Substancje i ich właściwości

Od prostych związków chemicznych, po złożone polimery, każda substancja posiada unikalne właściwości, które wpływają na jej zastosowanie. Właściwości substancji są badane, analizowane i wykorzystywane przez chemików, inżynierów i naukowców w różnych dziedzinach. 

Właściwości substancji 

Wszystkie substancje mają określone właściwości czyli są to ich cechy charakterystyczne. W zależności od tego czy dane właściwości możemy opisać liczbowo, możemy je podzielić na jakościowe (np. smak, zapach) i ilościowe (temperatura przejść fazowych, gęstość). Substancje mogą występować (w określonej temperaturze i przy odpowiednim ciśnieniu) w jednym z trzech podstawowych stanów skupienia: stałym, ciekłym lub gazowym. Mogą one zmienić stan skupienia w którym się znajdują w określonej, charakterystycznej dla tej substancji temperaturze. Wprowadzone przez Irvinga Langmuira w 1928 r pojęcie plazma, zmieniła definicję występowania tylko trzech stanów skupienia i tak oto wyróżniamy czwarty stan skupienia zwany plazmą. Plazma to zjonizowana materia o stanie skupienia przypominającym gaz, w którym znaczna część cząstek jest naładowana elektrycznie. Istnieje również wiele stanów pośrednich, takich jak na przykład ciekłe kryształy.

Właściwości fizyczne substancji

Do właściwości fizycznych substancji zaliczamy:

• temperaturę wrzenia – temperatura, przy której substancja przechodzi z fazy ciekłej w fazę gazową, jest kluczowym wskaźnikiem dla różnych procesów przemysłowych, takich jak destylacja czy rektyfikacja. Na temperaturę wrzenia ma wpływ kilka czynników związanych z budową cząsteczek, takich jak np.: masa cząsteczkowa, polarność, możliwość tworzenia wiązań wodorowych między cząsteczkami cieczy. Jeżeli chcesz wiedzieć więcej na ten temat, to zapraszam do obejrzenia  filmu na ten temat,

• temperaturę topnienia – temperatura, przy której substancja przechodzi z fazy stałej w fazę ciekłą, określa jej stan fizyczny i jest istotna w produkcji i przechowywaniu wielu materiałów,
• gęstość – masa substancji w jednostce objętości, która ma znaczenie w wielu zastosowaniach, od konstrukcji statków po receptury kulinarne,
• kształt,  kolor,
• rozpuszczalność w wodzie i innych rozpuszczalnikach – rozpuszczalność substancji to jedna z właściwości, która umożliwia sporządzenie roztworu o żądanym stężeniu. Jest to inaczej powinowactwo substancji rozpuszczonej względem rozpuszczalnika, w myśl zasady podobne rozpuszcza podobne. Cecha niezwykle istotna przy sporządzaniu różnych formulacji farmaceutycznych i napojów,
• twardość – odporność na odkształcenia lub zarysowania, co jest istotne dla materiałów budowlanych, narzędzi i inżynierii,
• rodzaj powierzchni – wyróżnia się np. powierzchnię błyszczącą, matową, chropowatą i porowatą,
• elastyczność – zdolność substancji do odzyskania swojego pierwotnego kształtu po zastosowaniu sił zewnętrznych, kluczowa w produkcji sprężyn czy gumowych materiałów,
• wytrzymałość – odporność na pękanie lub złamanie pod wpływem obciążenia, co jest krytyczne dla materiałów konstrukcyjnych,
• przewodnictwo cieplne – proces wymiany ciepła między ciałami o różnej temperaturze pozostającymi ze sobą w bezpośrednim kontakcie, co ma znaczenie przy otrzymywaniu materiałów przewodzących ciepło (garnki, żelazko) lub izolacyjnych (termosy),
• przewodnictwo elektryczne– zdolność do przewodzenia prądu elektrycznego, niezwykle ważne dla materiałów używanych w elektronice i przemyśle energetycznym,
• właściwości magnetyczne – zdolność do wytwarzania pola magnetycznego, co ma zastosowanie w produkcji magnesów oraz w technologii komunikacyjnej,
• przezroczystość – stopień, w jakim substancja przepuszcza światło, co jest istotne dla produkcji szkła, soczewek czy innych materiałów optycznych,
• indeks refrakcji – zdolność substancji do załamywania światła, co ma znaczenie w optyce, fotografii i produkcji soczewek kontaktowych

 Właściwości chemiczne

Właściwościami chemicznymi nazywamy te cechy substancji, które można określić na podstawie jej zachowania wobec innych substancji. Są to np.:

• smak – wpływ substancji na zmysł smaku, co możemy docenić w życiu codziennym, między innymi przy każdym posiłku.
• palność – zdolność materiału do podtrzymywania ognia, co ma znaczenie w trakcie przechowywania równych materiałów i innych substancji.
• reaktywność – zdolność substancji do reagowania z innymi substancjami, co może prowadzić do powstawania nowych związków chemicznych i zmiany właściwości.

Wpływ wiązania chemicznego na właściwości substancji

Rodzaj wiązania chemicznego występującego w danej cząsteczce ma ogromy wpływ na jej właściwości. Wiązania chemiczne wpływają na temperaturę wrzenia, topnienia, gęstość, rozpuszczalność, zdolność do przewodzenia prądu i wiele innych właściwości. Na przykład, substancje, w których występują wiązania metaliczne mają wiele wspólnych cech, np. metaliczny połysk, dobre przewodnictwo ciepła, przewodnictwo elektryczne.

Natomiast właściwości substancji, w których występują wiązania jonowe, to przede wszystkim: stały stan skupienia, wysoka temperatura topnienia, brak przewodnictwa elektrycznego w stanie stałym, ale obecność przewodnictwa elektrycznego po stopieniu lub rozpuszczeniu w wodzie.

Rodzaj i siła wiązań chemicznych mają duży wpływ na reaktywność substancji. Substancje o łatwo rozerwalnych wiązaniach, mogą łatwo ulegać reakcjom, podczas gdy substancje o silnych wiązaniach są znacznie bardziej trwałe i mniej reaktywne.

Wiązania chemiczne determinują stabilność substancji. Substancje o silnych wiązaniach są zazwyczaj bardziej stabilne i mniej podatne na degradację w porównaniu do substancji o słabszych wiązaniach.

Dlaczego określenie właściwości substancji jest ważne?

Odkrywanie, badanie i zrozumienie właściwości substancji są kluczowymi elementami w nauce i technologii. Poprzez pogłębianie naszej wiedzy na temat substancji, otwieramy nowe możliwości i stajemy się świadkami niezliczonych innowacji, które zmieniają nasz świat.

Zadania w stylu maturalnym

Zadanie 1.

Uszereguj poniższe substancje chemiczne wraz ze wzrastającą temperaturą wrzenia.

Odpowiedź:

Komentarz:

Najwyższe temperatury wrzenia charakteryzuje substancje kowalencyjnie oraz  substancje o budowie jonowej. Duży wpływ odgrywają tutaj także oddziaływania międzycząsteczkowe, uwarunkowane polarnością cząsteczki czy też jej masą molową – im więcej oddziaływań międzycząsteczkowych i im mocniejsze te oddziaływania tym temperatura wrzenia danej substancji jest wyższa. Poniżej przedstawiono temperatury wrzenia wymienionych w zadaniu substancji:

T_{wrz CH3CH3} = -89 ^oC

T_{wrz CH3CH2OH} = 78 ^oC

T_{wrz H2O} = 100 ^oC

T_{wrz CH3COOH} = 117 ^oC

T_{wrz CH3CH2CH2CH2CH2CH2OH} = 157 ^oC

T_{wrz NaOH} = 1388 ^oC

Zadanie 2.

Zbadano przewodnictwo elektryczne kryształów substancji umownie nazwanych A i B. Oba z nich posiadają wysokie temperatury topnienia. Pierwszy z nich przewodzi prąd elektryczny w ciele stałym. Kryształ substancji B przewodzi prąd elektryczny dopiero po stopnieniu. 

Oceń rodzaje kryształów (metaliczne, jonowe, kowalencyjne, molekularne) tworzone przez badane substancje. 

Odpowiedź:

Substancja A tworzy kryształy metaliczne, substancja B tworzy kryształy jonowe.

Komentarz:

To że obie substancje przewodzą prąd elektryczny sugeruje, że tworzą one kryształy jonowe bądź metaliczne. Substancja A przewodzi prąd elektryczny jako ciało stałe, tworzy więc sieć metaliczną. Substancja B nie przewodzi prądu w ciele stałym, ale przewodzi po stopieniu, tworzy więc kryształy jonowe.

Zadanie 3.

Oceń, która grupa związków organicznych jest bardziej reaktywna, alkany czy alkeny. Swoją odpowiedź uzasadnij.

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Odpowiedź:

Alkeny są bardziej reaktywne od alkanów, ponieważ w cząsteczkach alkenów występuje nietrwałe wiązania podwójne, które łatwo ulega rozerwaniu. Alkeny łatwo ulegają reakcjom addycji (przyłączania) do wiązania podwójnego.