Общая химия в химической технологии древесины

Учебное издание

Татьяна Львовна Луканина Ирина Сергеевна Михайлова

Общая химия в химической технологии древесины.

Основные закономерности химических процессов. Окислительно-восстановительные превращения. Основы электрохимии

Учебное пособие

Редактор и корректор Т.А.Смирнова Техн. редактор Л.Я.Титова Темплан 2015 г., поз. 59 Подп. к печати 25.06.15. Формат 60х84/16.

Бумага тип. № 1. Печать офсетная. Печ. л. 8,0.Уч.-изд. л. 8,0. Тираж 150 экз. Изд. № 59. Цена «C» Заказ

Ризограф Санкт-Петербургского государственного технологического университета растительных полимеров, 198095, СПб., ул. Ивана Черных, 4.

1.2.Химическая кинетика……………………………………... 25

Введение

В настоящее время химия неорганических соединений развивается особенно интенсивно в направлении производства наноматериалов и надмолекулярных (supramolecular) структур, обладающих различными многофункциональными свойствами. Эти свойства позволяют использовать их в качестве мультиферроиков1, спинтроников2, магнитострикторов3, термоэлектриков, хемоэлектриков и т.п. в электронике, фотонике, сенсорике.

Таким образом, развитие современных химических технологий немыслимо без знания основных закономерностей в строении простых и сложных веществ, а также основ их синтеза.

Компетентностный подход к образованию в высшей школе обусловливает необходимость формирования мотиваций студента к освоению необходимых знаний и умений через конкретный изучаемый предмет. Это позволит молодому специалисту работать в среде нового, уже чисто технологического уклада, где развивается биотехнология, нанотехнология, робототехника и другие направления, требующие новых материалов с заранее заданными свойствами.

Учебное пособие посвящено трем основным разделам общей и неорганической химии: основным закономерностям химических процессов, окисли- тельно-восстановительным превращениям и основам электрохимии. Все разделы являются продолжением названного курса, изучаемого студентами в первом семестре.

Пособие предназначено для студентов химических направлений: 180301, 180302, 200301, 290303, имеющих отношение к целлюлозно-бу-

мажному производству и техносферной безопасности и экологии. Пособие соответствует профилям подготовки студентов химических специальностей университета растительных полимеров, поскольку будущие бакалавры и магистры в области целлюлозно-бумажного производства, химической переработ-

1Мультиферроики - это материалы, которые проявляют хотя бы два из трех "железистых" свойств: ферромагнетизм (свойство железных деталей, намагнитившись, определенное время сохранять магнитные свойства), сенгетоэлектризм (или ферроэлектризм - возникновение спонтанного дипольного момента) или сегнетоэластизм (спонтанная деформация). «Мир науки и техники», 2012, Апрель. http://mirnt.ru/statji/multiferroiki-chast-2.

2Область науки и техник,и изучающая эффекты взаимодействия собственных магнитных моментов

электронов (спинов) с электромагнитными полями. На их основе разрабатываются т. н. спинэлектрон-

ные приборы и устройства. Awschalom D., Flatt M., Samarth N. Spintronics /Scien-tific American Magazine. www.scientificamerican.com/article.cfm?id = spintronics.

3 Магнитостриктор представляет собой сердечник, набранный из тонких пластин ферромагнитного материала. Он предназначен для преобразования электрических колебаний ультразвуковой частоты в упругие механические колебания. При этом используется эффект магнитострикции, который заключается в способности ферромагнитных материалов изменять свои линейные размеры при из-

3

ки древесины и экологии непосредственно связаны с химической технологией и утилизацией промышленных отходов.

Настоящее пособие полезно также для студентов нехимических профилей подготовки: 130301, 140104, 150302. Пособие содержит основы теорий их будущих специальных предметов: теплотехники, термодинамики, водоподготовки, материаловедения, коррозии металлов и т.п.

Понятие об основных закономерностях позволит студентам получить общее представление об энергетических эффектах, сопровождающих химические процессы, и критериях, позволяющих оценить возможность их протекания. Учение о скоростях и равновесии химических реакций позволит понять, как можно управлять процессами, изменять направление их течения, ускорять или замедлять те или иные нежелательные явления. Изучение окисли- тельно-восстановительных процессов в курсе общей и неорганической химии связано не только с умением расставлять коэффициенты в окислительновосстановительных (ОВ) уравнениях, но также с понятиями окислительновосстановительного потенциала и направлением протекания химических реакций. Кроме того, в данный раздел общей химии входит тема, связанная с использованием ОВ процессов в технике, т.е. понятие о гальваническом элементе и электролизе.

С целью наилучшего усвоения материала студентам предлагаются краткое изложение основных теоретических вопросов и индивидуальные задания для отработки необходимых навыков в решении задач не только теоретического, но и практического характера.

В состав индивидуального задания входят задачи по разделам и темам. Для их решения требуется знание теории по данной теме, а также использование необходимых справочных данных, которые приведены в приложениях

исоответствующей литературе. Список необходимой литературы прилагается. Даются сноски на первоисточники при использовании некоторых понятий

иопределений. В конце пособия имеется алфавитный указатель применяемых терминов.

Студент получает у преподавателя номер варианта и в соответствии с приведенной таблицей вариантов решает указанные номера из каждого раздела задания.

1.Основные закономерности химических процессов

1.1.Химическая термодинамика

Данный раздел служит основным разделом общей химии, знакомящей студентов с понятиями теплового эффекта химических реакций. Химическая термодинамика - основа физической химии, теплотехники и ряда других предметов.

4

1.1.1. Термины и понятия

ХИМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ – это реакция системы микрочастиц (протоны в ядре – электронная оболочка) на нарушение равновесия между ними, реакция, направленная на установление нового, энергетически выгодного состояния4. При этом образование новых частиц произойдет только тогда, когда энергия частиц в новом состоянии окажется меньше энергии частиц в предшествующем состоянии (при данных условиях). Таким образом, результатом прохождения любой химической реакции является энергетический эффект. Энергетический эффект может выражаться в виде: теплового эффекта (поглощаемого или выделяемого тепла), различного рода излучении (квантов света - h, при этом, в зависимости от частоты излучения, оно может оказаться видимым светом, ИК или УФ излучениями), электрической энергии и т.д.

Изучением энергетических особенностей химических реакций занимается наука, называемая ТЕРМОХИМИЯ, но для понимания термохимических процессов и оценки направления их развития необходимы элементарные представления из химической термодинамики.

Взаимные превращения различных видов энергии, в ходе химических реакции изучает наука, называемая ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКОЙ (ХТД). Она устанавливает возможность, направление и пределы самопроизвольного протекания химических процессов.

Умение рассчитывать энергетические эффекты химических реакции позволяет заранее предсказать возможности их прохождения при заданных технологических параметрах. Этот факт играет существенную роль при разработке различных технологических процессов, в частности, способов делигнификации древесины5.

Как любая наука, химическая термодинамика оперирует определенными терминами и понятиями.

Объектом изучения в термодинамике является СИСТЕМА. Под химической системой подразумевают совокупность находящихся во взаимодействии веществ, мысленно (или фактически) обособленных от окружающей среды. Таким образом, система – область пространства, в которой происходят химические превращения веществ. Различают ГОМОГЕННЫЕ И ГЕТЕРОГЕННЫЕ системы. С понятием системы связано понятие ФАЗА – часть системы, одинаковая по своим физическим и химическим свойствам во всех направлениях и отделенная от других частей границей (поверхностью) раздела. Гомогенные системы состоят из одной фазы, гетерогенные из двух или нескольких фаз.

В случае гомогенного состояния – нет границы раздела между компонентами системы: жидкость – жидкость; газ – газ; твердое – твердое. В случае

4Фролов В.В. Химия: учеб. пособие для вузов. – 2-е изд.. испр. и доп. – М.: Высш. шк., 1979. – 559 с.

5Различные технологии удаления лигнина из древесины с целью получения технической целлюлозы.

5