22. Соотношение между величиной изменения энергии Гиббса и величинами энтропии и энтальпии
Закон Гесса: тепловой эффект реакции, протекающей при постоянном давлении и (или) объеме, зависит от природы и состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от пути реакции.
Следствие из закона Гесса: энтальпия химических реакций равна сумме энтальпий образования продуктов реакций за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ с учетом их стехиометрических коэффициентов.
В результате протекания реакции bВ + dD=lL + mM ее тепловой эффект рассчитывается по формуле:
rG° = lfG°L + mfG°M - dfG°D - bfG°
Стехиометрические коэффициенты в уравнениях реакций показывают, в каких количественных соотношениях находятся реагенты и продукты реакции на микро- и макроуровнях: на микроуровне соотношения между молекулами веществ, на макроуровне - между химическими количествами веществ.
23. Дисперсные системы. Коллоидные растворы
Диспе́рсная систе́ма (от лат. dispersio «рассеяние») – образования из двух или большего числа фаз (тел), которые практически не смешиваются и не реагируют друг с другом химически. В типичном случае двухфазной системы первое из веществ (дисперсная фаза) мелко распределено во втором (дисперсионная среда).
По размерам частиц дисперсной фазы различают
грубодисперсные системы, размер частиц м;
мелкодисперсные (коллоидные), размер частиц м;
истинные растворы, размер частиц менее м (менее нм). Истинные растворы гомогенны (однородны), в них нет поверхности раздела между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды.
К грубодисперсным системам относятся суспензии и эмульсии.
Суспензии, или взвеси — грубодисперсные системы, в которых твёрдое вещество распределено в жидкости.
Эмульсии — грубодисперсные системы, в которых одна жидкость распределена в другой, нерастворяющей её жидкости.
Грубодисперсные системы гетерогенны. По внешнему виду они мутные. Частицы, входящие в состав грубодисперсных систем, не способны проходить через бумажный фильтр и ультрафильтры, их можно увидеть с помощью оптического микроскопа. Грубодисперсные системы неустойчивы: через некоторое время твёрдые частицы суспензии оседают на дно сосуда, а эмульсии разделяются на отдельные фазы. Грубодисперсные системы можно разделить фильтрованием или центрифугированием.
К мелкодисперным системам относятся золи, аэрозоли, пены, твёрдые коллоидные растворы.
Золи, или коллоидные растворы — мелкодисперные системы, в которых твёрдое вещество распределено в жидкости. Слово «коллоид» образовано от греческого слова «колло», что означает клей. Коллоиды получили такое название потому, что при концентрировании этих растворов образуется студнеобразная клейковидная масса.
Аэрозоли — мелкодисперсные системы, в которых капли жидкости или твёрдые частицы распределены в газе. Если дисперсной фазой является жидкость, то аэрозоль называется туманом, если дисперсной фазой является твёрдое вещество — то дымом или пылью.
Пены — мелкодисперсные системы, в которых пузырьки газа распределены в жидкости. Примерами пены являются взбитые сливки, взбитый куриный белок.
Твёрдые дисперсные системы — мелкодисперсные системы, в которых газ, жидкость иди твёрдое вещество распределены в другом твёрдом веществе. Примером твёрдой дисперсной системы, в которой дисперсной фазой является газ, являются пенопласты, пемза, безе, хлебобулочные изделия. Примером твёрдой дисперсной системы с жидкой дисперсной фазой является, например, природный жемчуг, представляющий собой карбонат кальция, в котором диспергирована вода. К твёрдым дисперсным системам, в которых дисперсной фазой является другое твёрдое вещество, относятся сплавы, драгоценные и полудрагоценные камни, цветные стёкла.
Коллоидные системы характеризуются очень большой площадью поверхности составляющих их частиц, что обусловливает их высокую реакционную способность.
Коллоидные растворы занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами. Коллоидные растворы, как и грубодисперсные системы, гетерогенны, но по сравнению с ними имеют меньший размер частиц. В отличие от грубодисперсных систем, их нельзя разделить обычным фильтрованием с использованием бумажного фильтра и ультрафильтра или с помощью центрифугирования.
Коллоидные растворы относительно устойчивы из-за наличия на их поверхности частиц одинакового заряда, что препятствует их слипанию и выпадению в осадок. Соединение частиц в более крупные агрегаты называется коагуляцией, а их осаждение под действием силы тяжести – седиментацией. Коагуляция коллоидного раствора при нагревании или при добавлении другого коллоидного раствора, частицы которого имеют противоположный заряд. Вследствие коагуляции коллоидных растворов может произойти образование студенистой массы, называемой гелем. Гель представляет собой эластичную желеобразную массу, способную сохранять форму. Частицы твёрдого вещества в составе геля образуют пространственную сетку, в пустотах которой находятся молекулы воды. Примерами гелей являются желе, мармелад, пастила, зефир.
С течением времени гели уменьшаются в объёме вследствие самопроизвольного отделения жидкости. Это явление называется старением гелей, или синерезисом. Синерезис можно наблюдать при отстаивании простокваши, на чём основано получение творога.
Коллоидные растворы прозрачны. Рассеяние света в коллоидных растворах обусловливает их опалесценцию — матовое голубоватое свечение, заметное на тёмном фоне при боковом освещении. Рассеяние света является причиной возникновения характерного для коллоидных систем явления: при прохождении луча света через коллоидную систему образуется светящийся конус. Это явление называется эффектом Тиндаля.
Эффект Тиндаля в природе можно наблюдать при прохождении солнечных лучей через облака, дым или туман.
Пути образования дисперсной системы:
Конденсационный – связан с зарождением новой фазы в перенасыщенной исходной фазе. Эта перенасыщенная исходная фаза впоследствии становится дисперсной средой.
Диспергационный – осуществляется при значениях поверхностного натяжения ниже некоторого критического значения.
Возможно образование дисперсной системы в результате химической реакции в гомогенной среде. При этом продукты реакции при данных условиях находятся в агрегатном состоянии, отличном от материнской фазы.