Каждый отдельный вид материи, обладающий при определенных условиях постоянными физическими свойствами как, например, вода, железо, сера, известь, кислород и т. д., в химии называют веществом. Встречающиеся в природе вещества бесконечно разнообразны. Сравнивая, например, песок, воду, мел, серу, можно сразу же убедиться, что это совершенно различные вещества, даже внешне не похожие друг на друга. Каждое вещество характеризуется определенными свойствами. Возьмем, например, кусок серы. Исследуя его, прежде всего отмечаем, что это вещество светло-желтого цвета, хрупкое, имеет кристаллическое строение, нерастворимо в воде. Далее, определяя удельный вес серы, находим его равным 2,07 г/см3. Подвергая серу нагреванию, устанавливаем, что она плавится при 112,8°, и т. д. Все эти характерные особенности серы являются ее физическими свойствами.

Величины, количественно выражающие физические свойства вещества, — удельный вес, температуру плавления, растворимость и др., имеющие при определенных условиях постоянные значения, называются физическими константами (от латинского слова constans — постоянный).

Для установления свойств вещества необходимо иметь его возможно более чистым, так как даже незначительные примеси могут изменить числовые значения констант изучаемого вещества. Только чистое вещество, обладает определенными, постоянными свойствами.

Вещества в чистом виде в природе встречаются очень редко. В большинстве случаев природные вещества представляют собой смеси, состоящие иногда из очень большого числа различных веществ. Так, например, природная вода всегда содержит небольшое количество минеральных солей. Когда одно из веществ содержится в смеси в преобладающем количестве, то вся смесь носит его название. При этом иногда указывается, какие примеси и в каком количестве содержатся в основном веществе. Если количество примесей настолько ничтожно, что они не могут служить помехой при исследовании или применении данного вещества, то такое вещество называют «химически чистым».

Абсолютно чистые вещества не известны. Условно говорят о «химически чистой» соляной кислоте или о «химически чистой» азотной кислоте, понимая под этим раствор, в котором не содержится ничего, кроме кислоты и воды. В отличие от «химически чистых» кислот «технические» кислоты содержат, кроме воды, различные примеси.

Чистое вещество всегда однородно, смеси же могут быть однородными или неоднородными.

Однородными условно называют смеси двух или нескольких веществ, в которых ни непосредственно, ни при помощи микроскопа нельзя обнаружить частиц этих веществ вследствие ничтожно малой их величины. Такими смесями являются смеси газов, многие жидкости, некоторые сплавы и др. Примерами неоднородных смесей могут служить различные горные породы, почва, мутная вода, пыльный воздух и т. д.

Не всегда неоднородность смеси сразу заметна, в некоторых случаях ее можно обнаружить только при помощи микроскопа. Например, кровь с первого взгляда представляется совершенно однородной красной жидкостью, но при рассматривании ее в микроскоп видно, что она состоит из бесцветной жидкости, в которой плавают красные небелые тельца.

Повседневно мы можем наблюдать, что вещества подвергаются различным изменениям: вода, пролитая на пол, «высыхает», превращаясь в невидимый пар; железный предмет во влажном воздухе покрывается ржавчиной; дрова в печи сгорают, оставляя лишь небольшую кучку пепла; опавшие листья деревьев постепенно истлевают, превращаясь в темную массу перегноя, и т.д.

Когда свинцовая пуля, вылетевшая из ствола винтовки, ударяется о камень, она нагревается так сильно, что свинец плавится, превращаясь в жидкость. Здесь механическое движенце пули переходит в тепловое движение частиц свинца, но этот переход не сопровождается химическим изменением свинца — твердый и жидкий свинец представляют собой одно и то же вещество, только находящееся в различных агрегатных состояниях. Никакого нового вещества при этом превращении не образуется.

Иначе обстоит дело, когда свинец в результате продолжительного нагревания превращается в окись свинца (глет). В этом случае вместо свинца получается совершенно новое вещество с другими свойствами, качественно отличное от свинца. Точно так же при ржавлении железа, горении дров, гниении листьев образуются новые вещества, не похожие на первоначальные.

Явления, сопровождающиеся коренными изменениями вещества, при которых из одних веществ образуются другие, новые вещества, называются химическими. Изучением таких явлений занимается химия. Следовательно, химия есть наука о превращениях веществ. Она изучает состав и строение веществ, зависимость свойств вещества от его состава и строения, условия и пути превращения одних веществ в другие.

Химические изменения всегда сопровождаются изменениями физическими. Поэтому химия теснейшим образом связана с физикой. Очень тесно связана химия и с биологией, поскольку всякий жизненный процесс сопровождается непрерывными химическими превращениями веществ в организме, непрерывным обменом веществ между организмом и окружающей его средой. Однако, хотя химические явления и связаны с физическими, так же как биологические связаны с химическими и физическими, химия не может быть сведена к физике, а биология к физике и химии, так как каждая форма движения материи имеет свои особенности.

B химии, как и в других науках, изучение всякого явления начинается прежде всего с его наблюдения и описания. Но наука не ограничивается одним только описанием наблюдаемых явлений; ее важнейшей задачей является их объяснение. В поисках объяснений явлений мы стараемся глубже проникнуть в их сущность, выяснить причины, вызывающие их, установить условия, при которых явления могут происходить. Для этого приходится искусственно воспроизводить различные явления в наиболее удобных для их изучения условиях и обстановке. Такое искусственное воспроизведение явления называется опытом. Чаще всего опыт производится для проверки справедливости мыслей или предположений, возникающих при изучении явления. Предположения, выдвигаемые для объяснения данного явления, устанавливающие его связь с другими, ранее изученными явлениями, объединяющие несколько явлений одной общей идеей, называются гипотезами. Если следствия, логически вытекающие из сделанного предположения, подтверждаются опытом, если гипотеза не только объясняет данное явление, но и позволяет делать обобщающие выводы, позволяет предугадывать новые явления, то гипотеза становится теорией. Если же опыт не подтверждает выдвинутую гипотезу, то она отбрасывается.

Теория, являясь широким обобщением опыта, значительно облегчает изучение явлений, позволяет понять их глубже и правильней. В то же время она дает направление и указания для постановки новых опытов, имея, таким образом, не только познавательное, но и методологическое значение. Теория позволяет вести исследования не вслепую, а планомерно, руководствуясь определенной точкой зрения, опираясь на уже установленные закономерности.

Особенно важными теоретическими обобщениями в химии, обеспечившими успехи этой науки, являются: атомно-молекулярное учение, теория химического строения, периодический закон и периодическая система химических элементов.