Учебно-методический комплекс дисциплины «Химия строительных материалов» (стр. 8 )

  Q = Cср.(T2 – T1)  (21)

Средняя и истинная теплоемкость связаны уравнением

  Т2

  Cср. = 1/ T2 – T1 ∫ CdT  (22)

  Т1

Для одноатомного газа изохорная теплоемкость выражается уравнением:

CV = 3 / 2 R,  (23)

а изобарная

CP = 5 / 2 R.  (24)

Для двухатомного – соответственно:

CV=5 / 2 R  (25)

CP = 7 / 2 R  (26)

Соотношение CP – CV  = R называется уравнением Майера.  (27)

Закон Гесса. Закон Гесса формулируется следующим образом: тепловой эффект химической реакции не зависит от пути, по которому протекает реакция, а зависит только от начального и конечного состояния реагирующих веществ.

На основании этого закона тепловой эффект реакции может быть найден:

а) по разности между суммой теплоты образования продуктов реакции и суммой теплоты образования исходных веществ:

∆H = ∑ (∆H обр.) прод. –∑ (∆H обр. ) исх.  веществ  (28)

Вопросы для самоконтроля:

1.Какие процессы 1го закона термодинамики вы знаете?

2.Что представляет собой теплоемкость системы?

3.Формулировка и математическое выражение закона Гесса?

Рекомендуемая литература:

1. и др. Курс физической химии, т.1 Химия

2. Курс физической химии. Госхимиздат, Москва 1995

3. и др. Сборник примеров и задач по физической химии. 

Москва: ВШ, 1970

Лекция 15 Коллоидная химия

Содержание лекционного занятия:

1. Определение, основные задачи и направления коллоидной химии.

2. Коллоидные частицы и коллоидные системы; коллоидное состояние 

  вещества.

3. Термодинамика поверхностных явлений.

Введение. Определение, основные задачи и направления коллоидной химии. Коллоидная химия до ≈ 1960 годов являлась одним из разделов физической химии, вследствие исключительно большого значения коллоидных систем и коллоидно-химических процессов в различных областях техники и благодаря накоплению огромного теоретического и практического материала развилась в самостоятельную научную дисциплину.

       Коллоидная химия – это наука о свойствах и поведении высокодисперсных систем. В курс коллоидной химии включается изучение высокодисперсных гетерогенных систем и высокомолекулярных соединений.

       Возникновение коллоидной химии как науки связано именем английского ученого  Т. Грэма, начавшего в 1861г. систематические исследования коллоидных растворов, в которых он обобщил выполненные до него исследования. Большую роль в становлении коллоидной химии следует отнести работы по получению цветных стекол, в том числе рубина (1744-1755), открытие К. Шееле и Ф. Фонтана явления адсорбции газов углем (1777) и русского ученого Т. Ловица – явления адсорбции из растворов (1785), открытие русским физиком Ф. Рейсом явлений электрофореза и электроосмоса, обнаруженную И. Берцелиусом неустойчивость и опалесценцию коллоидных растворов, получение золей золота и серебра М. Фарадеем.  Т. Грэм разработал ряд практических методов получения и очистки коллоидных растворов, ввел понятие «коллоид», установил коллоидно-химическую терминологию. Изучая диффузию растворов, Грэм установил, что аморфные студенистые вещества (гуммиарабик, альбумин, желатина), диффундируют с очень малой скоростью в сравнении с такими кристаллическими веществами, как сахар, поваренная соль. А также кристаллические вещества в растворе легко проникают через полупроницаемые перегородки – мембраны, пергамент, животные перепонки (диализируют – по терминологии Грэма); вещества аморфные, студенистые не диализируют.

       Сегодня трудно назвать какую-либо отрасль промышленности, в которой не имели бы места коллоидные системы или коллоидно-химических процессы. Особенно велико значение их в производстве многих промышленных и продовольственных товаров. Например, в приготовлении пищи широко используют масло, маргарин, майонезы, молоко, молочные продукты и т. д. представляющие собой сложные коллоидные системы. Коллоидно-химические процессы лежат в основе приготовления бульонов, молочных продуктов, хлебопечения и др. пищевых производств. В производстве искусственного шелка и синтетических волокнистых материалов важнейшее значение имеют такие коллоидно-химические процессы, как набухание, растворение, студнеобразование, агрегация, коагуляция, осаждение, пептизация, адсорбция. Основой крашения растительных, животных, искусственных и синтетических волокон являются также коллоидно-химические процессы. В кожевенном деле оводнение и золение шкур, обеззоливание и мягчение голья, его дубление, жирование эмульсиями и т. д. тоже протекают коллоидно-химические процессы: набухание, гидратация, пептизация, адсорбция, дегидратация; готовую кожу можно рассматривать как сложную коллоидную систему.

       Велико значение коллоидно-химических процессов в металлургии, производстве керамических изделий, цементов, пластмасс…

Коллоидные частицы и коллоидные системы; коллоидное состояние вещества

       Коллоидной системой называют микрогетерогенную систему с предельно высокой степенью дисперсности (раздробленности). Мерой раздробленности служит или поперечник б частиц (для сферических частиц – их диаметр, для частиц, имеющих форму куба – ребро куба), или обратная ему величина D = 1/ б, часто называемая просто дисперсностью. Если поперечник частиц выражать в сантиметрах, то дисперсность – это число частиц, которое можно уложить вплотную по длине 1см. Также, дисперсность можно характеризовать удельной поверхностью У, под которой понимают отношение поверхности s дисперсной фазы к её объему V, т. е. У = s/ V.

       Все эти величины взаимосвязаны. Характер связи можно иллюстрировать на примере измельчения нерастворимого в данной среде вещества, имеющего форму куба, принимая, что получающиеся при измельчении частицы сохраняют форму правильного куба

       Термодинамика поверхностных явлений

Для всех дисперсных и коллоидных систем характерны два основных признака: гетерогенность и раздробленность одной из фаз, называемой дисперсной фазой. С гетерогенностью связаны важнейшие свойства коллоидных и микрогетерогенных систем и прежде всего – их устойчивость.

Гетерогенность в коллоидных системах характеризуется наличием поверхности раздела между частицами дисперсной фазы и дисперсионной средой. Поверхность единицы объема частиц дисперсной системы называется удельной поверхностью дисперсной системы. Чем мельче частицы дисперсной фазы, тем больше удельная поверхность системы. В самом деле, если принять, что все частицы шарообразными, то поверхность единицы объема S1 будет равна отношению поверхности частицы s к ее объему v. Но s =  4рr2, a  v = 4/3 рr3,  поэтому S1 = s/v = 4рr2 /  4/3 рr3 = 3/r см –1 , где  r – радиус отдельной частицы.

Таким образом, удельная поверхность дисперсной или коллоидной системы – величина, обратная линейным размерам частиц дисперсной фазы. Эту величину называют также дисперсностью или степенью дисперсности системы. С уменьшением размеров частиц дисперсной системы степень дисперсности ее увеличивается.

У сплошных массивных тел, линейные размеры которых составляют десятки и сотни сантиметров, поверхность единицы объема невелика, и явления, происходящие в поверхности раздела фаз, не имеют большого значения. Напротив, в дисперсных и особенно в коллоидных системах удельная поверхность очень велика и с уменьшением размеров частиц быстро возрастает.

Для коллоидных систем, размеры частиц которых лежат в интервале  10–5—10–7 см (100—1 ммк), удельная поверхность приобретает предельно большое значение: при дальнейшем дроблении, если оно возможно в данных условиях, поверхность раздела исчезает и образуется гомогенная система – молекулярная смесь или истинный раствор. Поэтому явления, происходящие на поверхности раздела фаз и называемые п о в е р х н о с т н ы м и  (концентрирование энергии, адсорбция, смачивание), имеют огромное значение. На них, в частности, основаны рекуперация растворителей, обогащение руд флотацией, смазка, поглощение вредных газов и водяных паров, получение устойчивых эмульсий, пен и пр.

Самопроизвольные процессы в поверхности раздела фаз. Как мы видели выше, поверхностное натяжение есть избыток свободной энергии на 1 см2 поверхности фаз. Если этот избыток умножить на площадь S см2 поверхности раздела фаз, то получим свободную поверхностную энергию данной гетерогенной системы:

F = уS  (эрг)

Естественно, что чем больше поверхность раздела между фазами (или поверхность единицы объема системы), тем больше ее избыточная свободная энергия, сконцентрированная на поверхности раздела фаз. Следовательно, все дисперсные и особенно коллоидные системы обладают  большим запасом, или избытком, свободной энергии, сконцентрированной на поверхности частиц дисперсной фазы, чем обычные массивные тела. Чем меньше частицы дисперсной фазы, тем больше удельная поверхность системы, следовательно, тем больше запас энергии, сконцентрированной на поверхности раздела фаз.

Из термодинамики известно, условием устойчивого равновесия системы является минимум свободной энергии. Системы с большим запасом свободной энергии неравновесны, термодинамически не устойчивы, в них будут самопроизвольно протекать процессы, сопровождающиеся уменьшением запаса свободной энергии, которая всегда стремится к минимальному значению.

Величина поверхностного натяжения – весьма важная характеристика данной поверхности раздела фаз. Так, поверхностное притяжение жидкости на границе с собственным паром характеризует интенсивность сил молекулярного сцепления внутри данной жидкой фазы. Чем больше интенсивность, тем больше поверхностное натяжение жидкости и ее молекулярное давление. Молекулярное давление нельзя непосредственно измерить, тогда как методы измерения поверхностного натяжения жидкостей несложны и получили широкое распространение.

Методы определения поверхностного (межфазного) натяжения на жидких и твердых поверхностях. Прямым способом поверхностное натяжение можно измерить лишь на поверхностях раздела жидкости с собственным паром и жидкости  с жидкостью. На твердых поверхностях раздела его измерить непосредственно нельзя. Это вытекает из самого определения поверхностного натяжения как обратимой работы образования 1 см2 поверхности раздела фаз. Дело в том, что процессы образования новой поверхности в твердых телах всегда необратимы, так как сопровождаются необратимым разрушением тела. В жидкостях можно осуществить такой обратимый процесс, например, образуя каплю или пузырек, которые потом вновь сливаются с жидкой поверхностью.