Эти чудные свойства
Когда химики изучают химические вещества, они исследуют свойства двух типов.
* Химические свойства. Эти свойства описывают способы превращения веществ. Например, что будет с веществом при взаимодействии с водой или с кислородом воздуха?
* Физические свойства. Эти свойства описывают физические характеристики вещества. Например, масса, объем, цвет, способность проводить электричество являются физическими свойствами вещества.
Некоторые физические свойства являются экстенсивными, т.е. зависящими от количества имеющегося вещества. К ним относятся масса и объем. Что касается интенсивных свойств, то они от количества имеющегося вещества не зависят. Интенсивным свойством является цвет. Например, большой кусок золота имеет такой же цвет, как и маленький. Масса и объем этих двух кусков разные (экстенсивные свойства), а цвет одинаковый (интенсивное свойство). Для химиков особый интерес представляют интенсивные свойства, потому что с их помощью можно выявить то или иное вещество.
Какая у вас плотность
Одним из самых полезных интенсивных свойств вещества является плотность. Дело в том, что по величине плотности химики могут определить само вещество. Например, зная различия между плотностью кварца и бриллианта, ювелир может легко и быстро оценить стоимость обручального кольца. Плотность (density, d1) вещества — это отношение массы (mass, m) вещества к его объему (value, v). На языке математики это можно выразить так:
d = m/v.
Обычно масса выражается в граммах (г), а объем — в миллилитрах (мл), так что плот-ность2 выражается в г/мл. Поскольку объем жидкости зависит от температуры, обычно химики также указывают температуру, при которой измеряется плотность. В большинстве справочников приводится плотность веществ при 20 °C, так как эта температура близка к комнатной и измерения можно легко делать без предварительного нагревания и охлаждения. Например, плотность воды при 20 °C равна 1 г/мл.
Еще один термин, который иногда используется химиками при расчетах, — это удельный вес. Он равен отношению плотности вещества к плотности воды при одинаковой температуре. Вычисление удельного веса — это еще один способ обойти проблему, вызванную изменением объемов жидкостей при изменении температуры. Например, удельный вес используется в больницах при анализе мочи или в автосервисных магазинах для характеристики жидкости, которая заправляется в аккумуляторные батареи. Обратите внимание, что для удельного веса нет единиц измерения, так как и в числителе и в знаменателе находятся одинаковые единицы (г/мл), таким образом сокращая друг друга (см. раздел «Преобразования из СИ в британскую систему и наоборот» выше в главе). В большинстве случаев плотность и удельный вес — это взаимозаменяемые величины, поэтому для простоты чаще всего используется плотность.
1 Как правило, в русскоязычной литературе плотность принято обозначать буквой р. — Примеч. ред.
2 В СИ единицей измерения плотности служит кг/м3. — Примеч. ред.
Теперь таким же образом выполните преобразование граммов в килограммы:
Иногда плотность приводится в г/см3 или в г/кубик. Эти единицы измерения равны г/мл. Куб с длиной ребра, равной 1 см (пишется как 1 см3), имеет объем 1 миллилитр (1 мл). Поскольку 1 мл = 1 см3, следовательно, г/мл и г/см3 взаимозаменяемы. И так как «кубический сантиметр» для краткости обычно называется «кубиком», то фраза «столько-то грамм на кубик» также обозначает «столько-то грамм на кубический сантиметр». (Слово «кубик» в основном используется медработниками. И если при инъекции вам вводят 10 кубиков, значит, вы получаете 10 миллилитров жидкости.)
Измерение плотности
Вычислить плотность довольно просто. Для этого следует разделить массу объекта на его объем. Чтобы узнать массу, достаточно с помощью весов взвесить объект.
Определить объем жидкости не составит особого труда, но для твердых тел это может оказаться намного сложнее. Если объектом измерения является тело правильной формы, например куб, то можно измерить все три размерности тела и вычислить объем, умножая длину (length, l) на ширину (width, w) и высоту (height, h), т.е. v = l x w x h. Если же измеряемое тело, например булыжник, имеет неправильную форму, то определить объем будет труднее. Чтобы определить объем тела неправильной формы, можно использовать так называемый закон Архимеда.
Согласно закону Архимеда, объем тела равен объему воды, вытесненной этим телом. С помощью этого закона, открытого греческим математиком Архимедом в III веке до н.э., становится намного легче определить плотность объекта. Скажем, требуется измерить объем небольшого камешка, чтобы определить его плотность. Для этого возьмите мерный цилиндр с отметками для каждого миллилитра, налейте в него воды и посмотрите, какой объем она занимает. (В примере на рис. 2.3 показано 25 мл.) Затем положите в воду камень, проследите, чтобы он погрузился в нее полностью, и снова посмотрите, какой получился объем (на рис. 2.3 это 29 мл). Разница между полученными значениями (4 мл) — это и есть объем камешка.
Если объект имеет плотность, меньшую плотности воды, то, оказавшись в воде, будет плавать на поверхности, а если объект имеет плотность больше 1 г/мл, то утонет в воде.
В табл. 2.1 перечислены значения плотности для некоторых распространенных веществ.
Таблица 2.1. Плотность распространенных твердых и жидких веществ
Вещество Плотность, г/мл
Бензин 0,68
Лед 0,92
Вода 1,00
Поваренная соль 2,16
Железо 7,86
Свинец 11,38
Ртуть 13,55
Золото 19,3