МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ХИМИЯ

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

Методические указания для СРС

ИЗДАТЕЛЬСТВО

Иркутского государственного технического университета

2010

Химия. Тестовые задания: метод. указания для СРС / сост.: О.В.Кузнецова, В.П.Зуева, З.Н.,Топшиноева, О.В.Лебедева − Иркутск. Изд-во ИрГТУ, 2010. − 68 с.

Методические указания включают четыре раздела курса химии. Каждый раздел содержит тестовые задания и теоретические сведения, необходимые для их выполнения. Структура тестов соответствует содержанию государственных образовательных стандартов по химии и максимально приближена к реальному контрольному тестированию. Предлагается пять форм тестовых заданий: с выбором одного правильного ответа из предложенных; с выбором нескольких правильных ответов из предложенных; на установление правильной последовательности; на установление соответствия; с кратким ответом (в виде целого числа или отдельного слова).

Предназначены для подготовки студентов 1 курса технических направлений и специальностей к Федеральному Интернет-экзамену.

Библиогр. 5 назв., табл. 3.

Рецензент: д.х.н., профессор кафедры химии Ю.Н.Пожидаев

Печатается в авторской редакции

Подписано в печать . Формат 60 х 90 / 16

Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 4,25

Тираж 50 экз. Зак.

ИД № 06506 от 26.12.2001

Иркутский государственный технический университет

664074, Г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83 дисперсные системы и поверхностные явления

Наука, которая изучает поверхностные явления и дисперсные системы, называется коллоидной химией. Основными объектами, изучаемыми коллоидной химией, являются дисперсные системы. Дисперсные системы являются гетерогенными, они состоят из сплошной непрерывной фазы – дисперсионной среды и находящихся в этой среде раздробленных частиц – дисперсной фазы. Их основная особенность – наличие большой межфазной поверхности, являющейся источником избытка поверхностной энергии, в результате которой возможны многие самопроизвольные процессы в поверхностном слое.

Поверхностные явления

На границе раздела различных фаз проявляются особенные свойства систем, которые называют поверхностными явлениями. К ним относятся, например, смачивание жидкостями поверхности твердых тел, сорбция.

В пограничном слое молекулы взаимодействуют с разным числом молекул и с молекулами различной химической природы, при этом, чем больше различие в напряженности межмолекулярных сил, действующих в каждой из фаз, тем больше потенциальная энергия межфазовой поверхности – поверхностная энергия. Обычно под поверхностной энергией понимается энергия Гиббса образования поверхности. Таким образом, на границе раздела фаз самопроизвольно могут происходить такие процессы, которые приводят к уменьшению свободной поверхностной энергии. Поверхностная энергия, отнесенная к единице площади поверхности, называется удельной поверхностной энергией, или поверхностным натяжением σ. Удельная поверхностная энергия определяется природой вещества: чем выше энергия взаимодействия между частицами вещества, тем выше значение σ. С увеличением температуры удельная поверхностная энергия уменьшается, вблизи критической температуры поверхностное натяжение равно нулю.

Сорбционные процессы

Вследствие наличия поверхностной энергии на границе раздела фаз происходит накопление тех или иных частиц. Процесс поглощения одного вещества (сорбтива) другим (сорбентом), в результате которого изменяется (как правило, повышается) концентрация первого вещества, называется сорбцией. Вещество, которое поглотилось, называется сорбатом. Процесс, обратный сорбции, называется десорбцией. В зависимости от механизма сорбции различают адсорбцию, абсорбцию, хемосорбцию, капиллярную конденсацию.

Адсорбция – это процесс изменения концентрации вещества на границе раздела фаз. К адсорбентам, на поверхности или в порах которого происходит адсорбция, относятся активированный уголь, силикагель, цеолиты и др. Абсорбция – это процесс поглощения вещества всем объемом сорбента. Поглощение одного вещества другим, сопровождающееся химическими реакциями, называется хемосорбцией. Капиллярная конденсация заключается в ожижении паров в микропористых сорбентах.

Любой сорбционный процесс начинается с адсорбции на границе соприкасающихся фаз. Адсорбция имеет место на границе раздела жидкость-газ, твердое тело-газ(жидкость), жидкость-жидкость. В результате процесса адсорбции происходит уменьшение свободной поверхностной энергии, и процесс протекает самопроизвольно. При этом чем больше поверхность адсорбента, тем больше количество адсорбата. Внутренняя поверхность адсорбентов характеризуется удельной поверхностью, т.е. поверхностью, которая приходится на 1 г сорбента. Например, активированные угли характеризуются удельной поверхностью до 1000 м²/г.

Так как процесс адсорбции протекает самопроизвольно, то энергия Гиббса адсорбции имеет отрицательное значение: ΔG_адс < 0. Тепловой эффект адсорбции также имеет отрицательное значение: ΔН_адс < 0. В процессе адсорбции происходит упорядочение адсорбированных частиц, следовательно, энтропия системы уменьшается: ΔS_адс < 0. Изменение энергии Гиббса системы определяется по уравнению ΔG = ΔH – TΔS, следовательно, с увеличением температуры энергия Гиббса системы при адсорбции возрастает, и при некоторой температуре Т_р энергия Гиббса системы станет равна нулю (ΔG_адс = 0, Т_р·ΔS_адс = ΔН_адс). В этом случае наступит равновесие, при котором скорость адсорбции равна скорости десорбции. При Т > Т_р равновесие сдвигается в сторону десорбции. Следовательно, вещество можно адсорбировать при невысокой температуре и десорбировать при повышенной температуре.

Количественной мерой адсорбции является поверхностный избыток вещества, равный разности его концентраций в поверхностном слое и в таком же слое внутри объема раствора – Г (гамма), иначе эта характеристика называется величиной адсорбции. Величина Г зависит от температуры и концентрации адсорбируемого вещества. Зависимость величины адсорбции от равновесной концентрации или равновесного парциального давления при постоянной температуре называется изотермой адсорбции. Наиболее часто для описания изотерм адсорбции используют уравнения Лэнгмюра и Фрейндлиха.

Уравнение Лэнгмюра основывается на предположении, что поверхность адсорбента однородна и при максимальном заполнении образуется мономолекулярный слой:

или ,

где Г_∞ – адсорбция при максимальном заполнении; С – равновесная концентрация адсорбата; р – равновесное давление адсорбата; К_а – константа равновесия процесса адсорбции.

Отношение Г/Г_∞ называется степенью заполнения адсорбатом поверхности адсорбента – Θ. Соответственно уравнение Лэнгмюра можно записать в следующем виде:

или ,

Уравнение Лэнгмюра характеризует идеализированную систему, тогда как уравнение Фрейндлиха является эмпирическим и соблюдается при адсорбции в области средних заполнений (Θ = 0,2-0,8):

Г = К_фСⁿ или Г = К_фрⁿ,

где К_ф и n – постоянные.

В соответствии с изотермой адсорбции с увеличением парциального давления газа адсорбция возрастает, следовательно, при понижении давления будет происходить десорбция.

Поверхностно-активные вещества

При адсорбции изменяются свойства поверхностного слоя, в частности поверхностное натяжение. Вещества, при добавлении в систему которых происходит снижение поверхностного натяжения на границе раздела фаз, называются поверхностно-активными. Вещества, повышающие поверхностное натяжение на межфазной поверхности, называются поверхностно-инактивными. Вещества, не влияющие на поверхностное натяжение, называются поверхностно-неактивными. В водных растворах поверхностно-активны полярные органические соединения (спирты, кислоты, амины, фенолы), а большинство сильных электролитов поверхностно-инактивно.

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) адсорбируются в поверхностном слое положительно, для них Г > 0, т.к. в результате поверхностное натяжение уменьшается. Поверхностно-инактивные вещества адсорбируются отрицательно, т.е. для них Г < 0. Следовательно, поверхностно-активные вещества адсорбируются в поверхностном слое, тогда как поверхностно-инактивные вещества – в объеме раствора.

Поверхностно-активные вещества могут быть молекулярнорастворимыми (спирты R-OH, кислоты R-COOH), т.е. они растворяются до молекулярного состояния; и мицеллярнорастворимыми, т.е. они в растворе образуют ассоциаты, называемые мицеллами.

Поверхностная активность ПАВ объясняется строением молекул этих веществ: они имеют неполярные гидрофобные углеводородные части («хвосты») и полярные гидрофильные части («головы»). При растворении молекулы ПАВ адсорбируются на границе раздела фаз, причем гидрофобная их часть обращена в сторону газа или неполярной жидкости, гидрофильная часть – в сторону полярной жидкости или твердого гидрофильного адсорбента. Например, в воде гидрофобная часть молекулы ПАВ выталкиваются, а гидрофильная группа удерживает молекулу ПАВ на границе раздела фаз, в результате на поверхности воды молекулы ПАВ ориентируются полярной частью («головой») к полярной фазе (к воде), а неполярным углеводородным радикалом («хвостом») – к неполярной фазе (например, к воздуху). Поверхностная активность ПАВ возрастает с увеличением длины углеводородной части молекул и концентрации ПАВ.

Изменение поверхностного натяжения под действием ПАВ влияет на смачиваемость твердых тел жидкостью. Этот эффект широко используется для очистки тканей или металлов от жировых загрязнений, для разделения пустой породы и руды при флотации руд и др.