khimia

Гальваническим элементом называется система, превращающая химическую энергию в электрическую. В результате протекания химических реакций в гальванических элементах осуществляются процессы, обуславливающие возникновение разности потенциалов и электрического тока. При погружении металлического электрода в воду или в раствор электролита возникает обратимая электродная реакция Me<=>Me_p-p⁺ⁿ+ne^-. Происходит окисление металла, ионы которого переходят в раствор, если концентрация ионов металла в растворе меньше равновесной. Данная химическая реакция вызывает возникновение разности потенциалов между поверхностью металла и раствором. Величина данной разности потенциалов в настоящее время не может быть измерена экспериментально.

ЭДС гальванического элемента называется наибольшая разность потенциалов его электродов. Сейчас практически при определении электродных потенциалов измеряют ЭДС гальванического элемента, составленного из двух электродов: неизвестного, потенциала которого необходимо узнать, и стандартного водородного электрода, потенциал которого условно принят равным 0,00 (В). В теории и практике имеют дело с двумя величинами: электродным и стандартным электродным потенциалом.

Стандартным электродным потенциалом называется величина ЭДС гальванического элемента, образованного стандартным водородным электродам и данным электродом при стандартных условиях (температура 298 К, давление 760 мм. рт. ст., активная концентрация ионов металла в растворе 1 моль/л). Электродным потенциалом называется величина ЭДС гальванического элемента, образованного данным электродом и стандартным водородным электродом.

Уравнение Нернста — уравнение, связывающее окислительно-восстановительный потенциал системы с активностями веществ, входящих в электрохимическое уравнение, и стандартными электродными потенциалами окислительно-восстановительных пар.

E=E₀+RT/nF*ln a_Ox/a_Red, где E-электродный потенциал, E₀-стандартный электродный потенциал, измеряется в вольтах; R-универсальная газовая постоянная, равная 8.31 Дж/(моль·K); T—абсолютная температура; F-число Фарадея, равное 96500 Кл/моль; n—число моль электронов, участвующих в процессе; a_Ox и a_Red -активности соответственно окисленной и восстановленной форм вещества, участвующего в полуреакции. Если в формулу Нернста подставить числовые значения констант R и F и перейти от натуральных логарифмов к десятичным, то при T = 298K получим E=E₀+0,059/n*ln a_Ox/a_Red.

Коррозия металлов — разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с коррозионной средой. Для процесса коррозии следует применять термин «коррозионный процесс», а для результата процесса — «коррозионное разрушение». Образование гальванических пар с пользой применяют для создания батарей и аккумуляторов. С другой стороны, образование такой пары приводит к неблагоприятному процессу, жертвой которого становится целый ряд металлов, — коррозии. Под коррозией понимают происходящее на поверхности электрохимическое или химическое разрушение металлического материала. Наиболее часто при коррозии металл окисляется с образованием ионов металла, которые при дальнейших превращениях дают различные продукты коррозии. Коррозия может быть вызвана как химическим, так и электрохимическим процессом. Соответственно, различают химическую и электрохимическую коррозию металлов. Химическая коррозия—взаимодействие поверхности металла с коррозионно-активной средой, не сопровождающееся возникновением электрохимических процессов на границе фаз. В этом случае взаимодействия окисление металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают в одном акте. Например, образование окалины при взаимодействии материалов на основе железа при высокой температуре с кислородом: 4Fe + 3O2 → 2Fe2O3. При электрохимической коррозии ионизация атомов металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают не в одном акте и их скорости зависят от электродного потенциала металла (например, ржавление стали в морской воде). Электрохимическая коррозия-разрушение металла под воздействием возникающих в коррозионной среде гальванических элементов называют электрохимической коррозией. Не следует путать с электрохимической коррозией коррозию однородного материала, например, ржавление железа или т.п. При электрохимической коррозии всегда требуется наличие электролита, с которым соприкасаются электроды - либо различные элементы структуры материала, либо два различных соприкасающихся материала с различающимися окислительно-восстановительными потенциалами. Если в воде растворены ионы солей, кислот, или т.п., электропроводность ее повышается, и скорость процесса увеличивается. Методы защиты. Обычно выделяют три направления методов защиты от коррозии: Конструкционный. Активный. Пассивный. Для предотвращения коррозии в качестве конструкционных материалов применяют нержавеющие стали, кортеновские стали, цветные металлы. При проектировании конструкции стараются максимально изолировать от попадания коррозионной среды, применяя клеи, герметики, резиновые прокладки. Активные методы борьбы с коррозией направлены на изменение структуры двойного электрического слоя. Применяется наложение постоянного электрического поля с помощью источника постоянного тока, напряжение выбирается с целью повышения электродного потенциала защищаемого металла. Другой метод - использование жертвенного анода, более активного материала, который будет разрушаться, предохраняя защищаемое изделие. В качестве защиты от коррозии может применяться нанесение какого-либо покрытия, которое препятствует образованию коррозионного элемента (пассивный метод).

Электро́лиз—физико-химический процесс, состоящий в выделении на электродах составных частей растворённых веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах, который возникает при прохождении электрического тока через раствор либо расплав электролита. Упорядоченное движение ионов в проводящих жидкостях происходит в электрическом поле, которое создается электродами -проводниками, соединёнными с полюсами источника электрической энергии. Анодом при электролизе называется положительный электрод, катодом — отрицательный. Положительные ионы — катионы — (ионы металлов, водородные ионы, ионы аммония и др.) — движутся к катоду, отрицательные ионы — анионы — (ионы кислотных остатков и гидроксильной группы) — движутся к аноду. Явление электролиза широко применяется в современной промышленности. В частности, электролиз является одним из способов промышленного получения алюминия, водорода, а также гидроксида натрия, хлора, хлорорганических соединений, диоксида марганца, пероксида водорода. Большое количество металлов извлекаются из руд и подвергаются переработке с помощью электролиза.

Законы Фарадея. Первый закон Фарадея. Фарадей установил, что масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду q, прошедшему через электролит: m=k*q=k*I*q, если через электролит пропускается в течение времени t постоянный ток с силой тока I. Коэффициент пропорциональности k называется электрохимическим эквивалентом вещества. Он численно равен массе вещества, выделившегося при прохождении через электролит единичного электрического заряда, и зависит от химической природы вещества.

Второй закон Фарадея. Электрохимические эквиваленты различных веществ относятся, как их химические эквиваленты. Химическим эквивалентом иона называется отношение молярной массы A иона к его валентности z. Поэтому электрохимический эквивалент k=1/F*A/z, где F-постоянная Фарадея. Второй закон Фарадея записывается в следующем виде: m=MIΔt/nF, где M-молярная масса данного вещества, образовавшегося в результате электролиза, г/моль; I-сила тока, пропущенного через вещество или смесь веществ, А; Δt-время, в течение которого проводился электролиз, с; F-постоянная Фарадея, Кл·моль−1; n-число участвующих в процессе электронов, которое при достаточно больших значениях силы тока равно абсолютной величине заряда иона, принявшего непосредственное участие в электролизе. Однако это не всегда так; например, при электролизе раствора соли меди(II) может образовываться не только свободная медь, но и ионы меди(I) (при небольшой силе тока).

Электрохимический эквивалент — количество вещества, которое должно выделиться на электроде, согласно закону Фарадея, при прохождении через электролит единицы количества электричества: k=μ/Fz, где F=N_Ae^- постоянная Фарадея.

Гальванопластика — получение сравнительно толстого слоя металлических осадков на поверхности какого-либо предмета. Целью гальванопластики является получение точной металлической копии предмета. При гальванопластике осадки получаются массивными, прочными, легко отделяющимися от покрываемой поверхности. Основное применение в гальванопластике имеет медь; более ограниченное использование железа, никеля, серебра, золота, а также олово, хром и другие металлы и их сочетания. Копируемое изделие, если оно само изготовлено не из электропроводящего материала, покрывают тонким слоем электропроводящего материала, и затем наносят гальваническое покрытие. Этот слой обычно делают легко отделяющимся от поверхности изделия, например, натирают порошок графита, либо токопроводный лак. В гальванопластическом производстве труб и других полых предметов электролитическое осаждение в ряде случаев ведётся на сердечники из легкоплавких сплавов, которые потом удаляются путём нагрева выше температуры их плавления.

Гальваностегия — электролитическое осаждение тонкого слоя металла на поверхности какого-либо металлического предмета для защиты его от коррозии, повышения износоустойчивости, предохранения от цементации, в декоративных целях и т. д.

Получаемые покрытия — осадки — должны быть плотными, а по структуре — мелкозернистыми. Чтобы достигнуть мелкозернистого строения осадков, необходимо выбрать соответствующие состав электролита, температурный режим и плотность тока. Выбор способа покрытия зависит от назначения и условий работы изделия. На сегодняшний день изделия из металла, а так же барельефы на стенах, широко используются как в быту, так и в производстве, и в других сферах промышленности. Надежность, прочность, многофункциональность, привлекательный внешний вид - вот что отличает металл от других материалов. Литьевые пресс формы значительно облегчают производство товаров крупными партиями, художественные кованые изделия позволяют превратить мебель и элементы интерьера в предметы роскоши, ювелирные изделия были и остаются самым лучшим украшением и желанным подарком любой женщине, а барельефы, расположенные на стенах, существенно преображают интерьер. При этом изготовление металлических изделий зачастую требует больших затрат времени, денежных средств и усилий мастеров различной квалификации. Значительно сократить расходы и повысить производительность вам поможет применение гальванопластики. Гальванопластика позволяет воссоздать точную форму предмета посредством электрохимического процесса, и значительно удешевляет процесс изготовления единичных изделий с очень трудоемким техническим заданием.

Аналити́ческая хи́мия-раздел химии, изучающий химический состав и структуру веществ. Предмет её как науки — совершенствование существующих и разработка новых методов анализа, их практическое применение, исследование теоретических основ аналитических методов. Аналитическая химия подразделяется на качественный анализ, нацеленный на определение того, что или какие вещества, в какой форме находится в образце, и количественный анализ, нацеленный на определение сколько данного вещества (элементов, ионов, молекулярных форм и др.) находится в образце. Определение элементного состава материальных объектов называют элементным анализом. Установление строения химических соединений и их смесей на молекулярном уровне называют молекулярным анализом. Одним из видов молекулярного анализа химических соединений является структурный анализ, направленный на исследование пространственного атомного строения веществ, установление эмпирических формул, молекулярных масс и др. В задачи аналитической химии входит определение характеристик органических, неорганических и биохимических объектов. Анализ органических соединений по функциональным группам называют функциональным анализом.

Качественный химический анализ — совокупность химических, физико-химических и физических методов, применяемых для обнаружения элементов, радикалов и соединений, входящих в состав анализируемого вещества или смеси веществ. В качественном анализе используют легко выполнимые, характерные химические реакции, при которых наблюдается появление или исчезновение окрашивания, выделение или растворение осадка, образование газа и др. Реакции должны быть как можно более селективны и высокочувствительны. Качественный анализ в водных растворах основан на ионных реакциях и позволяет обнаружить катионы или анионы. Основоположником качественного анализа считается Р.Бойль, который ввёл представление о химических элементах как о неразлагаемых основных частях сложных веществ и систематизировал все известные в его время качественные реакции.

Количественный анализ — совокупность методов аналитической химии для определения количества (содержания) элементов (ионов), радикалов, функциональных групп, соединений или фаз в анализируемом объекте. Количественный анализ позволяет установить элементный и молекулярный состав исследуемого объекта или содержание отдельных его компонентов. В зависимости от объекта исследования различают неорганический и органический анализ. В свою очередь их разделяют на элементарный анализ, задача которого — установить, в каком количестве содержатся элементы (ионы) в анализируемом объекте, на молекулярный и функциональный анализы, дающие ответ о количественном содержании радикалов, соединений, а также функциональных групп атомов в анализируемом объекте.

Основные строительные материалы исследуемые физико-химическими методами.

Строительные материалы и изделия, применяемые при строительстве, реконструкции и ремонте различных зданий и сооружений, делятся на природные

и искусственные, которые в свою очередь подразделяются на две основные

категории: к первой категории относят: кирпич, бетон, цемент, лесоматериалы и др. Их применяют при возведении различных элементов зданий (стен, перекрытий, покрытий, полов). Ко второй категории - специального назначения: гидроизоляционные, теплоизоляционные, акустические и др. Основными видами строительных материалов и изделий являются: каменные природные строительные материалы из них; вяжущие материалы неорганические и органические; лесные материалы и изделия из них; металлические изделия. В зависимости от назначения, условий строительства и эксплуатации зданий и сооружений подбираются соответствующие строительные материалы, которые обладают определёнными качествами и защитными свойствами от воздействия на них различной внешней среды. Учитывая эти особенности, любой строительный материал должен обладать определёнными строительно-техническими свойствами. Например, материал для наружных стен зданий должен обладать наименьшей теплопроводностью при достаточной прочности, чтобы защищать помещение от наружного холода; материал сооружения гидромелиоративного назначения – водонепроницаемостью и стойкостью к попеременному увлажнению и высыханию; материал для покрытия дорого (асфальт, бетон) должен иметь достаточную прочность и малую истираемость, чтобы выдержать нагрузки от транспорта. Классифицируя материалы и изделия, необходимо помнить, что они должны обладать хорошими свойствами и качествами. Свойство– характеристика материала, проявляющаяся в процессе его обработки, применении или эксплуатации. Качество – совокупность свойств материала, обуславливающих его способность удовлетворять определённым требованиям в соответствии с его назначением. Свойства строительных материалов и изделий классифицируют на три основные группы: физические, механические, химические, технологические и др. К химическим относят способность материалов сопротивляться действию химически агрессивной среды, вызывающие в них обменные реакции приводящие к разрушению материалов, изменению своих первоначальных свойств: растворимость, коррозионная стойкость, стойкость против гниения, твердение. Физические свойства: средняя, насыпная, истинная и относительная плотность; пористость, влажность, влагоотдача, теплопроводность. Механические свойства: пределы прочности при сжатии, растяжении, изгибе, сдвиге, упругость, пластичность, жёсткость, твёрдость. Технологические свойства: удобоукладываемость, теплоустойчивость, плавление, скорость затвердевания и высыхания. Физические и химические свойства материалов. Средняя плотность массы m единицы объёма V1 абсолютно сухого материала в естественном состоянии; она выражается в г/см3, кг/л, кг/м3. Насыпная плотность сыпучих материалов массы m единицы объёма Vн просушенного свободно насыпанного материала; она выражается в г/см3, кг/л, кг/м3. Истинная плотность массы m единицы объёма V материала в абсолютно плотном состоянии; она выражается в г/см3, кг/л, кг/м3. Относительная плотность (%) – степень заполнения объёма материала твёрдым веществом; она характеризуется отношением общего объёма твёрдого вещества V в материале ко всему объёму материала V1 или отношением средней плотности материала к её истинной плотности. Пористость П - степень заполнения объёма материала порами, пустотами, газо-воздушными включениями. Гигроскопичность - способность материала поглощать влагу из окружающей среды и сгущать её в массе материала. Влажность W(%) – отношение массы воды в материале mв=m1-m к массе его в абсолютно сухом состоянии m. Водопоглащение В – характеризует способность материала при соприкосновении с водой впитывать и удерживать её в своей массе. Различают массовое Вм и объёмное Во водопоглащение. Массовое водопоглащение (%) – отношение массы поглощённой материалом воды mв к массе материала в абсолютно сухом состоянии m. Объёмное водопоглащение (%) – отношение объёма поглощённой материалом воды mв/в к его объёму в водонасыщенном состоянии V2

Влагоотдача – способность материала отдавать влагу.

Органическими полимерами называют соединения, содержащие в главной цепи и боковых радикалах атомы углерода, водорода, кислорода, азота, серы и галогенов. Это могут быть также вещества, в состав молекул которых входят и другие элементы, если их атомы не образуют главную цепь и не соединены непосредственно с атомами углерода. Полимер — это высокомолекулярное соединение: количество мономерных звеньев в полимере (степень полимеризации) должно быть достаточно велико. Неорганическими полимерами называют высокомолекулярные соединения, не содержащие атомов углерода, например природные или синтетические силикаты, полифосфаты натрия и др. Простые низкомолекулярные соединения, из которых построены цепи полимеров, а также исходные вещества, образующие полимеры при различных реакциях, называют мономерами. Высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых содержат несколько типов мономерных звеньев, т.е. полученные совместной полимеризацией нескольких мономеров, называют сополимерами. Полимеры, макромолекулы которых построены из одинаковых мономеров, называют гомополимерами.

Олигомеры-молекула в виде цепочки из небольшого числа одинаковых составных звеньев. Этим олигомеры отличаются от полимеров, в которых число звеньев теоретически не ограничено. Верхний предел молекулярной массы олигомера зависит от его химических свойств. Свойства олигомеров сильно зависят от изменения количества повторяющихся звеньев в молекуле и природы концевых групп; с момента, когда химические свойства перестают изменяться с увеличением длины цепочки, вещество называется полимером. Молекулы, способные образовывать цепочки в результате реакции полимеризации называются мономерами. При олигомеризации химический процесс формирования цепочки из мономеров протекает только до достижения определенной степени полимеризации. Олигомеры, способные складываться в устойчивую вторичную структуру подобно белкам, называются фолдамерами. В биохимии термин олигомер используется для обозначения коротких одноцепочечных фрагментов нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) Такие олигомеры, размещенные на стеклянной подложке или нейлоновой мембране, используются в экспериментах с гибридизацией ДНК. Олигомерами также называются белковые комплексы, состоящие из двух и более субъединиц. При этом, комплексы из одинаковых субъединиц называются гомо-олигомерами, а из разных — гетеро-олигомерами.

Полиэтиле́н-термопластичный полимер этилена. Является органическим соединением и имеет длинные молекулы …—CH2—CH2—CH2—CH2—…, где «—» обозначает ковалентные связи между атомами углерода. Самый распространённый в мире пластик.

Методы получения полимеров. Полимеризация — это процесс соединения друг с другом большого числа молекул мономера за счет кратных связей (С = С, С = О и др.) или раскрытия циклов, содержащих гетероатомы (О, N, S). При полимеризации обычно не происходит образования низкомолекулярных побочных продуктов, вследствие чего полимер и мономер имеют один и тот же элементный состав. Поликонденсация — зто процесс соединения друг с другом молекул одного или нескольких мономеров, содержащих две и да более функциональные группы (ОН, СО, СОС, NHS и др.) способные к химическому взаимодействию, при котором происходит отщепление низкомолекулярных продуктов. Полимеры, получаемые поликонденсационным способом, по элементному составу не соответствуют исходным мономерам. Полимеризация мономеров с кратными связями протекает по законам цепных реакций в результате разрыва непредельных связей. Макромолекула при цепной полимеризации образуется очень быстро и сразу же приобретает конечные размеры, т. е не возрастает при увеличении длительности процесса.

Биополиме́ры-класс полимеров, встречающихся в природе в естественном виде, входящие в состав живых организмов: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Биополимеры состоят из одинаковых (или разных) звеньев — мономеров. Мономеры белков — аминокислоты, нуклеиновых кислот(C29H49N9O22P3) — нуклеотиды, в полисахаридах — моносахариды. (C6H10O5)n Крахмал, (C6H10O5)n Целлюлоза.

Комплементарность-взаимное соответствие молекул биополимеров или их фрагментов, обеспечивающее образование связей между пространственно взаимодополняющими фрагментами молекул или их структурных фрагментов вследствие супрамолекулярных взаимодействий.