Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия. Учебное пособие с заданиями к самостоятельной работе
.pdf
21
осмометра повышается, что создает гидростатическое давление. С
увеличением гидростатического давления диффузия замедляется.
Гидростатическое давление, установившееся с наступлением равновесия,
фиксируется манометром. Оно служит мерой осмотического давления.
Осмотическое давление стремится уравнять концентрации обоих
растворов вследствие встречной диффузии молекул растворенного
вещества и растворителя. Мера градиента осмотического давления, то есть
различия водного потенциала двух растворов, разделенных
полупроницаемой мембраной, называется тоничность. Растворы с
одинаковым осмотическим давлением — изотонические (физиологический
раствор — 0,9 % NaCl изотоничен плазме крови).
Раствор, имеющий более высокое осмотическое давление по
сравнению с другим раствором, называется гипертоническим, имеющий
более низкое — гипотоническим. В гипертонических растворах
наблюдается сморщивание клеток из-за потери воды (плазмолиз). Для
приготовления солений, варенья используется добавка большого
количества соли или сахара. При этом получаются гипертонические
растворы, которые обезвоживают гнилостные микроорганизмы. Указанные
законы справедливы для разбавленных растворов неэлектролитов. Их
можно применять к растворам электролитов, но в этом случае необходимо
вводить изотонический коэффициент Вант-Гоффа (i). Это поправочный
коэффициент, который учитывает увеличение числа частиц в растворе
электролита из-за диссоциации на ионы.
ляр
pip
0
,
mэбулкип
cKit
,
mкриоскзам
cKit
,
RTсip
Mосм
Значение изотонического коэффициента Вант-Гоффа рассчитывают
как частное от деления экспериментальных и теоретических значений
осмотического давления, изменения температур кипения и замерзания
растворов и понижения давления растворителя над раствором:
теор
осм
эксп
осм
p
p
i
теор
зам
эксп
зам
t
t
теор
кип
эксп
кип
t
t
теор
эксп
pppp
0
0
Вопросы для самоконтроля
1. Назовите известные Вам способы выражения состава растворов
(концентрации). Укажите единицы их измерения.
2. Приведите формулы для расчета концентраций растворов
(
Тсcс
нmМ
,,,,
).
3. Приведите примеры жидких, твердых и газообразных (газовых
смесей) растворов. Какой из компонентов раствора обычно выбирают в
качестве растворителя?
4. Какие растворы называются ненасыщенными, насыщенными?
Концентрация какого из этих растворов называется растворимостью?
5. Какова зависимость растворимости газов в жидкостях от
температуры и давления (закон Генри)? Что такое парциальное давление?
22
6. Перечислите коллигативные свойства раствора.
7. Какой раствор называется идеальным?
8. Сформулируйте первый закон Рауля.
9. Сформулируйте второй закон Рауля.
10. Что такое осмос?
11. Сформулируйте закон Закон Вант-Гоффа.
12. Что называется осмотическим давлением?
Задания для самостоятельной работы
1. Вычислить массу K
2СО3
, необходимую для приготовления 250 мл
0,1н. раствора.
2. Вычислите массу BaCl
2
∙2H
2
O, необходимую для приготовления
200 мл 0,2М раствора.
3. Раствор, объемом 250 мл, содержит гидроксид калия массой 7 г.
Какова молярная концентрация этого раствора?
4. В 250 г воды растворено 50 г BaCl
2
∙2H2O. Вычислите массовую долю
BaCl2 в этом растворе.
5. Вычислите молярную концентрацию и молярную концентрацию
эквивалента раствора хлорида кальция плотностью
1,178 г/см3 с массовой
долей СаСl
2
20 %.
6. Вычислите массу CuSO4∙5H2O, необходимую для приготовления
250 мл 0,005н. раствора.
7. Вычислите массу Na2CO
3
∙10H2O, необходимую для приготовления
250 мл 0,01М раствора.
8. При какой температуре будет замерзать раствор сахара с массовой
долей С12Н22О
11
50%.
9. При какой температуре замерзает антифриз, содержащий 1000 г
этиленгликоля С2Н4(ОН)
2
и 2000 г воды?
10. Сколько граммов глицерина С
3Н5
(ОН)
3
надо взять на 2 л воды,
чтобы получить антифриз с температурой замерзания –20оС?
11. Определите температуру кипения и температуру замерзания
раствора глюкозы с массовой долей С6Н12О
6
10%.
12. На сколько градусов понизится температура замерзания и
повысится температура кипения раствора, если в 120 г воды растворить
10 г глюкозы С
6Н12О6
?
Тема 4 Дисперсные системы, коллоидные растворы, классификация и
свойства.
Дисперсные системы — это двухфазные или многофазные
гетерогенные системы, в которых хотя бы одна из фаз представлена очень
малыми частицами, размеры которых превосходят молекулярные. Фаза
обладает одинаковым химическим составом, физическими и
термодинамическими свойствами во всем своем объеме и отделена от
других частей системы поверхностью раздела (например, лед в сосуде с
водой и пары воды над ними).
23
Дисперсная система состоит из дисперсной фазы и дисперсионной
среды. Дисперсная фаза, раздробленная до мельчайших частиц,
распределена в дисперсионной среде. Степень раздробленности вещества
дисперсной фазы характеризуется величиной дисперсности D, обратной
линейному размеру частиц:
lD 1
,
где
l
— длина ребра куба или диаметр частицы.
Фаза считается дисперсной, если вещество в ней раздроблено хотя бы в
одном измерении. Если вещество раздроблено только по высоте, то
образуются пленки (ткани, пластины и т.д.). Если вещество раздроблено и
по высоте и по ширине, то образуются волокна, нити, капилляры. Если
вещество раздроблено по всем трем измерениям, то образуются частицы.
Дисперсные системы чрезвычайно многообразны; практически всякая
реальная система является дисперсной. Многообразие свойств дисперсных
систем приводит к нескольким видам их классификации.
В зависимости от размера частиц дисперсной фазы различают
следующие виды дисперсных систем:
1) грубодисперсные — более 10–5 м; они наиболее распространены; это
строительные материалы (песок, щебень, бетон), продукты питания
(крупы, сахарный песок);
2) средней степени дисперсности — 10–7...10–5 м; это различные
суспензии, эмульсии, пены, порошки;
3) коллоидной степени дисперсности — 10–9...10–7 м; наиболее
высокодисперсные системы, они занимают промежуточное положение
между истинными растворами (молекулярно-дисперсными системами) и
среднедисперсными системами; это золи: твердые золи, лиозоли, аэрозоли.
Более мелкие частицы с размерами порядка 10
–9
м — это молекулы и
ионы, которые, находясь в растворе, не создают отдельную фазу. Поэтому
системы с частицами меньше 10
–9
м являются гомогенными, не имеющие
поверхности раздела, и представляют истинные растворы.
Частицы систем грубой и средней степени дисперсности различимы
визуально. Если они распределены в жидкости или газе, то постепенно
оседают или всплывают. Такие системы называют взвесями. Взвеси могут
существовать в виде суспензий или эмульсий. В первом случае твердое
вещество взвешено в жидкости (мел в воде), во втором — жидкое
вещество в жидкости (органическое жидкое вещество в воде, например
частицы жира в молоке). Примерами систем средней дисперсности
являются дымы и туманы в воздухе, взвеси глины и песка в воде.
Если в жидкой дисперсионной среде дисперсная фаза — твердое
вещество в жидкой дисперсионной среде, коллоидная система называется
золем; если дисперсная фаза также является жидкостью, система
называется эмульсией.
24
Классификация по агрегатному состоянию фаз предложена химиком и
биологом Вольфгангом Оствальдом. В табл. 1 представлены 9 типов
дисперсных систем.
Таблица 1
Типы дисперсных систем
По интенсивности межмолекулярных взаимодействий между
дисперсной фазой и дисперсионной средой коллоидные системы, в свою
очередь, подразделяются на две группы, резко отличные по характеру
взаимодействий между частицами дисперсной фазы и дисперсионной
среды:
– лиофобные коллоидные растворы (золи);
– растворы высокомолекулярных соединений (ВМС), которые ранее
называли лиофильными коллоидами.
К лиофобным (гидрофобным, если дисперсионная среда вода)
коллоидам относятся системы, в которых частицы дисперсной фазы слабо
взаимодействуют с дисперсионной средой; они могут образовываться как
из органических, так и неорганических веществ, нерастворимых в данной
дисперсионной среде; образуются не самопроизвольно, а путем
принудительного диспергирования и конденсации. К ним относятся золи,
суспензии, эмульсии.
Лиофильные системы (гидрофильные, если дисперсионная среда
вода) характеризуются сильным взаимодействием частиц дисперсной фазы
с дисперсионной средой (вплоть до растворения). Они образуются
Дисперсная
фаза
Дисперсион-
ная среда
Условное
обозна-
чение
Примеры дисперсных систем
Газ
Газ
г/г
Атмосфера Земли
Жидкость
Газ
ж/г
Туман, слоистые облака, жидкие аэрозоли
Твердое
тело
Газ
т/г
Дым, пыль, перистые облака, твердые
аэрозоли
Газ
Жидкость
г/ж
Пены, газовые эмульсии, газированная
вода, мыльная пена
Жидкость
Жидкость
ж/ж
Эмульсии (молоко, латекс),
масло сливочное, кремы, маргарин
Твердое
тело
Жидкость
т/ж
Лиофобные коллоидные растворы,
суспензии, пасты, краски, гели
Газ
Твердое тело
г/т
Твердые пены, пористые тела (пенопласты,
пемза, силикагель, активированный уголь,
пенобетон, хлеб, пористые тела в газе и т.д.
Жидкость
Твердое тело
ж/т
Твердые эмульсии, жемчуг, опал,
природные минералы с жидкими
включениями, пористые тела в жидкости
Твердое
тело
Твердое тело
т/т
Цветные стекла, сплавы
сталь, чугун, драгоценные камни
25
самопроизвольно, термодинамически агрегативно устойчивы, имеют
низкие значения поверхностной энергии, вследствие наличия сольватных
(гидратных) оболочек из молекул дисперсионной среды. вокруг частиц
дисперсной фазы. Это мицеллярные растворы ПАВ, критические
эмульсии, растворы природных ВМС, например, белков, крахмала,
целлюлозы.
Растворы ВМС образуются самопроизвольно благодаря сильному
взаимодействию частиц дисперсной фазы с дисперсионной средой и
способны сохранять устойчивость без стабилизаторов.
Лиофобные коллоиды и растворы ВМС различаются также и
структурой частиц, составляющих дисперсную фазу. Для лиофобных
коллоидов единицей структуры является сложный многокомпонентный
агрегат переменного состава мицелла, для растворов ВМС
макромолекула.
Мицелла это структурная единица коллоидного раствора,
электронейтральная частица. Рассмотрим строение мицеллы на примере
получения золя иодида серебра в ходе реакции обмена. Исходные
растворы должны быть сильно разбавленными, чтобы иодид серебра не
выпадал в осадок, а образовывался в виде золя.
Необходимые условия образования мицеллы:
а) образование в результате реакции труднорастворимого вещества, m
молекул которого образуют агрегат коллоидной частицы.
Например: AgNO
3
+ KI → AgI ↓ + KNO3; m(AgI) агрегат;
б) наличие стабилизатора электролита, предоставляющего ионы,
адсорбируемые поверхностью труднорастворимого соединения.
Согласно правилу Панетта – Фаянса, лучше всего адсорбируется ион,
который входит в состав кристаллической решетки адсорбента.
Адсорбируемые ионы, достраивающие кристаллическую решетку
труднорастворимого соединения, называют потенциалопределяющими
ионами коллоидной частицы, поскольку заряд частицы по знаку совпадает
с зарядом этих ионов.
Адсорбция потенциалопределяющих ионов происходит
самопроизвольно, сопровождаясь уменьшением свободной энергии
поверхности агрегата
S
G
.Стабилизатором, как правило, является
исходное вещество, взятое в избытке. Если в рассматриваемой реакции в
избытке берется соль AgNO3, то она будет стабилизатором, тогда
адсорбируемым ионом будет ион Ag
+
. Агрегат с
потенциалопределяющими ионами образуют ядро мицеллы (рис. 5, а). При
избытке соли KI стабилизатор KI предоставляет йодид-ионы, избирательно
адсорбируемые поверхностью AgI (рис. 5, б).
26
AgIm
nAg
агрегат потенциалопределяющие ионы
а)
Ядро
AgIm
nI
агрегат потенциалопределяющие ионы
б)
Ядро
Рис. 5. Строение ядра мицеллы
Агрегат с потенциалопределяющими ионами образуют ядро мицеллы
(рис. 6). Другие ионы стабилизатора (противоионы) образуют около
твердой поверхности два слоя: адсорбционный (неподвижный), прочно
связанный с ядром, и диффузный (подвижный), расположенный на
определенном расстоянии от ядра в дисперсионной среде. Ядро совместно
с адсорбционным слоем противоионов называется коллоидной частицей
(гранулой). Мицелла в целом электронейтральна, заряжена только
коллоидная частица, ее заряд обусловливают потенциалопределяющие
ионы.
Рис. 6. Строение коллоидной мицеллы:
1 адсорбционный слой потенциалопределяющих ионов; 2 адсорбционный слой
противоионов; 3 диффузный слой противоионов
27
Коллоидная дисперсность вещества является промежуточной между
группой дисперсности, характерной для взвеси и молекулярной,
характерной для истинных растворов. Поэтому коллоидные растворы
получают либо из истинных растворов путем укрупнения частиц
молекулярной дисперсности до определенного предела (максимум до
100 нм), либо из взвеси путем дробления грубодисперсных частиц также
до определенного предела (минимум до 1 нм). В этой связи различают
конденсационные методы (укрупнение частиц) и метод диспергирования
(дробление частиц).
Факторы устойчивости дисперсных систем
Дисперсные системы обладают двумя видами устойчивости —
седиментационной и агрегативной. Седиментационная (кинетическая)
устойчивость — способность системы противостоять осаждению частиц
дисперсной фазы под действием силы тяжести (седиментации). Этот вид
устойчивости зависит от размеров частиц в системе, поскольку
определяется соотношением сил диффузии и сил тяжести в системе.
Грубодисперсные системы являются седиментационно неустойчивыми,
так как в них силы тяжести велики по сравнению с силами диффузии и
процесс осаждения происходит более или менее быстро. Для
высокодисперсных систем силы диффузии преобладают над силами
тяжести, что обеспечивает равномерное распределение частиц по всему
объему длительное время и, следовательно, устойчивость к седиментации.
Факторами этой устойчивости являются размер частиц, способность
участвовать в броуновском движении; вязкость дисперсионной среды
(обуславливают энтропийный фактор устойчивости).
Агрегативная устойчивость — способность системы
противодействовать укрупнению частиц дисперсной фазы. Агрегативная
устойчивость определяется, прежде всего тем, насколько различны по
своей природе вещества, образующие фазы системы. Чем более лиофобной
является система, тем больше стремление частиц, находящихся в
чужеродной дисперсионной среде, к агрегированию и последующему
выделению в виде обычной фазы (в виде осадка, газа, слоя
несмешивающейся жидкости). Агрегативную устойчивость обеспечивают
два основных фактора: электростатический и адсорбционно-сольватный.
Электростатический фактор защиты обусловлен наличием двойного
электрического слоя (ДЭС) на поверхности частиц дисперсной фазы и
определяется величиной
(дзета)–потенциала (создает
электростатические силы отталкивания). Значение –потенциала связано
с устойчивостью коллоидных растворов, степенью и характером
взаимодействия между частицами дисперсной системы.
Для частиц, которые достаточно малы, высокий –потенциал будет
означать стабильность, т.е. раствор будет устойчивым по отношению к
агрегации. Когда
–потенциал низкий, притяжение превышает
28
отталкивание, и устойчивость коллоидной системы будет нарушаться. Так,
коллоиды с высоким
–потенциалом являются электрически
стабилизированными, в то время, как коллоиды с низким
– потенциалом
склонны к коагуляции. Значение
-потенциала, равное 30 мВ
(положительное или отрицательное) можно рассматривать как характерное
значение, для условного разделения низко-заряженных поверхностей и
высоко-заряженных поверхностей. Чем больше электрокинетический
потенциал, тем устойчивее коллоид.
Устойчивость коллоидного раствора можно нарушить. Потеря
агрегативной устойчивости золя приводит к укрупнению частиц
дисперсной фазы, их слипанию. Этот процесс называют коагуляцией.
Коагуляция вызывает нарушение кинетической устойчивости системы,
которая приводит к образованию осадка (коагулята). Этот процесс
называют седиментацией. Пептизацией (дезагрегацией) называется
процесс расщепления коагулировавшего золя (коагулята) на первичные
частицы процесс, противоположный коагуляции. Пептизация возможна
лишь тогда, когда структура частиц в коагуляте не изменена по сравнению
с первоначальной (т.е. когда еще не произошло полного сращивания
частиц и они слабо связаны друг с другом). Пептизация названа так
потому, что похожа на переход в раствор осадка из продуктов распада
белка (полипептида) под действием фермента пепсина.
Вопросы для самоконтроля
1. Перечислите те признаки, по которым производится классификация
дисперсных систем?
2. Какие отличительные особенности характеризуют коллоидное
состояние системы?
3. Что такое дисперсность? Что принимается за меру дисперсности?
4. В каких пределах находится размер частиц дисперсной фазы
коллоидных систем?
5. Какие молекулярно-кинетические свойства характерны для
коллоидных систем?
6. Что такое порог коагуляции и как его величина зависит от заряда
коагулирующих ионов?
7. Какая устойчивость называется агрегативной? Характерен ли этот
вид устойчивости для коллоидных систем?
8. Что такое агрегативная неустойчивость коллоидов? Какой процесс
является проявлением агрегативной неустойчивости коллоидов?
9. Какой процесс называется седиментацией и от чего зависит ее
скорость?
10. Какими двумя основными методами получают коллоидные
системы?
29
11. В чем заключается конденсационный метод получения коллоидных
систем? Каково необходимое условие формирования коллоидных систем
данным методом?
12. Каковы основные условия существования коллоидных систем и как
они обеспечиваются при получении коллоидов методом химической
конденсации?
13. Какие коллоидные системы называют лиофильными? Что служит
критерием лиофильности коллоидных систем?
14. Какие дисперсные системы называют гелями?
15. Какие дисперсные системы называются эмульсиями? Какие
вещества используются в качестве эмульгаторами?
16. В чем заключается процесс пептизации, и каким образом он
осуществляется?
17. Какие явления в коллоидных системах называются
электрокинетическими? Перечислите их.
18. В какой области двойного электрического слоя мицелл возникает
электрокинетический потенциал? При каком значении
электрокинетического
– потенциала наступает коагуляция?
19. Каковы отличительные особенности осмотического давления в
коллоидных системах и чем они объясняются?
Задания для самостоятельной работы
1. Составить мицеллу, образованную в результате реакции обмена при
взаимодействии: а) избытка карбоната натрия с хлоридом бария;
б) избытка хлорида цинка с сульфидом натрия; в) избытка нитрата никеля
с фосфатом натрия; г) избытка сульфита калия с нитратом свинца;
д) избытка сульфида натрия с хлоридом меди; е) избытка хлорид магния с
карбонатом натрия; ж) избытка сульфида натрия с хлоридом железа;
з) избытка хлорида бария с карбонатом натрия; и) избытка карбоната
натрия с хлоридом бария; к) избытка карбоната натрия с хлоридом цинка.
2. Золь сернокислого бария получен смешением равных объемов
растворов Ва(NО
3)2
и Н
2SО4
. Напишите формулу мицеллы. Одинаковы ли
исходные концентрации растворов, если частицы золя перемещаются к
аноду?
3. Заряд частицы гидрозоля SiO
2
возникает в результате диссоциации
кремниевой кислоты, образующейся на поверхности коллоидных частиц
при взаимодействии поверхностных молекул SiO
2
c H
2
O. Напишите
формулу мицеллы золя.
4. Напишите формулу мицеллы AgJ, если в качестве стабилизатора взят
нитрат серебра AgNО3. Каков знак заряда коллоидных частиц?
5. Золь Zn(OH)2 получен при взаимодействии растворов KOH и ZnCl2.
Составьте формулу мицеллы золя, если противоионы движутся в
электрическом поле к катоду. Какой из перечисленных электролитов будет
обладать более сильным коагулирующим действием: ацетат калия, сульфат
никеля или сульфат хрома. Поясните выбор.
30
Тема 5. Тепловой эффект химической реакции. Термохимические
уравнения процессов
Термохимия — это раздел химической термодинамики, изучающий
тепловые эффекты химических реакций. Тепловой эффект (теплота)
химической реакции обозначается
Н
и выражается в кДж или ккал.
0
298
Н
— это обозначение стандартной теплоты реакции, т. е. теплоты,
измеренной при стандартных условиях:
Т
= 298 К,
р
= 101,3 кПа,
М
с
= 1 М,
рН
= 7.
Уравнения химических реакций, в которых указаны тепловые эффекты
и агрегатное состояние веществ, называются термохимическими
уравнениями. Например:
N2O
4
(ж) → 2NO2(г),
Н
= + 58,4 кДж.
O
2
(г) + 2H
2
S(г) → 3S(к) + 2H
2
О(г),
Н
= –234 кДж.
В термохимии важное значение имеет закон Гесса: тепловой эффект
химической реакции, протекающей при постоянном давлении или объеме,
зависит от состояния исходных веществ и продуктов реакции и не зависит
от числа промежуточных стадий процесса.
Закон Гесса есть следствие первого закона термодинамики, так как
энтальпия является функцией состояния и ее изменение определяется
лишь энергетическим состоянием реагентов и продуктов:
12
ННН
.
Следствия из закона Гесса
Расчет теплового эффекта реакции по теплоте образования
индивидуальных веществ.
Теплота образования, обозначаемая
f
Н
, — тепловой эффект
образования одного моль сложного вещества из простых веществ
(кДж/моль). Стандартные теплоты образования простых веществ в их
наиболее устойчивых формах равны нулю.
Для условной химической реакции
dDcCbBaA
теплота реакции
рассчитывается как сумма теплот образования продуктов за вычетом
суммы теплот образования реагентов:
)()()()( BHbAHaDHdCНсН
ffff
.
Расчет теплового эффекта химической реакции по теплоте сгорания
индивидуальных веществ.
Теплота сгорания, обозначаемая
сг
Н
— тепловой эффект окисления
одного моль вещества в чистом кислороде до высших оксидов.
Для условной химической реакции:
dDcCbBaA
теплота реакции
рассчитывается как сумма теплот сгорания реагентов за вычетом суммы
теплот сгорания продуктов:
)()( BHbAHaН
сгсг
-
)()( DHdCНс
сгсг
.
При протекании химических процессов происходит как уменьшение
запаса внутренней энергии системы (
Н
→ min) за счет соединения частиц
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]