Физколлоидная химия

      Контрольная работа по физической и коллоидной химии 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание

Введение………………………………………………………….……………..…3

     1. Катализ и катализаторы. Виды  катализаторов. Теории катализа. Напишите выражения для константы  равновесия гомогенной системы.

      2NН₃  +  3С1₂         N₂  +  6НСl

     Как изменится скорость прямой реакции, если концентрацию аммиака увеличить  в 2 раза?............................................................................................3

     2. Буферные растворы и их значение.

     Определите  концентрацию ионов гидроксида, величину рН и среду раствора, если концентрация ионов водорода равна:

     а) 10^-4 моль/л          б) 10^-9 моль/л…………………………………….6

     3. Сорбция, её виды. Дайте определение  адсорбции; её сущность, зависимость  от температуры, площади поверхности…………………………8

     4. Молекулярно-кинетические свойства  дисперсных систем: броуновское  движение, диффузия, осмотическое давление. Седиментация, центрифугирование……………………………………………………….……10

     5. Деэмульгирование и его значение.

     Опишите свойства и получение порошков, суспензий, паст, применяемых в технологии приготовления пищи…………………………..12

     Литература………………………………………………………….…….13 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение

     Данная  контрольная работа посвящена таким  вопросам физической и коллоидной химии  как поверхностные явления, адсорбция, молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем. 

     1. Катализатор — химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции[1]. Количество катализатора, в отличие от других реагентов, после реакции не изменяется. Обеспечивая более быстрый путь для реакции, катализатор реагирует с исходным веществом, получившееся промежуточное соединение подвергается превращениям и в конце расщепляется на продукт и катализатор. Затем катализатор снова реагирует с исходным веществом, и этот каталитический цикл многократно (до миллиона раз) повторяется.

     Катализаторы  подразделяются на гомогенные и гетерогенные. Гомогенный катализатор находится  в одной фазе с реагирующими веществами, гетерогенный — образует самостоятельную  фазу, отделённую границей раздела от фазы, в которой находятся реагирующие вещества [1]. Типичными гомогенными катализаторами являются кислоты и основания. В качестве гетерогенных катализаторов применяются металлы, их оксиды и сульфиды.

     Реакции одного и того же типа могут протекать как с гомогенными, так и с гетерогенными катализаторами. Так, наряду с растворами кислот применяются имеющие кислотные свойства твёрдые Al2O3, TiO2, ThO2, алюмосиликаты, цеолиты. Гетерогенные катализаторы с основными свойствами: CaO, BaO, MgO [1].

     Гетерогенные  катализаторы имеют, как правило, сильно развитую поверхность, для чего их распределяют на инертном носителе (силикагель, оксид  алюминия, активированный уголь и  др.).

     Для каждого типа реакций эффективны только определённые катализаторы. Кроме уже упомянутых кислотно-основных, существуют катализаторы окисления-восстановления; для них характерно присутствие переходного металла или его соединения. В этом случае катализ осуществляется путём изменения степени окисления переходного металла.

     Много реакций осуществлено при помощи катализаторов, которые действуют через координацию реагентов у атома или иона переходного металла (Ti, Rh, Ni). Такой катализ называется координационным.

     Если  катализатор обладает хиральными свойствами, то из оптически неактивного субстрата получается оптически активный продукт.

     В современной науке и технике  часто применяют системы из нескольких катализаторов, каждый из которых ускоряет разные стадии реакции [2][3]. Катализатор  также может увеличивать скорость одной из стадий каталитического цикла, осуществляемого другим катализатором. В биохимических реакциях роль катализаторов играют ферменты.

     Катализаторы  следует отличать от инициаторов. Например, перекиси распадаются на свободные  радикалы, которые могут инициировать радикальные цепные реакции. Инициаторы расходуются в процессе реакции, поэтому их нельзя считать катализаторами.

     Ингибиторы  иногда ошибочно считают отрицательными катализаторами. Но ингибиторы, например, цепных радикальных реакций, реагируют  со свободными радикалами и, в отличие от катализаторов, не сохраняются. Другие ингибиторы (каталитические яды) связываются с катализатором и его дезактивируют, здесь имеет место подавление катализа, а не отрицательный катализ. Отрицательный катализ в принципе невозможен: он обеспечивал бы для реакции более медленный путь, но реакция, естественно, пойдёт по более быстрому, в данном случае, не катализированному, пути.

     Для объяснения механизма каталитических реакций были предложены три группы теорий: геометрические, электронные и химическая. В геометрических теориях основное внимание обращено на соответствие между геометрической конфигурацией атомов активных центров катализатора и атомов той части реагирующих молекул, которая ответственна за связывание с катализатором. Электронные теории исходят из представления, что хемосорбция обусловливается электронным взаимодействием, связанным с переносом заряда, т.е. эти теории связывают каталитическую активность с электронными свойствами катализатора. Химическая теория рассматривает катализатор как химическое соединение с характерными свойствами, которое образует химические связи с реагентами, в результате чего формируется нестабильный переходный комплекс. После распада комплекса с высвобождением продуктов катализатор возвращается в исходное состояние. Последняя теория считается сейчас наиболее адекватной.

• 2NН₃  +  3С1₂ = N₂  +  6НСl

K=[N₂][HCl]⁶/[Cl₂]³[NH₃]²

Скорость  прямой реакции выражается уравнением:

V₁=k[NH₃]²[Cl₂]³

При увеличении концентрации аммиака в 2раза скорость изменяется:

V₁=k(2[NH₃])²[Cl₂]³=4k[NH₃]²[Cl₂]³

То есть скорость прямой реакции увеличивается  в 4 раза. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2.

     Буферный  раствор поддерживает при изменении  состава среды постоянство значения какой-либо характеристики, например, рН (кислотно-основной буферный раствор) или окислительно-восстановительного потенциала (окислительно-восстановительный буферный раствор).

     Значение  рН кислотно-основного буферного  раствора зависит от концентраций компонентов  буферной смеси, находящихся в хим. равновесии, и мало меняется при концентрировании и разбавлении раствора, введении относительно небольших количеств веществ, взаимодействующих с одним из компонентов буферного раствора.

     Наиболее  распространены водные кислотно-основные буферные растворы. Они содержат слабую кислоту НА и сопряженное с ней основание А -, например, СН₃СООН и СН₃СОО-, NH₄+ и NH₃. В таких системах осуществляется равновесие:

     По  данным о константе диссоциации  к-ты Ка = — [Н₃О+] [А- ] /[НА] определяют значение рН р-ра:

     где [НА] и [А-] -равновесные концентрации соответствующей кислоты и основания, рКа= —lgКа. Это значение рН остается практически постоянным, т.к. при добавлении небольших количеств сильных кислот или оснований ионы Н₃О+ или ОН- связываются основанием (кислотой) с образованием сопряженной кислоты (основания).[2]

     Буферные  растворы – фосфатный [ + ] и карбонатный [  + ] – имеют большое значение для обеспечения жизнедеятельности  организмов, т.к. они поддерживают постоянство  рН физиологических жидкостей. Кроме  этих буферных растворов рН крови  и других жидкостей организма сохраняется постоянным благодаря белкам и гемоглобину. У человека рН крови равен 7,35–7,45. На 75% буферная емкость крови обусловлена гемоглобином. Она настолько велика, что требуется в 50 раз больше сильной кислоты или щелочи, чтобы изменить рН на ту же величину по сравнению с водой.

• Определите концентрацию ионов гидроксида, величину рН и среду раствора, если концентрация ионов водорода равна:

     а) 10^-4 моль/л          б) 10^-9 моль/л

     pH=-lg[H+]

     pOH=-lg[OH-]

     pH+pOH=14

1. pH=4

pOH=14-4=10

[OH-]=10^-10 моль/л

Среда кислая

б) pH=9

pOH=14-9=5

[OH-]=10^-5 моль/л 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     3.

     Сорбция - это поглощение одного вещества другим. Поглотитель - сорбент, поглощаемое  вещество - сорбат.

     Если  поглощение происходит только в поверхностном  слое сорбента, т.е. происходит поверхностная сорбция, она называется адсорбцией.

     Если  же сорбат продиффундировал по всему  объёму сорбента, т.е. если произошла  объёмная сорбция, она называется абсорбцией.

       По механизму протекания процесса  сорбция подразделяется на:

     физическую,

     химическую. [3]

     При физической сорбции между сорбентом  и сорбатом происходит только межмолекулярное  взаимодействие, т.е. сцепление достаточно непрочное, и со временем начинается обратный процесс - процесс отдачи поглощённого вещества, и в конце концов устанавливается равенство скоростей обоих процессов:

Vадсорбции  == Vдесорбции

       При химической сорбции (хемосорбции)  между сорбентом и сорбатом  возникает химическое взаимодействие, в результате чего между ними  образуется третье вещество, рис.1. 

     Рис.1 
 

     Химическая  сорбция намного прочнее физической, десорбция самопроизвольно практически  не происходит.

     Ещё 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. 

     Адсорбция происходит на границе раздела следующих  фаз:

       твёрдое тело – газ;

       твёрдое тело – раствор;

       раствор – газ.

     Адсорбция-  изменение  концентрации вещества вблизи поверхности раздела фаз. В общем случае причина адсорбции - нескомпенсированность межмолекулярных сил вблизи этой поверхности, т.е. наличие адсорбционного силового поля.

     С ростом температуры или давления адсорбата в объеме увеличивается частота попаданий молекул адсорбата на поверхность адсорбента; пропорционально ей возрастает скорость адсорбции и увеличивается равновесное количество адсорбированных молекул. Кривые зависимости равновесной адсорбции от температуры или давления адсорбата называются, соответственно, изобарой и изотермой адсорбции. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     4.

     Все молекулярно-кинетические свойства вызваны хаотическим тепловым движением молекул дисперсионной среды, которое складывается из поступательного, вращательного и колебательного движения молекул.

     Броуновским называют непрерывное, хаотическое, равновероятное для всех направлений движение мелких частиц, взвешенных в жидкостях или  газах, за счет воздействия молекул  дисперсионной среды.

     Мельчайшие  частицы незначительной массы испытывают неодинаковые удары со стороны молекул дисперсионной среды, возникает сила, движущая частицу, направление и импульс силы, непрерывно меняются, поэтому частица совершает хаотические движения.

     Диффузией называют самопроизвольное распространение вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. Различают следующие виды диффузии: молекулярную, ионную и коллоидных частиц.[1]

     При разделении двух растворов различной  концентрации или раствора и чистого  растворителя полупроницаемой перегородкой (мембраной) возникает поток растворителя от меньшей концентрации к большей, выравнивающей концентрацию. Этот процесс называется осмосом. [2]

     Осмотическое  давление – такое избыточное давление над раствором, которое необходимо для исключения переноса растворителя через мембрану. Осмотическое давление равно тому давлению, которое производила бы дисперсная фаза (растворенное вещество), если бы она в виде газа при той же температуре занимала тот же объем, что и коллоидная система (раствор)

     Седиментация— направленное движение частиц (твёрдых  крупинок, капелек, пузырьков) в поле действия гравитационных или центробежных сил. Скорость седиментации зависит  от массы, размера и формы частиц, вязкости и плотности среды, а  также от ускорения свободного падения или действующих на частицы центробежных сил. В гравитационном поле седиментируют достаточно крупные частицы, не подверженные тепловому (броуновскому) движению, в поле центробежных сил возможна седиментация коллоидных частиц и макромолекул — молекул природных и синтетических полимеров. Для мелких не взаимодействующих между собой сферических частиц, оседающих в ламинарном режиме, скорость седиментации вычисляют по формуле Стокса.

     Седиментация  в дисперсных системах с жидкой и  особенно газовой дисперсионной средой часто сопровождается укрупнением седиментирующих частиц вследствие коагуляции и (или) коалесценции. Седиментацию используют в промышленности при обогащении полезных ископаемых, разделении продуктов химической и нефтехимической технологии, очистке и гидравлической классификации различных порошкообразных материалов . Седиментация в гравитационное поле, а также в центрифугах и ультрацентрифугах лежит в основе седиментационного анализа.

     Центрифугирование- разделение в поле центробежных сил жидких дисперсных систем с частицами размером более 100 нм. Используют для выделения составляющих фаз (жидкая - фугат или фильтрат, твердая - осадок) из двухкомпонентных (суспензии, эмульсии) и трехкомпонентных (эмульсии, содержащие твердую фазу) систем. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     5.Деэмульгирование- процесс, обратный эмульгированию, разрушение эмульсий, т. е. дисперсных  систем, состоящих из двух несмешивающихся  жидкостей, одна из которых  в виде мелких капель равномерно  распределена в объёме другой. Капли эмульсии при деэмульгировании укрупняются вследствие коалесценции (слияния) в процессе броуновского движения, седиментации (оседания) или перемешивания. Деэмульгирование приводит к полному или частичному расслоению образующих эмульсию жидкостей. Оно происходит, когда действие стабилизаторов эмульсий (эмульгаторов) перестаёт быть эффективным, т. е. образуемые ими на поверхности капель защитные оболочки разрушаются или теряют способность предотвращать коалесценцию. В промышленности и в лабораториях деэмульгирование осуществляют механическими методами (Центрифугированием, фильтрацией через пористые материалы, перемешиванием), нагреванием или вымораживанием, воздействием электрического поля, высаливанием (введением электролитов), а также введением специальных реагентов — деэмульгаторов, которые нейтрализуют действие эмульгаторов, реагируя с ними химически, или вытесняют их с поверхности капель эмульсии. Деэмульгаторами обычно служат Поверхностно-активные вещества, обладающие более высокой, чем эмульгаторы данной эмульсии, поверхностной активностью, но меньшей стабилизующей способностью.

         Деэмульгирование широко используют  при обезвоживании и обессоливании  сырой нефти, во многих процессах  химической технологии, при получении  сливочного масла и т.д.[3]

     Два основных способа- смешение сухих порошков с жидкостью или измельчение твердых тел в жидкости (методы диспергирования) и выделение твердой фазы из жидкой среды (методы конденсации). Методы диспергирования требуют затраты энергии на преодоление сил межмолекулярного взаимодействия и накопление свободной поверхностной энергии образовавшихся частиц. Измельчение твердых тел осуществляют раздавливанием, истиранием, дроблением, расщеплением мех. способом с помощью дробилок, ступок и мельниц разл. конструкции (шаровых, вибро-, струйных, коллоидных), ультразвуком, а также электрич. методами.

     Пасты – это высоко концентрированные  суспензии, обладающие структурой. Структура  – это пространственная сетка, образованная частицами дисперсной фазы, в петлях которой находится дисперсионная  среда.

     Можно сказать, что пасты занимают промежуточное  положение между порошками и  разбавленными суспензиями. Их получают, соответственно: растирая порошок в  жидкости, обладающей достаточно большой  вязкостью; например, некоторые сорта  зубной пасты готовят путем смешивания мела с вязкой жидкостью, полученной путем варки крахмала в глицериновом водном растворе с добавлением небольшого количества ПАВ; в результате седиментации разбавленной суспензии.[4] 
 
 
 

     Литература

1. Болдырев  А.И. Физическая и коллоидная  химия.- М.: Высшая школа, 1993.

2. Евстратова  К.И., Купина Н.А., Малахова Е.Е.  Физическая и коллоидная химия.- М.: Высшая школа, 1990.

3. Липатников  В.Е., Казаков К.М. Физическая и  коллоидная химия.- М.: Высшая школа, 1981.

4. Фридрихсберг  Д.А. Курс коллоидной химии.- М.: Химия, 1984.