Физическая и коллоидная химия (стр. 1 )

Министерство сельского хозяйства

и продовольствия республики беларусь

главное управление образования, науки и кадров

Учреждение образования

«Белорусская государственная

сельскохозяйственная академия»

Кафедра химии

ФИЗИЧЕСКАЯ

И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

Методические указания по выполнению

лабораторных работ для студентов

агрономического факультета

Горки

БГСХА

2013

УДК 541.1 + 541.18(072)

ББК 24.5 + 24.6р

Ф50

Рекомендовано методической комиссией

агрономического факультета.

Протокол № 2 от 30 октября 2012 г.

Авторы:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор ;

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент ;

старший преподаватель ;

кандидат химических наук, доцент ;

кандидат химических наук, доцент

Рецензент:

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент

Ф50	Физическая и коллоидная химия : методические указания по выполнению лабораторных работ / [и др.]. – Горки : БГСХА, 2013. – 73 с. Представлены краткие теоретические основы физической и коллоидной химии, приведены указания по выполнению лабораторных работ. Для студентов агрономического факультета.

УДК 541.1 + 541.18(072)

ББК 24.5 + 24.6р

Ó УО «Белорусская государственная

сельскохозяйственная академия», 2013

ВВЕДЕНИЕ

Химия – наука, объясняющая химические явления и устанавливающая их закономерности на основании общих принципов развития природы и естествознания. Она составляет теоретическую основу биологи­ческих и агрономических наук: земледелия, почвоведения, агрономической химии, физиологии растений, микробиологии, химической защиты растений, процессов пере­работки продукции сельского хозяйства.

Основная задача физической химии – установление связи между физическими и химическими явлениями в химических реакциях. Закономерности, установленные физической химией, позволяют предсказать направление химического процесса и его конечный результат, т. е. дают возможность управлять химическими реакциями. Законы физической химии широко используются в различных промышленных процессах и в сельском хозяйстве. Производство высокоэффективных удобрений и условия их применения, разработка методов борьбы с сельскохозяйственными вредителями, поддержание оптимальных условий хранения сельскохозяйственной продукции и совершенствование технологии ее переработки – все эти вопросы решаются на основе законов физической химии. В учебную программу также включаются вопросы курса, которые позволяют более глубоко изучить поверхностные явления и процессы, происходящие в дисперсных системах.

Коллоидная химия изучает физико-химические свойства высокодисперсных и высокомолекулярных систем, широко распространенных в окружающем нас мире и составляющих основу биологических объектов.

Основная цель изучения курса заключается в приобретении студентами навыков использования методов теоретического и экспериментального исследования в химии, применения основных законов химии для решения прикладных задач, а также выполнения химических экспериментов и обработки их результатов.

Настоящие методические указания содержат рекомендации по выполнению лабораторных работ. Кроме того, для лучшего сочетания теории с практикой каждой группе лабораторных работ предшествует краткое изложение основных теоретических положений.

Все описанные опыты тщательно апробированы в течение многолетней работы, легко воспроизводимы в лабораторных условиях, не требуют дорогостоящего оборудования и малодоступных реактивов. Вместе с тем они дают реальное представление о химических процессах, лежащих в основе многочисленных превращений неорганических и органических соединений.

1. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕРМОХИМИЯ

Термодинамика изучает: а) взаимные переходы различ­ных видов энергии из одной формы в другую, от одной части системы к другой; б) энергетические эффекты, сопровождаю­щие различные физические или химические процессы, зависи­мость их от условий протекания процессов; в) возможность, направление и пределы самопроизвольного протекания про­цессов при данных условиях. Термодинамика базируется на трех основных законах.

Первый закон термодинамики (закон сохранения энер­гии) устанавливает эквивалентность различных ее форм и связь между количеством теплоты Q, полученной или выде­ленной в процессе, количеством произведенной или получен­ной работы А и изменением внутренней энергии системы ∆U:

Q = ∆U + А.

Это уравнение является математиче­ским выражением первого закона термодинамики. Первый закон термодинамики можно сформулировать следующим образом: теплота, подведенная к систе­ме, идет на увеличение внутренней энергии системы и на совершение работы.

Важной характеристикой состояния системы при постоянном давлении наря­ду с внутренней энергией (U) является и такая функция со­стояния, как энтальпия (Н). Изменение энтальпии и изменение внутренней энергии не зависят от пути процесса, а зависят от начального и конечного состояний системы. С внутренней энергией энтальпия связана соотношением

H = U + Р ∙ V, или ∆H = ∆U + Р ∙ ∆V,

где Р – давление;

V – объем системы.

Тепловой эффект процесса при постоянном давлении Р соответствует изменению энтальпии. Для реакций в твердых и жидких фазах, объем которых почти не изменяется, ∆H практически не отличается от ∆U.

Изменение энтальпии связано с тепловым эффектом: Q = −∆H.

В экзотермических реакциях, сопровождающих­ся выделением теплоты (Q > 0), энтальпия будет иметь от­рицательный знак (∆H < 0). В эндотермических, когда теп­лота поглощается (Q < 0), энтальпия будет иметь поло­жительный знак (∆H > 0).

Первый закон термодинамики не указывает, в каком на­правлении и до какого предела будет протекать тот или иной процесс, связанный с превращением энергии.

Второй закон термодинамики показывает, какие процессы могут протекать самопроизвольно при данных условиях, ка­ков предел такого протекания и какое количество работы мо­жет быть получено при этом. Внутренняя энергия равна сумме свободной (F) и связанной (D) энергий. Свободная энергия – это производительная часть, которая может совершать работу. Связанная энергия – это непроизводительная часть, которая не может совершать работу, а может рассеиваться в виде теплоты.

Второй закон термодинамики можно сформулировать следующим образом:

- тепло не может переходить от холодного тела к более теплому;

- самопроизвольно могут протекать процессы с уменьшением свободной энергии.

Второй закон термодинамики требует введения новой термодинамической функции – энт­ропии (S). Ее иногда характеризуют как меру упорядоченности системы.

Для обратимых процессов, протекающих при постоянной температуре, изменение энтропии равно:

∆S = Q / T.

Единица измерения энтропии – Дж/моль∙К. Для необратимых процессов ∆S > Q / T.

В изолированных системах самопроизвольно могут проте­кать только процессы, сопровождающиеся увеличением энтро­пии, т. е. ∆S > 0. Процессы, для которых ∆S < 0, никогда при постоянной температуре протекать самопроизвольно не могут.

Третий закон термодинамики можно сформулировать следующим образом: энтропия при абсолютном нуле температуры равна нулю.

Для изобарно-изотермических процессов в термодинамике введена новая функция состояния G, называемая изобарно-изотермическим потенциалом (или энергией Гиббса). Для всякого изобарно-изотерми-ческого процесса изменение энер­гии Гиббса определяется уравнением

∆G = ∆H – ∆S ∙ T.

Если процесс самопроизвольно идет в прямом направле­нии, то ∆G < 0, в обратном направлении – ∆G > 0. Когда ∆G = 0, то система находится в равновесии.

Возможность самопроизвольного протекания реакции в прямом направлении можно предсказать при сопоставлении энтальпийного и энтропийного факторов (прил. 1):

∆Нр < 0, а ∆S > 0 – реакция идет самопроизвольно при любой температуре;

∆Нр > 0, а ∆S < 0 – не идет самопроизвольно при любой температуре;

∆Нр > 0, а ∆S > 0 или ∆Нр < 0, а ∆S < 0 – может идти самопроизвольно в различных направлениях в зависимости от температуры.

Данная температура (если ∆G = 0) равна: Т = ∆H / ∆S.

Тепловые эффекты химических процессов изучает особый раздел физической химии – термохимия. Все термохимиче­ские расчеты основаны на применении двух основных законов термохимии: Лавуазье – Лапласа (1783) и Гесса (1836).

Закон Лавуазье – Лапласа формулируется следующим об­разом: теплота образования химических соединений и теплота их разложения равны по абсолютной величине, но противо­положны по знаку.

В основе большинства тер­мохимических расчетов лежит закон Гесса, согласно которо­му тепловой эффект химической реакции не зависит от пути, по которому она протекает, а зависит только от вида и состояния исходных веществ и конечных продуктов.

Закон Гесса имеет следствия, которые дают возможность вычислить тепловые эффек­ты реакций в тех случаях, когда они не могут быть измерены непосредственно: тепловой эффект реакции равен разности суммы стандартных энтальпий образования конечных веществ и суммы стандартных энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов.

Для этого при стандартных условиях (Т = 298 К, Р = 101325 Па) вводится понятие стандартной энтальпии образования ∆H0298 обр – это тепловой эффект реакции образования вещества из простых веществ при стандартных условиях (величина справочная).

При растворении соли в воде одновременно протекают два процесса:

1) разрушение кристаллической решетки вещества и диссоциациямолекул на ионы, при этом происходит поглощение теплоты;