Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы коллоидной и органической химии. Учебно-методическое пособие к практическим занятиям для студентов специальности 20.05.01 «Пожарная безопасност
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
АСТРАХАНСКОЙ ОБЛАСТИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
АСТРАХАНСКОЙ ОБЛАСТИ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра пожарной безопасности и водопользования
ОСНОВЫ КОЛЛОИДНОЙ
И ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Астрахань, 2023
2
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
АСТРАХАНСКОЙ ОБЛАСТИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
АСТРАХАНСКОЙ ОБЛАСТИ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ОСНОВЫ КОЛЛОИДНОЙ
И ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Учебно-методическое пособие
© А. М. Капизова, сост., 2023
© ГБОУ АО ВО «Астраханский государственный
архитектурно-строительный университет», 2023
ISBN 978-5-93026-195-10
Об издании: 1, 2
3
УДК 547 (086.76)
ББК 24.6
О75
Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом
Астраханского государственного
архитектурно-строительного университета
Составитель:
Альфия Манцуровна Капизова,
кандидат химических наук,
доцент кафедры пожарной безопасности и водопользования
Астраханского государственного архитектурно-строительного университета;
Рецензенты:
кандидат биологических наук,
доцент кафедры органической, неорганической и фармацевтической химии
Астраханского государственного университета им. В.Н. Татищева
Е. В. Щепетова;
кандидат химических наук,
доцент кафедры аналитической и физической химии
Астраханского государственного университета им. В.Н. Татищева
А. С. Реснянская
Основы коллоидной и органической химии [Электронный ресурс] : учебно-методическое
пособие к практическим занятиям для студентов специальности 20.05.01 «Пожарная
безопасность», профиль «Пожарная безопасность» очной и заочной форм обучения / сост. :
А. М. Капизова. – Электрон. текстовые данные (2,01 Мб). – Астрахань : Астраханский
государственный архитектурно-строительный университет, 2023. – 1 опт. диск (CD-R).
В учебно-методическом пособии изложены современные представления
о дисперсных системах и коллоидных растворах.
Рассмотрены способы получения коллоидных растворов, процессы адсорбции
в коллоидных растворах, образование мицеллы, коагуляция коллоидов. Дана общая
характеристика поверхностно-активным веществам.
ISBN 978-5-93026-195-10
Минимальные системные требования
для воспроизведения электронного издания:
Процессор с тактовой частотой 1,5 ГГц и выше, Windows 7 SP1/8, 8.1/10, 1 ГБ ОЗУ,
380 МБ свободного пространства на жестком диске; программа для чтения файлов
формата PDF, наличие CD\DVD-привода.
© А. М. Капизова, сост., 2023
© ГБОУ АО ВО «Астраханский государственный
архитектурно-строительный университет», 2023
ДАЛЕЕ
4
Издание публикуется в авторской редакции
Техническая обработка и подготовка материалов
А. А. Цимановича
Подготовлено к изданию 20.07.2023
Астраханский государственный
архитектурно-строительный университет
414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 18
Тел./факс: (8512) 49-42-15
Е-mail: iic@aucu.ru
Заказ № 4442
Тираж 200 экз. (первый завод – 10 экз.)
Записано на материальный носитель
в Астраханском государственном
архитектурно-строительном университете
(Информационно-издательский центр)
414056, г. Астрахань, ул. Татищева,18
Тел./факс: (8512) 66-72-24; 66-72-26
Е-mail: iic@aucu.ru
5
СОДЕРЖАНИЕ
РАЗДЕЛ 1. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ И КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ ............... 7
1.1. Дисперсные системы, их классификация по степени дисперсности и
агрегатному состоянию ........................................................................................................... 7
1.2. Коллоидные растворы. Коллоидное состояние вещества. Способы получения
коллоидных растворов. Адсорбция в коллоидных растворах, образование мицеллы.
Электрический заряд коллоидных частиц ............................................................................. 8
1.3. Определение размера частиц и удельной поверхности ..................................... 16
Примеры решения задач .............................................................................................. 17
Задачи для самостоятельного решения ...................................................................... 19
1.4. Коагуляция коллоидов. Определение порога коагуляции ................................. 24
Примеры решения задач .............................................................................................. 26
Задачи для самостоятельного решения ...................................................................... 27
Контрольные вопросы к разделу 1 .............................................................................. 30
РАЗДЕЛ 2. ХИМИЯ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ .......................... 29
2.1. Поверхностная активность. Поверхностно-активные и инактивные вещества.
Особенности химического строения поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Классификация и общая характеристика ПАВ. Анионоактивные, катионоактивные,
амфотерные и неионогенные ПАВ. Углеводородные и фторуглеродные ПАВ ................ 29
2.2 Применение ПАВ в качестве пенообразователей ................................................ 37
Контрольные вопросы к разделу 2 .............................................................................. 46
РАЗДЕЛ 3. ОСНОВЫ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ ..................................................... 48
3.1. Основные положения ............................................................................................ 48
3.2. Теория строения, многообразие, классификация и номенклатура органических
соединений. Типы химических реакций .............................................................................. 50
Контрольные вопросы к разделу 3 .............................................................................. 55
РАЗДЕЛ 4. УГЛЕВОДОРОДЫ. ГОМОЛОГИЯ И ИЗОМЕРИЯ. ХИМИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА И СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ .................................................................... 59
4.1. Алканы. Циклоалканы ........................................................................................... 59
4.2. Алкены. Алкадиены............................................................................................... 62
4.3. Алкины.................................................................................................................... 67
4.4. Арены ...................................................................................................................... 69
Контрольные вопросы к разделу 4 .............................................................................. 73
РАЗДЕЛ 5. КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ ..... 77
5.1. Спирты. Простые эфиры. Фенолы ....................................................................... 77
5.2. Альдегиды и кетоны .............................................................................................. 82
5.3. Карбоновые кислоты. Сложные эфиры. Жиры .................................................. 84
5.4. Углеводы ................................................................................................................ 89
6
Контрольные вопросы к разделу 5 .............................................................................. 92
РАЗДЕЛ 6. АЗОТСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ .................. 97
6.1. Нитросоединения. Амины .................................................................................... 97
6.2. Аминокислоты. Белки ........................................................................................... 98
Контрольные вопросы к разделу 6 ............................................................................ 100
РАЗДЕЛ 7. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ ПОЛИМЕРОВ ................................ 104
7.1. Основные понятия химии полимеров ................................................................ 104
7.2. Классификация полимеров ................................................................................. 106
7.3. Номенклатура полимеров ................................................................................... 109
7.4. Структура и строение полимеров ...................................................................... 111
7.5. Физико-химические и механические свойства полимеров ............................. 116
7.6. Способы получения полимеров.......................................................................... 119
7.7. Химические превращения полимеров ............................................................... 121
7.8. Горение полимеров .............................................................................................. 123
7.9. Деструкция полимеров ........................................................................................ 126
Контрольные вопросы к разделу 7 ............................................................................ 131
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................................ 133
7
РАЗДЕЛ 1. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ
И КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ
1.1. Дисперсные системы, их классификация по
степени дисперсности и агрегатному состоянию
Слово дисперсия означает раздробление, измельчение. Дисперсные
системы состоят как минимум из двух компонентов:
1) дисперсионной среды, которая играет роль растворителя и,
следовательно, является непрерывной фазой;
2) дисперсной фазы, играющей роль растворенного вещества.
Существуют два типа классификаций дисперсных систем.
Первый тип классификации основан на агрегатном состоянии
дисперсионной среды и дисперсной фазы (см. табл. 1).
Таблица 1
Классификация, основанная на агрегатном состоянии
дисперсионной среды и дисперсной фазы
Дисперсионная среда
Дисперсная фаза
Тип системы
Примеры
Жидкая
Твёрдая
Золи,суспензии
Известковые,
цементные
растворы
Жидкая
Эмульсия
Молоко, масло,
сметана, керосин
в воде
Газообразная
Пены
Мыльная пена,
морской прибой
Твердая
Твердая
Твердые коллоиды
Металлические
сплавы
Жидкая
Пористые тела,
насыщенные
влагой
Влажный грунт,
опал, жемчуг
Газообразная
Твердые пены
Газобетон,
полистирол, пемза
Газообразная
Твердая
Пыль, дым
Угольная пыль
Жидкая
Туман
Облака и тучи
Газообразная
Смесь газов
Атмосфера земли
Второй тип классификации основан на размерах частиц дисперсной
фазы (см. табл. 2)
Таблица 2
Классификация, основанная на размерах частиц дисперсной фазы
Размер частиц
дисперсной фазы
10-5 – 10-7 м
10-7 – 10-4м
<10-9м
Название системы
Грубодисперсная
Коллоидно-
дисперсная
Молекулярно-
дисперсная
Характеристика
системы
Микрогетерогенная
(границу раздела фаз можно увидеть
только с помощью микроскопа)
Гомогенная
8
1.2. Коллоидные растворы. Коллоидное состояние вещества.
Способы получения коллоидных растворов.
Адсорбция в коллоидных растворах, образование мицеллы.
Электрический заряд коллоидных частиц
Рассмотрим молекулу, находящуюся в глубине своей фазы (см. рис. 1).
Рис.1. Молекула в глубине своей фазы
Такая молекула взаимодействует со всеми окружающими ее
молекулами, все ее энергетические связи насыщены.
Рассмотрим молекулу, расположенную на границе раздела фаз.
У такой молекулы насыщены только те связи, которые направлены вглубь
ее фазы, остальные связи не насыщены. Следовательно, такая молекула
обладает избыточной потенциальной энергией. Свободная поверхность
жидкости или твёрдого тела обладает избытком поверхностной энергии.
А = W × ∆S, (1)
где ΔS – увеличение площади свободной поверхности; А – произведенная
работа; W – поверхностная энергия, равная работе, необходимой для
образования единицы площади свободной поверхности.
. (2)
Избыток поверхностной энергии часто называют поверхностным
натяжением:
, (3)
A = G × ΔL, (4)
где А – работа; L – увеличение длины контура свободной поверхности (м);
G – поверхностное натяжение.
Несмотря на то, что поверхностная энергия и поверхностное
натяжение измеряются в разных единицах, числено они всегда равны друг
другу:
W = G. (5)
Как любая система, дисперсные системы стремятся понизить
избыточную энергию. Понизить поверхностную энергию дисперсная
9
система может, уменьшив площадь поверхности раздела. Для этого частицы
должны укрупниться.
Слияние частиц дисперсной фазы и их укрупнение называется
коагуляцией.
Укрупненные частицы под действием собственной тяжести начинают
выпадать в осадок. Этот процесс медленный и носит название
седиментации.
В результате коагуляции и седиментации частицы дисперсной фазы
выпадают в осадок. В результате образуется истинный раствор, содержащий
осадок. Дисперсная система перестает существовать.
Данный путь понижения поверхностной энергии ведет к разрушению
дисперсной системы.
Второй путь понижения поверхностной энергии – сорбция.
Сорбция – это поглощение одного вещества другим. Поглотитель –
сорбент, поглощаемое вещество – сорбат.
Если поглощение происходит только в поверхностном слое сорбента,
то есть происходит поверхностная сорбция, она называется адсорбцией.
Если же сорбат продиффундировал по всему объему сорбента – произошла
объемная сорбция – она называется абсорбцией.
По механизму протекания процесса сорбция подразделяется
на физическую и химическую.
При физической сорбции между сорбентом и сорбатом происходит
только межмолекулярное взаимодействие, то есть сцепление достаточно
непрочное, и со временем начинается обратный процесс – процесс отдачи
поглощенного вещества, и в конце концов устанавливается равенство
скоростей обоих процессов:
V
адсорбции
= V
десорбции
. (6)
При химической сорбции (хемосорбции) между сорбентом и сорбатом
возникает химическое взаимодействие, в результате чего между ними
образуется третье вещество (см. рис. 2).
Рис. 2. Процесс химической сорбции
Химическая сорбция намного прочнее физической, десорбция
самопроизвольно практически не происходит.
Еще одно отличие между физической и химической сорбцией
заключается в том, что при повышении температуры физическая сорбция
уменьшается, а химическая увеличивается.
В чистом виде физическая и химическая сорбция встречаются редко,
чаще всего сорбция включает элементы их обеих.
10
Адсорбция происходит на границе раздела следующих фаз:
1) твердое тело – газ;
2) твердое тело – раствор;
3) раствор – газ.
Адсорбция на границе твердое тело – газ:
, (7)
где Г – величина адсорбции; х – количество адсорбата (кмоль); S – площадь
адсорбента (м2).
В случае, если площадь адсорбента измерить трудно, то площадь
поверхности заменяют его массой
. (8)
В данном случае (поглощение газа твердым адсорбентом) адсорбция
является функцией температуры и газового давления:
Г = f × (T, P). (9)
Адсорбция происходит при постоянной температуре (T = const).
Величина адсорбции является функцией аргумента:
Р : Г = f × (P). (10)
Это равенство имеет графическое выражение (см. рис. 3), которое
называется изотермой адсорбции.
Рис. 3. Изотерма адсорбции
Участок прямой соответствует равновесному состоянию. Существует
уравнение Фрейндлиха, графическое выражение которого позволяет
представить этот график в виде прямой:
Х = к × P
1/n
, (11)
где Х – количество адсорбата на 1 грамм адсорбента; к, 1/n – константы; Р –
газовое давление (кПа).
Прологарифмируем это уравнение и получим прямолинейную
зависимость (см. рис. 4).
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]