Закон сохранения массы и энергии и его значения в химии

как всякий равновесный процесс можно охарактеризовать константной равновесия, называемой константной диссоциации:  

                                                    

где с ( А ), с ( В ), с ( АВ ) – равновесные молярные концентрации ионов А , В и недиссоциированных частиц АВ.

    Если  электролит диссоциирует ступенчато, то константу диссоциации следует  записать для каждой ступени диссоциации. Исходя из значений константы диссоциации, можно оценивать и сравнивать силу электролитов:

чем меньше К , тем электролит является более  слабым, и наоборот, чем больше константа  диссоциации, тем сильнее электролит.

    Для слабых электролитов между константой и степенью диссоциации существует связь, которая применительно к разбавленным растворам.

    Сильные электролиты практически полностью диссоциируют в растворах на ионы. К ним относятся неорганические кислоты (хлороводородная HCI, бромоводородная HBr, иодоводородная HI, хлорная HCIO , азотная HNO , марганцовая HMnO , серная H  SO , селеновая H SeO  и другие), большинство солей, основания щелочных и щелочноземельных металлов (щелочи).

      Несмотря на практически полную диссоциацию сильных электролитов, значения их степеней диссоциации, определенные экспериментально, обычно меньше 100%. Это связано с процессом ассоциации ионов. Ионы противоположных зарядов соединяются друг с другом, образуя ионные пары (и более сложные системы), например:   

      диссоциация  KCI     K  + CI

    ассоциация K  + CI     K  CI

                                                                                                  ионная пара 

     Обычно ионы, образующие пару, разделены слоем частиц растворителя, но иногда они контактируют непосредственно, имея общую гидратную оболочку. Однако во всех случаях ионные пары нельзя считать недиссоциированными молекулами, так как они отличаются от молекул по свойствам.

    Электростатическое  взаимодействие ионов с образованием ионных пар снижает реальную концентрацию ионов в растворе, следовательно, степень диссоциации электролита меньше 100%. Экспериментально определяемая степень диссоциации сильного электролита называется кажущейся степенью диссоциации. Чем меньше концентрация электролита в растворе, тем в меньшей степени происходит ассоциация ионов, следовательно, в большей мере кажущаяся степень диссоциации приближается к 100%. Такую зависимость можно проиллюстрировать на примере диссоциации серной кислоты:

с (H SO ), моль / л                                                     5        0,5     0,05      5  10     5  10                                                                                

Кажущаяся степень  диссоциации, %             18     51      58       79       93

    Электростатическое взаимодействие ионов в растворах сильных электролитов приводит к тому, что во многих соотношениях, характеризующих свойства растворов этих электролитов, вместо концентрации следует использовать активность. Активность – это реальная концентрация, исправленная с учетом взаимодействия ионов:

    а = с  f

где f - коэффициент активности вещества В, определяемый экспериментально. Значение f  всегда меньше или равно 1 (f 1 в разбавленных растворах и для слабых электролитов).

    Деление электролитов на слабые и сильные  условно, особенно если оно проводится по значению степени диссоциации. Например, если разбавить слабую азотистую кислоту HNO  до концентрации 10  моль / л, то степень диссоциации ее приблизится к 100 %, что характерно для сильных электролитов. Кроме того, один и тот же электролит различается по силе в зависимости от ступени диссоциации. Так, гидроксид кальция Ca(OH)  является сильным электролитом по первой ступени диссоциации и слабыми – по второй.   

    Степень диссоциации.  Количественная характеристика электролитов называется степенью диссоциации и обозначается греческой буквой    и выражать либо в долях единицы, либо в процентах. Если бы электролиты полностью диссоциировали на ионы, то осмотическое давление всегда было бы в целом число раз больше значений, наблюдаемых в растворах неэлектролитов. Но еще Вант-Гофф установил, что коэффициент i выражается дробными числами, которые с разбавлением раствора возрастают, приближаясь к целым числам.

    Аррениус  объяснил этот факт тем, что лишь часть  электролита диссоциирует в растворе на ионы, и ввел понятие степени диссоциации. Степенью диссоциации электролита называется отношение числа его молекул, распавшихся в данном растворе на ионы, к общему числу его молекул в растворе.

    Степень диссоциации – безразмерная величина, ее выражают в долях единицы или в процентах. При полной диссоциации электролита на ионы                                       =1, или 100%. Для неэлектролитов, которые не диссоциируют на ионы,   =0. Степени диссоциации зависит от концентрации электролита и температуры. Из теории электролитической диссоциации следует, что чем меньше концентрация электролита в растворе, тем больше степень диссоциации. При бесконечном разбавлении раствора степень диссоциации приближается к 1 (100%).  Например, степень диссоциации гидроксида натрия NaOH в зависимости от концентрации электролита изменяется следующим образом: для раствора с концентрацией с=1 моль / л     =0,73 (18  С) для с =0,1 моль / л     =0,84 и для с = 0,01 моль /л     = 0,95.

    С повышением температуры степень диссоциации увеличивается. Используя значение степени диссоциации, можно рассчитать молярную концентрацию ионов в растворе.  

    Позже было установлено, что электролиты  можно разделить на две группы: сильные и слабые электролиты. Сильные  электролиты в водных растворах диссоциированы практически нацело. Понятие степени диссоциации к ним по существу неприменимо, а отклонение изотонического коэффициента i от целочисленных значений объясняется другими причинами. Слабые электролиты в водных растворах диссоциируют только частично, и в растворе устанавливается динамическое равновесие между недиссоциированными молекулами и ионами.

        
 
 
 

4. Нефть, её состав. Переработка нефти.  Важнейшие нефтепродукты. 

    Нефть представляет собой маслянистую жидкость, цвет которой в зависимости от месторождения этого природного ископаемого меняется от светло-коричневого до темно-коричневого. Плотность нефти обычно составляет 0,80-0,95 г/см  . В воде нефть практически не растворяется.

    В состав любой нефти входят алканы (парафины), циклоалканы (нафтены) и ароматические углеводороды. Соотношение этих соединений различное в нефтях разных месторождений. Кроме того, нефть содержит разнообразные примеси, массовая доля которых может достигать 4-5%. Наиболее распространенные примеси – органические кислоты, сероводород, сероорганические соединения. В нефти обнаружены в небольших количествах соединений металлов (никеля, магния, кальция, ванадия, железа). Всего в состав нефти входят свыше 20 химических элементов.

    Добываемая  сырая нефть содержит много воды, отделив которую получают товарную нефть, идущую на переработку. Переработка нефти. Все процессы переработки нефти объединяются названием «нефтехимия». Предварительно перед переработкой нефти из нее извлекают растворенные неорганические соли, другие примеси отделяются в отстойниках. Обезвоживание нефти проводят электростатическим методом – действием поля переменного электрического тока напряжением 4000 В. Попутные газы отделяют в сепараторах под вакуумом. 

    Нефть транспортируют в морских и речных танкерах, по нефтепроводам или в цистернах по железной дороге.

    Основным  процессом переработки нефти (после  удаления газов, солей и воды) являются фракционная перегонка – термическое  разделение нефти на составные части (фракции). Перегонку нефти проводят в ректификационных колоннах с колпачковыми тарелками или с заполнением насадочными элементами, например кольцами Рашига. В ректификационной колонне, поднимающийся вверх, пар интенсивно контактирует со стекающей вниз жидкостью – конденсатом, что существенно повышает разделительный эффект установки.

    Фракционную перегонку нефти проводят под  атмосферным давлением и при  постепенном повышении температуры  только до 400 С, при температурах выше 400 С высокомолекулярные соединения подвергаются распаду – крекингу – на соединения с малыми молекулами.

    Основные  фракции нефти, отбираемые в определенных температурных пределах при ее перегонке:

    бензин (40 – 180 С, с т. кип. до 100 С – легкий бензин, с т. кип. 100 – 180 С – тяжелый  бензин), состоит из углеводородов  С  – С  , применяют как топливо, для получения синтез-газа, сырье для пиролиза и риформинга;

      керосин (180 – 240 С), состоит из  углеводородов С  - С  , применяют  как авиационно-турбинное топливо,  сырье для крекинга;

    газойль (240 – 360 С), состоит из углеводородов  С  - С , применяют как дизельное и котельное топливо, сырье для крекинга;

    мазут – остаток атмосферной перегонки  нефти.

    Путем вакуумной перегонки мазута получают более высококипящие фракции: вакуумный  тяжелый газойль, который используется как моторное, машинное и смазочное масла (причем из него может быть выделен парафин), и гудрон (остаток), который применяют как смазочное средство, котельное топливо и сырье для производства битумов.

    Смазочные масла, выделяемые при перегонки  мазута, называют минеральными (нефтяными) маслами в отличии от синтетических масел, получаемых искусственно (хотя все масла являются смесями органических соединений). Смазочные масла должны иметь высокий температурный коэффициент вязкости, т. е. вязкость не должна сильно изменяться при колебаниях температуры, они должны быть инертными по отношению к возможным загрязнениям и способным к нейтрализации кислотных продуктов сгорания топлива (SO  CO ). Для улучшения эксплуатационных свойств смазок в них добавляют так называемые присадки – сложные органические соединения. Важнейшие нефтепродукты. Топливные нефтепродукты. Важнейшими топливными нефтепродуктом является бензин. Топливный бензин представляет собой смесь предельных, непредельных, ароматических углеводородов. Число углеродных атомов в углеводородах топливного бензина составляет от 4 до 12. Бензин получают, смешивая отдельные фракции первичной переработки нефти (бензиновая, лигроиновая) с продуктами крекинга и риформинга. Используется в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания в автомобилях и самолетах.

    Важной  характеристикой бензина является октановое число, которое характеризует  стойкость к детонации (взрыву) топлива  при воспламенении от искры. Октановое  число изооктана принято за 100, н-гептана – за 0. Обычно октановое  число автобензинов равно 66-98, авиабензинов – 91 – 100.

    Реактивное  топливо используется в современных  летательных аппаратах. Оно представляет собой продукты легких фракций прямой перегонки нефти.

    Дизельное топливо представляет собой смесь  керосина, газойля с добавкой продуктов католического крекинга. Это топливо используется в дизельных двигателях.

    Котельное топливо, используемое в качестве топлива  промышленных печей и котельных  установок, представляет собой смесь  мазута, остатка при крекинге, каменноугольных  смол и др. веществ.

    Сжиженные газы – пропан и бутан, выделяемые при переработке нефти, используется в качестве топлива в быту. Растворители. Многие нефтепродукты являются хорошими растворителями, главным образом органических соединений. Так, легкий бензин – петролейный эфир хорошо растворяет жиры и смолы. Его используют для извлечения этих веществ методом экстракции.

    Бензин  и керосин применяются в качестве растворителей лаков, красок и клеев. С использованием в качестве растворителя керосина получают полимер поливинилхлорид.

    В качестве растворителей используются также ароматические углеводороды, получаемые при пиролизе и каталитическом риформинге нефти (бензол, толуол, ксилолы). Масла и другие нефтепродукты. Смазочные масла (индустриальные, приборные, моторные и др.) – жидкие вещества, предназначенные для смазки трущихся частей механизмов. На основе жидких нефтяных масел получают также пластичные твердые смазочные вещества.

    Битум – жидкие и твердые вещества черного  цвета, содержат высокомолекулярные углеводороды нефти, масла, смолы, органические кислоты. Они используются в производстве асфальта, строительных материалов (рубероида, толи), электроизоляторов, лаков.

    Парафин – твердое вещество, представляющее собой смесь нормальных алканов  с числом углеродных атомов от 18 до 35. Применяют для пропитки древесины и бумаги, для изготовления свечей, твердых смазок, синтетических моющих средств.

    Церезин – смесь твердых алканов, главным  образом нормальных изомеров, с числом углеродных атомов от 36 до 55. Применяют  в качестве электроизоляционного материала, для получения вазелина, кремов, твердых смазок.