Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Вопрос 31
Объясните сущность ионного произведения воды и водородного показателя
Ионное произведение воды.
Вода является слабым электролитом и диссоциирует по схеме:
2Н2О ↔ Н3О+ + ОН-
Ионы Н+ в воде и водных растворах практически отсутствуют, т.к. равновесие реакции
Н2О + Н+ ↔ Н3О+
полностью смещено влево, обычно реакцию диссоциации воды записывают упрощенно
Н2О ↔ Н+ + ОН-
Константу диссоциации воды можно записать:
В чистой воде концентрации ионов водорода и гидроксида очень малы и вместо активностей можно использовать аналитические концентрации. Диссоциация практически не влияет на концентрацию воды, поэтому
Эта величина носит название ионное произведение воды. При 295 К (22оС) ионное произведение равно точно 10-14.
Диссоциация воды протекает с поглощением тепла, поэтому при повышении температуры КW возрастает. В чистой воде концентрации ионов водорода и гидроксила равны и составляют при 295 К
Такой раствор называют нейтральным. Если то раствор будет кислым, а если то раствор щелочной.
Для характеристики кислотности среды обычно используют вместо концентрации водородный показатель (рН) – отрицательный десятичный логарифм активности (концентрации) ионов водород:
(7.32)
При 295 К в нейтральной среде рН=7, в кислой – рН<7, в щелочной - pH>7.
Несколько реже используют гидроксидный покадатель (рОН) отрицательный десятичный логарифм активности (концентрации) ионов гидроксила:
(7.32а)
При 295 К в нейтральной среде рОН=7, в кислой – pОH>7, в щелочной - рОН<7.
рН+рОН=14.
Величина рН может контролироваться с помощью приборов (рН-метров) или посредством специальных реактивов, называемых индикаторами. Окраска индикаторов изменяется в зависимости от концентрации ионов водорода. Кислотно-основные индикаторы представляют собой слабые органические кислоты или основания.
Вопрос 32
Объясните влияние pH среды на течение биохимических и технологических процессов. Дайте характеристику буферным растворам
-это показатель закисления или защелачивания ЛЮБОЙ жидкости... рН больше 7,0 это щелочная жидкость
рН меньше 7,0 -кислый раствор
Биохимические процессы протекают при участии ферментов и имеют большое практическое значение, так как лежат в основе технологий получения хлеба и хлебобулочных изделий, вина, пива, чая, аминокислот, органических кислот, витаминов и антибиотиков. Эти процессы играют важную роль при хранении пищевого сырья и готовой продукции (зерна, плодов, овощей, жира, жирсодержащих продуктов и др.).
Кинетика биохимических процессов зависит от ряда факторов: химической природы реагирующих веществ, концентраций фермента и субстрата, температуры и рН среды, наличия активаторов и ингибиторов.
Каждый фермент проявляет свое действие в узких пределах значений рН. В определенной зоне активность фермента наибольшая, эта зона называется оптимальной зоной рН. Разные ферменты сильно отличаются по оптимальным для их действия значениям рН. Одни из них имеют наибольшую активность в кислой среде, другие - в нейтральной, третьи - в щелочной. Пепсин желудочного сока имеет оптимум действия при рН 2,0, солодовая α-амилаза - при рН 4,7-5,2. Оптимальное значение рН для действия ферментов зависит в основном от субстрата. Например, при действии папаина на желатин оптимальное значение рН 5,0, а при действии на денатурированный яичный альбумин - 7,5.
Вопрос 33
Дайте характеристику общим свойствам пограничных слоев, свободной поверхностной энергии и адсорбции.
Понятие пограничного слоя было впервые введено Людвигом Прандтлем в статье, представленной 12 августа 1904 года на третьем Международном конгрессе математиков в Гейдельберге, Германия. Введение ПС позволяет учёным упростить аэродинамические уравнения путем разделения потока жидкости/газа на два участка: один внутри пограничного слоя, где вязкость является доминирующей, и другой, за пределами ПС, где вязкостью можно пренебречь. Это позволяет существенно упростить решение полных уравнений Навье-Стокса. Теплообмен обтекаемого тела с потоком также происходит исключительно в пограничном слое, что опять же позволяет упростить решение уравнений за пределами ПС.
Пограни́чный слой (ПС) в аэродинамике — слой трения: тонкий слой на поверхности обтекаемого тела или летательного аппарата (ЛА), в котором проявляется эффект вязкости. ПС характеризуется сильным градиентом скорости потока: скорость меняется от нулевой, на поверхности ЛА, до скорости потока вне пограничного слоя (в аэродинамике принято рассматривать ЛА неподвижным, а набегающий на него поток газа имеющим скорость ЛА, то есть в системе отсчёта ЛА).
За счет сил трения в ПС даже бесконечно тонкая пластина при движении в газе будет испытывать сопротивление — сопротивление трения или вязкое сопротивление.
Вопрос 34
Объясните ,как протекает адсорбция на поверхности раствор-газ.
Атомы или молекулы конденсированных фаз (жидкостей и твердых тел), находящиеся на поверхности, обладают большей энергией по сравнению с таковыми в объеме фаз. Поскольку эти частицы на поверхности связаны с меньшим числом соседних атомов или молекул, чем в объеме фазы, то переход частицы (молекулы или атома) из объема фазы на поверхность связан с разрывом некоторых связей. Поэтому увеличение числа молекул или атомов на поверхности, то есть увеличение поверхности требует затраты энергии, которая идет на разрыв существующих межмолекулярных связей и превращается в свободную поверхностную энергию атомов или молекул.
По данным «НПФ Цифра-Газ», работа, необходимая для создания единицы новой поверхности или эквивалентная ей свободная энергия единицы поверхности называется поверхностным натяжением. Оно обозначается буквой σ и измеряется в Дж/м2.
Обратный процесс уменьшения поверхности будет протекать самопроизвольно, поскольку по второму закону термодинамики сопровождается уменьшением энергии Гиббса системы. Именно этим (наименьшая поверхность при данном объеме) объясняется сферическая форма жидкостей в условиях невесомости.
Поверхностное натяжение жидкостей зависит от температуры и наличия примесей
С ростом температуры поверхностное натяжение линейно падает. Вблизи Т (критическая температура) линейный ход нарушается, а поверхностное натяжение становится равным нулю.
Все вещества, по своему влиянию на поверхностное натяжение, делятся на два типа:
1. Вещества, способные повышать поверхностное натяжение жидкостей, называются поверхностно-инактивными (ПиАВ). Для воды, например, таковыми являются электролиты.
2. Вещества, понижающие поверхностное натяжение жидкостей, называются поверхностно-активными веществами (ПАВ).
Молекула ПАВ имеет характерное строение. Она обязательно состоит из двух частей:
1) неполярный радикал (алифатический, ароматический или их сочетание);
2) полярная группа (ОН,NН2, СООН, ОSО3Н).
Поскольку полярные группы имеют большое сродство к полярным, а неполярные радикалы – к неполярным средам, то молекулы ПАВ являются дифильными. Количественно влияние содержания ПАВ в растворе на поверхностное натяжение при постоянной температуре выражается изотермой поверхностного натяжения.
Ионогенные ПАВ в растворе диссоциируют на ионы, а неионогенные в растворе находятся в виде молекул. Неионогенные ПАВ в растворе не диссоциируют на ионы, а находятся в виде молекул. Примером таких ПАВ могут служить спирты.
Опытным путем Траубе установил, что в водных растворах гомологического ряда жирных кислот при переходе от низшего гомолога к высшему поверхностная активность увеличивается в 3 – 3,5 раза. Эта формулировка получила название правила Траубе.
При одинаковой концентрации понижение поверхностного натяжения возрастает при переходе от уксусной кислоты к масляной. Изучение сущности этого явления показало, что изменение поверхностного натяжения раствора объясняется тем, что концентрация ПАВ в объеме раствора и на поверхности “газ – жидкость” – различная.
Поэтому понижение поверхностного натяжения растворителя в присутствии ПАВ можно объяснить концентрированием молекул ПАВ на поверхности раздела фаз «жидкость – газ», т.е. адсорбцией молекул ПАВ. Связь между молярной концентрацией молекул ПАВ в объеме раствора, величиной адсорбции и поверхностной активностью установлена Гиббсом термодинамическим методом.
В работах Гаркинса и Ленгмюра показано, что при адсорбции дифильные молекулы ПАВ ориентируются на поверхности раздела фаз полярными группами в родственную полярную среду, а неполярными радикалами – в неполярную.
Вопрос 35
Объясните ,как проходит адсорбция газов и растворенных веществ твердых адсорбентов.
При адсорбции газов на твердых телах описание взаимодействия молекул адсорбата и адсорбента представляет собой весьма сложную задачу, поскольку характер их взаимодействия, определяющий характер адсорбции, может быть различным. Поэтому обычно задачу упрощают, рассматривая два крайних случая, когда адсорбция вызывается физическими или химическими силами – соответственно физическую и химическую адсорбцию.
Физическая адсорбция возникает за счет ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Она характеризуется обратимостью и уменьшением адсорбции при повышении температуры, т.е. экзотермичностью, причем тепловой эффект физической адсорбции обычно близок к теплоте сжижения адсорбата (10 – 80 кДж/моль). Таковой является, например, адсорбция инертных газов на угле.
Химическая адсорбция (хемосорбция) осуществляется путем химического взаимодействия молекул адсорбента и адсорбата. Хемосорбция обычно необратима; химическая адсорбция, в отличие от физической, является локализованной, т.е. молекулы адсорбата не могут перемещаться по поверхности адсорбента. Так как хемосорбция является химическим процессом, требующим энергии активации порядка 40 – 120 кДж/моль, повышение температуры способствует её протеканию. Примером химической адсорбции является адсорбция кислорода на вольфраме или серебре при высоких температурах.
Следует подчеркнуть, что явления физической и химической адсорбции чётко различаются в очень редких случаях. Обычно осуществляются промежуточные варианты, когда основная масса адсорбированного вещества связывается сравнительно слабо и лишь небольшая часть – прочно. Например, кислород на металлах или водород на никеле при низких температурах адсорбируются по законам физической адсорбции, но при повышении температуры начинает протекать химическая адсорбция. При повышении температуры увеличение химической адсорбции с некоторой температуры начинает перекрывать падение физической адсорбции, поэтому температурная зависимость адсорбции в этом случае имеет четко выраженный минимум
При постоянной температуре количество адсорбированного вещества зависит только от равновесных давления либо концентрации адсорбата; уравнение, связывающее эти величины, называется изотермой адсорбции.
Вопрос 36
Адсорбция газов и растворенных веществ твердыми адсорбентами
То вещество (обычно твердое), на поверхности которого идет адсорбция, принято называть адсорбентом, а вещество, которое адсорбируется, — адсорбтивом.
Адсорбция газов и паров твердыми адсорбентами была известна давно.
Адсорбция газа на твердом адсорбенте идет самопроизвольно.
При равновесии концентрация газа в окружающей среде (его давление) и концентрация газа на поверхности адсорбента постоянны. Это предел адсорбции, отвечающей полному насыщению поверхности адсорбента молекулами адсорбтива.
Адсорбция газов на твердом адсорбенте — простейший вариант адсорбции и для нее Ленгмюром была предложена теория, получившая название теории мономолекулярной адсорбции.
Адсорбция молекул происходит не на всей поверхности адсорбента, а только на определенных ее участках — адсорбционных центрах.
Адсорбтив распределяется на адсорбенте мономолекулярным слоем.
Процесс сорбции паров твердыми пористыми адсорбентами включает две стадии.
Адсорбция из растворов на твердом адсорбенте—более сложный процесс, чем адсорбция газов.
Поэтому адсорбция из растворов определяется не только силами взаимодействия между молекулами растворенного вещества и адсорбентом, но и взаимодействием растворитель — адсорбент и растворитель — растворенное вещество.
В отличие от адсорбции газов при адсорбции из растворов равновесие наступает не так быстро, особенно на мелкопористых адсорбентах.
Перемешивание раствора мало влияет на скорость достижения равновесия, так как она определяется, главным образом, скоростью диффузии молекул растворенного вещества в поры адсорбента.
В качестве адсорбентов наиболее часто применяют древесный или костный уголь, силикагель, глины, пористые стекла.
Широко применяемым адсорбентом является силикагель.
Адсорбентом нового типа являются пористые стекла, получаемые при удалении из стекол щелочных и щелочноземельных компонентов.
Широко используются как адсорбенты предварительно активированные кислотой глины — бентониты, осадочные горные породы — диатомит (кизельгур), трепел.
Все адсорбенты можно разбить на два основных типа: гидрофильные, хорошо смачивающиеся водой, и гидрофобные, которые не смачиваются водой, но смачиваются неполярными органическими жидкостями.
К гидрофильным адсорбентам относятся силикагель, глины, пористое стекло. Эти адсорбенты целесообразнее использовать при адсорбции из неводных растворов.
Гидрофобные адсорбенты — активный уголь, графит, тальк — хорошо адсорбируют вещества из водных растворов. Однако это справедливо только в том случае, если молекулы растворенного вещества по размерам невелики и могут легко проникать в поры адсорбента. С увеличением пористости адсорбента возрастает число узких пор и крупные молекулы адсорбтива не могут проникнуть в них.
Как уже было сказано, молекулы растворителя также могут адсорбироваться на твердом адсорбенте и, соответственно, чем лучше адсорбируется растворитель, тем хуже будет адсорбироваться растворенное вещество. Дифильные молекулы растворенного вещества при адсорбции на твердом адсорбенте ориентируются на его поверхности так, чтобы полярная часть молекулы была обращена к полярной фазе, а неполярная — к неполярной.
Гидрофильные адсорбенты, например, глины и кизельгур, используют как адсорбенты при рафинации жиров — очистке жиров от свободных жирных кислот, смолистых и красящих веществ.
Сильные электролиты в водных растворах практически полностью диссоциированы на ионы, и, как правило, на твердом адсорбенте из раствора адсорбируются преимущественно ионы одного вида.
На практике часто приходится проводить адсорбцию на твердом адсорбенте из растворов, содержащих несколько растворенных веществ.
Растворитель пропускают через адсорбент до тех пор, пока все зоны, образованные компонентами, не выйдут из нее.
Вопрос 37
Изложите сущность ионной адсорбции и хромотографии. Приведите примеры применения адсорбции в кулинарии.
Если твердый адсорбент, несущий на своей поверхности двойной ионный слой, поместить в раствор электролита, то противоионы этого адсорбента будут обмениваться на ионы того же знака из раствора. Такой процесс называют ионообменной адсорбцией, а твердые адсорбенты, способные к ионному обмену – ионообменниками или ионитами.
Ионный обмен - обратимый процесс стехиометрического обмена ионами между двумя контактирующими фазами. Диссоциация ионогенной группы ионита дает ионную пару, фиксированный ион которой ковалентносвязанс каркасом(матрицей) ионита, а противоион подвижен и может обмениваться на ионы одноименногозаряда, поступающиеиз «внешнего» раствора. Благодаря эквивалентности обмена ионамиобе фазы сохраняют электронейтральность в течение всего процесса.
Обычно считается, что в этом процессе проявляются только силы электростатического притяжения. Специфическое взаимодействие не учитывается.
По способности к обмену соответствующих ионов иониты можно разделить на катиониты, аниониты и амфолиты. Катиониты поглощают из раствора катионы, например, щелочных и щелочноземельных металлов или органические катионы, а выделяют ионы Н+. Аниониты поглощают разнообразные анионы, выделяя при этом ионыОН-. Амфотерные ионообменники или амфолиты обменивают катионы или анионы в зависимости от рН среды. В кислой среде они обменивают катионы, а в щелочной – анионы.
Ионный обмен зависит от рН среды, природы обменивающихся ионов и концентрации их во «внешнем» растворе, количества ионных групп в поверхностном слое ионитов, от величины удельной активной поверхности ионита и, наконец, от пористости ионитов. Пористость ионитов может характеризоваться отношением объема пор к общему объему ионообменника.
По происхождению ионообменные адсорбенты можно разделить на природные и искусственные. Типичные представители природных ионообменных адсорбентов – это почвы. Еще в древние времена было известно о способности почвы опреснять морскую воду, а также засоление почвы при фильтровании воды из каналов.
|
Сущность хроматографического метода |
|
Метод хроматографии и используемые в данном методе приборы – хроматографы активно используются специалистами различных сфер науки и промышленности, к коим относятся биология, физика, геология, химическая промышленность и другие отрасли. Востребованность хроматографического метода объясняется часто возникающей необходимостью разделения смесей различных веществ на составляющие компоненты, которое приобрело особое значение в последние десятилетия в связи с проблемой получения сверхчистых веществ. |
Вопрос 38
Объясните, что изучает дисциплина «Коллоидная химия» и дайте краткий исторический обзор развития.
Название «коллоидная химия» происходит от слова colla (клей) (греч.).
Очевидно потому, что первыми объектами изучения были растворы ВМС – желатины, крахмала, которые обладают клеящими свойствами.
Поверхностные явления и дисперсные системы – являются предметами коллоидной химии. В свою очередь, коллоидная химия является разделом физической химии.
Определение коллоидной химии в редакции Ребиндера П.А. звучит следующим образом (Краткая химическая энциклопедия): «“Коллоидная химия” – раздел физической химии, в котором рассматриваются процессы образования и разрушения дисперсных систем, а также их характерные свойства, связанные в основном с поверхностными явлениями на границах раздела фаз в этих системах.»
Термин “коллоидная химия” связан с тем, что по традиции коллоидами называют высокодисперсные системы с предельно развитой поверхностью раздела фаз.
При описании этих систем вклад, определяемый поверхностными свойствами и эффектами, преобладает над вкладом объемных свойств.
Предмет коллоидной химии очень широк. Он может быть представлен как область, описывающая процессы в системах, в которых главную роль играют поверхностные явления.
Основное условие существования коллоидной частицы – наличие у нее границы раздела с дисперсионной средой.
Вместе с тем, частица должна быть образована из большого числа молекул, для того чтобы к ней можно было применять термодинамическое определение фаз.
^ Значение коллоидной химии
Современная коллоидная химия играет огромную роль во всей материальной культуре человечества, поскольку материальная основа современной цивилизации и самого существования человека связаны с коллоидными системами.
Учение о растворах является одним из основных в современной химии и при изучении химии растворам уделяется большое внимание
Между тем, молекулярные и ионные растворы встречаются в природе и технике реже, чем коллоидные растворы.
Все живые системы являются высокодисперсными, что делает изучение коллоидной химии необходимым для биолога. Волокна, мышечные и нервные клетки, кровь, клеточные мембраны, протоплазма, гены, вирусы – все это коллоидные образования.
Коллоидная химия важна для изучения почвы. Между коллоидно-химическим состоянием почвы и ее плодородием существует связь. Факторы коллоидной химии имеют решающее значение в процессах образования почв, их засоления, орошения, обработки, внесения удобрений.
В геологии и в геофизике процессы коллоидной химии также важны, поскольку с ними связаны все теории строения геологических структур и их генезиса.
Технологии многих промышленных производств непосредственно связаны с коллоидной химией, а науки об этих производствах практически представляют собой прикладную коллоидную химию.
Так эмульсии, суспензии, студни, пены, порошки широко используются как в пищевой, так и в текстильной промышленности.
Установление связи между этими свойствами и технологическими параметрами позволяет технологам правильно использовать исходные материалы, грамотно строить технологический процесс, разрабатывать научно обоснованные методы создания продукции с заданными свойствами.
Коллоидная химия имеет большое значение для понимания свойств пищевого сырья, для построения рациональной технологии его переработки, для объективной оценки качества получаемой продукции.
Используемое в пищевой промышленности сырье, преимущественно представляет собой коллоидные и высокомолекулярные системы.
Технологический процесс переработки такого сырья может быть понят и рационально построен в значительной степени на основе коллоидной химии.
Контроль качества продукции – важнейшее звено каждого производства. Коллоидная химия позволяет разработать эффективную систему технологического контроля.
Таким образом, знание основ коллоидной химии очень важно для технологов работающих в различных областях промышленности.
Следует отметить большое значение коллоидной химии для защиты окружающей среды и очистки сточных вод.
Вопрос 39
Классифицируйте дисперсные системы по степени дисперсности.
По дисперсности системы делят на три типа:
грубодисперсные
(грубые взвеси, эмульсии, порошки)
коллоидно-дисперсные
размер частиц (радиус), м
10-4 – 10-7
коллоидно-дисперсные
(золи)
размер частиц (радиус), м
10-7 – 10-9
Основной объект изучения коллоидной химии. Здесь изучаются не ионы и молекулы, а агрегаты, состоящие из обычных молекул – мицеллы (макромолекулы) от 100 до 1 нм.
кишечная палочка 310-6м
вирус гриппа 10-7м
золь золота 10-8 м
молекулярные или ионные растворы
менее 10-9.
Это истинные растворы – наиболее изучены. Системы равновесные, термодинамически устойчивые.
По мере изменения размеров частиц изменяются кинетические, оптические, каталитические и другие свойства:
не прозрачны, отражают свет;
не проходят через фильтр;
гетерогенны;
видны в оптический микроскоп;
оседают или всплывают.
прозрачны, опалесцирующие – рассеивают свет;
фильтруются;
гетерогенны;
видны в электронный микроскоп;
оседают постепенно.
прозрачны;
фильтруются;
гомогенны;
не видны в современные микроскопы.
Это деление условно и границы между ними приблизительные.
Дисперсными системами называют системы, состоящие из частиц одной фазы, распределенных в другой.
Измельчение вещества одной фазы в другой называют диспергированием.
Понятие “дисперсный” происходит от латинского “dispersus”- раздробленный.
Это может быть твердое вещество, измельченное в жидком или газообразном.
Фазу, состоящую из частиц раздробленного вещества, называют дисперсной фазой, а среду, в которой распределены частицы – дисперсионной средой.
Любая дисперсная система, независимо от агрегатного состояния вещества, состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды.
Одним из характерных признаков дисперсной системы является гетерогенность, которая указывает на наличие межфазной поверхности.
Дисперсные системы имеют сильно развитую межфазную поверхность.
Ко второму признаку дисперсных систем относится размер частиц или величина, ему обратная – дисперсность. Чем меньше размер частиц, тем больше дисперсность.
Таким образом, для всех дисперсных систем характерны два основных признака:
Дисперсность, т.е. высокая раздробленность;
Гетерогенность (неоднородность), система состоит
из 2-х и более фаз.
С уменьшением размера частиц при дроблении вещества увеличивается удельная поверхность, т.е. поверхность, приходящаяся на единицу объема дисперсного вещества.