Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet
Tämä oppitunti palvelee tarkoitusta esitellä aineen ominaisuuksia koskevat perusmääritelmät, tarkasteltuna niiden fysikaalisissa ja kemiallisissa näkökulmissa. Sen tavoitteena on oppilaan harjaannuttaminen loogisiin ja tieteellisiin ajattelutapoihin, joiden avulla hän kykenee erottamaan erään aineen toisesta vaaditulla täsmällisyydellä.
Aineen fysikaaliset ominaisuudet ja muutokset
Niitä ominaispiirteitä, joiden perusteella aine on toisesta erotettavissa, kutsutaan ominaisuuksiksi. Fysikaalinen ominaisuus on aineen piirre, johon ei liity mitään muutosta sen kemiallisessa rakenteessa. Yleisiä esimerkkejä tällaisista laaduista ovat tiheys, väri, kovuus, sulamis- ja kiehumislämpötilat sekä sähkönjohtavuus.
Tietyt näistä ominaisuuksista, kuten tiheys ja väri, ovat havaittavissa aineen pysyessä muuttumattomassa tilassa. Toiset taas ilmenevät vasta, kun aine kokee fysikaalisen muutoksen, kuten raudan sulamisen tai veden jäätymisen. Fysikaalinen muutos on aineen tilan tai ominaisuuksien muunnos ilman, että siihen liittyy muutosta sen kemiallisessa koostumuksessa tai sen sisältämien aineiden olemuksessa.
Fysikaalinen muutos havaitaan, kun vaha sulaa, kun sokeri liukenee kahviin tai kun höyry tiivistyy nestemäiseksi vedeksi. Muita esimerkkejä tällaisista muutoksista ovat metallikappaleiden magnetointi ja demagnetointi sekä kiinteän aineen hienontaminen jauheeksi jauhamalla — viimeksi mainittu voi toisinaan aiheuttaa havaittavan muutoksen värissä. Jokaisessa tällaisessa tapauksessa, vaikka fysikaalinen tila, muoto tai ominaisuudet muuttuvat, perimmäinen kemiallinen rakenne säilyy muuttumattomana.
Vahan sulamisprosessi.
Veden tislausprosessi
Aineen muuttuminen toiseksi aineeksi, tai tällaisen muutoksen vastustaminen, muodostaa kemiallisen ominaisuuden. Näihin ominaisuuksiin kuuluvat syttyvyys, myrkyllisyys, happamuus, erilaiset reaktiivisuuden muodot ja palamislämpö.
Esimerkkinä mainittakoon, että rauta yhdistyy hapen kanssa kosteuden läsnä ollessa muodostaen ruostetta, kun taas kromi ei tällaista hapettumista osoita. Lisäksi, vaikka nitroglyseriiniä pidetään erittäin vaarallisena sen räjähdysherkän epävakauden vuoksi, neoni aiheuttaa vähäisen vaaran, ollen luonteeltaan huomattavan reagoimaton ja inertti.
Kemiallisen ominaisuuden tunnistamiseksi havaitsijan on todistettava kemiallinen muutos. Tällainen muutos johtaa poikkeuksetta yhden tai useamman uuden aineen muodostumiseen, jotka eroavat perusluonteeltaan ennen muutosta läsnä olleista aineista.
Ruosteen muodostumista kutsutaan oikeutetusti kemialliseksi muutokseksi, sillä ruoste itse on erillinen aineen muoto, joka on tyystin erilainen kuin rauta, hapen ja veden muodostama kokonaisuus, josta se on peräisin. Samoin nitroglyseriinin räjähtäminen on kemiallinen muutos, sillä syntyvät kaasut ovat luonteeltaan täysin erilaisia kuin alkuperäinen aine. Muita kemiallisia muutoksia esiintyy laboratoriossa — kuten typpihapon voimakas vaikutus kupariin — sekä kaikessa palamisessa ja erilaisissa prosesseissa, joissa ravinto kypsennetään, sulaa elimistössä tai mätänee.
Aineen ominaisuuksien havaitaan kuuluvan yhteen kahdesta erillisestä luokasta. Jos ominaisuus riippuu aineen määrästä, sitä kutsutaan ekstensiiviseksi ominaisuudeksi. Massa ja tilavuus ovat tämän luokan ensisijaisia esimerkkejä; esimerkiksi gallona maitoa omaa suuremman massan ja tilavuuden kuin yksi kuppi. Tällaisen ekstensiivisen ominaisuuden arvo on suoraan verrannollinen tarkasteltavan aineen määrään.
Sitä vastoin, jos näytteen ominaisuus on riippumaton aineen määrästä, sitä kutsutaan intensiiviseksi ominaisuudeksi. Lämpötila tarjoaa sopivan esimerkin tästä periaatteesta. Jos gallona maitoa ja kuppi maitoa ovat kumpikin 20 °C:n lämpötilassa, niiden yhdistäminen johtaa suurempaan määrään maitoa, joka siitä huolimatta säilyttää 20 °C:n lämpötilan.
Tarkastelkaamme lisäksi lämmön ja lämpötilan toisiinsa liittyviä mutta erillisiä laatuja. Vain pisara kuumaa ruokaöljyä iholle roiskuessaan aiheuttaa vain hetkellisen ja vähäisen vaivan; kuitenkin kattilallinen samaa öljyä aiheuttaa mitä vakavimpia palovammoja. Vaikka sekä pisara että kattila ovat samassa lämpötilassa — mikä on intensiivinen ominaisuus — kattila sisältää selvästi suuremman määrän lämpöä, mikä on ekstensiivinen ominaisuus.
Vaikka monet alkuaineet eroavat dramaattisesti kemiallisilta ja fysikaalisilta ominaisuuksiltaan, tietyt niistä osoittavat silmiinpistävän samanlaista käyttäytymistä. Voimme siten tunnistaa alkuaineiden ryhmiä, joilla on yhteisiä piirteitä. Esimerkiksi monet alkuaineet toimivat erinomaisina lämmön- ja sähkönjohtimina, kun taas toiset osoittautuvat huonoiksi johtimiksi. Tällaiset ominaisuudet mahdollistavat alkuaineiden luokittelun kolmeen eri ryhmään: metalleihin, jotka johtavat hyvin; epämetalleihin, jotka johtavat huonosti; ja puolimetalleihin, joilla on molempien luokkien piirteitä.
Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä.
