МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

Мельник О.Д., Калин Т.І

Фізична та колоїдна хімія

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

МВ 02070855-1007-2002

Рекомендовано Вченою Радою Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу для студентів напрямку „Гірництво” і „Екологія”

Івано-Франківськ

2002

Мельник О.Д., Калин Т.І.

Фізична та колоїдна хімія

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

2002

УДК 544 544.77 (075.8)

Мельник О.Д. Калин Т.І., Фізична та колоїдна хімія: Конспект лекцій. – Івано-Франківськ: Факел, 2002.-167с.

Конспект лекцій складений у відповідності з програмою курсу "Фізична та колоїдна хімія", прочитаного студентам ІФНТУНГ.

Конспект складається із трьох розділів: хімічна термодинаміка, дисперсні системи і поверхневі явища, які охоплюють дев’ять лекцій. В кінці кожної лекції подаються контрольні питання для самооцінки прочитаного, а в кінці розділів наведені розв’язки задач і задачі для самостійної роботи, які закріплюють вивчене.

Конспект рекомендується студентам при вивченні курсу, а також аспірантам, науковим працівникам, що вирішують суміжні проблеми.

Рецензенти:

Романко П.Д. – канд. хім. наук, доц. завідувач кафедри хімії ІФНТУНГ.

Голова навчально-методичного об’єднання спеціальності „Екологія та охорона навколишнього середовища” О.М. Адаменко

Голова навчально-методичного об’єднання спеціальності „Газонафтопроводи та газонафтосховища” Т.А. Мартинюк

Завідувач кафедри хімії П.Д. Романко

Член експертно-рецензійної комісії університету П.Д. Романко

Нормоконтролер О.Г. Гургула

Коректор Н.Ф. Будуйкевич

Дане видання – власність ІФНТУНГ. Забороняється тиражування та розповсюдження.

Зміст.

1 Хімічна термодинаміка 4

1.1 Основи фізичної хімії. Хімічна термодинаміка. 4

Вступ. 4

1.2 Напрямок перебігу фізико – хімічних процесів. 14

2 Дисперсні системи 32

2.1 Класифікація дисперсних систем 32

2.2 Молекулярно-кінетичні властивості дисперсних систем. 43

3 Поверхневі явища 64

3.1 Поверхнева енергія і поверхневий натяг адгезія і когезія. 64

3.2 Поверхневі явища на межі тверде тіло – газ, тверде тіло – рідина, рідина – газ, рідина – рідина, тверде тіло – рідина, тверде тіло – тверде тіло. 84

3.3 Електричні явища на межі тверде тіло – рідина. Будова міцели. 109

3.4 Стійкість дисперсних систем. 130

3.5 Характеристика мікрогетерогенних дисперних систем. 149

1 Хімічна термодинаміка

1.1 Основи фізичної хімії. Хімічна термодинаміка

План

Вступ

1.1.1 Основні поняття і терміни хімічної термодинаміки

1.1.2 Перший постулат (закон) термодинаміки

1.1.3 Теплові ефекти фізико-хімічних процесів

1.1.3.1 Розрахунки теплових ефектів

1.1.4 Висновки із закону Гесса

1.1.5 Залежність теплового ефекту процесу від температури

Вступ

Фізичну хімію можна визначити як науку, що вивчає проблеми, які лежать на межі хімії та фізики. По-перше, це застосування фізичних концепцій, теорій, математичного апарата до розгляду загальних положень хімії. Ці розділи слід було б назвати теоретичною хімією. До речі, саме так називався перший підручник з фізичної хімії, виданий Вальтером Нернстом, німецьким дослідником на початку ХХ століття.

По-друге, фізична хімія повинна вивчати і вплив фізичних факторів, наприклад, електрики, світла тощо, на хімічні процеси. При цьому вона характеризується широким використанням математики, яка дає не тільки можливість найточніше виразити теоретичні закономірності, але й є необхідним інструментом їх встановлення.

Теоретичний характер фізичної хімії визначає її значення як для інших хімічних наук, що використовують теоретичні методи хімії, так і для інших природничих наук (геології , біології ), а також для виробництва.

Фізична хімія дозволяє розв’язувати задачі ефективного управління виробництвом, інтенсифікації та автоматизації виробничих процесів, передбачити результати процесів в тих чи інших умовах. Без фізичної хімії не можна розв’язувати проблему створення матеріалів з заданими властивостями, розробки нових джерел струму, боротьби з корозією тощо. В даному курсі лекцій буде розглянуто розділ хімічної термодинаміки і розділ колоїдної хімії, яка виділилась в окрему дисципліну, i є фізичною хімією дисперсних (подрібнених) матеріалів та поверхневих явищ.

1.1.1 Основні поняття і терміни хімічної термодинаміки

Термодинаміка, як наука, виникла зі спроб теоретичного обґрунтування роботи теплових машин, тобто агрегатів, які перетворюють теплоту в роботу. Про це свідчить і назва цієї науки: “термо” – теплота, і “динаміка” – рух, сила. Наступний її розвиток показав, що за допомогою термодинаміки можна вивчaти:

1) переходи енергії з однієї форми в іншу;

2) енергетичні ефекти, які супроводжують різні фізико-хімічні процеси і їх залежність від умов протікання;

3) можливість, напрям та границі самочинного протікання процесів в різних умовах.

При цьому термодинаміка використовує феноменологічний метод, який полягає в узагальненні експериментальних фактів і багатого досвіду практики у вигляді постулатів (законів) з їх дальшим застосуванням до різних питань і конкретних умов без розгляду молекулярної будови об’єктів дослідження .Тут доцільно відмітити, що постулати, принципи, не доводяться, а логічно обгрунтовуються. Але твердження і наслідки, які випливають з нього, повинні бути підтверджені дослідом, практикою.

Пізніше ми ознайомимось з трьома принципами (постулатами, законами) і їх найбільш важливими для хімії наслідками.

Почнемо з уточнення визначень понять, які використовуються для цього.

♦Термодинамічні системи. Термодинаміка вивчає макроскопічні системи, просторові розміри яких і час існування достатні для проведення процесів вимірювання. Такі системи складаються з великого числа матеріальних частинок (молекул, атомів, електронів і т.д.) чи полів. Отже, термодинамічна система – це тіло або сукупність тіл, що складаються з великого числа частинок і реально чи уявно виділені із довкілля.

В будь-якому випадку, ми маємо справу з динамічними системами, які мають велике число ступенів свободи. Системи з малим числом ступенів свободи термодинамікою не розглядаються.

Все, що оточує термодинамічну систему, називають оточуючим середовищем. Більш абстрактно оточення розглядають як термостат, який накладає деякі умови на систему (постійна температура, тиск, хімічний потенціал і т.д.)

Розглядають три види термодинамічних систем:

- відкриті – які обмінюються із довкіллям речовиною та енергією;

- закриті – які обмінюються лише енергією з оточуючим середовищем;

- ізольовані – що не обмінюються з довкіллям ані речовиною, ані енергією.

Конденсовані системи – складаються із твердих тіл і рідин.

Неконденсовані системи – охоплюють лише паро- і газоподібні об’єкти.

♦Поняття теплової рівноваги. Ізольована система приходить в кінцевий стан, який потім не змінюється. Цей кінцевий стан називається станом термічної чи теплової рівноваги. Якщо після контакту між системами не відбувається зміни, то вважається, що ті системи знаходяться в тепловій рівновазі. Це очевидне твердження деякі дослідники вважають постулатом (нульовий закон термодинаміки).Він формулюється таким чином:

Якщо системи А і В знаходяться в тепловій рівновазі і системи В і С знаходяться також в тепловій рівновазі, то системи А і С теж є в стані теплової рівноваги між собою.

Кожна термодинамічна система характеризується певними властивостями. Це об’єм, температура, маса, тиск та похідні від них, наприклад, густина, концентрація, теплоємність тощо. Ці властивості можна розділити на три групи. До першої групи відносять властивості, значення яких при взаємодії систем вирівнюються (температура, тиск, концентрація), і які називають інтенсивними (фактори інтенсивності). До другої групи відносять властивості, значення яких сумують при контакті систем (об’єм, маса, тощо), їх називають екстенсивними (факторами екстенсивності). Вони пропорційні кількості речовини в системі.

Стан системи можна однозначно описати за допомогою деяких змінних, які мають назву параметрів системи, або незалежних змінних. До параметрів системи належать тиск, температура, концентрація речовини і ряд інших. Параметр стану системи характеризує деяку властивість системи і не залежить від способу досягнення цього стану. За допомогою параметрів можна описувати функції стану системи. Якщо хоча б один із параметрів стану зміниться з часом, то говорять, що в системі протікає термодинамічний процес. Зв’язок, який існує між параметрами стану, виражається рівнянням стану. Наприклад, рівняння Клапейрона-Менделеєва:

pV=nRT,

де р – тиск (Па),

V – об’єм (м³),

n – кількість молей речовини (моль),

R – універсальна газова стала (Дж/моль·К),

T – температура (К).

Характерною рисою функцій стану є те, що при переході від одного стану до іншого зміна функцій стану не залежить від шляху процесу, а визначається кінцевим і початковими станами. З математичної точки зору інтегральна функція, що не залежить від шляху процесу, повинна бути інтегралом від повного диференціала. Розглянемо це на простому прикладі.

І нтеграл від деякої функції y = f (x) дорівнює площі під кривою f(x) (рис.1.1) і залежить від того, яким шляхом пройти від точки 1 до точки 2 .Аналогічно інтеграл теж визначається шляхом від 1 до 2. Але, якщо взяти функцію z=xy, то інтеграл: , не залежить від шляху від 1 до 2. Неважко помітити ,що в даному випадку N дорівнює сумі інтегралів і L, a dz=ydx+xdy є повним диференціалом. Справді,

.

Крім вищенаведених понять, в хімічній термодинаміці широко використовуються поняття енергії, роботи та теплоти.

Енергія – загальна якісна міра руху і взаємодії всіх видів матерії. Енергія існує в різних формах – тепловій (тепло), світловій (випромінювання), хімічній, електричній, механічній. Термодинаміка використовує поняття внутрішня енергія, вільна енергія, зв’язана енергія.

Внутрішня енергія (U) – визначається як сумарна енергія всіх видів руху частинок у системі: поступального, обертального, та коливального руху частинок, хімічної, гравітаційної, внутрішньомолекулярної, променевої енергії. До внутрішньої енергії не належить потенціальна і кінетична енергія руху системи, як цілого, які можна було б назвати “макроенергією” системи.

Зв’язана енергія – це частина внутрішньої енергії, яка в даних умовах не може бути перетворена в роботу.

Вільна енергія – частина внутрішньої енергії, яка може бути перетворена в роботу в даних умовах.

Робота (W) – визначається, як добуток фактора інтенсивності на зміну фактора екстенсивності Wf_i·df_е.

В залежності від вибору цих факторів можна розглядати механічну (сила, шлях), електричну (різниця потенціалів, кількість електрики), розширення (тиск, об’єм) і інші види роботи. Всі форми енергії, крім теплоти, можуть бути повністю перетворені в роботу.

Теплота(Q) – енергетична характеристика процесу теплообміну і вимірюється кількістю енергії, яку одержує або віддає в цьому процесі система. Теплообмін полягає в безпосередній передачі енергії частинками(молекулами) одного тіла частинкам (молекулам) іншого тіла при їх контакті. У випадку, коли енергія передається хаотичними рухами частинок системи, говорять про передачу теплоти. Якщо ж енергія передається узгодженим, впорядкованим рухом частинок, говорять, що відбувається робота.