Plinoviti, u kojima se elementarne čestice materije kreću slobodno i nasumično. Molekularne veze u ovom stanju su toliko slabe da mogu biti udaljene jedna od druge. U plinovitom stanju, tvar može ispuniti velike količine.
Jako je lako razumjeti razliku između leda, tekućine i pare koristeći vodu kao primjer. Sva ova agregatna stanja ne pripadaju individualnim karakteristikama kemijske tvari. Oni odgovaraju samo stanjima postojanja tvari koja ovise o vanjskim fizičkim uvjetima. Zatovodi se ne može jednoznačno pripisati atribut tekućine. Kada se vanjski uvjeti promijene, mnoge kemikalije prelaze iz jednog agregatnog stanja u drugo. Tijekom tog procesa otkrivaju se srednji (granični) tipovi. Najpoznatije od njih je amorfno stanje, koje se naziva staklasto. Ova definicija "supstancije" u kemiji povezana je s njenom strukturom (u prijevodu s grčkog amorfos - bezobličan).
U fizici se razmatra još jedno stanje agregacije, koje se naziva plazma. Potpuno je ili djelomično ioniziran i karakterizira ga ista gustoća negativnih i pozitivnih naboja. Drugim riječima: plazma je električno neutralna. Ovo stanje tvari javlja se samo pri ekstremno visokim temperaturama. Ponekad dosežu tisuće kelvina. Po nekim svojim svojstvima plazma je suprotna plinu. Potonji ima nisku električnu vodljivost. Plin se sastoji od čestica koje su međusobno slične. Međutim, rijetko se susreću. Plazma ima visoku električnu vodljivost. Sastoji se od elementarnih čestica koje se razlikuju po električnom naboju. Oni stalno komuniciraju jedno s drugim.
Postoje i srednja stanja tvari kao što su tekući kristal i polimer (visoko elastičan). U vezi s prisutnošću ovih prijelaznih oblika, stručnjaci često šire pojam "faze". Pod određenim uvjetima, sasvim drugačijima od uobičajenih, neke tvari prelaze u posebna stanja, na primjer, supravodljiva i superfluidna.
kristali
Kristali su čvrsta tijela koja imaju prirodan oblik pravilnog poliedra. Temelji se na njihovoj unutarnjoj strukturi i ovisi o rasporedu sastavnih atoma, molekula i iona. U hemiji se naziva kristalna rešetka. Ova struktura je individualna za svaku tvar, tako da je jedan od glavnih fizikalnih i kemijskih parametara.
Udaljenosti između čestica koje čine kristale nazivaju se parametri rešetke. Određeni su fizikalnim metodama strukturne analize. Nije neuobičajeno da krute tvari imaju više od jednog oblika kristalne rešetke. Takve strukture nazivaju se polimorfne modifikacije. Među jednostavnim tvarima uobičajeni su rombični i monoklinski oblici. Takve tvari uključuju grafit, dijamant, sumpor, koji su heksagonalne i kubične modifikacije ugljika. Ovaj oblik se također opaža u složenim tvarima, kao što su kvarc, kristobalit, tridimit, koji su modifikacije silicijevog dioksida.
Tvar kao oblik materije
Unatoč činjenici da su pojmovi "supstancija" i "materija" vrlo bliski po svom značenju, oni nisu potpuno ekvivalentni. To tvrde mnogi znanstvenici. Dakle, kada se spominje pojam "materija" najčešće se misli na grubu, inertnu i mrtvu stvarnost, podvrgnutu dominaciji mehaničkih zakona. Definicija "supstancije" više se shvaća kao materijal koji zbog svog oblika izaziva ideju životne prikladnosti i oblika.
Danas znanstvenici smatraju da je materija objektivna stvarnost koja postojiprostor i promjene u vremenu. Može se predstaviti u dva oblika:
• Prvi ima valnu prirodu. Uključuje bestežinsko stanje, propusnost, kontinuitet. Može putovati brzinom svjetlosti.
• Drugi je korpuskularan, s masom mirovanja. Sastoji se od elementarnih čestica koje se razlikuju po svojoj lokalizaciji. Ima malo ili nimalo penetracije i ne može putovati brzinom svjetlosti.
Prvi oblik postojanja materije naziva se polje, a drugi - supstancija. Imaju mnogo zajedničkog, jer čak i elektroni imaju svojstva čestice i vala. Pojavljuju se na razini mikrokozmosa. Zato je podjela na polje i supstancu vrlo zgodna.
Jedinstvo materije i polja
Znanstvenici su odavno utvrdili da što je masivnija i veća elementarna čestica materije, to je izraženija njezina individualnost i razgraničenost. Pritom je jasnije vidljiv kontrast između materije i polja kojega karakterizira kontinuitet. Što su manje elementarne čestice tvari, to je manja njezina masa. U ovom slučaju, suprotstaviti ga polju postaje teže. U raznim mikrovalovima općenito gubi svoje značenje, budući da su različite elementarne čestice kvanti pobuđene stanjima različitih polja (elektromagnetsko - fotoni, nuklearno - mezoni).
Jedinstvo materije i polja i nepostojanje jasne granice između njih izražava se u činjenici da pod određenim uvjetima čestice nastaju zbog polja, au drugim slučajevima - obrnuto. Dobar primjer za to može bitisluže takvom fenomenu kao što je anihilacija (fenomen transformacije elementarnih čestica). Svako materijalno tijelo je stabilna cjelina, moguća zbog povezanosti njegovih elemenata kroz polja.
