Химия. Органическая, физическая и коллоидная химия (стр. 10 )

Студни – это гомогенные системы. При высушивании они изменяют объем, но сохраняют эластичность. Студни явля­ются обратимыми системами. Они сохраняют способность к набуханию с восстановлением первоначальных свойств. Про­цесс образования студня называется студнеобразованием. Студни и процесс студнеобразования имеют большое значе­ние в биологии, так как клетки животных и растительных организмов в значительной части состоят из студней.

Гели и студни обладают рядом общих структурно-меха­нических свойств, в них протекают процессы диффузии, они характеризуются явлениями тиксотропии и синерезиса.

  Тиксотропия – это  явление  изотермического  перехода:

гель↔золь, студень↔ВМС.

Синерезис – это разделение геля или студня на две фа­зы. Оно происходит под влиянием электролитов, температуры или самопроизвольно при старении гелей и студней. У студ­ней синерезис часто обратим.

Гели отличаются от студней тем, что первые не способны к набуханию. Набухание – это самопроизвольный процесс поглощения студнем или высокополимером больших коли­честв жидкости с увеличением объема. Набухание является избирательным процессом, протекающим только в тех жид­костях, которые по отношению к ним служат растворителя­ми. Различают два вида набухания:

1) ограниченное, при  котором высокополимер  поглощает определенный объем жидкости, но не растворяется в ней. На­пример, набухание зерен в воде, вулканизированного каучука в бензине;

2) неограниченное, при котором высокополимер полностью растворяется в жидкости. Например, набухание каучука в бензине, альбумина в воде.

Процесс набухания зависит от природы высокополимера, температуры, внешнего давления, реакции среды и присутст­вия электролита, а также от формы и степени измельченности образца.

Для белков минимальная степень набухания проявляется в ИЭТ, так как в ней электрический заряд белка и степень гидратации минимальны. Нейтральные соли оказывают заметное влияние на набу­хание, особенно анионы. По действию на набухание анионы располагают в лиотропный ряд: CHS– >J– >Br >Cl– >СН3СОО– >SO42–. Анионы, стоящие до Cl–, усиливают набухание высокополимера, а после – уменьшают его. Набухание  характеризуется  степенью  набухания  К.

1.4.  Примеры решения

типовых задач по физической и коллоидной химии

Задача 1. На основе табличных данных рассчитайте ДH°298,  ∆S°298 и ∆G°298 для реакции CH4 + CO2 = 2 CO + 2 H2(г).  Возможно ли её самопроизвольное протекание в прямом направлении при стандартной температуре? Может ли  изменение температуры повлиять на направление протекания данного процесса? Если да, то при какой температуре направление протекания реакции изменится?

Решение.

Запишем уравнение заданной реакции и из приложения 5 выпишем справочные данные:

  CH4  +  CO2  =  2CO  +  2H2(г)

ДH°298кДж/моль  52,28  –393,51  –110,50  0

S°298Дж/моль∙К  219,4  213,6  197,4  130,6

∆G°298 кДж/моль  68,12  –394,38  –137,27  0

Используя следствие из закона Гесса, можно рассчитать:

ДH°298реакции = ∑ n ДH°298конечных веществ  − ∑ n ДH°298исходных веществ,

ДH°298реакции  =  (ДH°298 (СО) ∙ 2 + ДH°298 (Н2) ∙ 2) − (ДH°298 (СН4) +

+ ДH°298(СО2)) = (–110,50∙2) + 0∙2 − (52,28) − (–393,51) = 120,23 кДж.

Так как ДH°298  реакции > 0, значит прямая реакция эндотермическая.

∆S°298реакции=(S°298(СО)∙2+S°298(Н2)∙2)−(S°298(СН4)+ S°298(СО2))=

=197,4∙2 + 130,6∙2 − 219,4 − 213,6 = 223,0 Дж/К.

∆G°298реакции = (∆G°298 (СО) ∙ 2 + ∆G°298 (Н2) ∙ 2) − (∆G°298 (СН4) + 

+ ∆G°298(СО2)) = (–137,27)∙2+0∙2 – 68,12 – (–394,38)= 51,72 кДж.

Так как ∆G°298 > 0, реакция самопроизвольно не протекает в прямом направлении при стандартной температуре.

Анализируя соотношение энтальпийного и энтропийного факторов при стандартных условиях для данной реакции ДH°298 > 0 и ∆S°298 > 0, можно сказать, что реакция возможна только при изменении температуры:

∆G°298 =  ДH  −  Т ∙ ∆S, при равновесии ∆G°298 =  0;

ДH−Т∙∆S=0, следовательно, Т=ДH ∕ ∆S= 120,23/223∙10-3= 539,15 К.

Таким образом, протекание реакции в прямом направлении возможно при температуре выше 539,15 К.

Задача 2. Водный раствор К2SO4 имеет массовую долю 12% (0,12), плотность 1,14 г/мл и кажущуюся степень диссоциации 85% (0,85) при температуре 25°С. Вычислите молярную концентрацию, моляльную концентрацию, температуру замерзания, температуру кипения и осмотическое давление раствора.

Решение.

Возьмем 1л раствора, его масса равна: m=1000 мл · 1,14 г/мл=1140г.

Масса растворенного вещества равна: m=1140 · 0,12=136,8 г.

Масса воды равна: m=1140г – 136,8=1003,2 г = 1,0032 кг.

Молярная концентрация равна:

  С = m /( M · V) = 136,8 / (174·1) = 0,79 моль/л.

Моляльная концентрация равна:

Сm = m /( M·  mрастворителя) = 136,8 /(174·  1,0032) = 0,78 моль/кг.

При диссоциации К2SO4 образуются 3 иона, значит а = 3. Изотонический коэффициент равен: i = 1 + б ∙ (a – 1)= 1+ 0,85(3–1)= 1,7. Криоскопическая константа для воды равна К=1,86. Эбуллиоскопическая константа для воды равна Е = 0, 52.

Таким образом, понижение температуры замерзания равно:

ДТ= i· К·  Сm = 1,7 · 1,86 · 0,78 = 2,47,

а температура замерзания раствора равна:  tзам.= 0 – 2,47 = –2,47 оС.

Повышение температуры кипения

ДТ= i · Е · Сm =1,7 · 0,52 ·  0,78 = 0,69,

а температура кипения раствора равна:  tкип.= 100 + 0,69 = 100,69 оС.

Осмотическое давление раствора рассчитываем по закону Вант-Гоффа: 

Росм.=  i · С · R · Т= 1,7 · 0,79· 103· 8,31· 298 = 3325 кПа.

Задача 3. Вычислить рН раствора  HCOOH с молярной концентрацией 0,0075 моль/л, если степень диссоциации равна 5,4%. Какова реакция среды?

Решение.

Концентрация ионов водорода в растворе муравьиной кислоты

С(Н+)  = б ∙ С = 0,054 ∙ 0,0075 = 4,05∙10–4моль/л.

С помощью калькулятора вычисляем рН:

рН = –lgC(H+)= –lg(4,05 ∙ 10–4)= 3,39;

рН= 3,39, что  меньше 7, следовательно, среда кислая.

Задача 4. Вычислить рН раствора NаOH  с молярной концентрацией 0,0056 моль/л, если степень диссоциации равна 94%. Какова реакция среды?

  Решение.

Концентрация гидроксид-ионов  в растворе гидроксида натрия

  С(ОН–)  = б ∙ С= 0,94 ∙ 0,0056=  5,26∙10–3моль/л.

  Вычисляем рОН и рН:

рОН = –lgC(ОH–)= –lg(5,26 ∙ 10–4)= 2,28,

рН= 14−рОН =  14−2,28 = 11,72;

рН=11,72, что  больше 7, следовательно, среда щелочная.

Задача 5. Вычислить константу гидролиза (Кг), степень гидролиза (в), рН раствора цианида натрия KCN с молярной концентрацией 0,02М.

Решение.

Соль KCN образована сильным основанием и слабой кислотой, следовательно, гидролиз соли идет по аниону, среда щелочная

CN–  + НОН ↔  НCN  +  ОН–

Кг=  10–14/ Ккислоты =  10–14/4,3 ⋅ 10–7=2,3 · 10–8.

Зная константу гидролиза, рассчитываем степень гидролиза в и концентрацию гидроксид-ионов С(ОН–):

Кг=  в2 · Сс, отсюда в = = 1,07∙10–3;

С(ОН–)  = в ∙ Сс= 1,07 ∙ 10–3 ∙ 0,02=  2,14 ∙ 10–5 моль/л.

  Вычисляем рОН и рН:

рОН = –lgC(ОH–)= –lg(2,14 ∙10–5)= 4,67,

рН= 14 − рОН =  14 − 4,67 = 9,33;

рН=9,33, что больше 7, следовательно, среда щелочная. 

Задача 6.  Вычислить рН буферного раствора, состоящего из 80 мл 0,15 М раствора CH3COOH и 20 мл 0,1 М раствора CH3COONa. Константа электролитической диссоциации уксусной кислоты равна 1,85⋅10–5. 

Решение. 

По уравнению буферной смеси концентрация водородных ионов в буферном растворе определяется:

[H+]=K или С(Н+)=К ,

где Скислоты – концентрация кислоты; 

  Ссоли – концентрация соли в приготовленной буферной смеси. 

Концентрация кислоты и соли в смеси может быть рассчитана по данным задачи: 

Скислоты==0,12;  Ссоли= =0,02 моль/л,

где 80 и 20 – объемы кислоты и соли, взятые  для  приготовления  бу-

  ферного раствора, мл;

  20+80 – общий объем раствора.

Полученные величины подставляются в уравнение буферной смеси:

С(Н+)=1,85 ⋅ 10–5⋅=1,11 ⋅ 10–4 моль/л.

Далее находим величину рН:

рН = –lgC(H+) = –lg(1,11 ⋅ 10–4) = – (lg1,11 – 4lg10) = 4 – 0,045 = 3,955.

задача 7. Написать формулу мицеллы гидрозоля хлорида сереб­ра, полученного при взаимодействии сильноразбавленного ра­створа хлорида калия с избытком нитрата серебра. Опреде­лить направление движения гранулы при электрофорезе.

Решение.

1. Записать уравнение реакции, приводящее к получению золя, например: AgNO3+KCl→AgCl↓+KNO3.