Ответы по химии

 27. Классификация гетерогенных дисперсных систем по степени дисперсности и агрегатному состоянию? Диспе́рсная систе́ма — это смесь из двух или более веществ, которые совершенно или практически не смешиваются и не реагируют друг с другом химически. Первое из веществ (дисперсная фаза) мелко распределено во втором (дисперсионная среда). Фазы можно отделить друг от друга физическим способом (центрифугировать, сепарировать и т.д.). Обычно дисперсные системы — это коллоидные растворы, золи. К дисперсным системам относят также случай твёрдой дисперсной среды, в которой находится дисперсная фаза. Классификация дисперсных систем Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на различии в агрегатном состоянии дисперсионной среды и дисперсной фазы. Сочетания трех видов агрегатного состояния позволяют выделить девять видов дисперсных систем. Для краткости записи их принято обозначать дробью, числитель которой указывает на дисперсную фазу, а знаменатель на дисперсионную среду, например для системы «газ в жидкости» принято обозначение Г/Ж.(Таблица)=> Обозначение Дисперсионная среда Дисперсная фаза Название и пример : Г/Г Газообразная Газообразная Дисперсная система не образуется; Ж/Г Газообразная Жидкая Аэрозоли: туманы, облака; Т/Г Газообразная Твёрдая Аэрозоли (пыли, дымы), порошки; Г/Ж Жидкая Газообразная Газовые эмульсии и пены; Ж/Ж Жидкая Жидкая Эмульсии: нефть, крем, молоко; Т/Ж Жидкая Твёрдая Суспензии и золи: пульпа, ил, взвесь, паста; Г/Т Твёрдая Газообразная Пористые тела; Ж/Т Твёрдая Жидкая Капиллярные системы: жидкость в пористых телах, грунт, почва; Т/Т Твёрдая Твёрдая Твёрдые гетерогенные системы: сплавы, бетон, ситаллы, композиционные материалы. По кинетическим свойствам дисперсной фазы дисперсные системы можно разделить на два класса: • Свободнодисперсные системы, у которых дисперсная фаза подвижна; • Связнодисперсные системы, дисперсионная среда которых твердая, а частицы их дисперсной фазы связаны между собой и не могут свободно перемещаться. В свою очередь эти системы классифицируются по степени дисперсности. Системы с одинаковыми по размерам частицами дисперсной фазы называются монодисперсными, а с неодинаковыми по размеру частицами — полидисперсными. Как правило, окружающие нас реальные системы полидисперсны. По размерам частиц свободнодисперсные системы подразделяют на: Название\ Размер частиц, м: Молекулярно-дисперсные и малодисперсионные системы 10-9-10-7; Коллоидно-дисперсные 10-7-10-5; Грубодисперсные более 10-5.Ультрамикрогетерогенные системы также называют коллоидными или золями. В зависимости от природы дисперсионной среды, золи подразделяют на твёрдые золи, аэрозоли (золи с газообразной дисперсионной средой) и лиозоли (золи с жидкой дисперсионной средой). К коллоидно-дисперсным системам относят суспензии, эмульсии, пены и порошки. Наиболее распространёнными грубодисперсными системами являются системы «твёрдое — газ», например, песок.

28. Поверхностные явления  в дисперсных системах. Поверхностное  натяжение. Поверхностная энергия.  Поверхностно-активные вещества  и их адсорбция на границе  раздела фаз жидкость-газ и  жидкость-жидкость. Изотермы адсорбции  и поверхностного натяжения? Пове́рхностные явле́ния — совокупность явлений, обусловленных особыми свойствами тонких слоёв вещества на границе соприкосновения фаз. К поверхностным явлениям относятся процессы, происходящие на границе раздела фаз, в межфазном поверхностном слое и возникающие в результате взаимодействия сопряжённых фаз. Поверхностные явления обусловлены тем, что в поверхностных слоях на межфазных границах вследствие различного состава и строения соприкасающихся фаз и соответственно из-за различия в связях поверхностных атомов и молекул со стороны разных фаз существует ненасыщенное поле межатомных, межмолекулярных сил. Пове́рхностное натяже́ние — термодинамическая характеристика поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз, определяемая работой обратимого изотермокинетического образования единицы площади этой поверхности раздела при условии, что температура, объем системы и химические потенциалы всех компонентов в обеих фазах остаются постоянными. Поверхностное натяжение имеет двойной физический смысл — энергетический (термодинамический) и силовой (механический). Энергетическое (термодинамическое) определение: поверхностное натяжение — это удельная работа увеличения поверхности при её растяжении при условии постоянства температуры. Силовое (механическое) определение: поверхностное натяжение — это сила, действующая на единицу длины линии, которая ограничивает поверхность жидкости. Поверхностная энергия в термодинамике, избыток энергии в тонком слое вещества у поверхности соприкосновения тел (фаз) по сравнению с энергией вещества внутри тела. Полная энергия складывается из работы образования поверхности, т. е. работы, необходимой для преодоления сил межмолекулярного взаимодействия при перемещении молекул (атомов) из объёма фазы в поверхностный слой, и теплового эффекта, связанного с этим процессом. В соответствии с термодинамическими зависимостями удельная полная П. э.

u = s+ q = s —

где s — удельная свободная П. э., тождественно равная для подвижных жидкостей поверхностному натяжению, q — скрытая теплота (связанная энергия) единицы площади поверхности, Т — абсолютная температура и — удельная поверхностная энтропия, имеющая обычно отрицательную величину. Свободная П. э. с ростом температуры уменьшается, тогда как полная П. э. неполярных (неассоциированных) жидкостей остаётся постоянной, а полярных — несколько возрастает. Пове́рхностно-акти́вные вещества́ (ПАВ) — химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения. Основной количественной характеристикой ПАВ является поверхностная активность — способность вещества снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз — это производная поверхностного натяжения по концентрации ПАВ при стремлении С к нулю. Однако, ПАВ имеет предел растворимости (так называемую критическую концентрацию мицеллообразования или ККМ), с достижением которого при добавлении ПАВ в раствор концентрация на границе раздела фаз остается постоянной, но в то же время происходит самоорганизация молекул ПАВ в объёмном растворе (мицеллообразование или агрегация). В результате такой агрегации образуются так называемые мицеллы. Отличительным признаком мицеллообразования служит помутнение раствора ПАВ. Водные растворы ПАВ, при мицеллообразовании также приобретают голубоватый оттенок (студенистый оттенок) за счёт преломления света мицеллами.

Методы определения ККМ:

1. Метод поверхностного натяжения
2. Метод измерения контактного угла с тв. или жидкой поверхностью
3. Метод вращающейся капли

Основные типы изотерм адсорбции.

Изотерма поверхностного натяжения.

29. Адсорбция из растворов  электролитов. Ионная и ионно-обменная  адсорбция. Иониты: катиониты и  аниониты? Адсорбция из растворов электролитов Адсорбция из водных растворов электролитов происходит, как правило, таким образом, что на твердом адсорбента из раствора адсорбируются преимущественно ионы одного вида. Преимущественная адсорбция из раствора или аниона, или катиона определяется природой адсорбента и ионов. Механизм адсорбции ионов из растворов электролитов может быть различным; выделяют обменную и специфическую адсорбцию ионов. Обменная адсорбция представляет собой процесс обмена ионов между раствором и твердой фазой, при котором твердая фаза поглощает из раствора ионы какого-либо знака (катионы либо анионы) и вместо них выделяет в раствор эквивалентное число других ионов того же знака. Обменная адсорбция всегда специфична, т.е. для данного адсорбента к обмену способны только определенные ионы; обменная адсорбция обычно необратима. При специфической адсорбции адсорбция на поверхности твердой фазы ионов какого-либо вида не сопровождается выделением в раствор эквивалентного числа других ионов того же знака; твердая фаза при этом приобретает электрический заряд. Это приводит к тому, что вблизи поверхности под действием сил электростатического притяжения группируется эквивалентное число ионов с противоположным зарядом, т.е. образуется двойной электрический слой. Взаимодействие концентрирующихся на поверхности зарядов приводит к понижению поверхностной энергии системы. Для случая специфической адсорбции электролита Песковым и Фаянсом было сформулировано следующее эмпирическое правило (правило Пескова – Фаянса): На поверхности кристаллического твердого тела из раствора электролита специфически адсорбируется ион, который способен достраивать его кристаллическую решетку или может образовывать с одним из ионов, входящим в состав кристалла, малорастворимое соединение. Ионная АДСОРБЦИЯ, как правило, не носит эквивалентного характера. На поверхности из раствора электролита адсорбируются преимущественно катионы или анионы. Благодаря электрич. (кулонов-ским) силам на поверхности образуется двойной электрический слой. Если в состав адсорбента входят ионы или поверхностные функциональных группы, способные в данном растворителе к ионизации, то между адсорбентом и раствором электролита происходит ионный обмен. Адсорбент в этом случае называют ионитом. Материалы, обладающие свойствами обменивать катионы, называются катионитами, а материалы, обладающие свойствами обменивать анионы, - анионитами. Катиониты при регенерации их растворами NaCl, H2SO4 образуют соответственно натриевую или водородную формы, которые условно можно обозначить следующим образом: NaR, HR. При пропуске обрабатываемой воды, содержащей катионы Са2+ и Mg 2+, через отрегенерированный катионит протекают реакции обмена ионов Са2+ и Mg 2+ на ионы Na+ или Н+, содержащиеся в катионите; этот процесс называется катионированием. Аниониты, отрегенерированные щелочью NaOH, образуют гидроксильную форму, условно обозначенную ROH. Если через отрегенерированный анионит пропускать раствор кислоты, например HCl, произойдет реакция обмена анионов(анионирование) и осуществится взаимная  нейтрализация ионов Н+ (кислоты) и ионов ОН- , вытесненных анионами из анионита. По своей химической природе все катионы являются кислотами, все все аниониты - основаниями.

30. Жесткость воды. Трилонометрический метод ее определения. Умягчение воды катионами? Понятие жесткости воды принято связывать с катионами кальция (Са2+) и в меньшей степени магния (Mg2+). В действительности, все двухвалентные катионы в той или иной степени влияют на жесткость. Они взаимодействуют с анионами, образуя соединения (соли жесткости) способные выпадать в осадок. Одновалентные катионы (например, натрий Na+) таким свойством не обладают. Виды жесткости. Различают следующие виды жесткости: Общая жесткость. Определяется суммарной концентрацией ионов кальция и магния. Представляет собой сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости. Карбонатная жесткость. Обусловлена наличием в воде гидрокарбонатов и карбонатов (при рН>8.3) кальция и магния. Данный тип жесткости почти полностью устраняется при кипячении воды и поэтому называется временной жесткостью. При нагреве воды гидрокарбонаты распадаются с образованием угольной кислоты и выпадением в осадок карбоната кальция и гидроксида магния. Некарбонатная жесткость. Обусловлена присутствием кальциевых и магниевых солей сильных кислот (серной, азотной, соляной) и при кипячении не устраняется (постоянная жесткость). Трилонометрический метод ее определения. Олеатный (Трилонометрический )метод определения жесткости. Этот метод основан на малой растворимости в воде олеатов кальция и магния, т. е. олеиновокислых солей этих металлов. Для обычных вод электростанций доля кальция в общей жесткости, как правило, преобладает, поэтому результаты олеатного определения близки к истинной величине жесткости. Добавление раствора олеата калия к порции анализируемой воды вызывает осаждение содержащихся в ней ионов кальция и магния. Затем избыток олеата калия при взбалтывании создает устойчивую пену, что служит признаком окончания титрования, т. е. своеобразным индикатором. В тех случаях, когда считают необходимым учесть концентрацию фосфатов, связанных в виде гидроксилйтатита, поступают следующим образом. Пробу котловой воды подвергают фильтрованию через складчатый бумажный фильтр, если она мутна и может быть отфильтрована. Первую порцию фильтрата (50-100 мл) отбрасывают, хорошо сполоснув ею приемник. После этого собирают приблизительно 150 мл фильтрата, добавляют к нему 2 мл концентрированной соляной кислоты и нагревают до начинающегося кипения. Если при подкислении и нагревании жидкости в ней образовался хлопьевидный осадок (кремнекислота, органические вещества), то ее вновь фильтруют через другой бумажный фильтр, после чего охлаждают до комнатной температуры. Из остывшей жидкости пипеткой отбирают 50 мл для определения жесткости трилонометрическим или олеатным способом. Перед титрованием кислотность жидкости нейтрализуют 10%-ным аммиаком. При объеме котловой воды 150 мл и количестве прибавленной соляной кислоты 2 мл для нейтрализации кислотности в 50 мл потребуется около 1,4 мл 10%-ного раствора аммиака. Умягчение воды катионами. Катионирование. Метод основан на использовании ионообменной гранулированной загрузки (чаще всего ионообменные смолы). Такая загрузка при контакте с водой поглощает катионы солей жёсткости (кальций и магний). Взамен, в зависимости от ионной формы, отдавая ионы натрия или водорода. Эти методы соответственно называются Na-катионирование и Н-катионирование. Как правило, жёсткость воды снижается при одноступенчатом натрий-катионировании до 0,05-0,1 мг-экв/л, при двухступенчатом — до 0,01 мг-экв/л. Лучшим реагентом для устранения общей жесткости воды является ортофосфат натрия Na3PO4: 3Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2↓+ 6NaHCO3 3MgSO4 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2↓ + 3Na2SO4 Ортофосфаты кальция и магния очень плохо растворимы в воде, поэтому достигается лучшее умягчение воды. В промышленности с помощью ионообменных фильтров заменяют ионы кальция и магния на ионы натрия и калия, получая мягкую воду. Определенное умягчение воды происходит и в бытовых фильтрах для питьевой воды. Отфильтрованная вода дает меньше накипи. Полностью очистить воду можно методом перегонки(дистилляцией).

31. Коллоидно-дисперсные  системы. Электрокинетические явления.  Электрокинетический потенциал.  Коагуляция электролитами. Грубодисперсные  системы- эмульсии, пены, взвеси? КОЛЛОИДНЫЕ СИСТЕМЫ (коллоиды) - высокодисперсные (микрогетерогенные) системы с частицами размером от 10-7 до 10-5 см. Для коллоидных систем, в отличие от дисперсных систем с более крупными частицами, характерно интенсивное броуновское движение частиц дисперсной фазы. Коллоидные системы с сильным взаимодействием между молекулами дисперсной фазы и дисперсионной среды называются лиофильными, со слабым взаимодействием - лиофобными. Типичные коллоидные системы - золи и гели. ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, группа явлений, наблюдаемых в дисперсных системах, мембранах и капиллярах; включает электроосмос, электрофорез, потенциал течения и потенциал оседания. Электроосмос - течение жидкости в капиллярах и пористых телах, вызванное внеш. электрич. полем; обратное ему Э. я. - потенциал течения - появление электрич. разности потенциалов на концах капилляра или мембраны при протекании жидкости. Электрофорез - движение твердых частиц или капель, взвешенных в электролите, при наложении электрич. поля. Обратное Э. я.-появление электрич. разности потенциалов на границах облака оседающих частиц, взвешенных в электролите. Электрический потенциал — перепад потенциала по той части диффузного слоя, в пределах которой жидкость может быть вовлечена в тангенциальное движение относительно межфазной поверхности при внешнем воздействии на систему. Под влиянием сильно адсорбирующихся на поверхности ионов или изменения pH жидкости может произойти перемена знака на противоположный ("перезарядка" поверхности). Э. п. в изоэлектрической точке равен нулю. Коагуляция — слипание отдельных частиц коллоидных растворов в более крупные, обычно завершающееся образованием осадка. Коагуляцию часто вызывают добавлением к коллоидному раствору электролитов. Минимальную концентрацию электролита, при которой наблюдается коагуляция, называют порогом коагуляции. Коагуляция играет важную роль в биологических явлениях; она широко используется, например при очистке питьевой воды. Эмульсия — дисперсная система с жидкой дисперсионной средой и жидкой дисперсной фазой. Эмульсии низкой концентрации — неструктурированные жидкости. Высококонцентрированные эмульсии — структурированные системы. Эмульсиями называются грубодисперсные системы, состоящие из несмешиваемых жидкостей. Как правило, нерастворимые в воде жидкости называются маслами. Если дисперсной фазой является масло, а дисперсионной средой - вода, то такая эмульсия называется "масло в воде" и обозначается м/в. Такая эмульсия считается прямой системой. Если дисперсной фазой является вода, а дисперсионной средой масло, то эмульсия называется "вода в масле", обозначается в/м и считается обратной системой. При определённых условиях прямая и обратная эмульсии способны переходить друг в друга.