Wszystkie otaczające nas przedmioty oraz zjawiska, istniejące oraz zachodzące niezależnie od naszej woli, nazywa się materią. Każda, możliwa do doświadczalnego wykrycia postać jest jej częścią. Istniejące przedmioty stanowią ciała fizyczne, które z kolei nazywa się substancją. Jest to rodzaj materii o stałym składzie chemicznym, z której składa się dane ciało. Przykładowo, mówiąc o srebrnym naszyjniku, mamy na myśli ciało fizyczne w postaci naszyjnika oraz substancję, z której jest wykonany – srebro. Inne substancje to na przykład woda, drewno, polietylen, cukier oraz powietrze.
Rozróżnianie substancji
Substancje mogą różnić się między sobą, a ich ściśle określony zespół cech pozwala na rozpoznanie oraz odpowiednie ich wykorzystanie. Te cechy nazywamy również właściwościami danej substancji. Dla przykładu można rozważyć użycie noża wykonanego z kilku substancji – plastiku, drewna oraz metalu do przekrojenia jabłka. Łatwo zauważyć, że każda z wymienionych substancji posiada różnorodne, charakterystyczne dla siebie właściwości. Do krojenia, najlepszym wyborem będzie nóż wykonany z dobrej jakości stopu metali, który pozwala na odpowiednie zaostrzenie. Jednak inne substancje również mają swoje zastosowanie w produkcji noży – tani plastik wykorzystuje się do jednorazowych sztućców, a drewno dobrze nadaje się do noży przeznaczonych do smarowania.
Charakterystyka substancji
Właściwości substancji opisujemy, uwzględniając dwie główne zależności – rozważając zjawiska fizyczne oraz zachodzące reakcje chemiczne. Możliwe do zbadania zmysłami (z użyciem węchu czy też wzroku), a także odpowiednich przyrządów (takich jak gęstościomierz), cechy nazywamy właściwościami fizycznymi. Są to, między innymi stan skupienia, barwa, twardość, gęstość oraz zmiany kształtu pod wpływem odpowiednich sił (kruchość, sprężystość, kowalność). Nieco bardziej skomplikowane może być określenie właściwości chemicznych interesujących nas substancji. Są to bowiem wszystkie cechy, które można opisać jedynie na podstawie ich reakcji względem innych, czyli na przykład toksyczność, palność oraz reaktywność. Określamy je na podstawie przemian chemicznych, które zachodzą pomiędzy daną substancją a innymi czynnikami, często ze zmianą struktury.
Reaktywność
Reaktywność to szerokie pojęcie, które w praktyce opisuje ilość reakcji, w jakie wchodzi dana substancja oraz jaką otrzymuje w nich wydajność w warunkach normalnych. Oznacza to, że jeżeli rozważana reakcja przebiega z dużą wydajnością i wymaga jedynie nieznacznej zmiany warunków temperaturowych oraz ciśnieniowych, jest ona cechą chemiczną danej substancji. Odrzucane są natomiast wszelkie reakcje, które zachodzą jedynie pod wpływem kilkuset stopni czy też atmosfer oraz z niską wydajnością. Tą własność podpowiada nam układ okresowy pierwiastków, gdyż wraz ze wzrostem liczby atomowej, w przypadku metali reaktywność rośnie w obrębie grupy i maleje w okresie, natomiast w przypadku niemetali maleje w grupie i rośnie w obrębie okresu. Za najmniej reaktywne substancje w układzie okresowym uznaje się gazy szlachetne, gdyż posiadając najbardziej stabilne stany elektronowe (dublet i oktet), niechętnie reagują z innymi substancjami.
Reakcje z tlenem
Spalanie, a raczej zdolność do reakcji z tlenem pozwala nam na określenie kolejnej cechy chemicznej substancji – palności. Jeżeli dany materiał ulega tej egzotermicznej reakcji z wydzieleniem ciepła i światła, może być palny lub łatwopalny. Eksperymentalne wyznaczanie palności opiera się na określeniu współczynnika OI, czyli oxygen index, który wyraża procentową zawartość tlenu w mieszaninie z azotem niezbędną do podtrzymania palenia się materiału, którego temperatura w chwili zapłonu wynosi 20oC. Jeżeli współczynnik ma wartość mniejszą niż 21, substancję uznaje się za łatwopalną, w przedziale od 21 do 28 określa się trudnopalne materiały, natomiast powyżej 28 substancje uznaje się za niepalną. Substancje łatwopalne to, na przykład benzyna oraz gaz ziemny, trudnopalne to między innymi poliester, a substancjami niepalnymi są dwutlenek węgla, beton, freony oraz wełna skalna.
Szkodliwy wpływ na organizmy
Toksyczność określa zdolność substancji do wywołania uszkodzeń w organizmie pod wpływem przedostania się poprzez połknięcie lub wchłonięcie przez skórę czy też drogi oddechowe. Może prowadzić do zaburzenia czynności komórek oraz narządów, a w konsekwencji do zatrucia organizmu. Takie oddziaływanie bada się głównie w ramach eksperymentów toksykologicznych in vitro z użyciem komórek lub biomarkerów, oraz in vivo na zwierzętach laboratoryjnych. Do substancji bardzo toksycznych zalicza się na przykład arszenik, czyli tritlenek diarsenu.
Przykład – właściwości chemiczne wód
Rozważając chemizm wód, bada się takie parametry jak odczyn pH, warunki utleniająco-redukcyjne, kwasowość i zasadowość, mineralizację, suchą pozostałość oraz twardość. Są to cechy oparte głównie o reaktywność substancji oraz ściśle powiązane z konkretnym typem wody. Inne parametry będzie miała woda destylowana, będąca czystą substancją, a inne wody opadowe, posiadające nieco inny skład. Są natomiast jeszcze takie chemiczne właściwości, jak niepalność, niepodtrzymywanie spalania, brak toksyczności oraz dobre możliwości rozpuszczania innych substancji.
Przykład – właściwości chemiczne metali
W przypadku metali najłatwiej jest znaleźć zależności, dzieląc je według bloków s, p oraz d, zgodnie z układem okresowym. Ze względu na konfigurację elektronową metali bloku s, przejście elektronów walencyjnych nie wymaga dużych nakładów energii. Dzięki temu są one najbardziej aktywne chemicznie. W reakcji z wodą tworzą wodorotlenki zasadowe, ulegają przemianom chemicznym również w zetknięciu z kwasami. Posiadają właściwości redukujące, widoczne w reakcjach z wodą, tlenem, wodorem czy też kwasami beztlenowymi, które rosną wraz ze wzrostem liczby atomowej w grupie. Spalając się w płomieniu, nadają charakterystyczny dla siebie kolor, na przykład bar zabarwia go na żółtozielono. Metale bloku p posiadają elektrony walencyjne rozmieszczone wyłącznie na ostatniej powłoce i również są reaktywne. Najważniejszym chemicznie pierwiastkiem jest w tej grupie glin, który pomimo reaktywności, zastosowany w stopach niweluje działanie korozyjne utleniających kwasów, tworząc warstwę pasywną. Jest amfoterycznym reduktorem i reaguje zarówno z kwasami, jak i zasadami. Metale bloku d posiadają natomiast elektrony walencyjne na ostatniej i przedostatniej powłoce zewnętrznej, przez co w większości występują na różnych stopniach utlenienia i chętnie oddają zwłaszcza elektrony z powłoki S. Atom żelaza może oddać dwa lub trzy elektrony z wytworzeniem jonów Fe2+ lub Fe3+. Jest substancją umiarkowanie reaktywną, reagując z niemetalami takimi jak siarka czy chlor, z parą wodną oraz tlenem w warunkach pary wodnej. Reaguje też z kwasami tlenowymi, wytwarzając warstwę pasywną. Cynkowce grupy 12 z reguły tworzą kationy dwudodatnie. Ich reaktywność maleje wraz ze wzrostem masy atomowej. Miedziowce wykazują wśród metali najmniejsze zdolności do reakcji chemicznych. Są słabymi reduktorami, a ich najbardziej typowe reakcje przebiegają z kwasami utleniającymi. Nie są w stanie wyprzeć wodoru z kwasów beztlenowych.