Физическая и коллоидная химия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Бюджетное учреждение среднего профессионального образования

Ханты- мансийского автономного округа- Югры

"Советский профессиональный колледж"

Опорный конспект лекций

по учебной дисциплине: "ЕН.03 Химия"

по специальности: "260502 Технология продукции общественного питания"

"Физическая и коллоидная химия"

2013

Аннотация

Составитель: Иванова Л.В.

Рецензенты:

Полянская Т.В., преподаватель естественных дисциплин ФГОУ СПО "ОКТЭС";

Чудновская В.Г., преподаватель, председатель ПУК химических дисциплин.

Опорный конспект лекций составлен в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта (ФГОС) среднего профессионального образования к минимуму содержания по дисциплине "ЕН.03 Химия" по подготовке специалистов среднего звена: "260807 Технология продукции общественного питания".

Работа с опорным конспектом лекций способствует переходу от обычного описательного восприятия физико-химических данных к количественным представлениям, т.е. приводит к глубокому и правильному их пониманию и, как следствие, к предсказательности протекающих процессов в коллоидных и других системах. Это помогает профессионально разрабатывать, используя научные основы физической и коллоидной химии, подходы к технологии получения, хранения и переработки продуктов питания.

Пособие предназначено для организации аудиторной и внеаудиторной работы студентов по дисциплине "ЕН.03 Химия" (раздел 1 "Физическая химия", раздел 3 "Коллоидная химия").

Оглавление

Введение

Раздел 1. Физическая химия

1.1 Основные понятия и законы термодинамики. Термохимия

1.1.1 Основные понятия термодинамики

1.1.2 Первый закон термодинамики

1.1.3 Термохимия

1.1.4 Второй закон термодинамики

1.2 Агрегатные состояния веществ, их характеристика

1.2.1 Характеристика газообразного состояния вещества

1.2.2 Характеристика жидкого состояния вещества

1.2.3 Характеристика твердого состояния вещества

1.3 Химическая кинетика и катализ. Химическое равновесие

1.3.1 Скорость химической реакции

1.3.2 Катализ и катализаторы

1.3.3 Химическое равновесие

1.4 Свойства растворов

1.4.1 Общая характеристика растворов

1.4.2 Растворы газов в жидкостях

1.4.3 Взаимная растворимость жидкостей

1.4.4 Растворы твердых веществ в жидкостях

1.4.5 Диффузия и осмос в растворах

1.4.6 Давление насыщенного пара над раствором

1.4.7 Замерзание и кипение растворов

1.4.8 Свойства растворов электролитов

1.5 Поверхностные явления. Адсорбция

1.5.1 Адсорбция, ее виды

1.5.2 Адсорбция на границе раздела "раствор-газ"

1.5.3 Ионообменная адсорбция

Раздел 2. Коллоидная химия

2.1 Предмет коллоидной химии. Дисперсные системы

2.1.1 Общая характеристика дисперсных систем

2.1.2 Классификация дисперсных систем

2.2 Коллоидные растворы

2.2.1 Методы получения

2.2.2 Строение коллоидной частицы

2.2.3 Свойства коллоидных растворов

2.3 Грубодисперсные системы

2.3.1 Пены

2.3.2 Суспензии

2.3.3 Эмульсии

2.3.4 Аэрозоли

2.4 Физико-химические изменения органических веществ пищевых продуктов

2.4.1 Белки, их химическое строение и аминокислотный состав

2.4.2 Углеводы - высокомолекулярные полисахариды

2.4.3 Жиры

2.4.4 Студни

Библиографический список

Введение

Физическая химия - это наука, изучающая связь химических и физических свойств веществ, химических и физических явлений и процессов.

Физическую химию можно считать пограничной наукой между химией и физикой. Она имеет не только теоретическое, но и практическое значение.

Только на основе законов физической химии могут быть понятны, и осуществлены такие распространенные в различных отраслях пищевой промышленности процессы, как выпаривание, кристаллизация, сушка, сублимация, сепарация, дистилляция, экстрагирование и растворение. Без знаний методов физической химии невозможен технологический контроль пищевых производств: определение влажности, кислотности, содержание сахаров, белков, жиров, витаминов и т.д.

Основоположником физической химии является М.В. Ломоносов. Он в 1752-1754 гг. первым из ученых прочитал студентам курс физической химии. Чтение курса сопровождалось демонстрацией опытов и проведением лабораторных работ. Ломоносов первый предложил термин "физическая химия" и дал этой научной дисциплине следующее определение: "Физическая химия есть наука, объясняющая на основе положений и опытов физики то, что происходит в смешанных телах при химических операциях". Таким образом, М.В. Ломоносов рассматривал физическую химию как науку, призванную дать физическое объяснение сущности химических процессов.

М.В. Ломоносовым был написан первый в мире учебник по физической химии. Открытие великим ученым закона сохранения материи и энергии, учение о существовании абсолютного нуля, кинетическая теория газов, ряд работ по исследованию растворов явились основой зарождающейся физической химии, способствовали оформлению ее в самостоятельную науку. Период выделения в отдельную науку длился более 100 лет. Курс физической химии за это время никем из ученых не читался.

Одним из разделов физической химии, который превратился в самостоятельную науку, является коллоидная химия.

Коллоидная химия - это наука, изучающая свойства гетерогенных высокодисперсных систем и растворов полимеров.

Кулинарные процессы: коагуляция белков (при тепловой обработке мяса, рыбы, яиц и т.п.), получение стойких эмульсий (многие соусы), пен (взбивание сливок, белков, муссов), старение студней (очерствение хлеба, отделение жидкости от киселей, желе и т.п.), адсорбция (осветление бульонов) - относятся к коллоидным процессам. Они лежат в основе всех пищевых производств.

Законы физической и коллоидной химии лежат в основе мероприятий по охране окружающей среды. Как правило, сточные воды, дым заводских труб - также коллоидные системы. Методы разрушения этих коллоидных систем основаны на законах физколлоидной химии.

Раздел 1. Физическая химия

1.1 Основные понятия и законы термодинамики. Термохимия

1.1.1 Основные понятия термодинамики

Термодинамика - наука, которая изучает общие законы взаимного превращения энергии из одной формы в другую.

Химическая термодинамика количественно определяет тепловые эффекты различных процессов, выясняет принципиальную возможность самопроизвольного течения химических реакций и условия, при которых химические реакции могут находиться в состоянии равновесия.

Объектом изучения в термодинамике является система - тело или группа тел, фактически или мысленно отделенных от окружающей среды. Системой можно назвать кристалл минерала, раствор любого вещества в какой-либо емкости, газ в баллоне и т.д.

Систему называют термодинамической, если между телами, ее составляющими, может происходить обмен теплотой, веществом и если система описывается полностью термодинамическими параметрами.

Виды систем (в зависимости от характера взаимодействия с окружающей средой)

Открытая	Закрытая	Изолированная
Обменивается энергией и веществом с окружающей средой.	Не может обмениваться с окружающей средой веществом, но может обмениваться с ней энергией и работой.	Не имеет обмена веществом и энергией с внешней средой. Внутри системы могут происходить передача теплоты, взаимные превращения энергии, выравнивание концентраций, но внутренняя энергия системы остается постоянной.
Примеры
Открытая колба с раствором, из которой может испаряться растворитель, и которая может нагреваться и охлаждаться.	Плотно закрытая колба с веществом.	Реакция, идущая в термостате.

Система может быть гомогенной - состоит из одной фаза (воздух, кристалл, соли) и гетерогенной - состоит из нескольких фаз (лед-вода, вода-бензол).

Фаза - часть гетерогенной системы, отделенная поверхностями раздела и характеризующаяся одинаковыми физическими свойствами во всех своих точках.

Окружающая среда - это все, что находится в прямом или косвенном контакте с системой. Принято считать, что окружающая среда имеет такой большой размер, что отдача или приобретение ею теплоты не изменяет ее температуру.

Состояние термодинамической системы определяется массой, объемом, давлением, составом, теплоемкостью и др. характеристикам, которые называются параметрами состояния.

Если параметры состояния системы со временем не изменяются, то такое состояние считается равновесным. В равновесной термодинамической системе параметры состояния связаны между собой определенными математическими уравнениями - уравнениями состояния (например, уравнение Клайперона-Менделеева для состояния идеального газа).

Параметры, которые поддаются непосредственному измерению, называют основными параметрами состояния. Параметры состояния, которые не поддаются непосредственному измерению (внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, термодинамические потенциалы), рассматривают как функции основных параметров состояния.

Термодинамические процессы - изменения параметров состояния системы:

· изотермический (Т=const);

· изобарный (Р=const);

· изохорный (V=const).

Все тела в природе независимо от агрегатного состояния обладают определенным запасом внутренней энергии.

Энергия складывается из кинетической энергии молекул, включающей энергию поступательного и вращательного движения, энергии движения атомов в молекулы, электронов в атомах, внутриядерной энергии, энергии взаимодействия частиц друг с другом и т.п. Кинетическая и потенциальная энергия самого тела во внутреннюю энергию не входит. Внутренняя энергия является функцией состояния. Абсолютное значение внутренней энергии определить нельзя, можно только измерить изменение внутренней энергии (U). Изменение внутренней энергии не зависит от пути перехода, а зависит только от начального и конечного состояния системы.

Теплота (Q) (или тепловой эффект процесса) - это количественная характеристика энергии, которую система в ходе данного процесса получает (отдает) от окружающей среды. Теплота является формой передачи энергии, реализуемой путем изменения кинетической энергии теплового (хаотического) движения частиц (атомов, молекул). Если процесс сопровождается переходом энергии от окружающей среды к системе, он называется эндотермическим, в противном случае - экзотермическим. Любая экзотермическая реакция в прямом направлении становится эндотермической, если она идет в обратном направлении, и наоборот.

Работа (А), совершаемая системой, обусловлена взаимодействием системы с внешней средой, в результате чего преодолеваются внешние силы, т.е. работа является одной из форм обмена энергией с окружающей средой и служит количественной характеристикой переданной энергии, причем передача энергии реализуется путем упорядоченного (организованного) движения молекул под действием определенной силы.

1.1.2 Первый закон термодинамики

Это всеобщий закон природы, закон сохранения и превращения энергии, соответствующий основному положению диалектического материализма о вечности и неуничтожимости движения. Впервые этот закон в 1842 г. сформулировал выдающийся немецкий физик Ю. Мейер.

Энергия не исчезает и не возникает из ничего, а только превращается из одного вида в другой в строго эквивалентных соотношениях.

В зависимости от вида системы первый закон термодинамики имеет различные формулировки.

Для закрытой системы этот закон термодинамики устанавливает связь между теплотой, полученной или выделенной системой в некотором процессе, изменением внутренней энергии системы и произведенной при этом работой.

В изолированной системе внутренняя энергия постоянна, т. е. U=0.

Если к закрытой системе подвести теплоту Q, то эта энергия расходуется на увеличение внутренней энергии системы U и на совершение системой работы А против внешних сил окружающей среды:

Q=U+А (1.1)

В изобарно-изотермических условиях, в которых функционируют живые организмы:

А=рV, (1.2)

где: р - внешнее давление,

V - изменение объема системы.

Подставим (1.2) в (1.1).

Qр = U+рV = (U_кон - U_нач) + (рV_кон - рV_нач) = (U_кон + рV_кон) - (U_кон + рV_нач) (1.3)

Сумма внутренней энергии системы и произведения объема на давление (U+рV) называется энтальпией (Н) - термодинамическая функция, характеризующая энергетическое состояние системы при изобарно-изотермических условиях. Таким образом:

Qр=Н (1.4)

Энтальпия - это сумма всех видов энергии, сосредоточенной в данной системе, включая и механическую энергию частиц, которая может проявиться в виде работы при расширении. Химические реакции и физико-химические процессы могут протекать с выделением и поглощением энергии. Их делят на экзотермические и эндотермические.

Процессы, в которых теплота выделяется, называются экзотермическими, процессы, протекающие с поглощением теплоты, - эндотермическими.

В экзотермических процессах энтальпия уменьшается (Н_кон Н_нач), следовательно:

ДH = (H_кон - H_нач);

ДH_экзо 0.

В эндотермических процессах энтальпия увеличивается (Н_кон Н_нач), следовательно:

ДH = (H_кон - H_нач) 0,

ДH_эндо 0.

Энтальпия системы зависит от давления, температуры, количества вещества.

В изобарно-изотермических условиях количество теплоты, которое выделяется или поглощается в ходе химической реакции, характеризуется изменением энтальпии и называется энтальпией реакции Н. Изменение энтальпии реакции, определенное при стандартных условиях, называется стандартной энтальпией реакции и обозначается Н 0.

Энтальпия реакции, т.е. тепловой эффект реакции, зависит только от природы и состояния исходных веществ и конечных продуктов и не зависит от пути, по которому протекает реакция.

Стандартные условия:

· количество вещества 1 моль;

· давление 760 мм. рт. ст. или 101,325 кПа;

· температура 298 ⁰К или 25 ⁰С.

1.1.3 Термохимия

Химическое уравнение, в котором указано значение энтальпии (или тепловой эффект) реакции, называется термохимическим.

Термохимическими уравнениями пользуются в термохимии. Термохимия определяет тепловые эффекты химической реакции и переходов из одного состояния в другое. Термохимическое уравнение отличается от химического тем, что в термохимических уравнениях указывают абсолютную величину и знак теплового эффекта реакции, который относят к одному молю исходного или полученного вещества, поэтому стехиометрические коэффициенты в термохимических уравнениях могут быть дробными. В термохимических уравнениях отмечают также агрегатное состояние и кристаллическую форму.

Энтальпию реакции можно определить как экспериментально, так и методом расчета с использованием энтальпий образования веществ, участвующих в химической реакции на основе закона Гесса (1840 г.):

В термохимических расчетах большое значение имеют следствия из закона Гесса:

1 следствие. Энтальпия реакции равна разности алгебраической суммы энтальпий образования продуктов и исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции.

2 следствие. Энтальпия прямой реализации численно равна энтальпии обратной реакции, но с противоположным знаком.

1.1.4 Второй закон термодинамики

Это закон имеет следующие формулировки:

Перенос теплоты от холодного тела к горячему связан с компенсацией, т.е. с необходимостью дополнительной затраты работы, которая переходит в конечном счете в теплоту, поглощаемую горячим телом (так, в домашнем холодильнике происходит перенос теплоты от предметов к деталям прибора, а затем к воздуху. Этот перенос требует затраты электроэнергии). Процессы, реализация которых связаны с компенсацией, называют необратимыми.

Невозможен самопроизвольный (естественный, спонтанный) переход энергии (в форме теплоты) от менее нагретого тела к более нагретому.

Тепло океана, например, может быть в принципе превращено в работу (согласно первому закону термодинамики), однако только при наличии соответствующего холодильника (согласно второму закону термодинамики).

Невозможно создать вечный двигатель 2-го рода.

Применительно к химическим реакциям (при Р, Т=const) это положение выражается следующим математическим уравнением:

H = G + TS или G = H - TS, (1.5)

где Н - тепловой эффект реакции, наблюдаемый при ее необратимом течении;

G - изменение свободной энергии Гиббса (свободной энергии при постоянном давлении), или изменение изобарно-изотермического потенциала, то есть это та максимальная часть энергии системы, которая в данных условиях может превратиться в полезную работу. При G 0 реакция протекает самопроизвольно.

Даже при обратимом течении реакции в работу может перейти только часть теплоты процесса. Другая часть, не превращенная в работу, передается при этом от более нагретых к более холодным частям системы.

Введенная в уравнение (1.5) функция S получила название энтропии.

Энтропия является функцией каждого конкретного, стационарного состояния и не зависит от пути к достижению нового состояния (например, от того, какие промежуточные стадии проходит система при переходе из состояния 1 в состояние 2).

Произведение TS - переносимое тепло (Q), которое не может быть превращено в работу даже при обратимом ходе реакции (величина "связанной энергии"). Это произведение показывает количество внутренней энергии, теряемой в форме теплоты:

TS = Q, или S = Q/T, (1.6)

S = S₂-S₁

- изменение энтропии системы при реакции, равное сообщенному системе теплу, деленному на абсолютную температуру, при которой система эту теплоту получает (отдает).

Кроме термодинамического потенциала - свободной энергий Гиббса G, в термодинамике в качестве вспомогательной функции для описания процессов большое значение имеет также и другой введенный термодинамический потенциал - свободная энергия Гельмгольца F (свободная энергия при постоянном объеме), или изохорно-изотермический потенциал:

F = U - TS (при V, T=const) (1.7)

Самопроизвольные процессы могут производить работу. Равновесие наступает тогда, когда эта возможность исчерпывается. Поскольку самопроизвольным процессам соответствуют отрицательные изменения F и G, то знак изменения функции G (при Р, Т=const) или функции F (при V, T=const) и будет показывать возможность или невозможность самопроизвольного протекания реакции. Если изменения этих функций для состояния системы 1 и 2 равны нулю, то система находится в равновесии.

Энтропия отличается от других параметров состояния системы (P, T, V) тем, что ее численное значение и значение ее изменения не поддаются непосредственному измерению и могут быть получены только косвенным, расчетным путем. Для расчета S энтропии реакции аА+bB=cC=dD надо из суммы энтропий веществ правой части уравнения вычесть сумму энтропий веществ левой части уравнения (с учетом стехиометрических коэффициентов). Так, для стандартных условий:

S⁰_298K = S⁰_298K (продуктов) - S⁰_298K (реагентов), (1.8)

Самопроизвольно в изолированной системе могут протекать только те процессы, которые связаны с увеличением энтропии, т.е. система из менее вероятного состояния переходит в более вероятное и достигает такого макроскопического состояния, которому соответствует небольшое число микроскопических состояний. Другими словами, процессы бывают самопроизвольными, когда конечное состояние может быть реализовано большим числом микросостояний и энтропия является мерой стремления системы к равновесию. Такие процессы должны сопровождаться увеличением энтропии.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие принципиальные вопросы решает химическая термодинамика?

2. Что называют системой, термодинамической системой?

3. Что называется параметрами состояния? Какие бывают параметры состояния?

4. Что называют термодинамическим процессом?

5. Как формулируется первое начало термодинамики?

6. В каком соотношении находятся энтальпия внутренняя энергия системы?

7. Что такое стандартная энтальпия образования?

8. Чем отличаются химические уравнения от термохимических?

9. Что определяет второе начало термодинамики?

10. Что нужно знать, чтобы определить принципиальную возможность той или иной реакции в данных условиях?

11. Какие термодинамические факторы определяет направление химических реакций?

12. Как изменяются изобарно-изотермический и изохорно-изотермический потенциалы в самопроизвольно идущем процессе?

13. Как рассчитать изменение изобарно-изотермического потенциала в реакции?

1.2 Агрегатные состояния веществ, их характеристика

В зависимости от внешних условий (температуры и давления) каждое вещество может находиться в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком или газообразном. Эти состояния называются агрегатными состояниями. Для некоторых веществ характерно только два или даже одно агрегатное состояние. Например, нафталин, йод при нагревании в обычных условиях из твердого состояния переходят в газообразное, минуя жидкое. Такие вещества, как белки, крахмал, каучуки, имеющие огромные макромолекулы, не могут существовать в газообразном состоянии.

Газы не имеют постоянной формы и постоянного объема. Жидкости имеют постоянный объем, но не имеют постоянной формы. Твердые характеризуются постоянством формы и объема.

1.2.1 Характеристика газообразного состояния вещества

Для газов характеры следующие свойства:

- равномерное заполнение всего предоставленного объема;

- малая плотность по сравнению с жидкими и твердыми веществами и большая скорость диффузии;

- сравнительно легкая сжимаемость.

Эти свойства определяются силами межмолекулярного притяжения и расстоянием между молекулами.

В газе молекулы находятся на очень большом расстоянии друг от друга, силы притяжения между ними ничтожно малы. При низких давлениях расстояния между молекулами газа настолько велики, что по сравнению с ними размером молекул, а, следовательно, объемом молекул в общем объеме газа можно пренебречь. При больших расстояниях между молекулами практически отсутствуют силы притяжения между ними. Газ в таком состоянии называется идеальным. При нормальных условиях Т=273 ⁰К (0 ⁰С) и p=101,325 кПа реальные газы независимо от природы можно считать идеальными и применять к ним уравнение состояния идеального газа (уравнение Клайперона-Менделеева):

PV = RT, (2.1)

где Р - давление газа,

V - объем газа,

- количество вещества,

R - универсальная газовая постоянная (в единицах СИ R =8,314 Дж/мольК),

Т - абсолютная температура.

Реальные газы при высоких давлениях и низких температурах не подчиняются уравнению состояния идеального газа, так как в этих условиях начинают проявляться силы взаимодействия между молекулами и уже нельзя пренебрегать собственным объемом молекул по сравнению с объемом тела. Для математического описания поведения реальных газов используют уравнение Ван-дер-Ваальса:

(р + n² a/V²) (V - nb) = vRT, (2.2)

где а и b - постоянные,

a/V² - поправка на взаимное притяжение,

b - поправка на собственный объем молекул,

n - число молей газа.

С увеличением давления и понижением температуры расстояния между молекулами уменьшаются, а силы взаимодействия увеличиваются так, что вещество из газообразного состояния может перейти в жидкое. Для каждого газа существует предельная критическая температура, выше которой газ не может быть превращен в жидкость ни при каком давлении. Давление, необходимое для сжижения газа при критической температуре, называется критическим давлением, а объем одного моля газа при этих условиях критическим объемом.

Рис. 1. Изотермы реального газа

Состояние газа при критических параметрах называют критическим состоянием. В критическом состоянии исчезает различие между жидкостью и газом, они имеют одинаковые физические свойства.

Переход газа в жидкость можно показать графически. На рисунке 1 приведена графическая зависимость между объемом и давлением при постоянных температурах. Такие кривые называются изотермами. У изотерм можно выделить три участка: АВ, ВС, CD при низких температурах. АВ - соответствует газообразному состоянию, ВС - отвечает переходу газа в жидкость, CD - характеризует жидкое состояние. С повышением температуры участок ВС уменьшается и превращается в точку перегиба К, называемую критической точкой.

Сжиженные газы находят большое промышленное применение. Жидкий СО ₂ используется для газирования фруктовых и минеральных вод, приготовления шипучих вин. Жидкий SO₂ используют как дезинфицирующее средство для уничтожения плесневых грибков в подвалах, погребах, винных бочках, бродильных чанах. Жидкий азот широко применяют в медицине и биологии для получения низких температур при консервировании, замораживании крови и биологических тканей. Жидкие газы удобнее транспортировать.

1.2.2 Характеристика жидкого состояния вещества

В отличие от газов между молекулами жидкости действуют достаточно большие силы взаимного притяжения, что определяет своеобразный характер молекулярного движения. Тепловое движение молекулы жидкости включает колебательное и поступательное движения. Каждая молекула в течение какого-то времени колеблется около определенной точки равновесия, затем перемещается и снова занимает новое равновесное положение. Это определяет ее текучесть. Силы межмолекулярного притяжения не дают молекулам при их движении далеко отходить друг от друга. Суммарный эффект притяжения молекул можно представить, как внутреннее давление жидкостей, которое достигает очень больших значений. Этим и объясняются постоянство объема и практическая несжимаемость жидкостей, хотя они легко принимают любую форму.

Свойства жидкостей зависят также от объема молекул, формы и полярности их. Если молекулы жидкости полярны, то происходит объединение (ассоциация) двух и более молекул в сложный комплекс. Такие жидкости называют ассоциированными жидкостями. Ассоциированные жидкости (вода, ацетон, спирты) имеют более высокие температуры кипения, обладают меньшей летучестью, более высокой диэлектрической проницаемостью. Например, этиловый спирт и диметиловый эфир имеют одинаковую молекулярную формулу (С₂Н₆О). Спирт является ассоциированной жидкостью и кипит при более высокой температуре, чем диметиловый эфир, который относится к неассоциированным жидкостям.

Жидкое состояние характеризуют такие физические свойства, как плотность, вязкость, поверхностное натяжение.

Поверхностное натяжение.

Состояние молекул, находящихся в поверхностном слое, существенно отличается от состояния молекул в глубине жидкости. Рассмотрим простой случай - жидкость - пар (рис. 2).

Рис. 2. Действие межмолекулярных сил на поверхности раздела и внутри жидкости

На рис. 2 молекула (а) находится внутри жидкости, молекула (б) - в поверхностном слое. Сферы вокруг них - расстояния, на которые распространяются силы межмолекулярного притяжения окружающих молекул.

На молекулу (а) равномерно действуют межмолекулярные силы со стороны окружающих молекул, поэтому силы межмолекулярного взаимодействия компенсируются, равнодействующая этих сил равна нулю (f=0).

Плотность пара значительно меньше плотности жидкости, так как молекулы удалены друг от друга на большие расстояния. Поэтому молекулы, находящиеся в поверхностном слое, почти не испытывают силы притяжения со стороны этих молекул. Равнодействующая всех этих сил будет направлена внутрь жидкости перпендикулярно ее поверхности. Таким образом, поверхностные молекулы жидкости всегда находятся под действием силы, стремящейся втянуть их внутрь и, тем самым, сократить поверхность жидкости.

Чтобы увеличить поверхность раздела жидкости, необходимо затратить работу А (Дж). Работа, необходимая для увеличения поверхности раздела S на 1 м², является мерой поверхностной энергии или поверхностным натяжением.

Таким образом, поверхностное натяжение д (Дж/м ² = Нм/м ² = Н/м) - результат некомпенсированности межмолекулярных сил в поверхностном слое:

д = F/S (F - поверхностная энергия) (2.3)

Существует большое число методов определения поверхностного натяжения. Наиболее распространены сталагмометрический метод (метод счета капель) и метод наибольшего давления газовых пузырьков.

При помощи методов рентгеноструктурного анализа было установлено, что в жидкостях есть некоторая упорядоченность пространствен-ного расположения молекул в отдельных микрообъемах. Вблизи каждой молекулы наблюдается так называемый ближний порядок. При удалении от нее на некоторое расстояние эта закономерность нарушается. И во всем объеме жидкости порядка в расположении частиц нет.

Рис. 3. Сталагмометр Рис. 4. Вискозиметр

Вязкость з (Па·с) - свойство оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости отно-сительно другой. В практической жизни человек сталкивается с большим множеством жидких систем, вязкость которых различна, - вода, молоко, растительные масла, сметана, мед, соки, патока и т.д.

Вязкость жидкостей обусловлена межмолекулярным воздействием, ограничивающим подвижность молекул. Она зависит от природы жидкости, температуры, давления.

Для измерения вязкости служат приборы, называемые вискозиметрами. Выбор вискозиметра и метода определения вязкости зависит от состояния исследуемой системы и ее концентрации.

Для жидкостей с малой величиной вязкости или небольшой концентрацией широко используют вискозиметры капиллярного типа.

1.2.3 Характеристика твердого состояния вещества

Твердые тела в отличие от жидкостей и газов сохраняют свою форму. Силы притяжения между частицами, составляющими твердое тело, настолько велики, что они не могут двигаться свободно относительно друг друга, а только колеблются около какого-то среднего положения.

Все твердые тела делят на кристаллические и аморфные. В кристаллических телах частицы расположены в определенном характерном для каждого вещества порядке и этот порядок распространяется на весь объем. Во всем объеме аморфного тела порядка в расположении частиц нет. В этом отношении аморфные тела можно рассматривать как жидкости с аномально большой вязкостью.

Очень часто аморфная и кристаллическая формы являются различными состояниями одного и того же вещества. Так, диоксид кремния встречается в природе и в форме кристаллов кварца (горный хрусталь), и в аморфном виде - минерал кремень. Известен кристаллический и аморфный углерод.

Кристаллическая форма - наиболее устойчивая, вещества постепенно переходят из аморфного состояния в кристаллическое. В обычных условиях этот процесс идет очень медленно, повышение температуры может его ускорить. Например, сахар может быть в кристаллическом (сахар-песок, кусковой сахар) и в аморфном (карамелизованный) состояниях. Со временем карамель может кристаллизоваться, что нежелательно в кондитерском производстве. кинетика адсорбция дисперсная коллоидный

Порядок в пространственном расположении частиц и кристаллических тел - кристаллическая решетка - определяет внешние признаки кристаллического состояния. К ним относятся: 1) определенная и резко выраженная температура плавления; 2) определенная геометрическая форма одиночных кристаллов; 3) анизотропия.

Вопросы для самоконтроля:

При каких условиях свойства реального газа приближаются к свойствам идеального?

Можно ли безгранично сжимать реальный газ?

Каков физический смысл постоянных в уравнении состояния реального газа?

Можно ли, зная температуру и давление, определить число молекул в единице объема?

Чем обусловлена малая сжимаемость жидкостей?

Как влияет на свойства жидкости образование водородной связи между молекулами?

Чем объяснить, что с повышением температуры уменьшаются поверхностное натяжение и вязкость?

По каким признакам можно отличить кристаллическое тело от аморфного?

В чем состоит основное различие в строении кристаллических и аморфных тел?

1.3 Химическая кинетика и катализ. Химическое равновесие

1.3.1 Скорость химической реакции

Кинетика - учение о скорости и механизме химических реакций.

Вопрос о скорости химической реакции имеет большое практическое и теоретическое значение. От скорости реакции зависит течение биохимических процессов в организме, физико-химические изменения пищевых продуктов при тепловой обработке, производительность заводской аппаратуры.

Скорость химических процессов можно регулировать, изменяя условия их протекания. В некоторых случаях желательно интенсифицировать процесс, чтобы получить больше продукта в единицу времени. Иногда требуется уменьшить скорость химической реакции, например, замедлить окисление жиров в пищевых продуктах. Все эти задачи можно решить, применяя законы химической кинетики.

Скорость реакции - изменение концентрации реагирующих веществ в единицу времени.

= -с/t, (3.1)

где с - изменение концентрации реагирующих веществ,

t - промежуток времени.

Зависимость скоростных химических реакций от концентрации определяется законом действующих масс, открытым опытным путем К.М. Гульдбергом и П. Вааге в 1867 году.

Для реакции аА + bB = С

= (3.2)

где: А и B - концентрации реагирующих веществ,

а и b - коэффициенты в уравнении,

k - коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости, зависящей от природы реагирующих веществ и температуры.

Скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных коэффициентам в уравнении реакции.

Константа скорости реакции численно равна скорости реакции при концентрациях реагирующих веществ, равных единице.

Факторы, влияющие на скорость химической реакции:

· природа реагирующих веществ;

· концентрация реагирующих веществ;

· температура;

· давление (для газов);

· площадь соприкосновения реагирующих веществ;

· присутствие катализатора.

При повышении температуры увеличивается скорость движения молекул, а, следовательно, и число столкновений между ними в единицу времени.

Влияние температуры на скорость химической реакции подчиняется правилу Вант-Гоффа.

При повышении температуры на каждые 10 градусов скорость большинства реакций увеличивается в 2-4 раза.

Число, показывающее, во сколько раз увеличивается скорость данной реакции при повышении температуры на 10 градусов, называется температурным коэффициентом реакции. Математически эта зависимость выражается соотношением:

, (3.3)

где - температурный коэффициент реакции,

и ₀ - скорости реакции при начальной (t₁) и конечной (t₂) температурах;

t - изменение температуры t₂ - t_1.

Правило Вант-Гоффа приближенное и может применяться к реакциям, протекающим при температурах от 0 до 300 градусов и в небольшом температурном интервале. С повышением температуры температурный коэффициент скорости реакции уменьшается, приближаясь к единице.

Более точная зависимость скорости химической реакции от температуры экспериментально установлена Аррениусом:

, (3.4)

где k - константа скорости реакции,

В и А - постоянные для данной реакции.

1.3.2 Катализ и катализаторы

Катализатор - вещество, изменяющее скорость химической реакции, но при этом не расходующееся. Катализаторы бывают ускоряющимися и замедляющимися.

Катализ - явление изменения скорости реакции в присутствии катализаторов.

Каталитические реакции - реакции, протекающие с участием катализаторов.

Если катализатором является один из продуктов реакции, то реакцию называют автокаталитической, а само явление - автокатализом.

Ингибитор - катализатор, замедляющий реакцию.

Примером положительных катализаторов может служить вода при взаимодействии порошка алюминия с йодом.

Ферменты - биологические катализаторы белковой природы.

Ферменты присутствуют во всех живых клетках. Принято разделять ферменты на простые и сложные, или однокомпонентные или двухкомпонентные. Простые ферменты состоят только из белка, сложные из белка и небелковой части, которую называют коферментом.

Ферменты отличаются высокой каталитической активностью и избирательностью. По каталитической активности они значительно превосходят неорганические катализаторы. Например, 1 моль каталазы при 0 градусов разлагает за одну секунду 200 000 молей Н ₂О ₂, а 1 моль платины при 20 градусах разлагает за одну секунду от 10 до 80 молей перекиси водорода.

Такие ускорения реакции связаны с тем, что ферменты резко снижают энергетические барьеры на реакционном пути. Например, энергия активации для реакции распада Н ₂О ₂ под действием иона железа (II) и молекул каталазы соответственно равна 42 и 7,1 кДж/моль; для гидролиза мочевины кислотой и уреазой - соответственно 103 и 28 кДж/моль.

Ферменты по сравнению с неорганическими катализаторами весьма специфичны. Например, амилаза, содержащаяся в слюне, легко и быстро расщепляет крахмал, но не катализирует процесс распада сахара. Уреаза исключительно эффективно катализирует гидролиз мочевины, но не оказывает никакого воздействия на ее производные. Такая особенность ферментов позволяет живым организмам, имея соответствующий набор ферментов, активно откликаться на воздействия извне. Например, замечено, что в стрессовых ситуациях наш организм проявляет удивительные возможности. Описан факт, когда слабая женщина подняла за бампер легковой автомобиль и удерживала его, пока подоспевшие люди освобождали попавшего под него ребенка; человек, преследуемый разъяренным животным, легко преодолевает препятствия, непреодолимые для него в обычном состоянии; на ответственных соревнованиях спортсмены теряют в весе по несколько килограммов за период выступления.

Все сказанное о замечательных свойствах ферментов объясняется тем, что избирательность действия (селективность) и активность взаимосвязаны: чем выше селективность, тем выше ее активность. Ферменты обладают уникальной селективностью, поэтому и активность их наивысшая.

1.3.3 Химическое равновесие

Обратимые реакции могут идти в двух взаимопротивоположных направлениях. Они не доходят до конца, а заканчиваются установлением химического равновесия.

Химическое равновесие - состояние системы, когда скорости прямой и обратной реакции становятся равными.

Состояние химического равновесия сохраняется до тех пор, пока не изменятся условия. При изменении внешних условий равновесие нарушается, и через некоторое время система придет в новое состояние равновесия.

Сдвиг равновесия - переход системы из одного состояния равновесия в другое.

Направление смещения равновесия определяется принципом Ле Шателье.

Если на равновесную систему оказано воздействие, то равновесие смещается в сторону, ослабляющую данное воздействие.

Например, увеличение температуры смещает равновесие в сторону эндотермической реакции, увеличение концентрации исходных веществ смещает равновесие с сторону продуктов реакции. Давление изменяет равновесие только реакций, в которых участвуют газы. Увеличение давления смещает равновесие в сторону реакции, идущей с изменением объема.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что изучает кинетика?

2. Что называется скоростью химических реакций?

3. Почему в математическом уравнении скорости химической реакции стоит знак "минус"?

4. Перечислите факторы, влияющие на скорость химической реакции.

5. Опишите влияние концентрации, температуры, природы реагирующих веществ на скорость химической реакции.

6. Что называется катализом и катализатором?

7. Как классифицируют каталитические реакции?

8. Что такое ингибиторы?

9. Что называется химическим равновесием?

10. Что называется сдвигом химического равновесия?

11. Сформулируйте принцип Ле Шателье.

12. В какую сторону сместится равновесие равновесной реакции при увеличении температуры? Давления (если в реакциях принимают участие газы)? Концентрации одного из реагирующих веществ?

1.4 Свойства растворов

1.4.1 Общая характеристика растворов

Растворы имеют большое значение в жизни и практической деятельности человека. Так, процессы усвоения пищи человеком и животными связаны с переводом питательных веществ в раствор. Растворами являются все важнейшие физиологические жидкости (кровь, лимфа и т.д.). Производства, в основе которых лежат химические процессы, обычно связаны с использованием растворов.

Растворы - многокомпонентные гомогенные системы, в которых одно или несколько веществ распределены в виде молекул, атомов или ионов в среде другого вещества - растворителя.

Раствор может иметь любое агрегатное состояние - твердое, жидкое или газообразное. Всякий раствор состоит из растворенных веществ и растворителя. Обычно растворителем считают тот компонент, который в чистом виде существует в таком же агрегатном состоянии, что и полученный раствор (например, раствор соли в воде: соль - растворенное вещество, вода - растворитель). Если оба компонента до растворения находились в одинаковом агрегатном состоянии (например, спирт и вода), то растворителем считается компонент, находящийся в большем количестве.

По структуре растворы занимают промежуточное положение между механическими смесями и химическими соединениями. С механическими смесями их роднит переменность состава, а с химическими соединениями - однородность состава по всей фазе и наличие теплового эффекта при образовании. В соответствии с этим первое время существовали две противоборствующие теории: "физическая" и "химическая", каждая из которых отстаивала свои взгляды на строение растворов.

Современные представления о строении растворов основываются на сольватной теории, выдвинутой Менделеевым и развитой его последователями. Согласно этой теории, в системе при растворении одновременно происходит два процесса: диффузия растворяемого вещества в объеме растворителя (физический процесс) и образования из молекул растворителя и растворяемого вещества нестойких соединений переменного состава - сольватов (химический процесс). Если растворителем служит вода, то эти соединения называют гидратами.

Образование растворов является процессом самопроизвольным, идущим с увеличением беспорядка системы, т.е. с повышением энтропии. Например, при растворении кристалла система из полностью упорядоченного состояния переходит в менее упорядоченное. При этом с увеличением энтропии (AS > 0) уменьшается свободная энергия системы (AG <0).

Если раствор образуется из 2 жидкостей, то движущая сила процесса растворения обусловлена стремлением компонентов раствора к выравниванию концентраций, что также приводит к увеличению энтропии, т.е. AS > 0, a AQ < 0. Растворение вещества - процесс обратимый. И как всякий обратный процесс, растворение заканчивается установлением динамического равновесия: нерастворенное вещество - вещество в растворе. Раствор, находящийся в равновесии с растворяющимся веществом, называют насыщенным раствором, а достигнутую предельную концентрацию насыщенного раствора - растворимостью.

Важнейшей характеристикой раствора является его состав или концентрация компонентов.

Концентрация растворов - количество растворенного вещества, содержащееся в определенном количестве раствора или растворителя.

Концентрацию растворов можно выражать по-разному. В химической практике наиболее употребительны следующие способы выражения концентраций:

1. Массовая доля растворенного вещества (процентная концентрация) - показывает, сколько граммов вещества растворено в 100 г раствора. Она определяется по формуле:

, (4.1)

где W - массовая доля растворенного вещества,

m _в-ва - масса растворенного вещества,

m _р-ра - масса раствора.

2. Молярная концентрация - показывает, сколько молей растворенного вещества содержится в 1 л раствора.

3. Моляльная концентрация - показывает, сколько молей вещества содержится в 1 кг растворителя.

1.4.2 Растворы газов в жидкостях

Растворимость газов в жидкостях зависит от их природы, природы растворителя, температуры и давления. Как правило, растворимость газа больше, если растворение сопровождается химическим взаимодействием его с растворителем, и меньше, если при этом химического взаимодействия не происходит. Например, в 1 л воды при н.у. растворяется 0,0002 г водорода, не взаимодействующего с водой, и 875 г аммиака, который реагирует с водой с образованием гидроксида аммония.

Зависимость растворимости газов от природы растворителя можно показать на следующих примерах. При одинаковых условиях в 1000 г воды растворяется 87,5 г NH₃, а в 100 г этилового спирта - только 25 г. Растворимость газов в значительной мере зависит от температуры. При повышении температуры растворимость их уменьшается, а при понижении увеличивается. Так при 0⁰С в 100 мл воды растворяется 171 см ³ СО ₂, при 20⁰С - только 87,8 см ³. Поэтому длительным кипячением можно почти полностью удалить растворенные газы из жидкости, а насыщение жидкостей газом целесообразно проводить при низких температурах.

Растворимость газа зависит также от давления. Зависимость растворимости газа от давления определяется законом Генри.

С = к · р, (4.2)

где С - концентрация газа в растворе,

к - коэффициент пропорциональности, зависящий от природы жидкости и газа,

р - давление газа над раствором.

Масса растворенного газа при постоянной температуре прямо пропорциональна давлению газа над раствором.

Закон Генри справедлив только для разбавленных растворов в условиях низких давлений. Газы, вступающие во взаимодействие с растворителем NH₃, SO₂, HC1 с водой, закону Генри не подчиняются. Их растворимость также увеличивается с повышением давления, но по более сложному закону.

Проявление закона Генри иллюстрируется образованием обильной пены при откупоривании бутылки с газированной водой или бутылки с шампанским; здесь происходит резкое уменьшение растворимости газа при понижении его парциального давления. Этот же закон объясняет возникновение кессонной болезни. На глубине 40 м ниже уровня моря общее давление составляет 600 кПа и растворимость азота в плазме крови в 9 раз больше, чем на поверхности моря. При быстром подъеме водолаза с глубины растворенный азот выделяется в кровь пузырьками, которые закупоривают кровеносные сосуды, что может привести к тяжелым последствиям.

Растворимость газа уменьшается при наличии в растворе третьего компонента. Так, в растворах электролитов газы растворяются значительно хуже, чем в чистой воде. Например, в 1 г воды при 0⁰С растворяется 3 · 10³ м ³ хлора, а в 1 г насыщенного раствора NaCl растворяется в 10 раз меньше, поэтому при хранении хлора над жидкостью воду заменяют на раствор хлорида натрия.

1.4.3 Взаимная растворимость жидкостей

В отличие от растворимости газов в жидкостях растворение жидкости представляет собой более сложный процесс. При смешивании двух жидкостей они могут:

- растворяться друг в друге в любых соотношениях;

- практически не растворяться;

- растворяться ограниченно.

Взаимная растворимость жидкостей зависит, прежде всего, от их химического строения. Еще алхимиками было замечено, что "подобное растворяется в подобном", т.е. полярное обычно растворимо в полярном, а неполярное - в неполярном. По этой причине вода (полярная жидкость) - хороший растворитель для полярных жидкостей (этилового спирта, уксусной кислоты и т. д.) и совсем не растворяет неполярные жидкости (бензол, керосин и т.п.). Если жидкости отличаются друг от друга по полярности, то они ограниченно растворимы друг в друге. При ограниченной растворимости каждая из жидкостей переходит в другую до определенного предела, в результате образуется двухслойная система. Например, с повышением температуры обычно их взаимная растворимость увеличивается, и при некоторой температуре обе жидкости смешиваются в любых соотношениях, и граница между ними исчезает. Такая температура называется критической.

Критическая температура, достигаемая нагреванием, называется верхней критической температурой.

Известны смеси жидкостей, где растворимость уменьшается с повышением температуры. Поэтому критическая температура достигается при понижении температуры и называется нижней критической температурой.

Пользуясь критической температурой растворения, иногда проводят некоторые аналитические определения.

Особый интерес представляет растворимость различных веществ в двухслойных системах, состоящих из двух нерастворимых жидкостей.

Если в систему, состоящую из двух несмешивающихся жидкостей, ввести третье вещество, способное растворяться в каждой из них, то растворенное вещество будет распределяться между обеими жидкостями пропорционально своей растворимости в каждой из них.

Отношение концентраций вещества, распределяющегося между двумя несмешивающимися жидкостями при постоянной температуре, остается постоянным, независимо от общего количества растворенного вещества.

С₁/С₂ = к, (4.3)

где С₁ и С₂ - концентрация растворенного вещества в 1-м и 2-м растворителях,

...