Физическая и коллоидная химия (стр. 1 )

Салаватский индустриальный колледж

ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ

ХИМИЯ

Методические указания и контрольные задания для студентов – заочников

образовательных учреждений среднего профессионального образования

по специальности 260502

«Технология продукции общественного питания»

2007

РАССМОТРЕНО

на заседании предметно-цикловой комиссии

Протокол №________200 г

Председатель комиссии

____________ .

Составитель:

преподаватель

Салаватского индустриального колледжа

Ответственный за выпуск:

методист заочного отделения Салаватского

индустриального колледжа

Рецензенты:

Доцент кафедры химико-технологических процессов

Салаватского филиала УГНТУ, КТН

преподаватель

Салаватского индустриального колледжа

Содержание

1  Введение 3

2  Примерная программа учебной дисциплины 5

3  Задания для контрольных работ 24

4  Примерный перечень лабораторных и практических работ 37

5  Перечень рекомендуемой литературы 38

1 Введение

Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников составлены на основе ГОС СПО по специальности 260502

«Технология продукции общественного питания» и примерной программы по дисциплине «Физическая и коллоидная химия» базового уровня СПО.

В результате изучения дисциплины студент должен знать:

-  законы термодинамики и термохимии;

-  химическую кинетику и катализ;

-  свойства растворов;

-  поверхностные явления;

-  важнейшие химические соединения и их коллоидное состояние и изменения их при кулинарной обработке

уметь:

-  применять физико-химические методы анализа при контроле качества продукции;

-  выявлять связь между физическими и химическими процессами, между строением и свойствами органических веществ, входящих в состав продуктов питания.

При изучении дисциплины студент должен выполнить 1 лабораторную работу, 2 практические работы и 1 контрольную работу.

Примерная программа рассчитана на 82 часа (в том числе 24 часа лабораторных работ и практических занятий) для базового уровня средне профессионального образования.

2 Примерная программа учебной дисциплины

Примерный тематический план

Содержание раздела и тем	Максимальная учебная нагрузка студента, час.	Количество часов	Самостоятельная работа студента
Всего	Лабораторные работы	Практические занятия
1	2	3	4	5	6
1 Физическая химия	46	34	10	4	12
1.1 Агрегатные состояния веществ, их характеристика.	10	8	2		2
1.2 Основные понятия и значение термодинамики. Термохимия.	10	8	2	2	2
1.3 Химическая кинетика и катализ. Химическое равновесие.	8	4	2		4
1.4 Свойства растворов.	10	8	2	2	2
1.5 Поверхностные явления. Адсорбция.	8	6	2		2
2 Коллоидная химия	28	24	6	2	4
2.1 Значение коллоидной химии. Дисперсные системы.	2	2
2.2 Коллоидные растворы.	16	14	4	2	2
2.3 Грубодисперсные системы.	10	8	2		2
3 Физико–химические изменения органических веществ пищевых продуктов.	8	6	2		2
Итого:	82	64	18	6	18

Содержание учебной дисциплины и методические указания

Введение

Студент должен иметь представление:

-  о содержании дисциплины;

-  о связи с другими дисциплинами;

-  о новейших достижениях и перспективах развития в области физической и коллоидной химии.

Физическая и коллоидная химия, её содержание и задачи.

Определение физической и коллоидной химии как естественных наук; объекты и методы их изучения. Роль российских и зарубежных ученых в развитии физической и коллоидной химии. Основоположник физической химии .

Особая роль коллоидного состояния вещества как наиболее распространенного состояния в окружающем мире. Продукты питания как коллоидные системы.

Краткое одержание основных разделов, методы изучения. Значение физической и коллоидной химии при изучении товароведения, физиологии питания, микробиологии, технологии продуктов общественного питания и других спец. дисциплин.

Состояние и перспективы развития физической и коллоидной химии.

Методические указания

Данная тема является вводной и должна дать понятие о содержании, значимости и роли данной дисциплины в развитии важнейших отраслей промышленности и в изучении спец. дисциплин.

Вопросы для самоконтроля:

1  Что является предметом изучения физической химии?

2  Какие разделы включает физическая химия?

3  Что является предметом изучения коллоидной химии?

4  Кто является основоположником физической химии?

5  Назовите области применения физико-химических методов исследования.

Литература: [1],с.5-8; [2],с.4-12

Раздел 1 ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Тема 1.1 Агрегатные состояния веществ. Их характеристика.

Студент должен:

иметь представление:

-  о строении жидкости и свободной поверхностной энергии, поверхностном натяжении, поверхностно – активных веществах (ПАВ), поверхностно – неактивных веществах (ПНАВ), их практическом применении;

-  о процессах парообразования и кипения, теплоте испарения;

-  о типах связей в кристаллических решетках

знать:

-  характерные свойства вещества в каждом его физическом состоянии;

-  понятие «идеальный газ», условия при которых он существует;

-  газовые законы, их математическое и графическое изображение;

-  причины отличия свойств реальных газов от идеального газа;

-  сущность вязкости и текучести жидкостей;

-  устройство вискозиметра Оствальда

уметь:

-  выполнять расчеты по свойствам газов и газовых смесей.

-  определять вязкость в лабораторных условиях капиллярным методом.

Типы химических связей. Агрегатные состояния веществ, их общая характеристика. Газообразное состояние вещества. Идеальный газ, основные законы идеального газа. Реальные газы. Критическое состояние. Изотерма реального газа. Сжижение газов, их применение. Замораживание пищевых продуктов жидким газом. Влияние содержания О2 ,СО2 и других газовых сред на хранение плодов и овощей.

Жидкое состояние вещества. Свойства жидкостей: изотропность. Внутреннее строение, ассоциация, температура кипения.

Поверхностное натяжение. Методы определения поверхностного натяжения. Поверхностно – активные вещества. Их роль в технологии продуктов общественного питания: эмульгирование, пенообразование.

Вязкость жидкостей, её зависимость от различных факторов. Метод определения относительной вязкости. Влияние вязкости на качество (в том числе консистенцию) пищевых продуктов: супов, студней, желатированных блюд, каш, пюре, изделий из теста.

Твердое состояние вещества. Кристаллическое и аморфное состояние, переход одного состояния в другое.

Образование и разрушение кристаллов. Использование закономерностей этих процессов при выборе режима замораживания и размораживания продуктов питания. Температура плавления и температура дымообразования пищевых жиров. Сублимация, её значение в консервировании пищевых продуктов.

Экологическая характеристика атмосферы, природных вод и почвы.

Лабораторная работа 1

Методические указания

При изучении этой темы следует обратить внимание на отличие реального газа от идеального и на то, как они связываются в написании уравнения состояния. Какие поправки введены в уравнение состояния реального газа и что они учитывают, когда можно при расчетах пользоваться уравнением идеального газа, а когда надо использовать уравнение состояния реального газа.

При изучении жидкого состояния вещества надо обратить внимание на особенности жидкостей, физический смысл поверхностного натяжения, вязкости, а также на методы их определения.

При изучении твердого состояния вещества надо уяснить отличие кристаллических веществ от аморфных.

Вопросы для самоконтроля:

1  Вывести основное уравнение молекулярно - кинетической теории газов.

2  Вывести уравнение идеального газа.

3  Физический смысл универсальной газовой постоянной, ее численные значения и размерность.

4  Закон Дальтона.

5  Написать уравнение Ван-дер-Ваальса.

6  Отличия реальных газов от идеальных.

7  Особенности жидкого состояния вещества.

8  Что называется поверхностным натяжением? Методы его определения.

9  Вязкость, ее определение с помощью вискозиметра Оствальда. Опреде­ление вязкости методом падающего шарика.

10  Что такое кристаллическая решетка?

11  Что такое полиморфизм, аллотропия, изоморфизм, анизотропия?

12  Какие вещества называются аморфными?

13  График зависимости: t – время для кристаллических и аморфных веществ.

Литература: [1], с.9-43; [2], с.13-67; [3], с.14-38; [4], с.4-23

Тема 1.2 Основные понятия и законы термодинамики. Термохимия.

Студент должен:

иметь представление:

-  о расчетных формулах термодинамических процессов: изохорного, изобарного, изотермического;

-  о расчете теплового эффекта реакции в зависимости от температуры

знать:

-  основные термодинамические понятия и определения;

-  первый и второй законы термодинамики;

-  физический смысл энтальпии;

-  закон Лавуазье – Лапласа, закон Гесса и следствия из него;

-  энергетику биохимических физиологических процессов;

-  физический смысл свободной и связанной энергий

уметь:

-  определять виды термодинамических систем;

-  отличать экзотермические реакции от эндотермических реакций;

-  составлять термохимические уравнения;

-  вычислять тепловые эффекты реакции.

Предмет термодинамики. Основные понятия термодинамики: система, фаза, виды систем, параметры состояния системы, теплота, работа. Передача теплоты в тепловых аппаратах посредством теплопроводности, теплоизлучения и конвекции.

Первый закон термодинамики для изохорного и изобарного процессов.

Энтальпия.

Термохимия: экзо – и эндотермические реакции. Энтальпия реакции, размерность. Термохимические уравнения, их особенности. Энтальпия образования, разложения, сгорания, растворения.

Основные законы термохимии: закон Лавуазье – Лапласа, закон Гесса и следствия из него. Термохимические расчеты.

Энергетика биохимических и физиологических процессов. Энергетика производства продуктов питания. Внедрение энергосберегающих технологий на производстве.

Второй закон термодинамики. Самопроизвольные процессы. Свободная и связанная энергии. Энтропия – мера связанной энергии или степень беспорядка системы.

Лабораторная работа 2

Практическая работа 1

Методические указания

При изучении данной темы необходимо обратить внимание на закон Гесса и применение его для расчета тепловых эффектов различных реакций. Рассмотреть приложение первого закона термодинамики к химическим процессам.

Обратите внимание на то, что второй закон термодинамики устанавливает, возможен или невозможен при данных условиях тот или иной процесс. До какого предела он может протекать и какая наибольшая полезная работа совершается при этом.

Рост функции S свидетельствует об уменьшении «работоспособности» системы.

Необходимо уяснить, что пределом протекания химических реакций (т. е. условием равновесия) является достижение некоторого минимального для данных условий значения свободной энергии системы G или F.

Значения термодинамических функций при стандартных условиях t=250C и Р = =101325 Па приводятся в справочных таблицах.

Вопросы для самоконтроля:

1  Что называется внутренней энергией? От чего она зависит?

2  Что называется тепловым эффектом реакции?

3  Вывести взаимосвязь между изобарным и изохорным тепловым эффек­том.

4  Закон Гесса. Следствия из закона Гесса.

5  Что называется теплотой образования?

6  Как рассчитывается тепловой эффект неорганических реакций?

7  Что называется теплотой сгорания?

8  Как рассчитывается тепловой эффект органических реакций?

9  Что такое необратимые и обратимые процессы?

10  Что такое «связанная» и «свободная» энергия?

Литература: [1], с.43-81; [2], с.71-98; [3], с.43-61; [4], с.27-54

Тема 1.3 Химическая кинетика и катализ. Химическое равновесие

Студент должен:

иметь представление:

-  о кинетике гетерогенных процессов;

-  о механизме гетерогенного катализа;

-  о технологических процессах с участием катализаторов;

-  о поверхностной свободной энергии молекул на границе раздела фаз

знать:

-  назначение химической кинетики;

-  основные понятия и определения: элементарный акт, механизм реакции, гомогенные и гетерогенные реакции, продукты реакции;

-  закон действия масс;

-  правило Вант – Гоффа, ограничения его применения;

-  понятие «активные молекулы»;

-  физический смысл энергии активации молекул;

-  основные понятия и определения катализа;

-  основные свойства химического равновесия и константы равновесия реакции;

-  способы расчета констант химического равновесия и равновесных концентраций

уметь:

-  составлять уравнения, отражающие закон действия масс;

-  рассчитывать константу скорости реакции, используя правило Вант – Гоффа и уравнение Аррениуса;

-  составлять уравнения для определения константы равновесия для гомогенных и гетерогенных реакций и рассчитывать их;

-  объяснять качественное влияние внешних факторов на смещение химического равновесия.

Предмет химической кинетики. Скорость химической реакции. Влияние природы реагирующих веществ, площади поверхности, температуры и концентрации на скорость реакций.

Правило Вант – Гоффа. Теория активации. Закон действующих масс. Скорость реакции в гетерогенных системах, роль диффузии.

Различный температурный режим приготовления мясных и рыбных бульонов, овощных и яичных блюд, хлебобулочных изделий.

Температурный режим хранения пищевого сырья и продуктов питания.

Влияние температуры на скорость химических процессов.

Катализ и катализаторы. Катализаторы положительные и отрицательные, условия их действия. Ферменты, их роль при производстве и хранении пищевых продуктов.

Теория катализа. Катализ в промышленности.

Химическое равновесие. Обратимые и необратимые реакции. Константа равновесия, её физический смысл. Принцип Ле Шателье. Влияние температуры, давления и концентрации на смещение химического равновесия. Влияние температуры и давления на сдвиг равновесия (на примере варки мясных бульонов): использование вакуум – аппаратов.

Применение принципа Ле Шателье к биохимическому процессу дыхания плодов.

Лабораторная работа 3

Методические указания

При изучении данной темы необходимо уяснить, что основной закон химической кинетики – закон действия масс. Четко знать и определять зависимость факторов, влияющих на скорость химической реакции.

Необходимо знать определения гомогенного и гетерогенного катализа, современные представления о механизме и теориях гетерогенного катализа.

Обратите внимание на то, что при расчете константы равновесия в числителе пишут концентрации или парциальные давления конечных веществ, а в знаменателе – исходных (с учетом стехиометрических коэффициентов). Если же реакция гетерогенная, то при расчете константы равновесия Кр учитываются только газообразные вещества. Уделите больше внимания принципу Ле Шателье, который говорит о направлении смещения химического равновесия при изменении внешних условий.

Вопросы для самоконтроля:

1  Что такое скорость реакции?

2  Сформулировать закон действия масс.

3  Уравнение Аррениуса и его значение.

4  Что называется энергией активации?

5  Что такое катализ и автокатализ?

6  Теории гетерогенного катализа

7  Сформулировать принцип Ле Шателье.

8  Как влияют температура, давление, концентрация на смещение равновесия?

Литература: [1], с.152-168, 178-189; [2], с.101-124,135-143; [3], с.112-120, 131-135; [4], с.105-112

Тема 1.4 Свойства растворов

Студент должен:

иметь представление:

-  о процессах растворения;

-  о явлении осмоса и осмотического давления;

-  о взаимной растворимости жидкостей

знать:

-  основные понятия, определения и классификацию растворов;

-  особенности равновесия в системах «газ – жидкий раствор»;

-  факторы, влияющие на растворимость газов в жидкостях;

-  первый и второй законы Рауля;

-  процесс экстракция, и её практическое применение;

-  отличие электрохимических процессов от химических процессов;

-  определение электродного потенциала

уметь:

-  рассчитывать коллигативные свойства растворов;

-  определять молекулярную массу вещества методом криоскопии и эбулиоскопии;

-  рассчитывать парциальное и общее давление в системе из двух смешивающихся и двух несмешивающихся жидкостей;

-  экспериментально определять рН раствора потенциометрическим методом.

Общая характеристика растворов. Методы выражения концентраций. Механизм растворения. Сольватная (гидратная) теория растворов .

Растворимость газов в жидкостях, зависимость от температуры и давления. Использование теории растворов при приготовлении и хранении газированных напитков. Растворимость жидкостей, её виды. Растворимость в двухслойных жидкостях. Экстракция, её практическое применение в технологических процессах. Растворимость твердых веществ, зависимость от температуры и степени измельчения. Использование этих факторов в технологических процессах приготовления пищи.

Свойства разбавленных растворов. Диффузия. Зависимость скорости диффузии от температуры, размера частиц, вязкости среды, степени не выравненности концентраций

Формула Эйнштейна. Закон Фика. Влияние скорости диффузии на количество экстрактивных веществ, выделяемых мясом, рыбой, овощами в различных технологических режимах, возможность управления технологическими процессами.

Роль диффузии в хлебопечении, её влияние на качество продукции.

Значение диффузии в физиологии питания.

Осмос и осмотическое давление. Закон Вант – Гоффа. Плазмолиз и тургор в живых клетках. Растворы изотонические, гипертонические, гипотонические. Значение осмоса в процессах усвоения пищи микроорганизмами, обмена веществ, при консервировании пищевых продуктов. Давление пара над раствором. Первый закон Рауля. Замерзание и кипение растворов. Второй закон Рауля. Антифризы.

Свойства растворов электролитов. Теория электролитической диссоциации. Сильные и слабые электролиты. Степень диссоциации, её зависимость от температуры и концентрации раствора. Константа диссоциации, независимость этой величины от концентрации раствора. Закон разведения Оствальда.

Диссоциация воды. Ионное произведение воды. Нейтральная, кислая, щелочная среда. Водородный показатель. Зависимость между концентрацией раствора и рН среды. Индикаторы. Прибор иономер. Применение индикаторов при анализе мясных натуральных полуфабрикатов, котлетной массы, содержания молока в кофе с молоком.

Влияние рН среды на течение ферментативных процессов. Влияние рН среды на технологические процессы тушения мяса (выбор соуса), маринования, тепловой обработки растительных продуктов: гидролиз протопектина до пектина. Влияние рН на устойчивость эмульсии молока. Буферные растворы, в том числе тканевых жидкостей, крови, молока. Использование буферных растворов при исследовании овощных полуфабрикатов.