КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ПО ПРЕДМЕТУ:
ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
Содержание
1. Влияние температуры на скоростьхимических процессов. Правило Вант-Гоффа
2. Второй закон термодинамики. Самопроизвольные процессы.Свободная и связанная энергия. Энтропия
3. Зависимость скорости химическойреакции от концентрации реагирующих веществ. Закон действующих масс
3.1 На основании закона действующих масс запишите формулы скорости для химических реакций
4. Давление пара над растворами. Первыйзакон Рауля
5. Зависимость адсорбции от свойств твердой поверхности.Гидрофильные и гидрофобные поверхности
5.1 Выбрать правильный ответ и пояснитьих
6. Вопрос. Пищевые пены: понятия, виды, их состав и строение, влияние на консистенцию пищи
Список использованных источников1. Влияние температуры на скорость химических процессов.Правило Вант-Гоффа
Скорость химической реакции — это величина, показывающая какизменяются концентрации исходных веществ или продуктов реакции за единицу времени.
Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществи условий протекания реакции: концентрации с, температуры t, присутствия катализаторов,а также от некоторых других факторов (например, от давления — для газовых реакций,от измельчения — для твердых веществ, от радиоактивного облучения).
Влияние концентраций реагирующих веществ. Чтобы осуществля¬лосьхимическое взаимодействие веществ А и В, их молекулы (частицы) должны столкнуться.Чем больше столкновений, тем быстрее протекает реакция. Число же столкновений тембольше, чем выше концентрация реагирующих веществ. Отсюда на основе обширного экспериментальногоматериала сформулирован основной закон химической кинетики, устанавливающий зависимостьскорости реакции от концентрации реагирующих веществ:
Скорость химической реакции пропорциональна произведению концентрацийреагирующих веществ.
Для реакции (I) этот закон выразится уравнением
v = kcA cB, (1)
где сА и сВ — концентрации веществ А и В, моль/л; k — коэффициентпропорциональности, называемый константой скорости реакции. Основной закон химическойкинетики часто называют законом действующих масс.
Из уравнения (1) нетрудно установить физический смысл константыскорости k: она численно равна скорости реакции, когда концентрации каждого из реагирующихвеществ составляют 1 моль/л или когда их произведение равно единице.
Константа скорости реакции k зависит от природы реагирующих веществи от температуры, но не зависит от их концентраций.
Уравнение (1), связывающее скорость реакции с концентрацией реагирующихвеществ, называется кинетическим уравнением реакции. Если опытным путем определенокинетическое уравнение реакции, то с его помощью можно вычислять скорости при другихконцентрациях тех же реагирующих веществ.
Зависимость скорости реакции от температуры определяется правиломВант-Гоффа:
При повышении температуры на каждые 10о скорость большинствареакций увеличивается в 2-4 раза.
Математически эта зависимость выражается соотношением />
vt 2 = vt 1 γ,
где vt 1, vt 2 — скорости реакции соответственно при начальной(t 1) и конечной (t 2) температурах, а γ — температурный коэффициент скоростиреакции, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции с повышениемтемпературы реагирующих веществ на 10°.
Правило Вант-Гоффа является приближенным и применимо лишь дляориентировочной оценки влияния температуры на скорость реакции. Температура влияетна скорость химической реакции, увеличивая константу скорости.
Вычислите, во сколько раз уменьшится скорость реакции, протекающейв газовой фазе, если понизить температуру от 120º до 60ºС. Температурныйкоэффициент равен 3.
/>
Ответ. Скорость химической реакции при понижении температурыот 120º до 60º С уменьшится в 729 раз.
2. Второй закон термодинамики. Самопроизвольные процессы.Свободная и связанная энергия. Энтропия
Химическая термодинамика — наука, изучающая условия устойчивостисистем и законы.
Термодинамика — наука о макросистемах (рис.1).
/>
Рисунок 1. Схема составляющих термодинамической науки
Первое начало термодинамики утверждает, что при превращении однойформы энергии в другую полная энергия системы не изменяется, однако не указываетникаких ограничений относительно возможности этого процесса. Поэтому первое началотермодинамики позволяет рассчитать энергетический эффект процесса, однако не даетответа на вопросы о том, будет ли процесс протекать самопроизвольно, о направлениии глубине протекания процесса.
Самопроизвольный процесс — процесс, который может протекать беззатраты работы извне, причем в результате может быть получена работа в количестве,пропорциональном произошедшему изменению состояния системы. Самопроизвольный процессможет протекать или обратимо, или необратимо. Чтобы самопроизвольный процесс протекалобратимо, необходимо приложить извне такое сопротивление, чтобы переход был оченьмедленным и при бесконечно малом изменении противодействующей силы процесс мог пойтив обратном направлении. В случае обратимо происходящего изменения состояния системыпроизводится максимальное количество работы. Всякий реальный процесс в какой-тостепени является необратимым, и получаемая работа меньше максимально возможноготеоретического количества.
Вынужденный процесс — процесс, для протекания которого требуетсязатрата работы извне в количестве, пропорциональном производимому изменению состояниясистемы.
Второе начало термодинамики дает возможность определить, какойиз процессов будет протекать самопроизвольно, какое количество работы может бытьпри этом получено, каков предел самопроизвольного течения процесса. Далее, второеначало термодинамики дает возможность определить, какими должны быть условия, чтобынужный процесс протекал в необходимом направлении и в требуемой степени, что особенноважно для решения различных задач прикладного характера.
Естественные процессы всегда направлены в сторону достиженияоси с темой равновесного состояния (механического, термического или любого другого).Это явление отражено вторым законом термодинамики, имеющим большое значение и дляанализа работы теплоэнергетических машин. В соответствии с этим законом, например,теплота самопроизвольно может переходить только от тела с большей температурой ктелу с меньшей температурой. Для осуществления обратного процесса должна быть затраченаопределенная работа. В связи с этим второй закон термодинамики можно сформулироватьследующим образом: невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольноот тел более холодных к телам более теплым (постулат Клаузиуса, 1850 г.).
Любая форма энергии может полностью перейти в теплоту, нотеплота преобразуется в другие формы энергии лишь частично.
химический термодинамика скорость раствор
Таким образом, можно условно принять, что внутренняя энергиисистемы состоит из двух составляющих: «свободной» X и «связанной»Y энергий, причем «свободная» энергия может быть переведена в работу,а «связанная» энергия может перейти только в теплоту.
/>
/>
Мерой связанной энергии является новая термодинамическая функциясостояния, называемая энтропией.
В природе протекание большинства процессов, в том числе и химических,сопровождается не только энергетическими эффектами, но и изменением в упорядочениирасположения частиц относительно друг друга. Рассмотренные выше примеры превращенийимеют одно общее свойство: в каждом случае состояние продуктов характеризуется большейхаотичностью, или неупорядоченностью, чем состояние реагентов. Растворение хлоридакалия сопровождается нарушением регулярности в расположении частиц в узлах кристаллическойрешетки — возникает беспорядочное распределение ионов в растворе. Молекулы воды,образующие кристалл льда, прочно удерживаются в его кристаллической решетке. Приплавлении льда молекулы H2O начинают свободно перемещаться относительно друг друга.Высокоупорядоченная кристаллическая структура заменяется неупорядоченной структуройжидкости. В процессе испарения структура жидкости, представленная ассоциатами изее молекул, заменяется отдельными молекулами, движущимися независимо (в газовойфазе).
Таким образом, частицам (молекулам, атомам, ионам и др.) присущестремление к беспорядочному движению, поэтому система стремится перейти из болееупорядоченного состояния в менее упорядоченное. Количественной мерой неупорядоченности(беспорядка) системы является термодинамическая функция состояния системы — энтропия(S, Дж/ (мольK)). Чем в большей мере выражен беспорядок в системе, тем больше ееэнтропия. Следовательно, еще одной составляющей движущей силы самопроизвольно протекающихпроцессов является тенденция к увеличению энтропии системы.
II закон термодинамики является одним из наиболее общих положенийвсей науки в целом. Главная мысль его заключается в том, что в любой изолированнойсистеме с течением времени происходит постоянное возрастание степени беспорядка,т.е. энтропии. Следовательно, для любых самопроизвольных процессов
ΔS ≥ 0.
Знак ">" — для необратимых процессов, знак"=" — для обратимых процессов.
Для обратимых процессов ΔS = Q/T, [Дж/К моль].
Для необратимых процессов ΔS > Q/T, [Дж/К моль].
II закон термодинамики имеет ясный физический смысл только тогда,когда его применяют к любой ограниченной системе. Функции системы, которые связаныс работой и говорящие о направлении процесса, называются термодинамическими потенциалами.Критерием для суждения о направлении процессов в изолированных системах может служитьизменение энтропии ΔS. Однако на практике большинство процессов протекает внеизолированных системах и связано с теплообменом и изменением объема. Поэтому длянеизолированных систем необходимо иметь другие критерии. Энтропию веществ принятоотносить к стандартным условиям (T = 298,15 K и p = 101,3 кПа). Энтропию при этихусловиях называют стандартной энтропией и обозначают S° (298 K). Значения стандартныхэнтропий для многих веществ являются справочными данными.
2.1 Объясните изменение энтропии в процессах
Уравнение реакции позволяет судить о знаке изменения энтропии∆S0.
а) 3Н2 (г) + N2(г) = 2 NН3 (г)
В реакции число молей газообразных веществ уменьшается от 4 до2, поэтому ∆S0
б) С (тв) + Н2О (г) = СО (г) + Н2 (г).
Из реакции следует, что из 1 моля твердого С и 1 моль газообразногоН2O образуется 2 мольгазообразных веществ (1 моль СО (г) и 1 моль Н2 (г)). Следовательно ∆S0 > 0.
3. Зависимость скорости химической реакции от концентрацииреагирующих веществ. Закон действующих масс
Химические реакции протекают с различными скоростями. Некоторыеиз них полностью заканчиваются за малые доли секунды (взрыв), другие осуществляютсяза минуты, часы, дни и большие промежутки времени. Кроме того, одна и та же реакцияможет в одних условиях (например, при повышенных температурах) протекать быстро,а в других (например, при охлаждении) — медленно. При этом различие в скорости однойи той же реакции может быть очень большим.
Раздел химии, изучающий скорости химических реакций,называется химической кинетикой.
При рассмотрении вопроса о скорости реакций необходимо различатьгомогенные и гетерогенные реакции. С этими понятиями тесно связано понятие фазы.
/>Фазой называется часть системы, отделеннаяот других ее частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяютсяскачком.
Гомогенная реакция протекает в объеме фазы [пример — взаимодействиеводорода и кислорода с образованием водяного пара: H2 (г) + O2 (г) → H2O(г)], а если реакция гетерогенна, то она протекает на поверхности раздела фаз [например,горение углерода: C (т) + O2 (г) → CO2 (г)]. Скоростью гомогенной реакцииназывается количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакцииза единицу времени в единице объема фазы:
/>,
где n — количество вещества, моль; V — объем фазы, л; t — время;С — концентрация, моль/л.
Скоростью гетерогенной реакции называется количество вещества,вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени на единицеплощади поверхности фазы:
/>,
где S — площадь поверхности раздела фаз.
К важнейшим факторам, влияющим на скорость гомогенной реакции,являются следующие: природа реагирующих веществ, их концентрации, температура, присутствиекатализаторов.
/>Зависимость скорости реакции от концентрацийреагирующих веществ. Реакция между молекулами происходит при их столкновении. Поэтомускорость реакции пропорциональна числу соударений, которые претерпевают молекулыреагирующих веществ. Число соударений тем больше, чем выше концентрация каждогоиз исходных веществ. Например, скорость реакции A + B → C пропорциональнапроизведению концентраций А и В:
v = k× [A] × [B],
где k — коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости реакции.По смыслу величина k равна скорости реакции для случая, когда концентрации реагирующихвеществ равны 1 моль/л.
Это соотношение выражает закон действия масс. Этот закон называют также законом действующих масс.:при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведениюконцентраций реагирующих веществ.
Гораздо реже реакция осуществляется в результате одновременногостолкновения трех реагирующих частиц. Например, реакция
2А+В → А2В
может протекать путем тройного столкновения:
А+А+В → А2В
Тогда в соответствии с законом действия масс концентрация каждогоиз реагирующих веществ входит в выражение скорости реакции в степени, равной коэффициентув уравнении реакции:
v = k× [A] × [A] × [B] = k× [A] 2 [B]
Сумма показателей степени в уравнении закона действия масс называетсяпорядком реакции. Например,в последнем случае реакция имеет третий порядок (второй — по веществу A и первый- по веществу B).
В случае, когда уравнение химической реакции не соответствуетэлементарному акту взаимодействия, а отражает лишь связь между массой вступившихв реакцию и образовавшихся веществ, то степени у концентраций не будут равны коэффициентам,стоящим перед формулами соответствующих веществ в уравнении реакции. Для реакции,которая протекает в несколько стадий, скорость реакции определяется скоростью самоймедленной (лимитирующей) стадии.
Такая зависимость скорости реакции от концентрации реагирующихвеществ справедлива для газов и реакций, проходящих в растворе. Реакции с участиемтвердых веществ не подчиняются закону действующих масс, так как взаимодействие молекулпроисходит лишь на поверхности раздела фаз. Следовательно, скорость гетерогеннойреакции зависит еще и от величины и характера поверхности соприкосновения реагирующихфаз. Чем больше поверхность — тем быстрее будет идти реакция.
3.1 На основании закона действующих масс запишите формулыскорости для химических реакций
а) СО (г) + Сl2(г) → СОСl2 (г);
v = k [CO] [Cl2]
б) С12Н22O11(водн.) + Н2O (ж) → 2С6Н12О6(водн);
v = k
в) С (тв) + О2 (г) → СО2 (г)
v = k [O2]
4. Давление пара над растворами. Первый закон Рауля
Растворы — это гомогенные смеси, состоящие из нескольких компонентов(минимум из двух), каждый из которых распределен по всему объему раствора в видеотдельных атомов, молекул, ионов или в виде групп из небольшого числа этих частиц.Состав растворов может непрерывно меняться в границах, определяемых взаимной растворимостьювеществ, т.е. растворы не подчиняются закону постоянства состава. Таким образом,в этих определениях подчеркиваются два основных признака растворов (и электролитов,и неэлектролитов): их гомогенность и переменный состав.
От химических соединений растворы отличают характер и величиныэнергии связи между частицами растворенного вещества и растворителя. Если химическиесоединения образуются за счет валентных связей атомов, то растворы образуются засчет слабых межмолекулярных (Ван-дер-Ваальсовых) сил. Эти силы действуют как междумолекулами одного и того же компонента, так и между молекулами разных компонентов.Существенное значение могут иметь и водородные связи.
Общими признаками растворов являются самопроизвольность образованияих при постоянных температуре и давлении и устойчивость их как термодинамическихсистем (ΔG
Растворы могут существовать в жидком, твердом, газообразном состояниях.
Число компонентов в растворе не может быть меньше двух. Компонент,содержащийся в большем количестве, называется растворителем, а в меньшем — раствореннымвеществом.
Истинные растворы делятся на идеальные разбавленные растворы,идеальные концентрированные и неидеальные (реальные) растворы.
Если для газа условием идеальности является отсутствие сил взаимодействиямежду молекулами, то для раствора условием идеальности является однообразие силывзаимодействия между молекулами компонентов, образующих раствор.
К идеальным разбавленным растворам относятся растворы с концентрациейменьше 1 моль на 1000 г растворителя.
Идеальные концентрированные растворы образуют вещества, близкиепо физическим и химическим свойствам; между молекулами компонентов не происходиткаких-либо взаимодействий химического характера. Образование таких растворов несопровождается тепловыми эффектами или изменением объема. Как правило, свойствамиидеальных концентрированных растворов обладают растворы изотопов данного элемента,смеси гомологов, оптических изомеров.
Реальными называются растворы, которые не подчиняются законамидеальных растворов. Обычно они составлены из компонентов с различными свойствами,строением молекул и силами взаимодействия между молекулами компонентов. Образованиетаких растворов сопровождается изменением объема и тепловыми эффектами. С уменьшениемконцентрации реального раствора его свойства приближаются к свойствам идеальногораствора.
В жидких растворах частицы растворенного вещества связаны с окружающимиих частицами растворителя. Эти комплексы называются сольватами, а для водных растворов- гидратами. Именно такое представление о растворах было высказано Д.И. Менделеевым.На основании экспериментальных фактов он выдвинул предположение о существованиив растворах определенных химических соединений растворенного вещества с растворителем.Эта идея составила основу химической теории растворов: образование раствора — химическийпроцесс взаимодействия молекул растворенного вещества и растворителя.
Физическая теория, существовавшая ранее, рассматривала растворыкак простые механические смеси, а растворитель как инертную среду.
Закономерности для разбавленных молекулярных растворов были выведеныв 80-х годах 19 века Ф. Раулем, Я. Вант-Гоффом, С. Аррениусом, которые установилизависимости между концентрацией раствора и такими его свойствами как давление насыщенногопара, температуры кипения и замерзания, осмотическое давление.
1) Давление насыщенного пара является важным свойством раствора.
Если к чистому растворителю с давлением насыщенного пара р0 добавитьпостороннее нелетучее вещество, то давление пара растворителя над раствором изменится.
При растворении какого-либо нелетучего вещества в данном растворителепонижается концентрация молекул последнего в единице объема жидкости, и уменьшаетсячисло молекул, вылетающих в единицу времени из жидкой фазы в парообразную. При меньшейконцентрации пара, т.е. при меньшем его давлении, установится равновесие.
Следовательно, давление насыщенного пара растворителя над растворомвсегда меньше, чем над чистым растворителем. Понижение давления насыщенного парарастворителя над раствором тем больше, чем выше концентрация растворенного вещества.
Для идеальных растворов давление насыщенного пара определяетсязаконом Рауля, установленного им в 1886 г.: относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно молярной доле растворенного вещества,т.е. отношению количества данного вещества к общему количеству растворителя и растворенноговещества:
Δр / р0 = р0 — р/р0 = n2/n1 + n2 = х2, где
р0 — давление пара растворителя над чистым растворителем, р- давление пара растворителя над раствором, Δр / р0 — относительное понижениедавления пара растворителя, n2 — количество растворенного вещества, n1 — количествовещества растворителя, х2 — молярная доля растворенного вещества.
Это уравнение можно представить в другом виде и придать законуиную формулировку:
/>
давление пара над раствором равно произведению давления паранад чистым растворителем на молярную долю растворителя.
Для очень разбавленных растворов уравнение имеет вид:
/>
m1 и m2 — массы растворителя и растворенного вещества соответственно,М1 и М2 — молярные массы растворителя и растворенного вещества соответственно.
2) Понижение давления насыщенного пара влечет за собой понижениетемпературы замерзания раствора по сравнению с чистым растворителем.
Жидкость замерзает при той температуре, при которой давлениенасыщенного пара над ней такое же, как и над кристаллами этого вещества. Так какдавление насыщенного пара растворителя над раствором всегда меньше, чем над чистымрастворителем, то разбавленный раствор будет замерзать при более низкой температуре,чем растворитель.
Температурой замерзания раствора считают ту температуру, прикоторой в процессе охлаждения начинают выделяться первые кристаллы чистого растворителя.
Для таких растворов Рауль нашел, что понижение температуры замерзанияраствора Δtз. = t0 — t (t0 — температура замерзания растворителя, t — температуразамерзания раствора) пропорционально его моляльности (1 моль в 1000 г растворителя):
Δtз = К m,
где
Δt — понижение температуры замерзания, m — моляльность раствора,К — криоскопическая постоянная («криос» — холод).
Физический смысл криоскопической постоянной К состоит в том,что она равна понижению tз. раствора, содержащего 1 моль растворенного веществана 1 кг растворителя. Величина К зависит от природы растворенного вещества, еслиего молекулы не диссоциируют и не ассоциируют. Величину К можно рассчитать по формуле
/>
T0 — температура замерзания растворителя, l пл — удельная теплотаплавления растворителя.
Так как /> [моль/кг], то
/>
m1 — масса растворителя, m2 — масса растворенного вещества.
3) Повышение температуры кипения.
Жидкость закипает при температуре, при которой давление насыщенногопара жидкости становится равным внешнему давлению. Так как давление насыщенногопара растворов нелетучих или малолетучих веществ меньше давления насыщенного парарастворителя, то эти растворы кипят при более высокой температуре, чем растворитель.
Для разбавленных растворов таких веществ Рауль установил, чтоповышение температуры кипения раствора Δtк. = t — t0 пропорционально его моляльности:
Δtк. = Е · m, где
Е — эбуллиоскопическая постоянная («эбуллиос» — кипеть),m — моляльность раствора.
/>
T0 — температура кипения растворителя, lисп. — удельная теплотаиспарения растворителя.
Величина Е численно равна повышению tк моляльного раствора приусловии сохранения свойств раствора до этой концентрации.
В 100 г. этилового спирта растворено 39г. бензола С6Н6,рассчитайте повышение температуры кипения этого раствора, если эбуллиоскопическаяконстанта спирта равна 1,11ºС.
Дано:
/>
Ответ: ∆tº кип. = 5.55 ºС
5. Зависимость адсорбции от свойств твердой поверхности.Гидрофильные и гидрофобные поверхности
Адсорбция (от лат. ad — на, при и sorbeo — поглощаю), поглощениевещества из газообразной среды или раствора поверхностным слоем жидкости или твёрдоготела. Например, если поместить в водный раствор уксусной кислоты кусочек угля, топроизойдёт адсорбция — количество кислоты в растворе уменьшится, молекулы кислотысконцентрируются на поверхности угля.
Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция, называетсяадсорбентом, а поглощаемое из объёмной фазы — адсорбатом. В зависимости от характеравзаимодействия между молекулой адсорбата и адсорбентом адсорбцию принято подразделятьна физическую и хемосорбцию. Менее прочная физическая адсорбция не сопровождаетсясущественными изменениями молекул адсорбата. Она обусловлена силами межмолекулярноговзаимодействия, которые связывают молекулы в жидкостях и некоторых кристаллах ипроявляются в поведении сильно сжатых газов. При хемосорбции молекулы адсорбатаи адсорбента образуют химические соединения. Часто адсорбция обусловлена и физическимии химическими силами, поэтому не существует чёткой границы между физикой адсорбциейи хемосорбцией.
Поверхность твердого тела, в отличие от поверхности жидкости,имеет сложный, неоднородный характер. Даже полированное зеркало имеет на поверхностивыступы размерами до /> см. Адсорбцияпроисходит не на всей поверхности, а лишь на активных центрах.
Поверхность адсорбента часто бывает пористой. Наличие пор приводитк тому, что адсорбция сопровождается капиллярной конденсацией.
Величина адсорбции газа на твердом адсорбенте зависит от следующихфакторов:
температуры;
концентрации (равновесного давления) пара или газа в поверхностномслое;
природы твердого тела;
природы газа.
Особенности адсорбции газов на твердых адсорбентах свидетельствуюто том, что определяющим в этом виде адсорбции является состояние поверхности адсорбента.
Все адсорбенты подразделяются на две принципиально разные группы:
1) адсорбенты с гладкой поверхностью (непористые адсорбенты);
2) пористые адсорбенты.
При одинаковой степени измельчения пористые адсорбенты имеютгораздо большую удельную поверхность чем непористые, и, кроме того, адсорбция наних может сопровождаться капиллярной конденсацией.
Адсобрция на непористых адсорбентах зависит в основном:
от сродства адсорбента к адсорбтиву. Это сродство тем сильнее,чем резче выражена склонность к образованию определенных связей. Так, графитированнаясажа неполярна, поэтому на ней сильнее адсорбируются неполярные органические соединения.На поверхности ионных кристаллов (полярные адсорбенты) лучше адсорбируются полярныевещества. На поверхности оксидов обычно имеются гидроксильные группы, способныеобразовывать водородные связи, поэтому они прочно удерживают воду, спирты, аминыи т.д.;
от дисперсности адсорбента. Вы помните, что чем меньше размерчастицы, тем больше ее удельная поверхность. В промышленности получают высокодисперсныепорошки с удельной поверхностью порядка сотен квадратных метров на 1 г вещества, однако из-за их легкой вспыливаемости их чаще используют в качестве наполнителей полимеров,лаков и смазок.
Наиболее распространенные непористые адсорбенты: оксиды />графитированнаясажа, белая сажа, аэросил.
Пористые тела — это твердые тела, внутри которых имеются поры,обусловливающие наличие внутренней межфазной поверхности.
Адсорбция на пористых телах, так же как на непористых, требуетдостаточного сродства между адсорбентом и адсорбтивом. Однако кроме этого она зависит:
от размеров пор;
от пористости.
В зависимости от размеров пор пористые адсорбенты подразделяютна
а) макропористые, />поры играют роль транспортных каналов;
б) переходнопористые (капиллярно-пористые), />в пределах 1,5-100 нм, в пределах 10-500 />. На стенкахэтих пор при малых давлениях происходит полимолекулярная адсорбция паров, котораяс увеличением давления заканчивается капиллярной конденсацией. Из промышленных адсорбентовк ним относятся силикагели, алюмогели, алюмосиликагели.
в) микропористые (размеры пор соизмеримы с размерами адсорбированныхмолекул), в пределах 0,5-1,5 нм, в пределах 500-1000. Противоположные стенки портак близко расположены друг к другу, что их силовые поля перекрываются и адсорбцияпроисходит во всем объеме пор. К ним относятся цеолиты и активные угли.
Пористость (П) — это отношение объема пор />к общему объему тела />:
/>
т.е. пористость определяет объем пор, приходящихся на единицуобъема тела, т.е. долю пустот в его структуре.
Пористость может измеряться в долях или процентах. Пористостьопределяет удельную поверхность адсорбента — чем она больше, тем больше емкостьадсорбента.
Структура пористого тела в значительной мере влияет на кинетикуадсорбции, так как появляется стадия переноса вещества внутри пор. Часто эта стадияопределяет время установления равновесия. К числу наиболее распространенных пористыхадсорбентов относятся активные угли (их получают из каменного угля, торфа дерева,животных костей, ореховых косточек и др., причем лучшими считаются угли, полученныеиз скорлупы кокосовых орехов или абрикосовых косточек), силикагели и алюмогели(гидратированные />), цеолиты.
Цеолиты (от греч. цео — кипеть, литос — камень) получили своеназвание за способность эффективно поглощать воду, которая при нагревании испаряется,производя впечатление кипящего камня. Цеолиты являются молекулярными ситами, адсорбирующимилишь определенные компоненты из газовых смесей. Цеолиты представляют собой природныеи синтетические алюмосиликаты, имеющие трубчатые полости строго определенного длякаждого класса диаметра в диапазоне 0,4-1,1 нм.
Адсорбция газов на твердых поверхностях используется в некоторыхотраслях пищевой промышленности, а именно масложировой (например, в производствемаргарина) и в бродильной (например, в производстве дрожжей) для очистки технологическихгазовых потоков с целью предотвращения выбросов вредных веществ в атмосферу. Поглощениепаров воды происходит на пористых веществах, которые выполняют роль твердого адсорбента.Подобные процессы наблюдаются в отношении сахара, соли и сухарей. Адсорбционныйспособ регулирования газового состава хранилищ скоропортящихся продуктов позволяетв несколько раз сократить потери и увеличить сроки хранения. Адсорбция различныхпищевых кислот, лимонной в частности, снижает по сравнению с водой поверхностноенатяжение большинства прохладительных напитков. Адсорбция веществ на поверхностираздела жидкость — газ способствует устойчивости пен. Подобный процесс имеет местов бродильной промышленности при производстве дрожжей и некоторых других полупродуктов.Усиление смачивания водой различных поверхностей широко используется в промышленностив качестве сопутствующего процесса при мойке оборудования, подготовке сырья, обработкеполуфабрикатов и т.д. Адсорбция на границе твердое тело — жидкость широко применяетсяпри очистке жидкостей (например, диффузионного сока при производстве сахара, растительныхмасел и соков) от примесей.
5.1 Выбрать правильный ответ и пояснить их
Вопрос ответ Какие вещества энергично адсорбируют силикагель?
1. воду;
2. бензол;
3. спирт;
4. все вышеназванные в 1-3 ответах.
Силикаге́ль представляет собой высушенный гель, образующийсяиз пересыщенных растворов кремниевых кислот (nSiO2mH2O) при pH >5-6. Твёрдыйгидрофильный сорбент.
Получается при подкислении растворов силикатов щелочных металлов с последующейпромывкой высушиванием образовавшегося геля.
Na2SiO3 + 2HCl = 2NaCl+ H2SiO3
H2SiO3= SiO2 + H2O
Силикагель имеет огромную площадь поверхности (800 м²/1г), состоящую из групп — SiOH, расположенных на расстоянии 0,5 нм друг от друга.Эти группы являются активными центрами, причём активность конкретной партии силикагелязависит от числа и активности таких центров. В активном адсорбенте, то есть таком,из которого удалена адсорбированная на его поверхности вода, многие центры будутактивны.
Поверхность силикагеля состоит из полярных частиц, то есть онагидрофильна и поэтому энергично адсорбирует воду и слабо адсорбирует неполярныежидкости (углеводороды, эфиры, масла и т.д.). Силикагель хорошо адсорбирует парыполярных веществ, например: спиртов и бензола.
Ответ: п.4
6. Вопрос. Пищевые пены: понятия, виды, их состав истроение, влияние на консистенцию пищи
Пены — ячеистые дисперсные системы, представляющие собой совокупностьпузырьков газа (пара), разделённых тонкими прослойками жидкости. Пены по размерупузырьков относятся к грубодисперсным системам; размер пузырьков, составляющих дисперснуюфазу, лежит в пределах от долей мм до нескольких см. Общий объём заключённого вних газа может в сотни раз превосходить объём дисперсионной среды — жидкости, находящейсяв прослойках.
Образование пены, или вспенивание, происходит при диспергированиигаза в жидкой среде и во время выделения новой газовой фазы в объёме жидкости. Возникновениеустойчивых высокодисперсных пены обусловлено присутствием в жидкости стабилизаторовпены, или пенообразователей. Эти вещества облегчают вспенивание и затрудняют оттокжидкости (дренаж) из пенных плёнок, препятствуя коалесценции (слиянию) пузырьков.Действуют они так же, как стабилизаторы эмульсий и лиофобных коллоидных систем:снижают поверхностное натяжение и создают адсорбционно-сольватный слой с положительнымрасклинивающим давлением. В водных средах особенно эффективны мыла, мылоподобныеповерхностно-активные вещества и некоторые растворимые полимеры, образующие на границежидкости с газом слои с явно выраженными структурно-механическими свойствами. Увеличениевязкости дисперсионной среды повышает устойчивость пены. Чистые жидкости с низкойвязкостью не образуют пены
Пены по своей природе близки к концентрированным эмульсиям, нодисперсной фазой в них является газ, а не жидкость. Пены получают из растворов поверхностно-активныхвеществ. Для повышения их устойчивости в растворы ПАВ добавляют высокомолекулярныевещества, повышающие вязкость растворов.
В качестве характеристик пены используется комплекс свойств,всесторонне характеризующих пену.
1) Пенообразующая способность раствора — количество пены, выражаемоееё объемом (см3) или высотой столба (м), которое образуется из заданного постоянногообъема пенообразующего раствора при соблюдении некоторых стандартных условий пенообразованияв течение постоянного времени.
2) Кратность пены b, которая представляет собой отношение объемапены Vп к объему раствора Vж, пошедшего на ее образование (рис.2):
/>, (2.7.24)
где Vг — объем газав пене.
3) Стабильность (устойчивость) пены — ее способность сохранять общий объем,дисперсность и препятствовать вытеканию жидкости (синерезису). Часто в качестве мерыстабильности используют время существования («жизни») выделенного элементапены (отдельного пузырька или пленки) илиопределенного объема пены.
4) Дисперсностьпены, которая может быть охарактеризована средним размером пузырьков, распределениемих по размерам или поверхностью раздела "раствор — газ" в единице объема пены.
Газовые пузырьки в пенах разделены тончайшими пленками,образующими в своей совокупности пленочный каркас, который и служит основой пен.Такой пленочный каркас образуется, если объем газасоставляет 80-90% общего объема. Пузырьки плотно прилегают друг к другу и их разделяеттолько тонкая пленка раствора пенообразователя. Пузырьки деформируютсяи приобретают форму пентаэдров. Обычно пузырьки располагаются в объеме пены таким образом, что три пленки между нимисоединяются как это показано на рисунке.
В каждом ребре многранника сходятся три пленки, углы между которымиравны 120о. Места стыка пленок (ребра многогранника) характеризуются утолщениями,образующими в поперечном сечении треугольник. Эти утолщения называют каналами Плато-Гиббса,в честь известных ученых — бельгийского ученого Ж. Плато и американского — Дж. Гиббса,внесших большой вклад в изучение пен. Четыре канала Плато-Гиббса сходятся в однойточке, образуя по всей пене одинаковые углы 109о 28’. Площадь поперечного сечения треугольного канала Плато-Гиббса определяется как
/>, (2.7.24)
где /> - средний радиус пузырьковв пене.
/>
Рисунок 2. Схема фрагмента высокократной пены
Если объем газовой фазы невелик и пленки между пузырьками толстые,то такая пена неустойчива и очень быстро разрушается. В зависимости от формы пузырьковпены делятся на сферические и многогранные. Сферические пены отличаются высокимсодержанием жидкости и поэтому неустойчивы, их относят к метастабильным. В такихсистемах пузырьки коалесцируют — сливаются при соприкосновении.
Пены также весьма распространены среди пищевых продуктов. Чтобыпена образовалась и могла существовать, необходимо присутствие в системе поверхностно-активныхвеществ — пенообразователей. Эти же вещества чаще всего выполняют и роль стабилизаторовпен. Как и другие коллоидные системы, пены термодинамически нестабильны. Газ и жидкость,из которых они состоят, стремятся образовать два слоя с минимальной поверхностьюраздела фаз. Поэтому пены в готовых пищевых продуктах стабилизируют формированиеммельчайших кристаллов сахара (нуга), фиксируют путём термообработки (подсушиваниезефира, выпекание бисквита, закаливание мороженого) и добавкой стабилизаторов пены.
Пена всегда рассматривалась в кулинарии как нежелательный, побочныйэлемент, и потому существовали стойкие рекомендации — снимать ее сразу же послепоявления в любом блюде. Эти рекомендации, обосновывавшиеся прежде, особенно в XVIII-XIXвв., лишь соображениями красоты и аромата кушаний, приобретают сейчас особое гигиеническоеи профилактическое значение. К тому же блюда, с которых в процессе приготовлениярегулярно снимают пену, значительно лучше по вкусу.
Пену, появляющуюся на поверхности воды при приготовлении такихблюд, как супы, компоты, отварные изделия из теста и картофеля, нужно снимать сразуже в момент ее появления и до полного исчезновения. Только после этого суп или компотможно наполнять другими компонентами — пряностями, жирами или сахаром. При появлениипены на поверхности супов следует сразу же уменьшить огонь, чтобы она спокойно сбиваласьк краям посуды, а не дробилась и не вваривалась в жидкость.
При изготовлении варенья пену снимают сначала с сахарного сиропа,а затем вторично, после закладки сырья. Чем лучше очищен сироп, тем меньше пеныпоявляется при варке ягод или фруктов. Варенье, с которого быстро снимают пену,лучше и равномернее проваривается и, главное, не переваривается, а потому сохраняетестественный цвет, аромат и вкус.
Если сироп предварительно очищен, то пена, образуемая затем приварке ягод и других компонентов, выглядит более чистой и по ней легче следить запроцессом приготовления. Пока пена розоватая или лимонно-желтая, варенье может ещестоять на огне. Как только она начинает темнеть или жухнуть — это сигнал, что вареньепереварилось.
В варенье пена снимается не сразу по ее появлении, а лишь тогда,когда обнаружатся участки ее уплотнения с краев посуды или в центре и эта болеегустая и плотная масса легко отделяется ложкой от поверхности кипящего состава.С этого момента пену следует снимать непрерывно, не давая ей выходить за края посуды.«Убегание» пены отрицательно отражается на качестве варенья: оно лишаетсяпенообразного сиропа — основной среды для варки фруктов, ягод.
/>Список использованных источников
1. Ахметов Б.В. Задачи и упражнения по физической и коллоидной химии.- Л.: Химия, 1988. — 240 с.
2. Балязин С.А. Практикум по физической и коллоидной химии: учебноепособие. — М.: Просвещение, 1980. — 271 с.
3. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии: Химия, 1974. — 493 с.
4. Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии: Учебное пособие длявузов/ Под ред.В.А. Рабиновича и Х.М. Рубинной. — М.: Интеграл-Пресс, 2002. — 240с.
5. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. М.:Мир, 1984.310 с.
6. Евстратова К.И., Кижин А.А., Молохова Е.Г. Физическая и коллоиднаяхимия. — М.: Высшая школа, 1990. — 487с.
7. Зимон А.Д. Занимательная коллоидная химия — 3-е изд. — М.: Агар,2002. — 167с.
8. Зимон А.Д., Лещинко А.Ф. Коллоидная химия. — М.: Агар, 2001. — 317с
9. Киселев А.В. Межмолекулярные взаимодействия в адсорбции и хроматографии.М.: Высш. шк., 1986. — 360 с.
10. Скурихин И.М. Все о пище с точки зрения химика. М Высшая школа,1991. — 219 с.
11. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсныесистемы. — М.: Химия, 1989. — 463с.