- •В.М. Васюков
- •Курс лекций
- •Часть I. Теоретическая химия
- •Глава 1. Основные понятия и законы химии
- •Основные понятия химии
- •Основные положения атомно-молекулярной теории
- •Газовые законы
- •Глава 2. Строение атома и периодический закон Модели строения атома
- •Квантовые числа электронов
- •Электронные конфигурации атомов
- •Ядро атома и радиоактивные превращения
- •Периодический закон
- •Глава 3. Химическая связь Валентность и степень окисления
- •Ковалентная связь
- •Ионная связь
- •Металлическая связь
- •Межмолекулярные взаимодействия
- •Глава 4. Комплексные соединения
- •Глава 5. Состояние вещества
- •Глава 6. Физико-химические закономерности протекания химических реакций Химическая термодинамика
- •Химическая кинетика и катализ
- •Обратимые и необратимые реакции. Состояние химического равновесия
- •Глава 7. Физико-химическая теория растворов электролитов и неэлектролитов Механизм образования растворов и их классификация
- •Идеальные и реальные растворы. Растворение как физико-химический процесс
- •Зависимость растворимости различных веществ от природы растворителя, температуры и давления
- •Законы разбавленных растворов
- •Способы выражения концентрации (состава) растворов
- •Электролиты и электролитическая диссоциация
- •Гидролиз солей
- •Глава 8. Дисперсные системы
- •Классификации дисперсных систем
- •Оптические и молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем
- •Поверхностные и адсорбционные явления
- •Коллоидные (коллоидно-дисперсные) системы
- •Глава 9. Теория окислительно-восстановительных процессов Окислительно-восстановительные реакции
- •Химические источники электрической энергии. Электродные потенциалы
- •1) Металлы, обладающие более электроотрицательным потенциалом, способны вытеснить менее активные металлы (с более положительным потенциалом) из водных растворов их солей;
- •Коррозия металлов
- •Электролиз
- •Восстанавливается вода Восстанавливается вода и катионы металла Восстанавливается катионы металла
- •Глава 10. Качественный и количественный анализ веществ
- •Качественный анализ
- •Классификация катионов на аналитические группы
- •Классификация анионов на аналитические группы
- •Количественный анализ
- •Химические методы анализа
- •Физические и физико-химические методы анализа
- •Часть II. Неорганическая химия
- •Глава 11. Важнейшие классы неорганических соединений
- •Основания (гидроксиды металлов)
- •Кислоты
- •Глава 12. Элементы I группы
- •Водород
- •Глава 13. Элементы II группы
- •Бериллий
- •Глава 14. Элементы III группы
- •Алюминий
- •Лантаноиды
- •Актиноиды
- •Глава 15. Элементы IV группы
- •Углерод
- •Кремний
- •Глава 16. Элементы V группы
- •Глава 17. Элементы VI группы
- •Кислород
- •Глава 18. Элементы VII группы
- •Глава 19. Элементы VIII группы
- •Часть III. Органическая химия Глава 20. Общая характеристика органических соединений
- •Теория строения органических соединений
- •Атомы в молекулах соединены между собой в определенном порядке химическими связями согласно их валентности; углерод во всех органических соединениях четырехвалентен.
- •Свойства вещества определяются не только качественным составом, но и его строением, взаимным влиянием атомов, как связанных между собой химическими связями, так и непосредственно не связанных.
- •Строение молекул может быть установлено на основе изучения их химических свойств.
- •Формулы органических соединений
- •Классификация органических соединений
- •Номенклатура органических соединений
- •Изомерия органических соединений
- •Взаимное влияние атомов в молекуле и реакционная способность органических соединений
- •Общая характеристика органических реакций
- •Промышленное производство органических соединений
- •Глава 21. Алканы Номенклатура и изомерия
- •Физические свойства
- •Способы получения
- •Химические свойства
- •Применение
- •Глава 22. Циклоалканы Номенклатура и изомерия
- •Физические свойства
- •Получение
- •Химические свойства
- •Глава 23. Алкены (олефины) Номенклатура и изомерия
- •Физические свойства
- •Получение
- •Химические свойства
- •Применение
- •Глава 24. Алкадиены (диеновые углеводороды) Номенклатура и изомерия
- •Физические свойства
- •Получение
- •Химические свойства
- •Применение
- •Глава 25. Алкины (ацетилены) Номенклатура и изомерия
- •Физические свойства
- •Получение
- •Химические свойства
- •Применение
- •Глава 26. Ароматические углеводороды (арены) Номенклатура и изомерия
- •Физические свойства
- •Способы получения
- •Химические свойства
- •Правила ориентации (замещения) в бензольном кольце
- •Применение
- •Глава 27. Гидроксильные соединения (спирты)
- •Одноатомные спирты (алкоголи) Номенклатура и изомерия
- •Физические свойства
- •Получение
- •Химические свойства
- •Применение
- •Многоатомные спирты
- •Получение
- •Химические свойства
- •Применение
- •Физические свойства
- •Способы получения
- •Химические свойства
- •Применение
- •Глава 28. Карбонильные соединения (оксосоединения) Номенклатура и изомерия
- •Метаналь этаналь
- •Физические свойства
- •Получение
- •Химические свойства
- •Применение
- •Глава 29. Карбоновые кислоты Номенклатура и изомерия
- •Физические свойства
- •Получение
- •Химические свойства
- •Применение
- •Глава 30. Сложные эфиры. Жиры Номенклатура и изомерия
- •Физические свойства
- •Химические свойства
- •Жиры и масла
- •Глава 31. Углеводы (сахара)
- •Моносахариды Номенклатура и изомерия
- •Физические и химические свойства глюкозы
- •Дисахариды
- •Полисахариды
- •Глава 32. Амины
- •Предельные алифатические амины Номенклатура и изомерия
- •Физические свойства
- •Получение
- •Химические свойства
- •Применение
- •Ароматические амины
- •Физические свойства
- •Химические свойства
- •Применение
- •Глава 33. Аминокислоты, пептиды и белки
- •Аминокислоты Номенклатура и изомерия
- •Физические свойства
- •Получение
- •Химические свойства
- •Пептиды
- •Физические свойства
- •Химические свойства
- •Биологическое значение белков
- •Глава 34. Гетероциклические соединения
- •Шестичленные гетероциклы
- •Пятичленные гетероциклы
- •Нуклеиновые кислоты Строение нуклеиновых кислот
- •Биологическая роль нуклеиновых кислот
- •Глава 35.Синтетические высокомолекулярные соединения
- •Общая характеристика полимеров
- •Пластмассы
- •Волокна
- •Каучуки
- •Литература
- •Приложения Растворимость неорганических веществ в воде при 25°c
Оптические и молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем
Оптическое свойство коллоидных систем – опалесценция, т.е. рассеивание света малыми частицами, приводящее, в частности, к возникновению эффекта Фарадея-Тиндаля – луч света в дисперсной системе становится видимым.
Молекулярно-кинетические свойства – диффузия, броуновское движение, седиментация связанны с хаотическим тепловым движением частиц.
Броуновское движение – беспорядочное движение частиц. А.Эйнштейн и независимо от него М. Смолуховский развили молекулярно-статистическую теорию броуновского движения, доказав, что оно является отражением теплового, хаотичного движения молекул дисперсионной среды. Интенсивность движения возрастает с повышением температуры, уменьшением размеров частиц и вязкости среды.
Диффузия – самопроизвольный процесс перемещения вещества, приводящий к выравниванию его концентрации. Скорость диффузии при постоянных температуре и вязкости среды зависит от величины и формы частиц. Особые формы диффузии – осмос и диализ. Осмос – диффузия частиц растворителя через полупроницаемую мембрану. Диализ – диффузия частиц растворенного вещества через полупроницаемую мембрану.
Седиментация – свободное оседание частиц в вязкой среде под действием гравитационного поля. Седиментируют только достаточно крупные частицы. Закон Стокса: скорость оседания прямо пропорциональна ускорению гравитационного поля Земли, разности плотностей частиц и окружающей среды, квадрату радиуса оседающих сферических частиц и обратно пропорциональна вязкости среды.
Поверхностные и адсорбционные явления
Различия состава и строения соприкасающихся фаз, а также характера молекулярных взаимодействий в их объеме обуславливают возникновение своеобразного молекулярного силового поля на поверхности раздела фаз. Вследствие этого на поверхности раздела фаз величины свободной и внутренней энергии, а также энтропии повышены.
Работу обратимого изотермического образования единицы поверхности называют удельной свободной поверхностной энергией (σ). В случае границы двух конденсированных фаз эту величину называют пограничным, а для границы жидкости и газа – поверхностным натяжением. Значение σ зависит от природы соприкасающихся фаз, температуры и добавок растворенных веществ.
Различают два вида устойчивости коллоидно-дисперсных систем: седиментационную (или кинетическую) и агрегативную. Седиментационная устойчивость – устойчивость коллоидных частиц к оседанию под действием силы тяжести. Агрегативная устойчивость – способность золя сохранять размер частиц и их индивидуальность с течением времени.
Нарушение агрегативной устойчивости, при которой происходит объединение частиц в агрегаты, называют коагуляцией. Продуктами коагуляции могут быть: золь с более крупными частицами, осадок (коагулят), гель (коагель). Внешне коагуляция проявляется в изменении цвета раствора, помутнении или выпадении осадка (седиментации). Коагуляцию можно вызвать повышением концентрации золя, изменением температуры, механическим воздействием, облучением, длительным диализом или ультрафильтрацией, добавлением посторонних веществ: электролитов, неэлектролитов, порошков, других золей и т. д.
Наибольший интерес представляет коагуляция под действием электролитов. Правило Гарди – коагуляцию вызывают ионы, заряженные противоположно коллоидным частицам. Чем больше заряд иона, тем больше его коагулирующая способность.
Причем коагулирующая способность иона пропорциональна приблизительно шестой степени заряда коагулирующего иона – правило Шульце.
Процесс, обратный коагуляции, т. е. переход (диспергация) свежеобразованного осадка или геля в золь, называется пептизацией. Вызвать пептизацию можно промыванием коагулята растворителем, а также воздействием пептизаторов (электролитов, неэлектролитов, поверхностно-активных веществ, высокомолекулярных соединений). Причем пептизировать можно только свежеполученные осадки, в которых не прошли явления кристаллизации и частицы не потеряли своей индивидуальности.
Сорбцией называют любой процесс поглощения одного вещества (сорбтива) другим (сорбентом), независимо от механизма поглощения. В зависимости от механизма сорбции различают адсорбцию, абсорбцию, хемосорбцию и капиллярную конденсацию.
Адсорбция – изменение концентрации вещества на границе раздела фаз. Адсорбция происходит на любых межфазовых поверхностях, и адсорбироваться могут любые вещества. Адсорбция уменьшается с повышением температуры.
Абсорбция – поглощение одного вещества другим не ограничивающееся поверхностным слоем, а происходящее во всем объеме сорбента (растворение газов в жидкостях). Поглощение одного вещества другим, сопровождающееся химическими реакциями, называют хемосорбцией. Так, поглощение аммиака или хлористого водорода водой, поглощение влаги и кислорода металлами с образованием оксидов и гидроксидов.
Капиллярная конденсация – ожижении паров в микропористых сорбентах.
Все самопроизвольные процессы на границах раздела фаз происходят в направлении уменьшения свободной поверхностной энергии. Следовательно, положительная адсорбция, приводящая к повышению концентрации вещества в пограничном слое, возможна только в том случае, если при этом уменьшается величина поверхностного натяжения.
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) – химические соединения, способные адсорбироваться на границе раздела фаз и снижать поверхностное натяжение. ПАВ регулируют смачивание, облегчают диспергирование, повышают или понижают устойчивость суспензий, эмульсий, пен. Используются как моющие средства, флотореагенты, ингибиторы коррозии металлов, коагулянты и т. п.
Уменьшение поверхностного натяжения межфазовых поверхностей при действии ПАВ различной природы создает возможность регулирования условий смачивания и избирательного смачивания поверхностей твердых фаз жидкостями. Одним из самых крупномасштабных технологических процессов является флотационное обогащение и разделение горных пород.
Солюбилизация – увеличение растворимости плохо растворимых в данном растворителе веществ при концентрации ПАВ выше критической концентрации мицеллообразования. Так, солюбилизируются вещества нерастворимые в воде (жиры, красители, бензол).
Хроматография – метод разделение сложных смесей путем адсорбции в динамических условиях был предложен М.С. Цветом. Раствор исследуемой смеси вводят в «хроматографическую колонку» – стеклянную трубку, заполненную адсорбентом. Компоненты смеси адсорбируются в верхней части колонки; образуется первичная хроматограмма. Затем ее «проявляют», для этого в колонку подают чистый растворитель (элюент), который десорбирует ранее адсорбированные вещества и перемещает их со своим потоком вниз по колонке, приводящие к разделению компонентов смеси в соответствии с законом адсорбционного замещения М.С. Цвета, который состоит в следующем: если растворенные вещества А, В, С, ... по своему относительному сродству к адсорбенту образуют адсорбционный ряд А > В > С ..., тогда каждый из членов адсорбционного ряда вытесняет последующий и, в свою очередь, вытесняется предыдущими, более сильно адсорбирующимися. В результате на колонке образуется проявленная хроматограмма. М.С. Цвет применил этот метод для разделения на адсорбентах белого цвета (мел, оксид кальция, крахмал, целлюлоза) смеси пигментов листьев растений. Проявленная хроматограмма расцвечивалась зонами разнообразной окраски. Большое значение для анализа очень малых объемов растворов приобрела распределительная хроматография на бумаге, предложенная Консденом. Она основана на том, что между двумя несмешивающимися жидкостями третий компонент распределяется в соответствии с характерным для этого вещества коэффициентом распределения, представляющим отношение его концентраций в граничащих жидкостях (закон распределения).
Явление перемещения дисперсной фазы относительно дисперсионной среды в электрическом поле называют электрофорезом, а перемещение дисперсионной среды относительно дисперсной фазы – электроосмосом. Измеряя скорость электрофореза или электроосмоса, можно определить электрокинетический потенциал (ζ). В уравнении Гельмгольца-Смолуховского выявлена зависимость скорость перемещения фаз от электрокинетического потенциала:
u0 = ζε0εE/η,
где u0 – скорость перемещения фаз; ζ – электрокинетический потенциал; E – напряженность внешнего поля; η – вязкость среды; ε – диэлектрическая проницаемость среды; ε0 – электрическая постоянная (или диэлектрическая проницаемость вакуума).