Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии для тепловых процессов) определяет количественное соотношение между изменением внутренней энергии системы дельта U, количеством теплоты Q, подведенным к ней, и суммарной работой внешних сил A, действующих на систему.

Первый закон термодинамики - Изменение внутренней энергии системы при ее переходе из одного состояния в другое равно сумме количества теплоты, подведенного к системе извне, и работы внешних сил, действующих на нее:

Первый закон термодинамики - количество теплоты, подведенное к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами:

22) Самопроизвольные процессы, энтропия химических систем

 

Процессы, протекающие без подвода энергии от внешнего источника, называются самопроизвольными. Самопроизвольно протекает большинство экзотермических реакций ( ): реакции горения, образования ржавчины на металле, взаимодействия активных металлов с растворами кислот и водой и пр. Но существуют самопроизвольные и эндотермические процессы, например, растворение некоторых солей в воде. Следовательно, кроме энтальпийного фактора ( ) имеется другая движущая сила самопроизвольных процессов.

Энтальпия — это свойство вещества, указывающее количество энергии, которую можно преобразовать в теплоту.

Энтальпия — это термодинамическое свойство вещества, которое указывает уровень энергии, сохраненной в его молекулярной структуре. Это значит, что, хотя вещество может обладать энергией на основании температуры и давления, не всю ее можно преобразовать в теплоту. Часть внутренней энергии всегда остается в веществе и поддерживает его молекулярную структуру. Часть кинетической энергии вещества недоступна, когда его температура приближается к температуре окружающей среды. Следовательно, энтальпия — это количество энергии, которая доступна для преобразования в теплоту при определенной температуре и давлении. Единицы энтальпии — британская тепловая единица или джоуль для энергии и Btu/lbm или Дж/кг для удельной энергии.

23) Энтропия - мера беспорядка системы

Первый закон термодинамики гласит, что энергию невозможно создать или уничтожить. Следовательно, количество энергии во вселенной всегда такое же, как было и при ее создании. Второй закон термодинамики гласит, чтокоэффициент полезного действия ни одного реального (необратимого) процесса не может быть 100% при преобразовании энергии в работу.

,

где ΔS — изменение энтропии, ΔQ — изменение теплоты, T — абсолютная термодинамическая температура.

Энергия Гиббса  (изобарно-изотермический потенциал, свободная энтальпия), один из потенциалов термодинамических системы. Обозначается G, определяется разностью между энтальпией H и произведением энтропии S на термодинамическую температуру Т:  Δ_тG = Δ_тH - T·Δ_тS. В химических процессах одновременно действуют два противоположных фактора - энтропийный (T·Δ_тS) иэнтальпийный (Δ_тH). Суммарный эффект этих противоположных факторов в процессах, протекающих при постоянном давлении и температуре определяет изменение энергии Гиббса (G):

Δ_тG = Δ_тH - T·Δ_тS. 

Из этого выражения следует, что  Δ_тH =  Δ_тG + T·Δ_тS , то есть некоторое количество теплоты расходуется на увеличении энтропии (T·Δ_тS), эта часть энергии потеряна для совершения полезной работы, её часто называют связанной энергией. Другая часть теплоты (Δ_тG) может быть использована для совершения работы, поэтому энергию Гиббса часто называют также свободной энергией.

Характер изменения энергии Гиббса позволяет судить о принципиальной возможности осуществления процесса. При Δ_тG процесс может протекать, при Δ_тG>0  процесс протекать не может (иными словами, если энергия Гиббса в исходном состоянии системы больше, чем в конечном, то процесс принципиально может протекать, если наоборот - то не может). Если же , то Δ_тG=0 система находится в состоянии химического равновесия.

Обратите внимание, что речь идёт исключительно о принципиальной возможности протекания реакции. В реальных же условиях реакция может не начинаться и при соблюдении неравенства  Δ_тG (по кинетическим причинам). Классическим определением энергии Гиббса является выражение:

G=U+PV-TS, 

где U - внутренняя энергия, P - давление, V - объем, T - абсолютная температура, S - энтропия.

24) Водородный показатель (рН) величина, характеризующая актив­ность или концентрацию ионов водорода в растворах. Водородный показатель обозначается рН.

Водородный показатель характеризует концентрацию свободных ионов водорода в воде.

Для удобства отображения был введен специальный показатель, названный рН и представляющий собой логарифм концентрации ионов водорода, взятый с обратным знаком, т.е. pH = -log[H⁺].

Если говорить проще, то величина рН определяется количественным соотношением в воде ионов Н⁺ и ОН^-, образующихся при диссоциации воды. Если в воде пониженное содержание свободных ионов водорода (рН>7) по сравнению с ионами ОН^-, то вода будет иметь щелочную реакцию, а при повышенном содержании ионов Н⁺ (рН<7)- кислую. В идеально чистой дистиллированной воде эти ионы будут уравновешивать друг друга. В таких случаях вода нейтральна и рН=7. При растворении в воде различных химических веществ этот баланс может быть нарушен, что приводит к изменению уровня рН.

Жесткость воды(Читайте между строк, редактировать времени нету) - определенное свойство воды, которое связывают с растворенными в ней соединениями магния и кальция, то есть наличием в воде катионов этих элементов (при повышении температуры соли этих металлов выпадают в осадок и образуют весьма прочные отложения). Жесткость воды во многом определяет пригодность воды для использования как промышленных, так и в бытовых целях. Возникновением накипи мы «благодарны» именно жесткой воде.

Жесткость воды принято исчислять суммой миллимолей ионов кальция и магния на 1 литр воды (ммоль/л). 1 ммоль/л соответствует количеству любого вещества в мг/л, равному его молекулярной массе, разделенной на валентность. Величина 1 ммоль/л говорит о содержании в 1 литре воды 20,04 мг/л кальция либо 12,1 б мг/л магния. Для удобства пользуются величиной мг-экв/л, которая соответствует моль/м3. Кроме того, в зарубежных странах широко используются такие единицы жесткости, как немецкий градус (do, dH), французский градус (fo), американский градус, ppm карбоната кальция.

Принято классифицировать жесткость воды следующим образом:  - мягкая вода – жесткость 3,0 мг-экв/л и более  - средняя жесткость – от 3,0 до 6,0 мг-экв/л  - жесткая вода – свыше 6,0 мг-экв/мл.

Причиной жесткости воды является подземные залежи известняков, гипса, доломитов, которые растворяются в подземных водах, а также отчасти, других процессов растворения и выветривания горных пород. Обычно в маломинерализованных водах преобладает (до 70%-80%) жесткость воды, обусловленная ионами кальция (хотя в отдельных редких случаях магниевая жесткость может достигать 50-60%). С увеличением степени минерализации воды содержание ионов кальция (Са2+) быстро падает и редко превышает 1 г/л. Содержание же ионов магния (Mg2+) в высокоминерализованных водах может достигать нескольких граммов, а в соленых озерах - десятков граммов на один литр воды.

В целом, жесткость поверхностных вод меньше жесткости вод подземных. Жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего в период половодья, когда обильно разбавляется мягкой дождевой и талой водой. Морская и океанская вода имеют очень высокую жесткость (десятки и сотни мг-экв/дм3).

Приемлемость жесткости воды для питьевых нужд зависит от конкретных местных условий. Порог вкуса для иона кальция находится в диапазоне 2-6 мг-экв/л, в зависимости от соответствующего аниона, а порог вкуса для магния - значительно ниже (в отдельных случаях приемлема вода жесткостью в 10 мг-экв/л). Жесткая вода имеет горьковатый вкус и негативно воздействует на органы пищеварения, органолептические свойства воды отвечают низкому уровню.

Однако мягкая вода с жесткостью менее 2 мг-экв/л имеет низкую буферную емкость и может, в зависимости от значения рН и других параметров влиять на коррозионную активность водоводов (в данном случае повышать их устойчивость и работоспособность). В теплотехнике в некоторых случаях проводят специальную химподготовку воды с целью достижения оптимального и эффективного соотношения между жесткостью воды и ее коррозионной активностью.

25) Выделяют 2 типа жесткости воды:  - временная – карбонатная жесткость, обусловлена присутствием на ряду с кальцием, магнием и железом гидрокарбонатных анионов;  - постоянная – некарбонатная жесткость, характеризуется присутствием сульфатных, нитратных и хлоридных анионов, соли кальция и магния которых прекрасно растворяются в воде;  - общая жесткость определяется как суммарная величина наличия солей магния и кальция в воде, то есть суммой карбонатной и некарбонатной жесткости.

Как извлечь - ><

26) Читайте растворы, скину отдельно.

27) Идентификация — это ответ на вопрос, какое вещество присутствует в интересующей нас системе (качественный анализ) и сколько этого вещества содержится в системе (количественный анализ). Такое исследование особенно актуально в настоящее время для оценки экологической обстановки. Качественный анализ позволяет определить вещество, а количественный дает информацию, например о том, превышает или нет концентрация вещества его предельно допустимую концентрацию (ПДК) в системе. В основе качественного анализа лежит знание химического поведения веществ, например в виде ионов, по отношению к действию определенной группы соединений, называемых реагентами, а также знание свойств образующихся продуктов реакции (растворимость в воде, кисло­тах, щелочах, в растворах некоторых веществ (реагентов), способность к образованию веществ сложного состава (комплексообразование).

Э то знание особенностей химического поведения веществ позволяет выделить реакции обнаружения, т.е. такие химические реакции анализируемого вещества с реагентом, при которых образуются продукты, имеющие заметные признаки:

• образование характерных осадков и их цвета;

• растворение осадков;

• появление (изменение) окраски при растворении осадков;

• выделение газов.

Количественный анализ — совокупность методов аналитической химии для определения количества (содержания) элементов (ионов), радикалов, функциональных групп, соединений или фаз в анализируемом объекте

Качественный 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

28)(читайте между строк) Физико-химические методы анализа, основаны на зависимости физических свойств вещества от его природы, причем аналитический сигнал представляет собой величину физического свойства, функционально связанную сконцентрацией или массой определяемого компонента. Физико-химические методы анализа могут включать химические превращения определяемого соединения, растворение образца, концентрирование анализируемого компонента, маскирование мешающих веществ и других. В отличие от «классических» химических методов анализа, где аналитическим сигналом служит масса вещества или его объем, в физико-химические методы анализа в качестве аналитического сигнала используют интенсивность излучения, силу тока, электропроводность, разность потенциалов и др.

Важное практическое значение имеют методы, основанные на исследовании испускания и поглощения электромагнитного излучения в различных областях спектра. К ним относится спектроскопия (например, люминесцентный анализ, спектральный анализ, нефелометрия и турбидиметрия и другие). К важным физико-химическим методам анализа принадлежат электрохимические методы, использующие измерение электрических свойств вещества (кондуктометрия, кулонометрия, потенциометрия и т. д.), а также хроматография (например,газовая хроматография, жидкостная хроматография, ионообменная хроматография, тонкослойная хроматография). Успешно развиваются методы, основанные на измерении скоростей химических реакций (кинетические методы анализа), тепловых эффектов реакций (термометрическое титрование, смотри Калориметрия), а также на разделенииионов в магн. поле (масс-спектрометрия).

При выполнении физико-химических методов анализа используют специальную, иногда довольно сложную, измерительную аппаратуру, в связи с чем эти методы часто называют инструментальными. Многие современные приборы оснащены встроенными ЭВМ, которые позволяют находить оптимальные условия анализа (напр., спектральную область получения наиболее точных результатов при анализе смеси окрашенных веществ), выполняют расчеты и т. д

Почти во всех физико-химических методов анализа применяют два основных приема: методы прямых измерений и титрования. В прямых методах используют зависимость аналитического сигнала от природы анализируемого вещества и его концентрации. Зависимость сигнала от природы вещества - основа качественного анализа (потенциал полуволны вполярографии и т.д.). В некоторых методах связь аналитического сигнала с природой вещества установлена строго теоретически. Например, спектр атома водорода может быть рассчитан по теоретически выведенным формулам. В количественном анализе используют зависимость интенсивности сигнала от концентрации вещества. Чаще всего она имеет вид I = a + bс (уравнение связи), где I- интенсивность сигнала (сила диффузионного тока в полярографии, оптическая плотность в спектрофотометрии и т. д.), с - концентрация, а и b - постоянные, причем во многих случаях а= 0 (спектрофотометрия, полярография и др.). В ряде физико-химических методов анализа уравнение связи установлено теоретически, например закон Бугера-Ламберта-Бера, уравнение Ильковича.

Численные значения констант в уравнении связи определяют экспериментально с помощью стандартных образцов, стандартных растворов и т.д. Только в кулонометрии, основанной на законе Фарадея, не требуется определение констант.

Наибольшее распространение в практике получили следующие методы определения констант уравнения связи или, что то же самое, методы количеств, анализа с помощью физико-химических измерений:

1) Метод градуировочного графика. Измеряют интенсивность аналитического сигнала у нескольких стандартных образцов или стандартных растворов и строят градуировочный график в координатах I = f(с) или I = f(lgc), где с -концентрация компонента в стандартном растворе или стандартном образце. В тех же условиях измеряют интенсивность сигнала у анализируемой пробы и по градуировочному графику находят концентрацию.

2) Метод молярного свойства применяют в тех случаях, когда уравнение связи I = bc соблюдается достаточно строго. Измеряют аналитический сигнал у нескольких стандартных образцов или растворов и рассчитывают b = I_ст /с_ст; еслис_ст измеряется в моль/л, то b -молярное свойство. В тех же условиях измеряют интенсивность сигнала у анализируемой пробы I_x и по соотношению c_x = I_x /b или c_x = c_стI_x /I_СТ рассчитывают концентрацию.

29) (читайте между строк) Сырьем для полиэтилена служит газ этилен. Полиэтилен синтезируют путем полимеризации этилена при высоком и низком давлениях. Как правило, полиэтилен выпускают в виде гранул диаметром 2-5 миллиметров (намного реже порошка). ПЭ относится к классу полиолефинов. Существует два основных класса полиэтиленов: Полиэтилен Низкой Плотности (Высокого Давления) LDPE и Полиэтилен Высокой Плотности (Низкого Давления) HDPE. Кроме того, существует несколько подклассов полиэтилена.

Полиэтилен, получаемый при высоком давлении, называют полиэтиленом высокого давления (ПЭВД, ПВД) или низкой плотности (ПЭНП, LDPE). В промышленности полиэтилен высокого давления получают полимеризацией этилена в трубчатом реакторе или в автоклаве. Подробнее рассмотрим получение в трубчатом реакторе. Процесс при высоком давлении протекает по радикальному механизму под действием О2, пероксидов (бензоила, лаурила) или их смесей. При производстве полиэтилена в трубчатом реакторе этилен, смешанный с инициатором, сжатый компрессором до 25 МПа и нагретый до 700С, поступает сначала в первую зону реактора, где подогревается сначала до 1800С, а затем во вторую, где полимеризуется при 190-300 град. С и давлении 130-250 МПа. Среднее время пребывания этилена в реакторе 70-100 сек, степень превращения 18-20% в зависимости от количества и типа инициатора. Из полиэтилена удаляют непрореагировавший Этилен, расплав охлаждают до 180-1900С и гранулируют. Гранулы, охлажденные водой до 60-70 град. С, подсушивают теплым воздухом и упаковывают в мешки. Товарный полиэтилен ВД выпускают окрашенным и неокрашенным, в гранулах.

Полиэтилен - это термопластичный прозрачный полимер с высокой химической стойкостью. Сырьем для него служит простейший олефин - газ этилен. Полиэтилен получают путем полимеризации этилена при низком и высоком давлениях в виде гранул от 2 до 5 мм.

Существует четыре основных вида полиэтилена:

• полиэтилен высокого давления - ПВД

• полиэтилен среднего давления - ПСД

• полиэтилен низкого давления - ПНД

• линейный полиэтилен высокого давления - ЛПВД

По мимо выше перечисленных существуют специальные виды полиэтилена, которые используются для создания специальных строительных материалов. К таким видам относятся:

• сшитый полиэтилен - PEX

• вспененный полиэтилен - ПП

• хлорсульфированный полиэтилен - ХСП

• сверхвысокомолекулярный полиэтилен - СВМП