Предисловие

 

Предлагаемый учебник по физической и коллоидной химии предназначен для учащихся технологических отделений техникумов советской торговли и обществен­ного питания. Согласно существующей программе по физической и коллоидной химии учебник не является систематическим курсом, а включает лишь разделы, предусмотренные программой. Авторы стремились в наиболее доступной форме изложить все разделы кур­са, сократив математические расчеты до минимума.

К учебнику прилагается практикум, а также упраж­нения и задачи. Все лабораторные работы просты, не требуют сложного оборудования, поэтому их можно провести в химической лаборатории любого техникума. Каждая работа проводится за два часа при условии до­машней теоретической подготовки учащихся. Некото­рые опыты могут быть вынесены на демонстрационный эксперимент.

Пользуясь, случаем, авторы благодарят тех, кто прислал свои замечания по второму изданию. В третье издание учебника внесены значительные дополнения изменения. Однако учебник, без сомнения, не лишен недостатков, поэтому авторы будут благодарны за кри­тические замечания и советы.

В. Липатников

К. Казаков.

Сколь в приготовлении приятных пищей и напитков химия нам способствует.

 М. В. Ломоносов

 

Часть первая                                             

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Физическая химия изучает неразрывную связь между физической и химической формами движения материи. Название «физическая химия» указывает на то, что эта наука как бы находится на границе между физикой и химией и зачастую в ней переплетаются они обе. Физи­ческая химия изучает химические процессы физически­ми методами, устанавливая свойственные этим процес­сам общие количественные закономерности. Другими словами, физическая химия — это наука, изучающая связь химических и физических свойств веществ, хими­ческих и физических явлений и процессов. Наиболее полно и точно цели и задачи физической химии опреде­лил М. В. Ломоносов: «Физическая химия — наука, объ­ясняющая на основании положений и опытов физиче­скую причину того, что происходит через химические операции в сложных телах. Химия и физика так соеди­нены между собой, что одна без другой в совершенстве быть не могут».

Основными проблемами, характеризующими направ­ление и определяющими предмет физической химии, являются проблемы химической термодинамики, изуча­ющей связь между химической и другими формами энергии. Учение о строении вещества рассматривает строение атомов, молекул и агрегатное состояние веществ. Химическая кинетика изучает скорость и меха­низм химических реакций, а также явление катализа. Учение о растворах рассматривает природу растворов, их внутреннюю структуру, важнейшие свойства, зави­сящие от концентрации и химической природы компонентов, составляющих раствор, а также свойства растворов электролитов.

В настоящее время физическая химия представляет собой обширную область знаний, из которой выделились такие науки, как коллоидная химия и электрохимия. Коллоидная химия изучает свойства и поведение си­стем, в состав которых входят частицы относительно больших размеров (высокомолекулярные вещества или агрегаты малой молекулярной массы).

Физическая химия, основоположником которой явля­ется М. В. Ломоносов, сформировалась как самостоя­тельная наука в середине XVIII в. М. В. Ломоносов впервые указал на зависимость химических процессов от физического состояния вещества и условий окружаю­щей среды. Он создал атомно-молекулярное учение о строении вещества, открыл закон сохранения материи, изучал свойства растворов, газов. М. В. Ломоносов первым начал читать курс физической химии и организовал лабораторные работы для учащихся. С 1865 г. курс физической химии начинает входить как самостоя­тельная дисциплина в систему преподавания в учебных заведениях.

Дальнейшему развитию физической химии способст­вовали работы Д. И. Менделеева. Открытие периодиче­ского закона, изучение свойств газов, растворов оказа­ло огромное влияние на развитие физической химии. Большой вклад в развитие науки внесли Вант-Гофф (Голландия), который изучал свойства растворов неэлек­тролитов, С. Аррениус (Швеция), являющийся осново­положником теории электролитической диссоциации, и М. Фарадей (Англия), открывший законы электролиза. К числу создателей современной физической химии относятся ученые нашей Родины: И. А. Каблуков, II. Д. Зелинский, Н. А. Шилов, Н. Н. Семенов и др.

Физическая химия имеет не только теоретическое, но и практическое значение. Законам физической химии под­чиняется большинство технологических процессов. Так, например, производство металлов и сплавов, получение пластмасс, химических волокон, удобрений, каучука и т. д. основываются на законах физической химии.

Используемое в пищевой промышленности и общест­венном питании сырье представляет собой преимущественно коллоидные и высокомолекулярные системы, поэтому для рационального построения технологического процесса переработки такого сырья и объективной оценки качества полученной продукции необходимо знать и уметь применять на практике законы физиче­ской и коллоидной химии.

 

Глава I

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ. ТЕРМОХИМИЯ

 

§ 1. Основные понятия термодинамики

 

Предмет термодинамики. Окружающий нас мир пред­ставляет собой различные формы движущейся материи. Мерой движения материи является энергия, проявляю­щаяся в различных ее видах. Взаимные превращения различных видов энергии, связанные с переходом энер­гии в форме теплоты и работы, изучает термодинамика. Применение термодинамики к химическим процессам составляет предмет химической термодинамики, которая изучает превращение различных видов энергии при хи­мических реакциях, процессах растворения, испарения, кристаллизации и др.

Зная законы химической термодинамики, можно предсказать, возможна ли данная реакция при данных условиях или нет, и при каких условиях она станет возможной, каков будет выход продуктов реакции, т. е. какова степень превращения исходных веществ в конечные, каким тепловым эффектом она будет сопровождаться. Энергетическая сторона химических процессов имеет важное значение, так как выделяющееся при этом тепло позволяет использовать реакции горения газооб­разного, жидкого и твердого топлива в качестве ис­точника тепловой энергии. Кроме того, данные об энергетических эффектах реакций используются для определения прочности межатомных и межмолекулярных связей, для выяснения строения и реакционной способ­ности химических соединений и т. д.

Термодинамические системы. Системой называется тело или группа тел, выделенных фактически или мысленно из окружающей среды. Системой может быть газ в баллоне, стакан чая, кристалл сахара и т. п. Особенность систем, рассматриваемых в термодинамике, заключается в том, что они состоит из большого числа частиц — молекул или атомов. К отдельным молекулам, атомам или элементарным частицам законы термодина­мики не применимы.

Фазой называется совокупность всех однородных частей системы, обладающих одинаковыми свойствами и отделенных от остальных частей системы поверхностью раздела. Например, жидкая вода представляет собой одну фазу, а система «жидкая вода — лед» содержит две фазы, которые хотя и обладают одинаковым химическим составом, но различаются по свойствам (по внутреннему строению, плотности и др.) и имеют поверх­ность раздела.

Все термодинамические системы можно разделить на две большие группы — гомогенные и гетерогенные. Гомогенными (однофазными) называются системы, со­стоящие только из одной фазы, например воздух — смесь газов, раствор поваренной соли и сахара в воде. Здесь между составными частями систем отсутствует поверх­ность раздела.

Системы, содержащие две или большее число фаз, называются гетерогенными (разнофазными, неоднород­ными). Например, лед, вода и находящийся над ними пар образуют гетерогенную систему, состоящую из трех фаз: твердой (лед), жидкой (вода) и газообразной (водяной пар); нерастворившиеся кристаллы поварен­ной соли в воде образуют гетерогенную систему из двух фаз и т. д. В гетерогенной системе составные ее час­ти— фазы — разделены поверхностью раздела.

Термодинамическая система может быть открытой, закрытой и изолированной. Система, которая может обмениваться веществом с окружающей средой, называется открытой, например сосуд с кипящей водой. Для закрытой системы невозможен обмен веществом с окру­жающей средой, например газ, находящийся в баллоне. Пели, наконец, невозможен обмен ни веществом; ни энергией, такая система называется изолированной. Примером может служить запаянная ампула, полностью полированная от внешней среды.

Параметры и процессы. Физические величины, позволяющие определить состояние системы, называются параметрами состояния. В химии чаще используются следующие параметры: объем, давление, температура и концентрация. Параметры состояния, поддающиеся непосредственному изменению, принято считать основными. К ним относят температуру Т, давление Рмолярный объем V, концентрацию С. Другие параметры, завися­щие от основных, являются функциями основных пара­метров и называются функциями состояния.

Совокупность параметров определяет состояние си­стемы. Математическое выражение, показывающее взаи­мозависимость основных параметров данной системы, называется уравнением состояния. Примером может служить уравнение состояния идеального газа:

РV=RT,                                                         (I.1)

где р — давление газа; V — молярный объем; Т — абсо­лютная температура; R— универсальная газовая по­стоянная.

Состояние системы может быть равновесным и не­равновесным. Если при отсутствии каких-либо внешних воздействий на систему термодинамические параметры с течением времени не изменяются, то такое состояние ее называется равновесным. Состояние системы назы­вается неравновесным, если ее параметры изменяются при отсутствии внешнего воздействия.

При изменении хотя бы одного из параметров систе­мы равновесие нарушается и начинается изменение со­стояния системы, т. е. идет какой-то процесс. При лю­бом процессе одни параметры системы остаются неиз­менными, а другие изменяются. В зависимости от того, какие параметры при переходе системы из одного состояния в другое остаются постоянными, процессы делятся на изохорные, т. е. проходящие при постоянном объеме (например, в автоклаве), изобарные — при по­стоянном давлении (химические реакции, идущие в от­крытой колбе), изотермические — при постоянной тем­пературе (приготовление пищи при строго определенной температуре).

Все процессы, изучаемые в термодинамике, делят на две группы — обратимые и необратимые. Обратимым называют процесс, который можно провести в прямом и обратном направлениях через те же стадии. Процессы, для которых такие переходы невозможны, называются, необратимыми.

Энергия, теплота, работа. Важнейшими взаимосвязан­ными понятиями в термодинамике являются энергия, теплота и работа. Энергия — это мера способности тела совершать работу. Из различных форм энергии для ха­рактеристики процессов особенно важное значение име­ет внутренняя энергия системы. Любая система, независимо от того, в каком состоянии она находится, всегда обладает определенным запасом энергии. Внутренняя энергия системы представляет собой ее полную энергию, которая складывается из энергии движения молекул, атомов, ядер и электронов в молекулах и атомах, внут­риядерной энергии, энергии межмолекулярного взаимо­действия и т. п.

Внутренняя энергия системы зависит от природы составляющих ее веществ, их массы и внешних условий. Абсолютное значение внутренней энергии в какой-либо системе измерить невозможно, однако опытным путем удается определить изменение внутренней энергии си­стемы при переходе ее из одного состояния в другое. Если обозначить U₁ внутреннюю энергию системы в состоянии 1, U₂ — внутреннюю энергию в состоянии 2, го изменение внутренней энергии в процессе перехода этой системы из состояния 1 в состояние 2 равно

       ∆U  =U2-U1                                         (I.2)

З десь символ  (дельта) употребляется для обозна­чения разности, причем всегда из величины, относящей­ся к конечному состоянию, вычитается величина, отно­сящаяся к начальному состоянию. Изменение внутрен­ней энергии U системы при любом процессе не зависит от пути этого процесса, а зависит лишь от начального и конечного состояния системы. Следовательно, внут­ренняя энергия является функцией состояния системы. В отличие от внутренней энергии теплота и работа не являются функциями состояния, так как они представляют собой разные формы передачи энергии. Поэтому теплота и работа могут быть отнесены только к процессу, а не к состоянию.

Работа А, совершаемая системой, обусловлена взаи­модействием между системой и внешней средой, в результате чего преодолеваются внешние силы, нарушив­шие равновесие в системе. Например, газ, расширяясь и цилиндре с поршнем, может сжимать пружину и таким образом передавать ей часть энергии. Следователь­но, работа является макрофизической формой передачи энергии от системы к системе.

Другой формой передачи энергии является теплота Q, в этом случае энергия непосредственно передается молекулами одного тела молекулам другого при их контакте. Такой обмен происходит между телами, име­ющими различную температуру.

Поскольку теплота и работа в количественном отно­шении являются мерой передаваемой энергии, то коли­чество их измеряется в тех же единицах, что и энер­гия, — в джоулях (Дж).

Часто говорят, что теплота (или работа) подводится к системе или отводится от нее. Однако это не совсем строгое выражение, и, употребляя его, не следует забы­вать, что подводится и отводится не теплота или работа, а энергия в форме теплоты или работы. Если система обменивается энергией с окружающей средой, то в ка­кой бы форме это ни происходило, количество энергии, полученное системой, обозначается знаком. «+», а ко­личество энергии, отданное системой, знаком «—». На­пример, если система получила энергию в форме тепло­ты, то это можно обозначить +Q, а если система отдала теплоту, то — Q.