методичка до розрахи

2

Фізична та колоїдна хімія (частина II). Хімічна кінетика. Дисперсні системи. Програма ку-

рсу, методичні вказівки та контрольні завдання до самостійної роботи для студентів базового на-

прямку 1102 “Фармація”/ Укл.: Павловський Ю.П., Герасимчук С.І. – Львів: НУ “Львівська політехніка”, 2010. – 20 с.

3

ЗАГАЛЬНІ МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

Робоча навчальною програма курсу “Фізична та колоїдна хімія” передбачає, що студент заочної форми навчання виконує дві контрольні роботи - по одній в кожному з двох семестрів, в яких вивчається даний курс. Варіант контрольних питань та задач вибирається за останньою цифрою номера залікової книжки (або за номером в журналі відвідування). Наприклад, студент, номер залікової якого 9811063, виконує 3-й варіант задач і відповідає на 3, 13, 23, 33 і т.д. питання з кожного розділу.

Програма курсу та контрольні питання

Розділ 5. Хімічна кінетика

Основні поняття хімічної кінетики: швидкість, константа швидкості, порядок хімічної реакції. Кінетичні рівняння реакцій нульового, першого, другого та третього порядків. Оборотні, паралельні та послідовні реакції. Методи визначення порядку реакції.

Залежність швидкості реакції від температури, правило Вант-Гоффа, рівняння Арреніуса. Енергія активації, температурний коефіцієнт швидкості реакції.

Особливості кінетики гетерогенних реакцій, дифузійний та кінетичний режими процесу. Каталітичні реакції, каталізатори. Особливості гомогенного, гетерогенного та фермента-

тивного каталізу. Роль каталізаторів у природі та промисловості. Кінетика фотохімічних та ланцюгових реакцій.

1.Основний закон хімічної кінетики. Що таке "швидкість хімічної реакції". Від чого залежить ця величина i в яких одиницях вона вимірюється?

2.Основний закон хімічної кінетики. Що таке "константа швидкості хімічної реакції". Від чого залежить ця величина i в яких одиницях вона вимірюється?

3.Дайте визначення поняття "молекулярність". В чому відмінність понять „молекулярність” та „порядок” хімічної реакції?

4.Дайте визначення поняття "порядок хімічної реакції". В чому відмінність понять „молекулярність” та „порядок” хімічної реакції?

5.Дайте визначення поняття „час половинного перетворення” („час піврозпаду”) хімічної реакції. Як залежить ця величина від початкової концентрації у реакціях різних порядків?

6.За яким рівнянням можна розрахувати константу швидкості реакції другого порядку? Наведіть відповідне рівняння і поясніть величини, що входять до нього.

7.За яким рівнянням можна розрахувати константу швидкості реакції першого порядку? Наведіть відповідне рівняння і поясніть величини, що входять до нього.

8.Приведіть рівняння Арреніуса. Дайте визначення поняття "енергія активації". Від чого залежить ця величина і в яких одиницях вона вимірюється?

9.Дайте визначення поняття "температурний коефіцієнт швидкості реакції Вант-Гоффа". Від чого залежить ця величина і в яких одиницях вона вимірюється?

10.Дайте визначення поняття "гомогенний каталіз". У чому полягає сутність дії гомогенного каталізатора?

11.Дайте визначення поняття "гетерогенний каталіз”. У чому полягає сутність дії гетерогенного каталізатора?

12.Який вигляд має графік залежності швидкості хімічної реакції від концентрації реагуючих речовин? Наведіть відповідне рівняння.

13.Який вигляд має графік залежності швидкості хімічної реакції від температури? Наведіть відповідне рівняння.

4

14.Дайте визначення поняття "дифузійний режим процесу". Якими факторами можна впливати на швидкість процесу у цьому режимі?

15.Дайте визначення поняття "кінетичний режим процесу". Якими факторами можна впливати на швидкість процесу у цьому режимі?

16.Які основні стадії протікання гетерогенних реакцій? Яка величина енергія активації гетерогенного процесу у кінетичній області?

17.Які основні стадії протікання гетерогенних реакцій? Яка величина енергія активації гетерогенного процесу у дифузійній області?

18.За яким рівнянням можна розрахувати швидкість дифузійного процесу? Наведіть відповідне рівняння і поясніть величини, що входять до нього..

19.ведіть відповідне рівняння і поясніть величини, що входять до нього.

20.Які дані необхідно мати для знаходження енергії активації хімічної реакції? Приведіть відповідні рівняння.

21.Як розрахувати температурний коефіцієнт швидкості хімічної реакції? Наведіть відповідне рівняння і поясніть величини, що входять до нього.

22.Які існують методи визначення порядку реакції? Опишіть „метод підстановок”.

23.Які існують методи визначення порядку реакції? Опишіть „графічний метод”.

24.Які існують методи визначення порядку реакції? Опишіть інтегральній метод НойєсаОствальда.

25.Які існують методи визначення порядку реакції? Опишіть диференційний метод ВантГоффа.

26.Які реакції називають ланцюговими? З яких основних стадій вони складаються?

27.Які процеси викликають зародження ланцюгових реакцій?

28.Які процеси викликають обрив ланцюгових реакцій? Чому на швидкість ланцюгових реакцій впливає розмір, форма та чистота стінок реакційної посудини?

29.Основний закон фотохімії? Що таке квантовий вихід фотохімічної реакції?

30.Які основні стадії протікання фотохімічних реакцій?

Розділ 6. Колоїдний стан речовини

Предмет колоїдної хімії. Стан речовини на межі поділу фаз. Поверхнева енергія. Високодисперсний стан - особлива форма існування речовини.

Класифікація дисперсних систем: за агрегатним станом дисперсної фази і дисперсійного середовища, за характером взаємодії між дисперсною фазою та дисперсійним середовищем. Технології хімічної промисловості та хімічні продукти з точки зору фізичної хімії дисперсних систем і полімерів.

Одержання та очистка дисперсних систем: диспергування та агрегація. Особливості одержання ліофільних дисперсних систем. Діаліз, електродіаліз та ультрафільтрація, їх застосування у фармації та фармацевтичних виробництвах.

Властивості дисперсних систем. Порівняння колігативних властивостей високодисперсних та істинних розчинів. Оптичні властивості дисперсних систем. Молекулярно-кінетичні властивості: дифузія, броунівський рух та седиментація. Седиментаційна стійкість дисперсних систем та седиментаційний аналіз. Застосування седиментації в фармації та фармацевтичних виробництвах.

Електричні властивості дисперсних систем. Причина виникнення подвійного електричного шару та його будова. Електрокінетичний потенціал. Електрокінетичні явища. Вплив електролітів на електрокінетичний потенціал.

Агрегативна стійкість дисперсних систем та коагуляція. Вплив різних факторів на агрегативну стійкість. Електрокінетичний потенціал та агрегативна стійкість. Кінетика коагуляції. Стабілізація дисперсних систем. Коагуляція та стабілізація в фармації та фармацевтичних виробництвах.

5

Структуроутворення в дисперсних системах. Реологічні властивості колоїдних систем. Істинні та структуровані системи. Тиксотропія. Молекулярні колоїди. Розчини високомолекулярних сполук, їх властивості та відмінність від істинних колоїдів. Високомолекулярні сполуки у фармації та фармацевтичних виробництвах.

Особливості мікрогетерогенних систем. Порошки, суспензії, емульсії, піни та аерозолі. Їх значення в фармації та фармацевтичних виробництвах.

Технології хімічної промисловості та хімічні продукти з точки зору фізичної хімії дисперсних систем і полімерів.

6.1.Класифікація та властивості дисперсних систем

1.Які об’єкти вивчає колоїдна хімія? Що розуміють під терміном дисперсність?

2.Які критерії достатні для того, щоб розглядати систему об’єктом вивчення ФХДСП?

3.Охарактеризуйте основні ознаки високодисперсного стану речовини.

4.Чи є достатнім твердження: “колоїдними називають частинки, яких не видно в оптичний мікроскоп”?

5.Який мінімальний розмір повинна мати частинка, щоб її можна було вважати окремою фазою?

6.При якому мінімальному розмірі частинок ще проявляється дія поверхневих сил?

7.При якому максимальному розмірі частинок дисперсної фази, їхню поведінку можна описати молекулярно-кінетичною теорією?

8.Дайте означення поняття “вільна поверхнева енергія”. Яка її розмірність і як вона змінюється в самодовільних процесах

9.Яка величина є критерієм спрямованості процесів, що протікають у поверхневому шарі

10.Дайте означення поняття “питома поверхня”. В яких одиницях вона вимірюється і як пов’язана з дисперсністю?

11.Дайте означення понять “дисперсна фаза”, “дисперсійне середовище”, “дисперсність”, “питома поверхня”.

12.Що розуміють під терміном “монодисперсна система”, “полідисперсна система”?

13.Які основні відмінності між істинними та колоїдними розчинами?

14.Наведіть приклади корпускулярних, фібрілярних та ламінарних колоїдних систем.

15.Які колоїдні системи з твердою дисперсною фазою Ви знаєте?

16.Які колоїдні системи з газоподібним дисперсійним середовищем Ви знаєте?

17.В яких агрегатних станах речовини не утворюють дисперсних систем?

18.Які колоїдні системи об’єднують під терміном “аерозолі”? Наведіть кілька прикладів.

19.Які колоїдні системи з рідкою дисперсною фазою Ви знаєте?

20.Назвіть диспергаційні методи отримання дисперсних систем, опишіть один із них.

21.Які агрегаційні методи отримання дисперсних систем об’єднують в групу фізичних?

22.Які методи використовують для очистити мікро-гетерогенних високодисперсних систем?

23.Що таке діаліз і де він застосовується? Які властивості повинна мати напівпроникна мембрана, щоб її можна було застосовувати для проведення діалізу?

24.За якою властивістю дисперсні системи поділяють на ліофільні та ліофобні? Чому ліофільні колоїдні системи називають оборотними дисперсними системами?

25.За якої умови дисперсну систему можна отримати шляхом проведення хімічної реакції?

26.В чому полягає ефект Тиндаля? Де він застосовується?

27.Що називають розсіюванням світла Запишіть рівняння Релея та проаналізуйте його.

28.Назвіть методи аналізу колоїдних систем, які базуються на явищі розсіювання світла.

6

29.Чим пояснити голубе забарвлення колоїдного розчину сірки у відбитому світлі і червоне у тому, що пройшло через розчин?

30.Запишіть та проаналізуйте рівняння Ейнштейна для коефіцієнта дифузії.

31.Які фактори впливають на швидкість дифузії?

32.Запишіть рівняння Фіка та поясніть фізичний зміст коефіцієнта дифузії.

33.Як залежить коефіцієнт дифузії від параметрів дисперсної фази та дисперсійного середовища?

34.Чим зумовлюється броунівський рух частинок дисперсної фази? Якою величиною характеризується його інтенсивність?

35.Які параметри характеризують седиментаційну стійкість дисперсних систем? Запишіть формулу гіпсометричного закону.

36.Як за швидкістю седиментації частинки розрахувати її розмір?

37.Зобразіть інтегральні криві седиментації монодисперсної та полідисперсної систем.

38.Наведіть інтегральну криву седиментації бідисперсної системи.

39.Зобразіть диференційні криві седиментації для монодисперсної та полідисперсної систем.

40.Для яких дисперсних систем застосовують седиментацію у відцентровому полі? Як при цьому розраховують радіус сферичної частинки?

6.2.Поверхневі явища та адсорбція

1.Що називають явищем змочування? Яким критерієм його оцінюють? Наведіть рівняння Юнга.

2.Наведіть рівняння Дюпре. Чому дорівнює робота адгезії за умови повного розтікання рідини по поверхні іншої фази?

3.В чому полягає відмінність між явищами адгезії та змочування?

4.В результаті яких процесів може змінюватись потенціал Гіббса поверхні?

5.Запишіть та проаналізуйте фундаментальне рівняння Гіббса, яке описує процес адсорбції.

6.Що розуміють під терміном “поверхнева активність”?

7.На якому явищі ґрунтуються флотаційні методи розділення порошків?

8.Що є мірою здатності речовини адсорбуватись на поверхні розділу рідина - газ? Сформулюйте правило Дюкло-Траубе.

9.Які речовини називають поверхнево-активними? Який вигляд має крива залежності поверхневого натягу від концентрації ПАР у розчині?

10.Чи буде концентрація пропіонової кислоти однаковою в поверхневому шарі та в об’ємі розчину? Відповідь аргументуйте.

11.Поясніть будову молекули ПАР. Що є мірою поверхневої активності ПАР?

12.Наведіть приклади катіоноактивних, аніоноактивних та неіоногенних ПАР.

13.Які речовини називають поверхнево-інактивними? Наведіть графік залежності поверхневого натягу розчину від концентрації поверхнево-інактивної речовини.

14.В чому полягають основні відмінності між фізичною та хімічною адсорбцією?

15.Запишіть рівняння адсорбції Фрейндліха. Поясніть метод знаходження його констант.

16.Які положення лежать в основі теорії мономолекулярної адсорбції Ленгмюра?

17.Запишіть рівняння ізотерми адсорбції Ленгмюра. Поясніть метод знаходження його констант та обґрунтуйте їх фізичний зміст.

18.В яких випадках для опису адсорбції використовують рівняння Ленгмюра?

7

19.Що слід розуміти під “адсорбційним потенціалом”, “характеристичною кривою” у теорії Поляні?

20.Які положення лежать в основі потенційної адсорбційної теорії Поляні?

21.Назвіть основні положення теорії полімолекулярної адсорбції БЕТ.

22.Наведіть рівняння полімолекулярної адсорбції БЕТ, поясніть метод знаходження його констант.

23.Як на основі граничної адсорбції розрахувати питому площу поверхні адсорбенту? Наведіть відповідну формулу.

24.Зобразіть ізотерму адсорбції БЕТ. Яким рівнянням вона описується.

25.Як пояснює теорія БЕТ точку перегину на S-подібній ізотермі адсорбції

26.При якому значенні константи С в рівнянні БЕТ ізотерма адсорбції монотонно зростає

27.Які обмеження в застосуванні рівняння ізотерми адсорбції БЕТ

28.Поясніть появу петлі капілярно-конденсаційного гістерезису на ізотермі адсорбції, ускладненій капілярною конденсацією.

29.Чому в капілярно-пористих тілах рідини конденсуються при тиску, нижчому від насиченого

30.Як залежить тиск пари над рідиною від кривизни поверхні

31.Чому дрібні краплини рідини випаровуються інтенсивніше, ніж крупні

32.Чому розчинність дрібних кристалів є вищою, ніж крупних?

33.Які області застосування капілярної конденсації ви знаєте?

34.Сформулюйте правило полярностей Ребіндера.

35.Чому при адсорбції з полярних розчинників використовують неполярні адсорбенти

36.Наведіть рівняння адсорбції Гіббса. Проаналізуйте застосування цього рівняння для молекулярної адсорбції з розчинів.

37.Як залежить молекулярна адсорбція з розчину від розведення та температури

38.Чому частинки ПАР у водних розчинах переносяться до межі розділу фаз?

39.Наведіть приклади практичного застосування адсорбційних процесів?

40.На якому явищі ґрунтуються хроматографічні методи розділення і аналізу речовин?

6.3.Іонна адсорбція. Електричні властивості дисперсних систем

1.Як впливає природа іона на його адсорбційну здатність

2.Сформулюйте правила вибіркової адсорбції Панета-Фаянса.

3.Що називають ліотропним рядом

4.Наведіть ліотропний ряд одновалентних катіонів та аніонів.

5.Як змінюється радіус гідратованого іона в ліотропному ряді

6.Які особливості адсорбції твердими адсорбентами з розчинів електролітів

7.Чому з ростом радіуса іона зростає його енергія взаємодії із зарядженою поверхнею

8.Що дає право вважати адсорбцію іонів із розчину хемосорбцією?

9.Чому іони водню та гідроксилу займають особливе місце в ліотропних рядах?

10.Що лежить в основі іонного обміну?

11.Де зустрічається іонний обмін у природі?

12.Які речовини здатні до іонного обміну?

13.Які речовини називають іонітами? Які області їх застосування?

8

14.Наведіть приклади синтетичних аніонітів та катіонітів.

15.Які процеси лежать в основі пом’якшення та демінералізації води з допомогою іонообмінних смол?

16.Чому природні ґрунти здатні до іонного обміну?

17.Де застосовують іонообмінну адсорбцію?

18.Яка умова рівноваги в електрохімічних процесах?

19.Які причини виникнення подвійного електричного шару?

20.Чому на межі розділу фаз різної хімічної природи виникає подвійний електричний шар?

21.Які властивості ПЕШ не узгоджуються з теорією Гельмгольца?

22.Зобразіть схематично розподіл іонів відносно поверхні згідно із теорією Гельмгольца.

23.Зобразіть схематично розподіл іонів відносно поверхні згідно із теорією Гуі-Чепмена.

24.Зобразіть схематично розподіл іонів відносно поверхні згідно із теорією Штерна.

25.Від яких факторів залежить швидкість руху частинок при електрофорезі?

26.Які явища називають електроосмосом та електрофорезом?

27.Як за швидкістю руху дисперсійного середовища знайти величину електрокінетичного потенціалу при електроосмосі?

28.Як розраховують ζ- потенціал за даними електрофорезу?

29.Які електрокінетичні явища ви знаєте? Поясніть причини виникнення потенціалів протікання та осідання.

30.Чому експериментально визначена при електрофорезі величина електрокінетичного потенціалу часто буває заниженою?

31.Опишіть застосування електрофорезу в технології отримання білкових препаратів.

32.Зобразіть графік зміни потенціалу від відстані в ПЕШ згідно із теорією Гельмгольца.

33.Зобразіть графік зміни потенціалу від відстані в ПЕШ згідно із теорією Гуі-Чепмена.

34.Зобразіть графік зміни потенціалу від відстані в ПЕШ згідно із теорією Штерна.

35.Вкажіть розміщення площини ковзання в ПЕШ, на поверхні якої, згідно із теорією Штерна, виникає електрокінетичний потенціал.

36.Зобразіть графік залежності концентрації іонів від відстані в ПЕШ за теорією Гельмгольца.

37.Зобразіть графік залежності концентрації іонів від відстані в ПЕШ за теорією Гуі-Чепмена.

38.Зобразіть графік залежності концентрації іонів від відстані в ПЕШ за теорією Штерна.

39.Яка особливість адсорбції багатовалентних іонів згідно із теорією Штерна?

40.Як впливає додавання індиферентних та неіндиферентних електролітів на будову ПЕШ (товщину адсорбційного та дифузійного шарів, величину потенціалу поверхні та ζ-потенціалу)?

6.4.Стійкість та коагуляція дисперсних систем

1.Що розуміють під терміном “коагуляція”?

2.Вкажіть фактори, які можуть викликати коагуляцію колоїдного розчину.

3.Що називають критичним потенціалом та критичною концентрацією при коагуляції?

4.Назвіть стадії протікання процесу коагуляції.

5.Що називають порогом коагуляції та коагулюючою здатністю електроліту?

6.На яких відстанях між частинками, згідно із теорією ДЛФО, переважають сили відштовхування?

7.Який вигляд мають потенційні криві взаємодії частинок дисперсної фази, що відповідають а) агрегативно-стійким системам б) оборотній коагуляції в) порогу коагуляції г) агрегати- вно-нестійким дисперсним системам?

9

8.Як залежить, згідно із теорією ДЛФО, поріг коагуляції золів із сильно зарядженими частинками від заряду іона коагулятора?

9.Як пов’язана коагулююча здатність іона з його валентністю? Сформулюйте правило коагуляції Шульце-Гарді.

10.Що розуміють у теорії ДЛФО під нейтралізаційною коагуляцією Для яких систем вона характерна

11.Що розуміють під концентраційною коагуляцією в теорії ДЛФО Для яких систем вона характерна

12.Які недоліки теорії ДЛФО? Назвіть явища, які спостерігаються при коагуляції золів сумішшю електролітів.

13.Які поверхнево-активні речовини називають міцелярними?

14.Поясніть будову міцели ПАР, утвореної у водному розчині.

15.Що називають критичною концентрацією міцелоутворення? Як її визначають?

16.Чи однаковою буде будова міцели стеарату натрію у полярному та неполярному розчинниках? Відповідь аргументуйте.

17.Які фактори, згідно із теорією Смолуховського, впливають на швидкість коагуляції?

18.Зобразіть графік залежності швидкості коагуляції від концентрації електроліту. Вкажіть області стійкості, повільної та швидкої коагуляції.

19.Наведіть формулу для розрахунку константи швидкості швидкої коагуляції на основі залежності сумарного числа частинок від часу.

20.Наведіть аналітичну й графічну залежності сумарної кількості частинок та частинок кратності 1, 2, 3 від часу, згідно із теорією Смолуховського.

21.Як захистити золь від коагуляції електролітами?

22.Які фактори перешкоджають коагуляції?

23.Що розуміють під оборотністю коагуяції та пептизацією?

24.В чому полягає явище чергування зон коагуляції?

25.Які речовини проявляють здатність до колоїдного захисту?

26.Які види стійкості характерні для гідрофобних золів?

27.Якою величиною характеризують здатність речовин до колоїдного захисту?

28.Поясніть механізм захисної дії ПАР та розчинів ВМС.

29.Де застосовують колоїдний захист, зокрема у фармації?

30.Наведіть приклади застосування колоїдного захисту в харчовій промисловості та кулінарії.

10

КОНТРОЛЬНІ ЗАДАЧІ

Задача 1

За кінетичними даними (табл. 1) для реакції:

А+ В  продукти

1.Побудуйте графіки залежності концентрації реагентів від часу (кінетичні криві) при трьох температурах.

2.Знайдіть порядок реакції при одній з температур і обчисліть константи швидкості реакції при кожній температурі.

3.Побудуйте графік залежності lnk = f(1/T) і визначте енергію активації реакції та передекспоненційний множник.

4.Визначте температурний коефіцієнт реакції і встановить чи підпорядковується дана реакція емпіричному правилу Вант-Гоффа.

Таблиця 1