Выдержка из текста работы
Особенности системы Вода-Лед.
При плавлении имеет место переход от упорядоченного расположения частиц в решетке твердого тела к их беспорядочному расположению в жидкости, поэтому можно ждать, что при плавлении происходит увеличение объема вещества и уменьшение плотности. Исключения: Висмут, Галий, Германий, Кремний – при плавлении уменьшаются в объеме. При отвердевании – уменьшаются. Из-за особенностей кристаллической решетки. Подобная аномалия встречается и в системе «Вода – Лед». Так же объясняется строением кристалла льда. В нем молекулы воды хоть и расположены вплотную друг к другу, образуют цепочечную ажурную структуру, в которой имеются значительные внутренние полости. При плавлении, расстояние между ближайшими молекулами воды увеличивается, как и у других веществ, но ажурная конструкция кристаллов ломается и за счет заполнения молекулами внутренних полостей общий объем пустот уменьшается. Поэтому, вода всегда плотнее льда.
После плавления льда, плотность воды с повышением температуры изменяется немонотонно. В жидкости сохраняются части кристаллической решетки с оставшимися пустотами, которые полностью разрушаются только при нагревании воды до четырехсот градусов, когда вода достигает наибольшей плотности. Дальнейшее нагревание понизит плотность воды вследствие увеличения расстояния между ее молекулами вызванного повышением скорости их движения. Вследствие охлаждения все процессы идут в обратном порядке.
Аморфные вещества.
Твердые вещества не имеющие кристаллического строения называются АМОРФНЫМИ (стекловидными). Типичный представитель – стекло.
В физике аморфные вещества считают переохлажденными жидкостями, в которых процесс кристаллизации не прошел из-за их большой вязкости.
Переход из стеклообразного состояния в кристаллическое сопровождается выделением теплоты. Интенсивность его не велика, так как процесс кристаллизации стекол весьма продолжителен.
При охлаждении аморфные вещества постепенно густеют.
Обнаружить резкую границу между твердым и жидким состоянием у аморфных тел – невозможно.
Некоторые вещества могут находиться и в твердом состоянии и в аморфном: сера, кварц, металлургические шлаки.
Растворы. Общие понятия.
Растворы – однородная смесь состоящая из двух или более веществ и продуктов их взаимодействия, состав которой, в определенных пределах, может изменяться. Частицы составляющие растворенную смесь весьма малы и имеют молекулярные, атомные или ионные размеры.
Компоненты растворов делят на Растворитель и Растворенное вещество. Они равноценны. Растворителем принято считать компонент, которого в растворе больше.
Растворы могут находиться в любом из агрегатных состояний.
Наиболее важной характеристикой раствора является его состав. Он отражает и качественную и количественную характеристику.
Способы выражения концентрации.
Концентрацией раствора называется отношение количеств растворенного вещества и раствора(растворителя).
Способы выражения концентрации:
1. Процентный – указывает процент растворенного вещества находящегося в растворе. Массовые и объемные процентные концентрации.
2. Дольный – массовая доля i-того вещества в растворе содержащем К компонентов определяется по формуле: Сi=gi/g1+g2+…gk, где g – количество компонентов. Используется при определении химического состава жидких и твердых веществ, при разработке материальных балансов технологических процессов, при технологических расчетах в ряде отраслей промышленности. Объемное соотношение компонентов раствора выражается в объемных процентах или в объемных долях. Способ применяют в отдельных случаях для жидких растворов или газовых смесей. ϕi=Vi/V1+V2+…+Vк. Для перехода от массовых к объемным необходимо использовать выражение: gi=ρi*Vi
В экологии и в некоторых других науках концентрацию выражают как количество массы растворенного вещества в единице объема.
В микроэлектронике и производстве сварочных материалов концентрации примесей выражают числом их атомов приходящихся на один миллион или миллиард атомов основного вещества.
3. Молярный. Мольная доля i-того компонента равна отношению числа его молей к сумме молей всех К компонентов. Ф-ла – см. пункт 2.
Мольная масса для идеальных газов может быть выражена через парциальное давление и общее давление смеси. Ni = Pi/P.
Молярность выражается числом молей растворенного вещества в одном литре раствора.
4. Моляльный. Моляльность – концентрация выраженная числом молей растворенного вещества в 1000г растворителя. Между молярностью и моляльностью существует соотношение.
5. Нормальный
Нормальность раствора выражается числом химических эквивалентов вещества в литре раствора. Эквивалент – отношение малярной массы вещества к его валентности. Раствор, в литре которого содержится 1 эквивалент растворенного вещества – нормальный.
6. Титр
Это количество граммов вещества в миллилитре раствора.
Нормальность и титр, как и малярность зависит от температуры.
Электролитическая диссоциация и рН водных растворов
В соответствии с электролитической диссоциацией Арениуса, вещества при плавлении или растворении в воде распадаются на ионы. При значительной степени диссоциации растворов вещества являются хорошими проводниками тока. При этом мольные (нормальные) концентрации водорода и гидроксильной группы равны. В конечном случае, равновесие между исходными и конечными продуктами химического взаимодействия характеризуются константой равновесия.
Так как степень диссоциации воды очень мала, то активность недиссоциированных молекул в ней остается практически постоянной. Кв=1.
Кв – ионное произведение воды.
При 22 оС Кв=10-14
При увеличении температуры раствор становится кислее.
Растворимость газов в жидкости
Растворение газов в жидкости – абсорбция.
По своей природе и свойствам растворы газов в жидкости ничем не отличаются от других жидких растворов. Обычно концентрации газов в них незначительны, поэтому растворы являются разбавленными. Исключения – системы, в которых растворимость газов весьма значительна.
Растворимость газов помимо вида газа и растворителя зависит от температуры и давления.
Влияние давления
при его небольших значениях подчиняется закону Генри.
При постоянной температуре растворимость газа в растворителе прямо пропорционально давлению этого газа над раствором. ( как правило, с выделением). Поэтому с правилом Ле Шателье при повышении температуры растворимость газов снижается.
Зависимость растворения газов в жидкости от температуры
| Газ | 0 градусов | 20 градусов | 60 градусов | 100 градусов |
| H | 0,021 | 0,018 | 0,016 | 0,016 |
| CO2 | 1,713 | 0,88 | 0,36 | — |
| NH3 | — | — |
В некоторых случаях растворы водорода при высоких давлениях, когда выделение сопровождается поглощением тепла, растворимость не падает, а возрастает.
Явление растворения газов в жидкости используется в процессах.
Процессы:
-Сатурация – газ в воду
-Абсорбционные методы очистки отходящих газов промышленных производств.
Метод абсорбции
Основан на разделении газо-воздушной смеси на составные части путем поглощения одного или нескольких газовых компонентов жидким поглотителем – абсорбентом.
Физическая сущность абсорбции заключается в том, что соприкосновение жидких и газообразных веществ приводит к проходу через поверхность раздела фаз и диффундированию во внутренние слои жидкости.
Решающим условием при выборе жидкого абсорбента является растворимость газа в жидкости, температура и давление.
Пример:
Для удаления из выбросов аммиака хлористого водорода применяют воду.
Для удаления ароматических углеводородов используют серную кислоту.
Применяют абсорберы различных конструкций.
Кинетика химических реакций
Это учение о скорости химических реакций и их протекания, о зависимости от различных факторов (концентрация, Т, катализаторы, ингибиторы).
Скорость химических реакций – изменение концентрации реагирующих веществ в единицу времени.
По степени однородности различают реакции в:
-Гомогенных системах
-Гетерогенных системах
Гомогенная система – система, термодинамические свойства которой во всех точках одинаковые.
Гетерогенная система – ряд гомогенных систем (фазы). Фазы отделены друг от друга поверхностью раздела фаз. В реакциях может участвовать лишь газообразная фаза, а число жидких и твердых фаз в гетерогенных реакциях неограниченно.
Скорости гомогенных химических реакций
Гомогенные химические реакции протекают во всем объеме фазы. Все их многообразие можно разделить на два типа – простые и сложные реакции.
Простые реакции – реакции, в которых взаимодействие исходных веществ осуществляется в одну стадию при их непосредственном столкновении друг с другом. При этом реакция неограниченная во времени заканчивается полным израсходованием, по крайней мере, одного вещества.
Таким образом, к простым реакциям относятся необратимые реакции типа А+В=С+D.
Сложные реакции.
Любую сложную реакцию можно представить как определенную совокупность простых реакции.
Типы сложных реакций: — последовательные — обратимые — параллельные- сопряженные
Температура почти не влияет на концентрации реагирующих веществ. Наиболее существенно она сказывается на скорости химических реакций.
Правило Вант Гоффа.
При повышении температуры на 10 градусов, скорость химических реакций будет увеличиваться в 2-4 раза.
Константа скорости
Уравнение Аррениуса
Скорость сложных химических реакций выражается:
Катализ
– изменение скорости реакции под действием хим.веществ, которые участвуют в процессе реакции, но химически остаются неизменными.
Наличие катализаторов не определяется стехеометрическими уравнениями химической реакции.
Катализаторы в равной степени изменяют скорость прямой и обратной реакции (иногда в миллионы раз и более).
Особенность катализаторов. Они не влияют на равновесие реакции, а лишь ускоряют или замедляют скорость химической реакции.
Увеличение скорости химической реакции – положительный катализ
Уменьшение скорости химической реакции – отрицательный катализ (ингибирование)
Каталитические реакции – реакции в присутствии катализаторов.
Выделяют автокаталитические реакции, где катализатор – продукты химической реакции.
На эффективность действия катализаторов влияют другие вещества – промоторы и яды.
Каталитические яды – вещества снижающие или аннулирующие действие катализаторов.
К ним относятся соединения мышьяка, ртути, свинца, цианиды.
Промоторы – вещества, усиливающие действие катализаторов (добавки железа и алюминия).
Катализаторы обладают свойством специфичности – действуют на одну реакцию, но не трогая другую.
Два вида катализаторов:
-Гомогенный
Реагирующие вещества и катализатор образуют однофазную систему – жидкую, газовую.
-Гетерогенный
Все реакции при гетерогенном катализе протекают на поверхности катализатора.
Носители ( трегеры) представляют собой пористые индифферентные вещества (пемза, силикагель, активированный уголь, алюмосиликаты) и увеличивают поверхность катализатора, а так же прочность контакта.
Механическая прочность контакта катализатора является важнейшей частью носителей. Использование носителей уменьшает себестоимость катализаторов.
Работа катализаторов
Образуется промежуточное соединение, это соединение реагирует с другим исходным веществом, давая конечные продукты химической реакции и освобождая катализатор.
Это необычное устойчивое соединение, которое может быть выделено в чистом виде или существует в виде отдельной фазы. Промежуточные соединения являются нестойкими и существуют лишь в период катализа.
Гетерогенные химические реакции
Диффузия
-Процесс перемешивания веществ в пространстве, ведущий к равномерному заполнению всего объема молекулами этого вещества и выравниванию их концентраций
Движущей слоя диффузии является градиент концентрации.
Конвективная диффузия
— перемешивание. В остальном объеме. Чем интенсивней перемешивание, тем меньше диффузионный слой.
В турбулентном потоке есть линейный и диффузионный слой. Толщина 0,02-0,05мм
Кинетика гетерогенных процессов
Стадии гетерогенного процесса:
-Диффузия реагента к поверхности раздела фаз
-Адсорбция реагента на реакционной поверхности
-Химически активные взаимодействия исходных веществ
-Десорбция продуктов реакции с границей раздела фаз
-Диффузия продуктов взаимодействия из зоны реакции
Общая скорость определяется скоростью лимитирующей стадии (медленной).
Если такой является диффузионная – процесс диффузионный.
Если адсорбционно-десорбционно-химическая стадия – процесс кинетический
Отличия диффузионной и кинетических областей:
-Величина энергии активации в диффузионной области: не более 30, а в кинетической, не менее 40 кДЖ/моль
-В кинетической области Т влияет существеннее.
-Перемешивание, турбулизация влияют на скорость в диффузионной области.
Поверхностные явления
Наиболее важны практически:
-Адсорбция
-Поверхностное натяжение
Если поверхность сравнительно мала, то ее влияние проявляется слабо. Однако, при увеличении поверхности (при измельчении) влияние поверхностных свойств проявляется сильнее в степени пропорциональной квадрату уменьшения линейных размеров частиц.
Поверхность некоторых веществ (катализаторов, адсорбентов) может достигать нескольких сотен квадратных метров на 1 грамм их массы.
Для увеличения поверхности конденсированных веществ требуется разорвать связи существующие между их частицами (произвести работу). Величина этой работы, отнесенная к единице площади получила название ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ (Дж/м2).
Поверхностное натяжение различных веществ неодинаково.
Для жидкостей при 20 градусах она составляет 15-30мДж
Для воды 72мДж на квадратный метр
Для расплавов и шлаков – от сотен до тысяч.
С повышением температуры поверхностное натяжение жидкости линейно уменьшается.
Менделеев установил существование температуры при которой поверхностное натяжение = 0 (пропадает различие между жидкостью и паром). Выше этой температуры вещество не может находиться в жидком состоянии.
На границе двух несмешивающихся жидкостей имеется избыточная энергия – межфазное натяжение.
Когда одна жидкость полностью растекается по поверхности другой соблюдается правило Антонова.
σ1,2 = σ1- σ2
При отрыве одной фазы от другой выплоняется работа – адгезия.Wадг= σ1+ σ2- σ1,2
Когезия – отрыв в одном веществе. Wког=2 σ
Адсорбция – повышение содержания вещества в поверхностном слое.
Адсорбционные явления развиваются на границе твердой или жидкой фазы с другой жидкой фазой или газом.
Наиболее практическое значение имеет адсорбция на поверхности твердой фазы.
Количество адсорбата будет возрастать по мере увеличения адсорбирующей поверхности.
Адсорбенты обладают высокой пористостью, губчатой структурой или состояние мельчайшего измельчения.
Виды адсорбции:
-Физическая – обуславливается силами межмолекулярного взаимодействия. Они слабы и при физической адсорбции происходит небольшая деформация адсорбируемых частиц.
-Химическая – осуществляется за счет насыщенных валентных сил поверхностного слоя. Могут образовываться химические соединения.
Тема
При рассмотрении кинетики коагуляции важнейшими являются такие понятия как медленная и быстрая коагуляция.
Медленная коагуляция
Не все столкновения частиц приводят к их слипанию.
Она имеет место в случаях, когда в коллоидный раствор введено недостаточное количество электролита для полного снятия электрического заряда с частиц дисперсной фазы.
Быстрая коагуляция
Все столкновения частиц приводят к их слипанию.
В варианте быстрой коагуляции силы притяжения частиц дисперсной фазы преобладают над силами отталкивания.
Скорость коагуляции зависит от ряда физических факторов:-Старение системы-Концентрация дисперсной фазы-Температура-Механическое воздействие-Свет
Коагуляцию золя можно вызвать и прибавлением к нему другого золя, частицы которого несут противоположный заряд – взаимная коагуляция.
Помимо коагуляции при которой происходит слипание подобных друг другу частиц (гомокоагуляция).
В практике наблюдают коагуляцию разнородных частиц или прилипание частиц дисперсной фазы к вводимой в систему чужеродной поверхности (ГЕТЕРОКОАГУЛЯЦИЯ).
Важнейшим свойством образующихся коагуляционных осадков является тиксотропия.
Тиксотропия – способность коллоидных структур самопроизвольно восстанавливаться после разрушения под влиянием механического воздействия.
Тиксотропия возможна на стадии существования коагуляционных структур, характерных для лиогелей.
Основными силами, удерживающими частицы в коагуляционной структуре – силы Ван-дер-Ваальс.
Гели
Разрушение лиофобных коллоидных структур заканчивается образованием гелей.
Гели – связанные дисперсные системы, образовавшиеся из золей в результате потери ими устойчивости и создающие относительно компактные агрегаты. Их подразделяют на каогели и лиогели.
Каогели
Это плотные коагуляционные осадки, полностью лишившиеся факторов устойчивости.
Каогели образуют необратимо разрушившиеся структуры, прочность которых обеспечивают конденсационно-кристаллизационные контакты. В этих контактах связи между частицами являются либо химическими, либо образуются сращиванием кристалликов, возникших при появлении новой фазы.
Лиогели – частично астабилизированные системы, в которых фактор устойчивости снят лишь с некоторых участков поверхности частиц. Частицы слипаясь по этим местам образуют пространственную рыхлую коагуляционную структуру.
Желатинообразование и флокуляция.
Эти понятия характеризуют разрушение коллоидных структур, представленных высокомолекулярными веществами
Желатинообразование отличается от коагуляции отсутствием образования частиц дисперсной фазы, а вся ее масса переходит в твердое состояние.
Желатинирование вызывается различными факторами:
-добавлением электролита
-изменением температуры
Студни – связнодисперсное гелеобразное состояние полностью астабилизированных веществ.
Студни обладают свойством твердого тела, но проявляют ряд особенностей (эластичность).
Восстановление коллоидных структур
Пептизация – переход в коллоидный раствор осадков, скоагулировавших ранее. Происходит в результате промывания и последующего действия пептизаторов. При этом из раствора удаляются коагулирующие ионы и осуществляется адсорбция пептизатора частицами осадка. В итоге частицы осадка равномерно распределяются во всем объеме жидкости.
Набухание коллоидных структур
