31, Методы получения и очистки коллоидных растворов

Так как коллоидные системы занимают промежуточное положение между грубодисперсными системами и истинными растворами, то их можно получать двумя различными путями: из грубодисперсных систем путем дробления – это методы диспергирования; или из истинных растворов в результате объединения атомов и молекул в агрегаты коллоидной степени дисперсности – методы конденсации.

Методы диспергирования

Механическое измельчение - заключается в энергичном и длительном растирании, размалывании или распылении дисперсной фазы и смешивании его с дисперсионной средой. Для устойчивости образующегося золя добавляется стабилизатор. Дробление осуществляют с помощью коллоидных мельниц, вальцов, ступок и т.п.

Электрическое диспергирование – состоит в получении золей металлов при контакте двух металлических электродов при пропускании через них тока силой 5 – 10 А и напряжением на электродах 100 В. В области возникшей дуги отрываются частицы от электродов, поступают в среду и образуют золь. Так получают гидрозоли серебра, платины, золота. Их используют в медицине как антисептические лекарственные вещества.

Диспергирование ультразвуком – используют для дробления непрочных веществ с помощью ультразвуковых колебаний с частотой выше 20000 Гц.

Пептизация – переход в коллоидный раствор осадков под влиянием дисперсионной среды, содержащей пептизатор. Пептизации поддаются только свежие осадки, они легко переходят в золь, а старые, как правило, не пептизируются. Пептизацию можно наблюдать при "восстановлении" сухого молока, где пептизатором является белок.

32, Давление пара растворов

. Давление пара растворов. Состав пара растворов.

Давление насыщенного пара является весьма важным свойством растворов. С его величиной непосредственно связаны многие свойства растворов. Допустим, что к пару применимы законы идеальных газов. Воспользуемся упрощенной схемой испарения. Растворяя большое количество какого-либо вещества в данном растворителе, мы понижаем концентрацию молекул последнего в единице объема и уменьшаем этим число молекул, вылетающих в единицу времени из жидкой фазы в газообразную. В результате равновесие между жидкостью и паром устанавливается при меньшей концентрации раствора, т.е. при меньшем его давлении. Следовательно, давление насыщенного пара растворителя над раствором, должно быть всегда меньше, чем над чистым растворителем. При этом понижение давления пара будет, тем больше чем больше концентрация растворенного вещества в растворе. Из этого вытекает закон Генри, который можно выразить уравнением:

, где

3Первый закон термодинами гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена. Таким образом, энергия системы (замкнутой) - постоянна. Тем не менее, энергия может быть передана от одного элемента системы другому. Внутрення энергия включает :

Кинетическую энергию движения атомов

Потенциальную энергию хранящуюся в химических связях

Гравитационную энергию системы

Первый закон является основой для термодинамической науки и инженерного анализа.

Базируется на возможных типах обмена (энергии), ниже приведены 3 типа систем:

пред - изолированные системы (isolated systems): отсутствует обмен элементами системы или энергией

закрытые системы (closed systems): отсутствует обмен элементами системы, но присутствует некоторый обмен энергией

открытые системы (open systems): возможен обмен как элементами системы, так и энергией

Первый закон термодинамики помогает использовать ключевые концепции внутренней энергии (internal energy), тепла (heat), и работы системы (system work). которые широко используются в описании тепловых систем (heat engines).

Внутренняя энергия ( Internal Energy) - Внутренняя энергия определяется как энергия случайных, находящихся в неупорядченном движении молекул. Энергия молекул находится в диапазоне от высокой, необходимой для движения, до заметной лишь с помощью микроскопа энергии на молекулярном или атомном уровне. Например, у стакана с водой комнатной температы, стоящего на столе нет, на первый взгляд, никакой энергии: ни кинетической, ни потенциальной относительно стола. Но, с помощью микроскопа становится заметна "бурлящая" масса быстро двигающихся молекул. Если выплеснуть воду из стакана, эта микроскопическая энергия не обязательно заметно изменится, когда мы усредним добавленную кинетическую энергию на все молекулы воды.

34, При анализе белковых веществ были найдены в определённых соотношениях углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера. Так, например, в белках содержится углерода от 50,6 до 54,5%,кислорода от 21,5 до 23,5%,азота от15,0 до 17,6%,водорода от 6,5 до 7,3%,серы от 0,3 до 2,5%фосфора от 0,5 до 0,6%.

Количество белков в тканях определяют по содержанию в них общего азота, умножая полученное число на коэффициент 6,25.Этим методом вычисляют содержание белка в тканях, жидкостях, препаратах и т.п. Белковые вещества как высокомолекулярные соединения в водной среде дают коллоидные растворы. Каждая коллоидная частица вступает во взаимодействие с водой, в результате чего вокруг неё образуется водная или сольватная оболочка. В водной среде белковые соединения обладают электрическим зарядом благодаря наличию в аминокислотах полярных групп:

В растворах белки крайне не устойчивы и легко выпадают в осадок от прибавления различных солей и водоотнимающих средств. Белки можно осадить спиртом, ацетоном, растворами сернокислого аммония, крепкой соляной кислотой, трихлоруксусной и пикриновыми кислотами, танином и многими другими реактивами. В зависимости от задачи, которую ставит исследователь, он использует тот или иной осадитель. Если необходимо выделить из раствора белки неизменными, то используют чаще всего соли сернокислого аммония. При этом в зависимости от концентрации соли в осадок будут переходить разные белковые фракции. Так, например, альбумин крови осаждается только при полном насыщении сернокислым аммонием, а глобулин - при полунасыщении. Денатурация белков (от лат. de- — приставка, означающая отделение, удаление и лат. nature — природа; не путать с лат. denaturatus — лишенный природных свойств) — термин биологической химии, означающий потерю белками их естественных свойств (растворимости, гидрофильности и др.) вследствие нарушения пространственной структуры их молекул.

Процесс денатурации отдельной белковой молекулы, приводящий к распаду её «жёсткой» трёхмерной структуры, иногда называют плавлением молекулы. Изоэлектрическая точка (pI) — кислотность среды (pH), при которой определённая молекула или поверхность не несёт электрического заряда. Амфотерные молекулы (цвиттер-ионы) содержат как положительные, так и отрицательные заряды, наличием которых определяется pH раствора. Заряд различных функциональных групп таких молекул может меняться в результате связывания или, наоборот, потери протонов H+. Величина изоэлектрической точки такой амфотерной молекулы определяется величинами констант диссоциации кислотной и осно́вной фракций:

Растворимость амфотерных молекул, как правило, является минимальной при pH равной или близкой к изоэлектрической точке pI. Часто они в своей изоэлектрической точке выпадают в осадок. Многие биологические молекулы, такие как аминокислоты и белки, являются по своей природе амфотерными, так как содержат и кислотные, и осно́вные функциональные группы. Общий заряд белка определяется боковыми группами аминокислот, которые могут быть положительно- или отрицательно-заряженными, нейтральными или полярными. Общий заряд белка при pH ниже изоэлектрической точки является положительным. Наоборот, при pH выше изоэлектрической точки общий заряд белка — отрицательный. В самой изоэлектрической точке сумма положительных зарядов на белковой молекуле равна сумме отрицательных зарядов, поэтому будучи помещена в электрическое поле такая молекула не двигается. Изоэлектрическое фокусирование белков используется для разделения смеси белков в полиакриламидном геле в градиенте pH в зависимости от величины их изоэлектрических точек.

35, Эл Диссоциация на ионы в растворах происходит вследствие взаимодействия растворённого вещества с растворителем; по данным спектроскопических методов, это взаимодействие носит в значительной мере химический характер. Наряду с сольватирующей способностью молекул растворителя определённую роль в электролитической диссоциации играет также макроскопическое свойство растворителя — его диэлектрическая проницаемость ектролитическая диссоциация — процесс распада электролита на ионы при его растворении или плавлении. Под действием высоких температур ионы кристаллической решётки начинают совершать колебания, кинетическая энергия повышается, и наступит такой момент (при температуре плавления вещества), когда она превысит энергию взаимодействия ионов. Результатом этого является распад вещества на ионы. Слабые электролиты — химические соединения, молекулы которых даже в сильно разбавленных растворах незначительно диссоциированны на ионы, которые находятся в динамическом равновесии с недиссоциированными молекулами. К слабым электролитам относится большинство органических кислот и многие органические основания в водных и неводных растворах.

Слабыми электролитами являются:

почти все органические кислоты и вода;

некоторые неорганические кислоты: HF, HClO, HClO2, HNO2, HCN, H2S, HBrO, H3PO4,H2CO3, H2SiO3, H2SO3 и др.;

некоторые малорастворимые гидроксиды металлов: Fe(OH)3, Zn(OH)2 и др. Сильные электролиты — химические соединения, молекулы которых в разбавленных растворах практически полностью диссоциированы на ионы. Степень диссоциации таких электролитов близка к 1. К сильным электролитам относятся многие неорганические соли, некоторые неорганические кислоты и основания в водных растворах, а также в растворителях, обладающих высокой диссоциирующей способностью (спирты, амиды и др.).

Классическая теория электролитической диссоциации применима лишь к разбавленным растворам слабых электролитов.

36, В исследовательской практике золи получают как физическими методами конденсации, так и химическими. В ряде случаев можно получать золи непосредственной конденсацией паров, например, ртути, серы, селена и других веществ, не окисляющихся при испарении. В тех случаях, когда при испарении на воздухе возможно окисление, проводят одновременное испарение в вакууме как дисперсной фазы, так и дисперсионной среды, после чего конденсируют их на охлажденной поверхности, а затем нагревают до расплавления дисперсионной среды и получают лиозоль. Таков, например, метод Рогинского и Шальникова получения органозолей щелочных металлов.

Для образования золей из растворов используют метод снижения растворимости, например, так называемый метод замены растворителя. Можно вливать раствор вещества в растворителе, неограниченно смешивающимся с водой, в охлажденную воду или изменять растворяющую способность, вводя осадитель в водный раствор. Такой метод применяется не только для получения золей, но и при формовании волокон из растворов.

Можно получать золи путем охлаждения пересыщенных водных растворов, например, вливанием горячего раствора в холодную воду. В тех случаях, когда растворенное вещество имеет на кривой растворимости критическую температуру смешения, вблизи этой температуры при охлаждении или нагревании образуется лиофильный золь.

Наиболее важное значение для технологии получения дисперсных систем имеют процессы конденсации в жидкой среде, основанные на образовании дисперсной фазы при химическом взаимодействии растворимых веществ. Необходимым условием получения лиозолей является малая растворимость дисперсной фазы.

В принципе может быть использована любая химическая реакция - восстановления, окисления, двойного обмена, гидролиза. Во время становления коллоидной химии как науки было предложено бесконечное число химический реакций, которые могут привести к образованию коллоидных систем. Большинство способов получения золей были обобщены Зигмонди. Мы остановимся только на тех, которые имеют промышленное значение.

37, Буферная емкость определяется количеством (М) кис¬лоты или щелочи, которое при добавлении к 1 л буферной смеси меняет рН на единицу. Поскольку буферная емкость л обычно меняется с изменением состава (а следовательно, с изменением рН), ее лучше выразить в дифференциальной форме:

n = db/dpH= — da/dpH,

где da и db — соответственно число молей сильной кислоты или основания, необходимое для изменения рН на величину dpH.

?сн,соон =

= 0,1 м

Практически емкость буферного раствора определяется числом молей эквивалентов сильной кислоты или сильного основания, которое изменяет рН раствора на единицу (рис. 2.2). Чем больше кислоты содержит буферный раствор, тем больше основания можно добавить, прежде чем рН раствора изменится на единицу. Аналогично, чем больше концентрация буферного раствора по основанию, тем больше емкость буфера по отношению к кислоте. Буферная емкость максимальна при условии, когда концентрации компонентов равны, т. е. при рН = р/(А, и зависит от общей концентрации буферного раствора; она тем больше, чем больше эта кон-

центрация. Следует учитывать, что уровень рН не зависит от концентрации, а емкость зависит.

38,Химическое равновесие — состояние химической системы, в котором обратимо протекает одна или несколько химических реакций, причём скорости в каждой паре прямая-обратная реакция равны между собой. Для системы, находящейся в химическом равновесии, концентрации реагентов, температура и другие параметры системы не изменяются со временем.[1], Положение химического равновесия зависит от следующих параметров реакции: температуры, давления и концентрации. Влияние, которое оказывают эти факторы на химическую реакцию, подчиняются закономерности, которая была высказана в общем виде в 1885 году французским ученым Ле-Шателье.

Факторы влияющие на химическое равновесие:

1) температура

При увеличении температуры химическое равновесие смещается в сторону эндотермической (поглощение) реакции, а при понижении в сторону экзотермической (выделение) реакции.

CaCO3=CaO+CO2 -Q t↑ →, t↓ ←

N2+3H2↔2NH3 +Q t↑ ←, t↓ →

2) давление

При увеличении давления химическое равновесие смещается в сторону меньшего объёма веществ, а при понижении в сторону большего объёма. Этот принцип действует только на газы, т.е. если в реакции участвуют твердые вещества, то они в расчет не берутся.

CaCO3=CaO+CO2 P↑ ←, P↓ →

1моль=1моль+1моль

3) концентрация исходных веществ и продуктов реакции

При увеличении концентрации одного из исходных веществ химическое равновесие смещается в сторону продуктов реакции, а при понижении концентрации продуктов реакции-в сторону исходных веществ.

S2+2O2=2SO2 [S],[O]↑ →, [SO2]↑ ←

Катализаторы не влияют на смещение химического равновесия!

39, начало коагуляции может быть определено по разным признакам — по изменению окраски золя, появлению мути, началу выделения дисперсной фазы в осадок и т. д. Появление этих признаков не всегда совпадает во времени. Кроме того, порог коагуляции в известной степени зависит и от концентрации золя. Поэтому порог коагуляции является довольно относительной характеристикой устойчивости золя по отношению к данному электролиту. Во всяком случае, всегда необходимо точно указывать условия, при которых проводилось определение порога коагуляции золя.

Еще в 1882 г. Шульце установил, что коагулирующая сила иона тем больше, чем больше его валентность. Эта зависимость была подтверждена Гарди и получила название правила Шульце—Гарди, или правила значности. Это правило не предусматривает прямой пропорциональности между валентностью иона и его коагулирующим действием, коагулирующая сила возрастает гораздо быстрей валентности. Для золя AS2S3

Шульце нашел следующие соотношения коагулирующей силы одно-, двух- и трехвалентных катионов: 1 : 20 : 350; Фрейндлих для того же золя и тех же катионов нашел ряд 1:7: 531; Пиктон и Линдер — ряд 1:20:1500. Расхождение между значениями порогов коагуляции, найденных различными авторами, объясняется трудностью получения коллоидной системы с одной и той же характеристикой и несоблюдением, полностью одинаковых условий при определении порогов коагуляции.

Дальнейшие опыты показали, что коагулирующая сила ионов одной и той же валентности возрастает с увеличением, радиуса иона. Иначе говоря, катионы или анионы одной и той же валентности по своему коагулирующему действию располагаются в обычный лиотропный ряд. Для одновалентных катионов и отрицательно заряженных частиц золя иодида серебра такая закономерность видна из следующих данных (по Л, К. Лепинь и А. В. Бромбергу);

40, Уравнение Нернста — уравнение, связывающее окислительно-восстановительный потенциал системы с активностями веществ, входящих в электрохимическое уравнение, и стандартными электродными потенциалами окислительно-восстановительных пар.

[править] лектро́дный потенциа́л — разность электрических потенциалов между электродом и находящимся с ним в контакте электролитом (чаще всего между металлом и раствором электролита).

Возникновение электродного потенциала обусловлено переносом заряженных частиц через границу раздела фаз, специфической адсорбцией ионов, а при наличии полярных молекул (в том числе молекул растворителя) — ориентационной адсорбцией их. Величина электродного потенциала в неравновесном состоянии зависит как от природы и состава контактирующих фаз, так и от кинетических закономерностей электродных реакций на границе раздела фаз.

Равновесное значение скачка потенциалов на границе раздела электрод/раствор определяется исключительно особенностями электродной реакции и не зависит от природы электрода и адсорбции на нём поверхностно-активных веществ. Эту абсолютную разность потенциалов между точками, находящимися в двух разных фазах, нельзя измерить экспериментально или рассчитать теоретически.

[править]

Измерение потенциалов

Практическое значение имеют относительные электродные потенциалы, обычно называемые просто электродные потенциалы, представляющие собой разность электродных потенциалов рассматриваемого электрода и электрода сравнения — чаще всего нормального водородного электрода, электродный потенциал которого условно принимается равным нулю (для водных систем). Нормальный потенциал, стандартный потенциал, физико-химическая величина, условно характеризующая равновесную разность потенциалов между электродом и раствором в том случае, когда вещества, участвующие в электродной реакции, находятся в стандартном состоянии, Максимальная разность потенциалов, возникающая при обратимой работе гальванического элемента, есть электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента. Электродным потенциалом электрода εэ называется ЭДС элемента, составленного из данного электрода и стандартного водородного электрода (см. ниже), электродный потенциал которого принят равным нулю. При этом знак электродного потенциала считают положительным, если в таком гальваническом элементе испытуемый электрод является катодом, и отрицательным, если испытуемый электрод является анодо Ряд напряжений

(реже — ряд активностей) последовательность расположения металлов и их ионов в порядке возрастания стандартных электродных потенциалов (См. Электродный потенциал) в растворах электролитов. Электродом сравнения обычно служит стандартный Водородный электрод. Поэтому в Р. н. включают и водород, электродный потенциал которого принимается равным нулю. В СССР и многих других европейских странах электродному потенциалу принято давать знак, одинаковый со знаком заряда электрода из данного металла по отношению к стандартному водородному электроду (в США принято давать обратный знак). Наибольшие отрицательные потенциалы характерны для щелочных металлов (около — 3 в), за ними следуют щёлочноземельные металлы и т. д.; наиболее положительные потенциалы имеют благородные металлы (около + 1,5 в; численные значения см. в ст. Металлы, табл. 2 и 3). В Р. н. часто включают неметаллы, ионы и некоторые химические соединения. Наиболее распространённые металлы расположены в Р. н. в следующей последовательности: Li, К, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Fe, Co, Ni, Sn, Pb, H2, Cu, Hg, Ag, Au

41, Органические соединения, органические вещества — класс химических соединений, в состав которых входит углерод (за исключением карбидов, угольной кислоты, карбонатов, оксидов углерода и цианидов).[1] Фотосинтез (от др.-греч. φῶς — свет и σύνθεσις — соединение, складывание, связывание, синтез) — процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция — совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества. Значение фотосинтеза

Фотосинтез является основным источником биологической энергии, фотосинтезирующие автотрофы используют её для синтеза органических веществ из неорганических, гетеротрофы существуют за счёт энергии, запасённой автотрофами в виде химических связей, высвобождая её в процессах дыхания и брожения. Энергия, получаемая человечеством при сжигании ископаемого топлива (уголь, нефть, природный газ, торф), также является запасённой в процессе фотосинтеза.

Фотосинтез является главным входом неорганического углерода в биологический цикл. Весь свободный кислород атмосферы — биогенного происхождения и является побочным продуктом фотосинтеза. Формирование окислительной атмосферы (кислородная катастрофа) полностью изменило состояние земной поверхности, сделало возможным появление дыхания, а в дальнейшем, после образования озонового слоя, позволило жизни выйти на сушу.

42, Тепловой эффект химической реакции или изменение энтальпии системы вследствие протекания химической реакции — отнесенное к изменению химической переменной количество теплоты, полученное системой, в которой прошла химическая реакция и продукты реакции приняли температуру реагентов.

Чтобы тепловой эффект являлся величиной, зависящей только от характера протекающей химической реакции, необходимо соблюдение следующих условий:

Реакция должна протекать либо при постоянном объёме Qv(изохорный процесс), либо при постоянном давлении Qp(изобарный процесс).

В системе не совершается никакой работы, кроме возможной при P = const работы расширения. Внутренняя энергия и энтальпия

1. Внутренней энергией U называется энергия системы, зависящая только от ее термодинамического состоянии. Для системы, нe подверженной действию внешних сил и находящейся в состоянии макроскопического покоя, внутренняя энергия представляет собой полную энергию системы. В некоторых простейших случаях внутренняя энергия равна разности между полной энергией W системы и суммой кинетической энергии WK ее макроскопического движения и потенциальной энергии Wп, обусловленной действием на систему внешних силовых полей:

U = W - (Wk + Wп)

Внутренняя энергия системы равна сумме: а) кинетической энергии хаотического движения микрочастиц системы (молекул, атомов, ионов, свободных электронов и др.), б) потенциальной энергии взаимодействия этих частиц, в) энергии взаимодействия атомов или ионов в молекулах, г) энергии электронных оболочек атомов и ионов, д) внутриядерной энергии, с) энергии электромагнитного излучения.

2. Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы: ее изменение DU при переходе системы из состояния 1 в состояние 2 не зависит от вида процесса и равно

DU = U2 - U1

3° Внутренняя энергия может быть определена только с точностью до постоянного слагаемого Я/0, которое не может быть найдено методами термодинамики. Однако это несущественно, так как при термодинамическом анализе системы приходится иметь дело не с абсолютными зна-чениями ее внутренней энергии, а с не зависящими от Ua изменениями этой энергии в различных процессах. По-этому часто полагают f/0 = 0, а под внутренней энергией системы понимают только тс ее составляющие, которые изменяются в рассматриваемых процессах. Например, при не слишком высоких температурах внутреннюю энер-гию идеального газа можно считать равной сумме кине-тических энергий хаотического движения его молекул.

4. Энтальпией H (теплосодержанием, тепловой функцией) называется функция состояния термодинамической системы, равная сумме ее внутренней энергии и произведения давления на объем системы, выраженного в тех же единицах:

H = U + pV

Энтальпия идеального газа зависит только от его абсолютной температуры и пропорциональна массе газа. Станда́ртные состоя́ния — в химической термодинамике условно принятые состояния индивидуальных веществ и компонентов растворов при оценке термодинамических величин.

Необходимость введения «стандартных состояний» связана с тем, что термодинамические закономерности не описывают достаточно точно поведение реальных веществ, когда количественной характеристикой служит давление или концентрация. Стандартные состояния выбирают из соображений удобства расчётов, и они могут меняться при переходе от одной задачи к другой.