Химия растворов

Значения динамических и кинематических коэффициентов вязкости для каждого продукта индивидуальны и зависят от температуры, давления, влажности или жирности, концентрации сухих веществ. Вязкость пищевых продуктов уменьшается при повышении влажности, температуры жирности и возрастает с увеличением концентрации растворов, степени их дисперсности. Величина, обратная вязкости, называется текучестью.

17. Поверхностные явления в природных и технологических процессах: сорбционные процессы и их виды

Сорбция - это поглощение одного вещества другим.

Поглотитель - сорбент,

поглощаемое вещество - сорбат.

Если поглощение происходит только в поверхностном слое сорбента, т.е. происходит поверхностная сорбция, она называется адсорбцией.

Если же сорбат продиффундировал по всему объёму сорбента, т.е. если произошла объёмная сорбция, она называется абсорбцией.

По механизму протекания процесса сорбция подразделяется на:

· физическую,

· химическую.

При физической сорбции между сорбентом и сорбатом происходит только межмолекулярное взаимодействие, т.е. сцепление достаточно непрочное, и со временем начинается обратный процесс - процесс отдачи поглощённого вещества, и в конце концов устанавливается равенство скоростей обоих процессов:

Vадсорбции == Vдесорбции

При химической сорбции (хемосорбции) между сорбентом и сорбатом возникает химическое взаимодействие, в результате чего между ними образуется третье вещество, рис.2.

Химическая сорбция намного прочнее физической, десорбция самопроизвольно практически не происходит.

Ещё одно отличие между физической и химической сорбцией заключается в том, что при повышении температуры физическая сорбция уменьшается, а химическая увеличивается.

В чистом виде физическая и химическая сорбция встречаются редко, чаще всего сорбция включает элементы их обеих.

Адсорбция происходит на границе раздела следующих фаз:

· твёрдое тело - газ;

· твёрдое тело - раствор;

· раствор - газ.

Адсорбция на границе твёрдое тело - газ:

В пищевых отраслях промышленности в качестве адсорбентов часто применяют древесный и костяной угли, силикагель, целлюлозную массу, цеолиты и иониты. На практике используют активированный уголь, получаемый активацией угля - сырца твердых древесных пород. Уголь - сырец подвергают термической обработке для увеличения удельной поверхности при 700-900 0С в атмосфере водяного пара или углекислого газа. При этом органические вещества и уголь частично реагируют с водяным паром и углекислым газом с образованием СО и Н2. По мере того как выгорят ненужные углеродистые вещества, активирование прекращают. Уголь как адсорбент применяют при очистке сахарного сиропа, обесцвечивание жидкости, очистке воздуха на промышленных предприятиях. Целлюлозная масса имеет меньшую удельную поверхность, чем угли и силикагели, и применяется в качестве адсорбента при осветлении соков и пива.

Адсорбция на границе твёрдое тело - раствор.

В общественном питании адсорбция протекает при гидромеханической и тепловой обработке продуктов как сопутствующий самопроизвольный процесс. Так. При варке, жарке продукт не только выделяет влагу или расплавленный жир, но и поглощает их, при этом также адсорбирует газы и пары.

Процессы адсорбции имеют место при кулинарной гидромеханической обработке круп. При мойке и предварительном замачивании некоторых из них происходят поглощение влаги и их набухание. Способность круп адсорбировать влагу используется в практике. Так использование адсорбционных свойств круп при замачивании способствует сохранению их формы при кулинарной обработке. Вследствие адсорбционных явлений часто пищевые продукты, особенно сыпучие, обладающие большой удельной поверхностью, поглощают из окружающей среды различные пары, газы, в том числе пахучие. Этим свойством обладают и некоторые несыпучие продукты (например нельзя хранить сливочное масло с рыбой).

18. Твердое состояние вещества, кристаллическое и аморфное состояние вещества

Различают два состояния твердых веществ - кристаллическое и аморфное. Кристаллическое состояние характеризуется упорядоченной структурой. Упорядоченность в кристаллах обусловливается правильным геометрическим расположением частиц, из которых состоит твердое вещество. Каждое кристаллическое вещество имеет определенную, характерную форму. Например, кристаллы поваренной соли имеют форму куба, калийной селитры - форму призмы, алюминиевых квасцов - форму октаэдров и т. д.

Аморфные вещества не образуют правильной геометрической структуры, представляя собой структуры неупорядоченно расположенных молекул. В отличие от кристаллических веществ, имеющих вполне определенную температуру плавления, аморфные вещества плавятся в широком интервале температур. При нагревании они постепенно размягчаются, затем начинают растекаться и, наконец, становятся жидкими.

Примерами аморфных веществ могут быть стекла и смолы. К аморфным веществам относится также большинство полимеров. Некоторые вещества могут находиться и в кристаллическом, и в аморфном состояниях, - например сера, оксид кремния ( IV ) и др.

Многие вещества могут быть переведены из аморфного состояния в кристаллическое и наоборот. Так, аморфное стекло после выдержки при определенной температуре «расстекловывается», т.е. в нем появляются мелкие кристаллики и стекло мутнеет. Аморфные вещества особенно сильно отличаются от кристаллических по своим физическим свойствам.

Стоит также отметить, что если свойства аморфных веществ изотропны (одинаковы по всем направлениям), то свойства кристаллов анизотропны, что особенно наглядно проявляется при исследовании таких веществ оптическими методами. Подавляющее большинство твердых веществ имеет кристаллическое строение.

19. Свойства растворов электролитов. Теория электролитической диссоциации

Растворы всех веществ можно разделить на две группы: электролиты-проводят электрический ток, неэлектролиты-проводниками не являются. Это деление является условным, потому что все растворы веществ проводят электрический ток, все они в той или иной мере растворяются в воде и распадаются на катионы (положительно заряженные ионы) и анионы (отрицательно заряженные ионы). Следует различать настоящие и потенциальные электролиты.

Настоящие электролиты находятся в виде ионов уже в индивидуальном состоянии, т.е. до того, как они будут расплавлены или переведены в раствор. К настоящим электролитам относятся все типичные соли, которые в твёрдом состоянии образуют ионную кристаллическую решётку (например NaCl, K2SO4 и т.д.)

Потенциальные электролиты в индивидуальном состоянии ионов не содержат, но образуют их при переходе вещества в раствор. К ним относятся вещества, состоящие из молекул с сильно полярными связями (например HCl).

К неэлектролитам относится большая часть органических соединений, например диэтиловый эфир, бензол, глюкоза, сахароза.

Заряженные частицы появляются только в растворах и расплавах веществ вследствие электролитической диссоциации. Электролитическая диссоациация-это процесс распада веществ на ионы при растворении или расплавлении.

Следовательно, в результате диссоциации в растворе появляются ионы, которые являются предпосылкой для появления у раствора или расплава такого физического свойства как электропроводимость.

Как же происходит процесс растворения?. Разрушение ионной кристаллической решётки происходит под воздействием растворителя, например воды. Полярные молекулы воды настолько снижают силы электростатического притяжения между ионами в кристаллической решётке, что ионы становятся свободными и переходят в раствор.

При расплавлении , когда происходит нагревание кристалла, ионы начинают совершать интенсивные колебания в узлах кристаллической решётки, в результате чего она разрушается, образуется расплав, который состоит из ионов.

Теорию электролитической диссоциации создал в 1884-1887 гг. шведский химик Аррениус.Эта классическая теория позволила как электропроводимость расплавов и растворов, так и протекание химических реакций в растворах между расплавленными или растворёнными веществами.

Схема электролитической диссоциации.

Молекулы воды являются дипольными, т.е. один конец молекулы заряжен отрицательно, другой-положительно. Молекула отрицательным полюсом подходит к иону натрия, положительным-к иону хлора; окружают ионы со всех сторон и вырывают из кристалла, причём, только с его поверхности

Уравнение диссоциации можно записать следующим образом:

NaCl Na+ + Cl-

Электролитическую диссоциацию вызывает не только вода, но и неводные полярные растворители, такие как Жидкий аммиак и жидкий диоксид серы. Однако именно для воды характерно свойство ослаблять электростатическое притяжение между ионами в решётке выражено особенно ярко.

Свободные ионы, оказавшиеся в водном растворе окружаются полярными молекулами воды: вокруг ионов образуется гидратная оболочка, т.е. протекает процесс гидратации.

Сила электролитов.

Силу электролитов можно охарактеризовать с помощью степени диссоциации.

Степень диссоциации электролита-это частное от деления числа продиссоциированных молекул к общему числу молекул электролита, введённого в раствор.

б=Nдисс/N

Степень диссоциации потенциальных электролитов изменяется в пределах 0< б ?1( значение б=0 относится к неэлектролитам).

Степень диссоциации возрастает при увеличении разбавления раствора, а также при повышении температуры ( повышение температуры приводит к увеличению кинетической энергии растворённых частиц, что способствует распаду молекул на ионы.)

Сила электролитов в водном растворе определяется их степенью диссоциации при постоянной концентрации и температуре. К сильным электролитам относятся вещества степень диссоциации которых близка к 1. К ним относятся хорошо растворимые щёлочи, соли, кислоты.

20. Сублимация, ее значение в консервировании пищевых продуктов

Сублимационная сушка основана на способности льда при определенных условиях испаряться, минуя жидкую фазу. Сублимационная сушка имеет следующие преимущества по сравнению с традиционными методами консервирования:

· исключается необходимость холодильного хранения, так как сухие продукты могут длительное время храниться при положительных температурах;

· значительно уменьшается масса продуктов после сушки, следовательно, снижаются расходы на погрузочно-разгрузочные работы и транспортировку продуктов;

· упрощается система реализации продуктов и удлиняются сроки их реализации;

· вкусовые качества продуктов изменяются незначительно.

Для проведения процесса сублимационной сушки необходимо соблюдение двух обязательных условий:

· наличие основной части влаги в продукте (не менее 70%) в твердом агрегатном состоянии;

· поддержание достаточной разницы парциальных давлении паров воды в продукте и в окружающей среде.

Сублимационная сушка возможна, когда давление паров окружающей среды ниже давления в тройной точке А. При этом лед, минуя жидкую фазу, превращается в пар, который ассимилируется окружающей средой или конденсируется на холодной поверхности испарителя.

В процессе сушки в зону парообразования непрерывно должна подводиться энергия в количестве, достаточном для компенсации теплоты фазового превращения, отнимаемой от продукта. Подвод теплоты в зону парообразования усложняется по мере продвижения этой зоны в глубь продукта. Образующийся слой подсохшего продукта оказывает сопротивление как переходу пара из зоны парообразования к поверхности продукта, так и передаче теплоты снаружи в зону парообразования.

В настоящее время ассортимент продуктов, полученных сублимационной сушкой, достаточно разнообразен и может быть подразделен на несколько групп. Мясо и мясопродукты: говядина, баранина, свинина, мясо птицы и другие, перерабатываются в сыром виде, предварительно сваренными или приготовленными иными способами.

· Молочные продукты: творог, молоко и др.

· Яйцепродукты: яичный белок, яичный желток, смесь белка и

· Овощи: картофель, морковь, свекла, различные виды капусты, петрушка, зеленый горошек, кабачки, лук, грибы, овощные первые и вторые блюда и др.

· Фрукты, ягоды и продукты их переработки: яблоки, абрикосы, персики, сливы, бананы, клубника, малина, фруктовое пюре, плодово-ягодные соки и др.

· Быстрорастворимые чай, кофе, пряности.

· Весь технологический процесс получения сублимированных продуктов состоит из следующих основных операций:

· отбора и предварительной обработки сырья;

· замораживания;

· сублимационной сушки;

· упаковки высушенных продуктов.

21. Действие закона термодинамики в общественном питании

Основу технологических процессов пищевых производств составляют законы сохранения энергии и массы.

В соответсвии с общим законом сохранения энергии количество энергии, введенной в процесс (приход), равно количеству выделенной энергии (расход). Согласно этому закону, энергетический баланс (на примере теплового баланса) имеет следующее уравнение:

Q = Qp + Qпот

Где Q - подводимое количество теплоты, Дж; Qp - количество теплоты, расходуемой на нагрев продукта, Дж; Qпот- количество потерь теплоты, Дж. Это уравнение справедливо для процессов, протекающих в установившемся режиме и без выделения или поглощения теплоты, за счет химических реакций.

В соответствии с законом сохранения массы поступающих на проведение процесса веществ равна массе веществ, получаемых в результате проведения процесса , и их потерь. Основное уравнение материального баланса имеет вид

Gп =Gпол + Gпот,

Gп - масса поступающих на проведение процесса веществ, кг;

Gпол - масса веществ, получаемых в результате проведения процесса, кг;

Gпот- масса потерянных при проведении процесса веществ,кг

В общественном питании в основе теплового баланса лежит закон сохранения энергии и сохранения массы вещества.

В общем виде тепловой баланс может быть представлен следующим уравнением

Qи = Qп + Qт + Qа + Qо

Qи - количество теплоты, передаваемой от ее источника,Дж;

Qп - количество теплоты, необходимое для нагрева продукта и доведения его до готовности, Дж;

Qт - количество теплоты , переданной теплоносителю, Дж;

Qа - количество теплоты, воспринятой аппаратом, Дж;

Qо - количество теплоты, потерянной в окружающую среду, Дж.

Количество теплоты для нагрева и доведения продукта до готовности определяют по формуле

Qп = Qн + Qг = Gп (Hк + Hн ) + Dв r = Gп (cк tк - cн tн) + Dв r

Qн - количество теплоты, необходимое для нагрева, Дж

Qг - количество теплоты, необходимое для доведения его до готовности, Дж

Gп - масса продукта, кг

(Hк , Hн ) - конечная и начальная энтальпия продукта, Дж/кг

Dв - количество образовавшегося пара

r - теплота парообразования , Дж/кг

cк ,cн - конечное и начальное значения удельной теплоемкости продукта, Дж / (кгК)

tк , tн - конечная и начальная температура продукта если кипения не происходит, сомножитель (cк tк - cн tн) в формуле равен нулю.

Количество теплоты, необходимой для плавления жира. Можно определить по формуле

Q = Gж (q пл.ж + сжtж)

Gж - количество жира, кг

q пл.ж - удельная теплота плавления жира,Дж/кг

сж - удельная теплоемкость расплавленного жира, Дж/(кгК)

tж - температура расплавленного жира, 0С

22. Скорость химической реакции. Зависимость от различных факторов

Скорость химической реакции - это величина, показывающая как изменяются концентрации исходных веществ или продуктов реакции за единицу времени.

Для оценки скорости необходимо измеренение концентрации одного из веществ.

Наибольший интерес представляют реакции, протекающие в однородной (гомогенной) среде. Математически скорость химической гомогенной реакции можно представить с помощью формулы:

Для гетерогенной реакции, скорость реакции определяется числом молей веществ, вступивших в или образующихся в результате реакции в единицу времени на единице поверхности:

Зависимость скорости реакций от различных факторов

Условия	Примеры
концентрация	При повышении концентрации хотя бы одного из реагирующих веществ скорость химической реакции возрастает в соответствии с кинетическим уравнением. Рассмотрим общее уравнение реакции: aA +bB = cC + dD. Для данной реакции кинетическое уравнение принимает вид: Причиной повышения скорости является увеличение числа столкновений реагирующих частиц за счёт увеличения частиц в единице объёма.
температура	Химические реакции, протекающие в гомогенных системах (смеси газов, жидкие растворы), осуществляется за счет соударения частиц. Однако, не всякое столкновение частиц реагентов ведет к образованию продуктов. Только частицы, обладающие повышенной энергией - активные частицы, способны осуществить акт химической реакции. С повышением температуры увеличивается кинетическая энергия частиц и число активных частиц возрастает, следовательно, химические реакции при высоких температурах протекают быстрее, чем при низких температурах. Зависимость скорости реакции от температуры определяется правилом Вант - Гоффа : Правило Вант - Гоффа является приближенным и применимо лишь для ориентировочной оценки влияния температуры на скорость реакции.
катализатор	Катализаторы - это вещества, которые повышают скорость химической реакции. Они вступают во взаимодействие с реагентами с образованием промежуточного химического соединения и освобождается в конце реакции. Влияние, оказываемое катализаторами на химические реакции, называется катализом.По агрегатному состоянию, в котором находятся катализатор и реагирующие вещества, следует различать: гомогенный катализ (катализатор образует с реагирующими веществами гомогенную систему, например, газовую смесь; гетерогенный катализ (катализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах; катализ идет на поверхности раздела фаз).
площадь соприкосновения реагирующих веществ	Для увеличения площади соприкосновения реагирующих веществ, их измельчают. Наибольшей степени измельчения достигают путем растворения веществ. Быстрее всего вещества реагируют в растворах.
природа реагирующих веществ	Например, металлы магний и железо реагируют с соляной кислотой одинаковой концентрации с различной скоростью. Это связано с разной химической активностью металлов.

23. Теплофизические закономерности процессов варки и жарки

Сущность процесса варки заключается в тепловой обработке продуктов в кипящей жидкости или в атмосфере водяного пара с целью доведения продукта до кулинарной готовности. Процесс варки в жидкости принято разбивать на 2 этапа.

1 этап. Нагревание жидкости до температуры кипения и носит стационарный характер.

2 этап. Нагрев продукта до требуемой температуры.

Одним из определяющих параметров, характеризующих эффективность процесса, является его скорость или его продолжительность протекания. Продолжительность процесса зависит в основном от удельной поверхности варочного аппарата (емкости). При одинаковых объемах варочных емкостей максимальная длительность нагревания жидкости до температуры кипения будет у тех из них, у которых диаметр равен рабочей высоте или превышает ее. Продолжительность процесса нагрева жидкости до температуры кипения без учета тепловых потерь можно представить уравнением

ф =Gc (tк -tн )/(КSДtср )

G - количество жидкости, кг

c - удельная теплоемкость жидкости, Дж/ (кгК)

(tк , tн ) - температура кипения и начальная температура жидкости

К - коэффициент теплопередачи

S - рабочая поверхность варочного аппарата, м2

Соблюдая ряд непременных условий процесса варки, можно сократить потери питательных веществ, в том числе и витаминов. К таким условиям относится: обеспечение быстрого прогрева жидкости до момента закипания; варка продукта при спокойном кипении без выкипания жидкости. кроме того, продолжительность варки не должна превышать времени, которое требуется для доведения продукта до кулинарной готовности.

Жарка - процесс приготовления продукта. Когда кулинарная готовность продукта характеризуется наличием специфической корочки. По теплообменным процессам жарка бывает двух видов.

1 вид. - жарка проходит на открытой греющей поверхности путем контакта продукта с этой поверхностью (с использованием жира как промежуточной среды и без него)

2 вид- жарка осуществляется без непосредственного контакта продукта с греющей поверхностью. Жарка проходит при контакте с теплоносителем (греющей средой), в качестве которого может быть использован расплавленный жир (фритюр) или воздух (выпекание).

При наличии общих черт между варкой и некоторыми видами жарки существует одно принципиальное различие. Оно заключается в том, что при варке практически не происходит кипения воды в продукте. А при жарке оно неизбежно. Так как имеет место существенный температурный перепад между теплоносителем или греющей поверхностью и температурой кипения. Такого температурного перепада при других видах варки нет, за исключением варки в атмосфере перегретого пара.

Процесс жарки более сложный , чем процесс варки. При варке весь продукт находится в жидкости или атмосфере пара, имеющих практически одинаковую температуру во всех слоях. При жарке нагрев производится либо с одной стороны продукта, либо со всех сторон, но в среде, часто имеющей разную температуру в разных слоях (жарка во фритюре и в жарочных шкафах).

24. Закон действующих масс, правило Вант-Гоффа

Для взаимодействия между молекулами необходимо их столкновение. Чем выше концентрация реагирующих веществ, тем больше молекул находится в единице объема и тем чаще они сталкиваются друг с другом. Следовательно , скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ. Зависимость скорости простых химических реакций от концентрации определяется законом действия масс, по которому скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степени, равной стехиометрическому коэффициенту, стоящему перед формулой данного вещества в уравнении реакции. Например, для реакции окисления оксида азота

2NO + 2H2 N2 + 2H2O

э=kс2No с2О э=kсn A сmB

константа скорости реакции равна скорости реакции при концентрациях реагирующих веществ, равных единице. С повышением температуры скорость химической реакции возрастает. Возрастание скорости реакции связано с увеличением константы, так как концентрации реагирующих веществ от температуры не зависят. При повышении температуры на 10 0С скорость химической реакции возрастает в 2-4 раза (правило Вант- Гоффа)

25. Растворимость жидкостей

В отличие от растворимости газов в жидкостях растворение жидкости в жидкости является более сложным процессом. При смешивании двух жидкостей друг с другом они могут

1) растворяться в друг друге

2) практически не растворяться

3) растворяться ограниченно.

К жидкостям , которые растворяются друг в друге без всякого ограничения, относятся вода и этиловый спирт , бензол и толуол. При взаимном растворении они образуют однородный (гомогенный) раствор.

Считается некоторые жидкости не растворяются друг в друге. Если к воде прибавить какое - то количество бензола, то даже после интенсивного перемешивания или встряхивания этой смеси она разделится на слой бензола и слой воды.

В действительности все же взаимное растворение в некоторой степени происходит. Вода в очень незначительном количестве растворится в бензоле, а бензол в столь же незначительной степени растворится в воде. Однако взаимная растворимость этих жидкостей так мала, что их считают практически нерастворимыми. Абсолютно растворимых друг в друге жидкостей нет.

26. Катализ и катализаторы. Катализаторы положительные и отрицательные, условия их действия

Катализаторы - это вещества , ускоряющие скорость химических реакций Каталитическими называют химические реакции , протекающие при участии катализатора. Ингибиторы- это вещества, замедляющие скорость химической реакции

Механизм работы катализатора

А и В - реагирующие вещества

К - катализатор

А + В АВ

А+ К АК (промежуточный продукт)

АК + В АВ + К

Действие катализаторов избирательно, поэтому, применяя разные катализаторы, можно получить из одного и того же вещества разные продукты. Например, в присутствии катализатора оксида алюминия Al2O3 при 300 0С из этилового спирта получают воду и этилен

Al2O3

С2Н5ОН Н2О + С2Н4

А при той же температуре , но в присутствии раздробленной меди из этилового спирта образуются водород и уксусный альдегид

Cu

С2Н5ОН Н2 + СН3СООН

Каталитическими ядами называют вещества, снижающие или полностью уничтожающие активность твердого катализатора.

Промоторами или активаторами называются вещества, которые усиливают действие катализаторов в данной реакции, хотя сами катализаторами не являются.

Особую роль играют биологические катализаторы - ферменты. При их участии протекают сложные химические процессы в растительных и животных организмах.

В пищевой промышленности катализаторы применяют при гидрогенизации жиров и масел - процессе целенаправленного изменения жирнокислотного состава путем присоединения водорода в присутствии катализатора к остаткам ненасыщенных жирных кислот, входящих в состав ацилглицеринов. В результате меняются состав и свойства последних. Образующиеся продукты (саломассы) обладают повышенными по сравнению с исходными продуктами температурой плавления, твердостью, стойкостью к окислению.

27. Реакции ионного обмена и условия их протекания

Правила написания уравнений реакций в ионном виде

Записывают формулы веществ, вступивших в реакцию, ставят знак «равно» и записывают формулы образовавшихся веществ. Расставляют коэффициенты.

Пользуясь таблицей растворимости, записывают в ионном виде формулы веществ, обозначенных в таблице растворимости буквой «Р» (хорошо растворимые в воде), исключение - гидроксид кальция, который, хотя и обозначен буквой «М», все же в водном растворе хорошо диссоциирует на ионы.

Нужно помнить, что на ионы не разлагаются металлы, оксиды металлов и неметаллов, вода, газообразные вещества, нерастворимые в воде соединения, обозначенные в таблице растворимости буквой «Н». Формулы этих веществ записывают в молекулярном виде. Получают полное ионное уравнение.

Сокращают одинаковые ионы до знака «равно» и после него в уравнении. Получают сокращенное ионное уравнение.

Условия, при которых реакции ионного обмена протекают до конца

1. Если в результате реакции выделяется малодиссоциирующее вещество - вода.

Молекулярное уравнение реакции щелочи с кислотой:

Неизменность степеней окисления элементов во всех веществах до и после реакции говорит о том, что реакции обмена не являются окислительно-восстановительными.

Полное ионное уравнение реакции:

K+ + OH- + H+ + Cl- = K+ + Cl- + H2O.

Cокращенное ионное уравнение реакции:

H+ + OH- = H2O.

Молекулярное уравнение реакции основного оксида с кислотой:

CaO + 2HNO3 = Ca(NO3)2 + H2O.

Полное ионное уравнение реакции:

Cокращенное ионное уравнение реакции:

CaO + 2H+ = Ca2+ + H2O.

Молекулярное уравнение реакции нерастворимого основания с кислотой:

3Mg(OH)2 + 2H3PO4 = Mg3(PO4)2 + 6H2O.

Полное ионное уравнение реакции:

В данном случае полное ионное уравнение совпадает с сокращенным ионным уравнением.

Молекулярное уравнение реакции амфотерного оксида с кислотой:

Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O.

Al2O3 + 6H+ + 6Cl- = 2Al3+ + 6Cl- + 3H2O.

Cокращенное ионное уравнение реакции:

Al2O3 + 6H+ = 2Al3+ + 3H2O.

2. Если в результате реакции выделяется нерастворимое в воде вещество.

Молекулярное уравнение реакции растворимой соли со щелочью:

CuCl2 + 2KOH = 2KCl + Cu(OH)2.

Полное ионное уравнение реакции:

Cu2+ + 2Cl- + 2K+ + 2OH- = 2K+ + 2Cl- + Cu(OH)2.

Cокращенное ионное уравнение реакции:

Cu2+ + 2OH- = Cu(OH)2.

Молекулярное уравнение реакции двух растворимых солей:

Al2(SO4)3 + 3BaCl2 = 3BaSO4 + 2AlCl3.

Полное ионное уравнение реакции:

Cокращенное ионное уравнение реакции:

Молекулярное уравнение реакции нерастворимого основания с кислотой:

Fe(OH)3 + H3PO4 = FePO4 + 3H2O.

Полное ионное уравнение реакции:

В данном случае полное ионное уравнение реакции совпадает с сокращенным. Эта реакция протекает до конца, о чем свидетельствуют сразу два факта: образование вещества, нерастворимого в воде, и выделение воды.

3. Если в результате реакции выделяется газообразное вещество.

Молекулярное уравнение реакции растворимой соли (сульфида) с кислотой:

K2S + 2HCl = 2KCl + H2S.

Полное ионное уравнение реакции:

2K+ + S2- + 2H+ + 2Cl- = 2K+ + 2Cl- + H2S.

Cокращенное ионное уравнение реакции:

S2- + 2H+ = H2S.

Молекулярное уравнение реакции растворимой соли (карбоната) с кислотой:

Na2CO3 + 2HNO3 = 2NaNO3 + H2O + CO2

Полное ионное уравнение реакции:

Сокращенное ионное уравнение реакции:

О протекании данной реакции до конца свидетельствуют два признака: выделение воды и газа - оксида углерода(IV).

Молекулярное уравнение реакции нерастворимой соли (карбоната) с кислотой:

3СaCO3 + 2H3РO4 = Са3(PO4)2 + 3H2O + 3CO2

Полное ионное уравнение реакции:

В данном случае полное ионное уравнение реакции совпадает с сокращенным уравнением. Эта реакция протекает до конца, о чем свидетельствуют сразу три признака: выделение газа, образование осадка и выделение воды.

28. Обратимые и необратимые химические реакции. Химическое равновесие. Факторы, влияющие на смещение химического равновесия

Химические реакции по признаку обратимости делятся на необратимые и обратимые. К необратимым реакциям относятся такие реакции, которые протекают до тех пор, пока один из реагентов полностью не израсходуются. Признаками необратимых реакций, протекающих в растворах, являются: а) выпадение осадка, б) образование газа, в) образование слабого электролита.

Обратимыми реакциями называются такие реакции, которые протекают одновременно в двух взаимно противоположных направлениях. Для подобных реакций вместо знака равенства пользуются противоположно направленными стрелками (-).

С течением времени скорость любой реакции, измеряется по убывающим концентрациям исходных веществ, будет уменьшаться, так как по мере взаимодействия веществ их концентрации уменьшаются (скорость прямой реакции). Если реакция является обратимой, то по мере увеличения концентрации продуктов ее скорость будет возрастать (скорость обратной реакции). Как только скорости прямой и обратной реакций становятся одинаковыми, в системе устанавливается химическое равновесие и дальнейшее изменение концентраций всех веществ, находящихся в системе, прекращается.

Количественной характеристикой состояния равновесия является константа химического равновесия К, которая определяется отношением констант скоростей прямой и обратной реакцией

В подавляющем большинстве случаев константы скоростей прямой и обратной реакций не равны. Константа равновесия - постоянная при данной температуре величина и определяет соотношение между равновесными концентрациями продуктов реакции и исходных веществ, возведенных в степени их стехиометрических коэффициентов. Например, для процесса

N2 + 3H2 - 2NH3

Квадратной скобкой обозначена концентрация каждого вещества в момент равновесия, так называемая равновесная концентрация.

Константа равновесия зависит от природы реагирующих веществ и температуры. Катализатор не влияет на состояние равновесия. Присутствие катализатора в системе лишь изменяет время его достижения. В состоянии равновесия система может находиться до тех пор, пока не изменится хотя бы одно из внешних воздействий: температура, концентрация одного из реагентов, давление (для газов). Изменения, происходящие в равновесной системе в результате внешних воздействий, определяются принципом подвижного равновесия (принцип Ле-Шателье): внешнее воздействие на систему, находящуюся в состоянии равновесия, приводит к смещению этого равновесия в направлении, при котором эффект произведенного воздействия ослабляется.

На смещение равновесия оказывает влияние:

1) изменение температуры: эндотермический процесс ускоряется в большей степени при повышении температуры и, наоборот, при понижении температуры ускоряется экзотермический процесс;

2) изменение давления (для реакций, протекающих в газовой фазе): при повышении давления равновесие реакции смещается в направлении образования веществ, занимающих меньший объем, и, наоборот, понижение давления способствует процессу, сопровождающемуся увеличением объема. Если реакция протекает без изменения объема, то изменение давления в системе не оказывает влияние на химическое равновесие.

3) изменение концентрации: увеличение концентрации исходных веществ приводит к увеличению скорости прямой реакции, при этом протекающий в системе процесс завершится, когда скорости прямой и обратной реакций станут равны и установится новое равновесие. Уменьшение концентрации одного из продуктов реакции (вывод из системы) приводит к смещению равновесия в сторону его образования.

29. Растворимость твердых веществ

Растворимость твердых веществ в жидкостях

Растворимость твердых веществ в жидкостях определяется природой веществ и, как правило, существенно зависит от температуры. При растворении твердого вещества в жидкости достигается концентрация, при которой твердое вещество далее перестает растворяться и устанавливается равновесие между раствором и твердым веществом. Такой раствор называется насыщенным. Концентрация насыщенного раствора любого вещества при данной температуре постоянна и характеризует растворимость этого вещества.

30. Коагуляция золей. Факторы, вызывающие коагуляцию золей

Как было показано выше, лиофобные коллоиды являются термодинамически неустойчивыми системами, существующими благодаря стабилизации за счет возникновения двойного электрического слоя. Изменение состояния ДЭС может, следовательно, привести к потере агрегативной устойчивости - слипанию частиц в более крупные агрегаты, т.е.коагуляции золя. Коагуляция золей может быть вызвана различными факторами: прибавлением электролитов, нагреванием или замораживанием, механическим воздействием и т.д. Наиболее важным и изученным фактором коагуляции гидрофобных коллоидов является воздействие на них растворов электролитов.

Для коагуляции золей электролитами установлен ряд эмпирических закономерностей.

1. Для начала коагуляции золя необходима некоторая минимальная концентрация электролита, называемая порогом коагуляции г.

2. Коагулирующим действием обладает тот из ионов электролита, заряд которого противоположен заряду коллоидных частиц, причем коагулирующее действие иона тем сильнее, чем больше его заряд (правило Шульце - Гарди или правило значности). Величины порогов коагуляции двухзарядных ионов примерно на порядок, а трехзарядных - на два порядка меньше, чем для однозарядных ионов. Правило значности имеет приближенный характер и справедливо только для неорганических ионов; некоторые однозарядные органические ионы обладают более сильным коагулирующим действием, чем двухзарядные неорганические ионы, что обусловлено их сильной специфической адсорбируемостью.

3. В рядах неорганических ионов с одинаковыми зарядами коагулирующее действиевозрастает с уменьшением гидратируемости ионов; например, в ряду однозарядных катионов щелочных металлов коагулирующее действие возрастает от лития к рубидию:

г (Li+) > г (Na+) > г (К+) > г (Rb+)

Ряды, в которые сгруппированы по возрастанию либо по убыванию коагулирующего действия ионы с одинаковым зарядом, называют лиотропными рядами.

4. В осадках, получаемых при коагуляции золей электролитами, всегда присутствуют ионы, вызвавшие коагуляцию.

5. При коагуляции золей смесями электролитов сравнительно редко наблюдается их независимое (аддитивное) действие; обычно имеет место взаимное усиление либо ослабление коагулирующего действия (синергизм либо антагонизм ионов).

Механизм и кинетика коагуляции золей электролитами

Необходимому для коагуляции сближению частиц дисперсной фазы препятствует, как было показано выше, электростатическое отталкивание имеющих одноименный заряд коллоидных частиц и противоионов и взаимодействие сольватных оболочек противоионов диффузного слоя. При добавлении к золю раствора электролита имеющееся равновесие адсорбции - десорбции между противоионами адсорбционного и диффузного слоев смещается в сторону адсорбции вследствие увеличения в дисперсионной среде концентрации ионов, имеющих заряд, противоположный заряду ядра (ионы с одноименным зарядом в равновесии адсорбции - десорбции не участвуют). Адсорбция дополнительного числа противоионов приводит к уменьшению заряда коллоидных частиц, уменьшению числа противоионов диффузного слоя (уменьшению толщины ДЭС) и, следовательно, к снижению агрегативной устойчивости золя. При достижении некоторого предельного значения заряда коллоидные частицы получают возможность сближения и объединения в более крупные агрегаты за счет ван-дер-ваальсовых сил; иными словами, происходит коагуляция золя.

Взаимная коагуляция золей

Коагуляция золя может быть вызвана его взаимодействием с другим золем, частицы которого имеют противоположный заряд. Так, смешение золя гидроксида железа, частицы которого имеют положительный заряд, с отрицательно заряженным золем сульфида мышьяка приводит к их взаимной коагуляции:

{[Fe(OH)3]m · n FeO+· (n-x)Cl-}x+ · xCl- {[Аs2S3]m · n НS-· (n-x)Н+}x- · xН+

В данном случае коагуляция обусловлена тем, что коллоидные частицы одного вида являются как бы очень крупными многозарядными ионами - коагулянтами для частиц другого вида. Взаимная коагуляция коллоидных систем может наблюдаться и тогда, когда частицы золей имеют одноименный заряд; в этом случае причиной потери устойчивости одного из золей является сильная специфическая адсорбция иона - стабилизатора данной системы поверхностью коллоидных частиц другой системы.

Старение золей и пептизация

Термодинамическая неустойчивость лиофобных коллоидных систем является причиной старения золей - самопроизвольной коагуляции (автокоагуляции) золей. Автокоагуляция золей происходит значительно медленнее, чем коагуляция электролитами; так, золи золота могут сохраняться без видимых изменений десятилетиями. Одной из основных причин старения золей является медленно совершающийся процесс перекристаллизации вещества ядра.

31. Строение коллоидных частиц

Строение коллоидной мицеллы

Лиофобные коллоиды обладают очень высокой поверхностной энергией и являются поэтому термодинамически неустойчивыми; это делает возможным самопроизвольный процесс уменьшения степени дисперсности дисперсной фазы (т.е. объединение частиц в более крупные агрегаты) - коагуляцию золей. Тем не менее золям присуща способность сохранять степень дисперсности - агрегативная устойчивость, которая обусловлена, во-первых, снижением поверхностной энергии системы благодаря наличию на поверхности частиц дисперсной фазы двойного электрического слоя и, во-вторых, наличием кинетических препятствий для коагуляции в виде электростатического отталкивания частиц дисперсной фазы, имеющих одноименный электрический заряд.

Строение структурной единицы лиофобных коллоидов - мицеллы - может быть показано лишь схематически, поскольку мицелла не имеет определенного состава. Рассмотрим строение коллоидной мицеллы на примере гидрозоля иодида серебра, получаемого взаимодействием разбавленных растворов нитрата серебра и иодида калия:

AgNO3 + KI --> AgI + KNO3

Коллоидная мицелла золя иодида серебра (см. рис. 4.9) образована микрокристаллом иодида серебра, который способен к избирательной адсорбции из окружающей среды катионов Ag+ или иодид-ионов. Если реакция проводится в избытке иодида калия, то кристалл будет адсорбировать иодид-ионы; при избытке нитрата серебра микрокристалл адсорбирует ионы Ag+. В результате этого микрокристалл приобретает отрицательный либо положительный заряд; ионы, сообщающие ему этот заряд, называются потенциалопределяющими, а сам заряженный кристалл - ядром мицеллы. Заряженное ядро притягивает из раствора ионы с противоположным зарядом - противоионы; на поверхности раздела фаз образуется двойной электрический слой. Некоторая часть противоионов адсорбируется на поверхности ядра, образуя т.н. адсорбционный слой противоионов; ядро вместе с адсорбированными на нем противоионами называют коллоидной частицей или гранулой. Остальные противоионы, число которых определяется, исходя из правила электронейтральности мицеллы, составляютдиффузный слой противоионов; противоионы адсорбционного и диффузного слоев находятся в состоянии динамического равновесия адсорбции - десорбции.

Схематически мицелла золя иодида серебра, полученного в избытке иодида калия (потенциалопределяющие ионы - анионы I-, противоионы - ионы К+) может быть изображена следующим образом:

{[AgI]m · nI- · (n-x)K+}x- · x K+

При получении золя иодида серебра в избытке нитрата серебра коллоидные частицы будут иметь положительный заряд:

{[AgI]m · nAg+ · (n-x)NO3-}x+ · x NO3-

Строение коллоидной мицеллы

Агрегативная устойчивость золей обусловлена, таким образом, рядом факторов: во-первых, снижением поверхностной энергии дисперсной фазы (т.е. уменьшения движущей силы коагуляции) в результате образования двойного электрического слоя и, во-вторых, наличием кинетических препятствий для коагуляции в виде электростатического отталкивания имеющих одноименный заряд коллоидных частиц и противоионов. Еще одна причина устойчивости коллоидов связана с процессом гидратации (сольватации) ионов. Противоионы диффузного слоя сольватированы; эта оболочка из сольватированных противоионов также препятствует слипанию частиц.

32. Качественный анализ

Для определения качественного химического состава вещества пользуются как химическими, так и физико-химическими методами анализа.

Химические методы основаны на использовании химических реакций определяемого элемента с различными реагентами. В качественном анализе используются аналитические реакции. Аналитическая реакция - это реакция, которая сопровождается каким-либо внешним эффектом (образованием или растворением осадка, выделением газа, изменением окраски раствора и т.д.), позволяющим сделать вывод о наличии соответствующих ионов или молекул в анализируемом веществе. Аналитические реакции делятся на специфические и групповые.

Специфическая реакция - это аналитическая реакция, внешний эффект которой характерен только для данного иона или соединения. С помощью специфической реакции ион может быть обнаружен в присутствии других ионов.

Групповая реакция - это реакция, внешний эффект которой характерен для группы ионов. С помощью групповых реакций смеси ионов разделяют на аналитические группы.

Большинство аналитических реакций выполняется в водных растворах. Так как подавляющее большинство неорганических соединений в растворах диссоциировано, то при анализе практически определяются не элементы вообще, а ионы. Поэтому качественный анализ делится на анализ (открытие, обнаружение) катионов и анализ анионов.

Дробный и систематический методы анализа

Качественный анализ может быть выполнен дробным или систематическим методом.

Дробный метод анализа заключается в том, что ионы открывают в любой последовательности при помощи специфических реакций в отдельных пробах раствора в присутствии других ионов. Однако не всегда дробный метод можно использовать на практике, так как не для всех ионов имеются специфические реакции. Поэтому при анализе смеси ионов в основном пользуются систематическим методом анализа.

Систематический метод качественного анализа заключается в том, что смесь ионов с помощью групповых реагентов предварительно разделяют в определенной последовательности на аналитические группы. Отдельные ионы внутри каждой группы обнаруживаются с помощью их аналитических реакций после разделения или в условиях, устраняющих (маскирующих) влияние других ионов.

33. Адсорбция на границе твёрдое тело - газ

В пищевых отраслях промышленности в качестве адсорбентов часто применяют древесный и костяной угли, силикагель, целлюлозную массу, цеолиты и иониты. На практике используют активированный уголь, получаемый активацией угля - сырца твердых древесных пород. Уголь - сырец подвергают термической обработке для увеличения удельной поверхности при 700-900 0С в атмосфере водяного пара или углекислого газа. При этом органические вещества и уголь частично реагируют с водяным паром и углекислым газом с образованием СО и Н2. По мере того как выгорят ненужные углеродистые вещества, активирование прекращают. Уголь как адсорбент применяют при очистке сахарного сиропа, обесцвечивание жидкости, очистке воздуха на промышленных предприятиях. Целлюлозная масса имеет меньшую удельную поверхность, чем угли и силикагели, и применяется в качестве адсорбента при осветлении соков и пива.

Адсорбция на границе твёрдое тело - раствор.

В общественном питании адсорбция протекает при гидромеханической и тепловой обработке продуктов как сопутствующий самопроизвольный процесс. Так. При варке, жарке продукт не только выделяет влагу или расплавленный жир, но и поглощает их, при этом также адсорбирует газы и пары.

Процессы адсорбции имеют место при кулинарной гидромеханической обработке круп. При мойке и предварительном замачивании некоторых из них происходят поглощение влаги и их набухание. Способность круп адсорбировать влагу используется в практике. Так использование адсорбционных свойств круп при замачивании способствует сохранению их формы при кулинарной обработке. Вследствие адсорбционных явлений часто пищевые продукты, особенно сыпучие, обладающие большой удельной поверхностью, поглощают из окружающей среды различные пары, газы, в том числе пахучие. Этим свойством обладают и некоторые несыпучие продукты (например нельзя хранить сливочное масло с рыбой).

34. Осмос и осмотическое давление

Осмосом называется диффузия через полупроницаемые перегородки. Причина возникновения концентрационной диффузии и осмоса одна и та же - выравнивание концентрации. Однако способы выравнивания резко отличаются друг от друга:

В кулинарной практике явление осмоса наблюдается при замачивании повядших корнеплодов, клубней картофеля, корней хрена с целью облегчения очистки, снижения количества отходов. При замачивании овощей вода поступает внутрь клетки до наступления концентрационного равновесия, объем раствора в клетке увеличивается, возникает избыточное давление, называемое осмотическим или тургором. Тургор придает овощам и другим продуктам прочность, упругость.

Если поместить овощи или фрукты в раствор с высокой концентрацией сахара или соли, то наблюдается явление, обратное осмосу, - плазмолиз. Оно заключается в обезвоживании клеток и имеет место при консервировании плодов и овощей, при квашении капусты, солении огурцов и др. При плазмолизе осмотическое давление внешнего раствора больше, чем давление внутри клетки. В результате происходит выделение клеточного сока. Потеря его ведет к уменьшению объема клетки, нарушению нормального протекания физических и химических процессов в ней. Подбирая концентрацию раствора (например, сахара при варке фруктов в сиропе), температурный режим варки и ее продолжительность, можно избежать сморщивания плодов, уменьшения их объема, ухудшения внешнего вида. 2.Некоторые высохшие студни (ксерогели) способны набухать - поглощать жидкость, при этом их объем значительно увеличивается. Набухание следует отличать от впитывания жидкости порошкообразными или пористыми телами без увеличения объема, хотя эти два процесса часто происходят одновременно. Набухание либо является целью обработки (замачивание сушеных грибов, овощей, круп, бобовых, желатина),' либо сопровождает другие способы обработки (варка крупы, макарон и других продуктов).

Набухание может быть ограниченным (набухшее вещество остается в состоянии геля) и неограниченным (вещество после набухания переходит в раствор). При повышении температуры ограниченное состояние нередко переходит в неограниченное. Так, желатин при температуре 20-22'С набухает ограниченно, а при более высокой - неограниченно (растворяется практически полностью).

Замачивание крупы, бобовых, сушеных грибов и овощей обусловливается не только набуханием белковых и углеводных ксерогелей, но и осмосом, и капиллярным впитыванием Замачивание ускоряет последующую тепловую обработку продуктов, способствует равномерному провариванию их.

Адгезия (от лат. adhaesio) - слипание поверхности двух разнородных тел. В кулинарной практике явление адгезии довольно широко распространено и часто играет отрицательную роль. Так, при жарке мясных и рыбных полуфабрикатов прилипание их к жарочной поверхности крайне нежелательно. Для уменьшения адгезии полуфабрикаты панируют в муке или сухарях и используют при жарке жир..

Отрицательную роль играет адгезия и при транспортировке мясного фарша по трубам в поточных линиях при производстве котлет. Трубопроводы засаливаются, на их стенках нарастает слои жира. Адгезия затрудняет и формовку изделий.

Уменьшение адгезии весьма актуально при выпечке изделии из теста, а также при изготовлении самого теста (потери в деже, на лопастях тестомесильных машин, на разделочных столах и т. д.). Одним из способов снижения степени адгезии является использование муки "на подпыл" при формовке изделий. В этом случае с поверхностью противней контактирует уже не тесто, а мука, адгезия которой к поверхности инвентаря значительно меньше. Часть муки при этом прилипает к тесту и попадает в готовые изделия, а часть теряется.

Для предупреждения прилипания кулинарной продукции в процессе ее тепловой обработки в последние годы широко используют оборудование и инвентарь со специальным покрытием, прослойки из полимерных материалов, так называемых антиадгезивов. Использование антиадгезивов повышает культуру производства и производительность труда. Обязательным условием применения полимерных материалов являются их безвредность, инертность по отношению к пищевому продукту и устойчивость при нагревании. Причем термостойкость должна сохраняться длительное время. 3.Как уже отмечалось, поверхностный нагрев создает в продуктах градиент температуры и вызывает перемещение влаги. Пищевые продукты представляют собой капиллярно-пористые тела. В капиллярах на влагу действуют силы поверхностного натяжения. Если оба конца капилляра имеют одинаковую температуру, то влага в нем находится в равновесии. Если же один конец капилляра нагреть, то поверхностное натяжение его уменьшится. Но поскольку на другом конце капилляра оно будет прежним, жидкость вместе с растворенными в ней веществами будет передвигаться от нагретого конца к холодному. Благодаря этому возникает поток влаги от нагретой поверхности продукта к его холодному центру (термодиффузия). Одновременно часть влаги с поверхности изделия под действием высокой температуры испаряется. Поверхностный слой быстро обезвоживается, в нем повышается температура, под действием которой глубокие изменения претерпевают отдельные пищевые вещества (меланоидинообразование, декстринизация крахмала, карамелизация сахаров и др.), в результате чего на продукте образуется румяная корочка. Образовавшаяся корочка уменьшает потери влаги, а следовательно, и массы изделия за счет испарения. Чем горячее поверхность при жарке, чем выше градиент температуры, тем быстрее образуется корочка. По мере образования обезвоженного поверхностного слоя возникает разница в содержании влаги (градиент влагосодержания). В поверхностных слоях влагосодержание меньше, в глубине - больше, вследствие чего поток влаги направляется к поверхности. При стационарном тепловом режиме устанавливается равновесие этих двух потоков: направленного к центру (вызванного термомассопереносом) и направленного к поверхности (вызванного градиентом влагосодержания).

...