Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Физическая и коллоидная химия: Учебное пособие

Голосов: 6

Пособие предназначено для освоения теоретического и практического материала по дисциплине "Физическая и коллоидная химия" для студентов Института геологии и нефтегазового дела (ИГНД) ТПУ очного и заочного обучения. Материал в пособии представлен в 12 главах по основным разделам дисциплины, в каждой главе приведены решения типовых задач. Пособие подготовлено на кафедре физической и аналитической химии ТПУ. Пособие является основой для самостоятельной работы студентов ИГНД, полезно для студентов других специальностей, магистрантов и аспирантов ТПУ.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
      ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
     Государственное образовательное учреждение
       высшего профессионального образования
      «Томский политехнический университет»




       Михеева Е.В., Пикула Н.П.




ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

       Учебное пособие для студентов ИГНД




                Издательство ТПУ
                   Томск 2009


УДК 541.1 (075.8)
ББК 24.5Я73
М 695
     Михеева Е.В., Пикула Н.П. Физическая и коллоидная хи-
мия./Учебное пособие для студентов ИГНД очного и заочного обуче-
ния. – Томск: Изд-во ТПУ, 2009. – 267 с.




                Пособие предназначено для освоения теоретическо-
           го и практического материала по дисциплине «Физиче-
           ская и коллоидная химия» для студентов ИГНД ТПУ оч-
           ного и заочного обучения. Материал в пособии представ-
           лен в 12 главах по основным разделам дисциплины, в ка-
           ждой главе приведены решения типовых задач.
                Пособие подготовлено на кафедре физической и
           аналитической химии ТПУ и соответствует программе
           дисциплины «Физическая и коллоидная химия». Пособие
           является основой для самостоятельной работы студентов
           ИГНД, полезно для студентов других специальностей,
           магистрантов и аспирантов ТПУ.


Рекомендовано к печати Редакционно-издательским советом Томского
                  политехнического университета


                                    Рецензенты

                         Кандидат химических наук
                    Доцент кафедры физической химии ТГУ
                               Н. Н. Судакова

                       Кандидат технических наук
               доцент кафедры органической химии ТГПУ
                            А. С. Ситников



                     © Томский политехнический университет, 2009
                    © Составление – Михеева Е.В., Пикула Н.П., 2009

                                          2


                           Введение
    Настоящее пособие предназначено для студентов всех геологиче-
ских, геохимических и нефтедобывающих специальностей ИГНД, изу-
чающих дисциплину «Физическая и коллоидная химия». Курс «Физиче-
ская и коллоидная химия» является общепрофессиональной дисципли-
ной, имеющей большое значение для создания базовой основы изучения
специальных геологических дисциплин.
     Физическая химия – наука о закономерностях химических процес-
сов и явлений. Физическая химия изучает происходящие в любых сис-
темах изменения, сопровождающиеся переходом химической формы
энергии в различные физические формы: тепловую, электрическую, лу-
чистую и др.
     К главным задачам физической химии можно отнести изучение и
объяснение основных закономерностей, определяющих направленность
процессов, скорость их протекания, влияния на них среды, примесей,
излучения и т.д., условия получения максимального выхода необходи-
мых продуктов. Основными направлениями физической химии является
изучение строения вещества и его свойств в различных агрегатных со-
стояниях, химическая термодинамика, включая термохимию и учение о
равновесиях, растворы, электрохимия, кинетика химических реакций.
    Физическая химия является теоретической основой для изучения
физико-химических явлений и процессов, протекающих в земной коре,
которые составляют предмет исследования геологии, минералогии, пет-
рографии, геохимии, гидрохимии и других наук, поэтому физико-
химическая подготовка специалистов приобретает особое важное зна-
чение.
     Коллоидная химия – самостоятельная область физико-химической
науки, изучающая процессы образования и разрушения дисперсных
систем, а также их характерные свойства, связанные с поверхностными
явлениями на границах раздела фаз в этих системах.
     Дисперсными системами являются микрогетерогенные системы с
сильно развитой внутренней поверхностью раздела между фазами. Они
состоят из двух или нескольких фаз, одна из которых (дисперсная фаза)
обладает высокой дисперсностью (раздробленностью) и распределена в
виде множества мельчайших частиц в окружающей непрерывной дис-
персионной среде.
     Примерами разнообразных дисперсных систем могут служить все
горные породы, грунты и почвы, туманы и облака, выпадающие из них
атмосферные осадки, космическая пыль, металлы и сплавы, природные
воды и нефть, бетоны и резины и т.д. Согласно современным представ-
                                 3


лениям, можно считать, что любое твердое тело – высокодисперсная
система, так как размеры дефектов кристаллических решеток соответст-
вует размерам коллоидных частиц. Всеобщность коллоидного состоя-
ния увеличивает значимость проблем, разрабатываемых коллоидной
химией.
     Коллоидная химия изучает условия образования, устойчивости и
коагуляции коллоидных систем, поверхностные и электрические явле-
ния, образование и свойства стабилизирующих межфазных слоев и пле-
нок, структурированных дисперсных систем и т.д.
     Учение о коллоидах земной коры, представляющее один из разде-
лов геологической науки, основывается на использовании важнейших
положений коллоидной химии для познания природы минеральных
коллоидов и преобразования их в различных условиях. В геологии и
геофизике методы исследования грунтов и минералов, разведки полез-
ных ископаемых, многие теории строения геологических структур и их
генезиса тесно связаны с коллоидно-химическими процессами.
     Настоящее пособие составлено на основе лекций преподавателей
кафедры физической и аналитической химии ТПУ. В пособии кратко
изложен теоретический материал и примеры решения некоторых типо-
вых задач. Пособие состоит из 12 глав по всем основным разделам дис-
циплины «Физическая и коллоидная химия».
     Авторы надеются, что материал, изложенный в пособии, будет
служить основой для самостоятельной работы студентов ИГНД. Посо-
бие будет полезно студентам других специальностей, магистрантам и
аспирантам ТПУ.
     Авторы будут признательны за критические замечания и пожела-
ния, направленные на улучшение пособия.




                                 4


       1. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
      Основные понятия химической термодинамики
     Термодинамика является наукой, изучающей взаимопревращения
различных видов энергии, которыми сопровождаются физические или
химические процессы, а также возможность протекания процесса, его
направленность и предел протекания. Химическая термодинамика при-
меняет положения и закономерности общей термодинамики к изучению
химических явлений. Основными понятиями в термодинамике являют-
ся: термодинамическая система, термодинамические параметры систе-
мы, термодинамический процесс, функция состояния и др.
     Термодинамическая система – тело или группа тел, находящихся
во взаимодействии, и отделенная от окружающей среды реальной или
воображаемой границей раздела.
     Термодинамические системы бывают:
      открытые – обмениваются с окружающей средой теплом и веще-
ством (работой);
      закрытые – обмениваются с окружающей средой теплом, но не
обмениваются веществом;
      изолированные – не обмениваются с окружающей средой ни теп-
лом, ни веществом.
     Термодинамическое состояние системы характеризуется ее термо-
динамическими параметрами. Термодинамические параметры делятся
на экстенсивные и интенсивные.
     Экстенсивные термодинамические параметры – величины, про-
порциональные массе (или количеству вещества) рассматриваемого те-
ла или термодинамической системы, к ним относятся: объем, внутрен-
няя энергия, энтальпия, теплоемкость и др.
     Интенсивные термодинамические параметры – величины, не
зависящие от массы рассматриваемого тела или термодинамической
системы и служащие термодинамическими параметрами состояния сис-
темы: температура и давление.
     Параметр, величина которого зависит только от состояния системы
и не зависит от пути, по которому система пришла в данное состояние,
называется функцией состояния системы.
     Функция состояния системы – функция, изменение которой не
зависит от пути процесса, а зависит только от начального и конечного
состояния системы (является однозначной характеристикой данной сис-
темы).


                                 5


     Всякое изменение в системе, связанное с изменением хотя бы одно-
го их термодинамических параметров, называется термодинамическим
процессом. В зависимости от условий протекания различают: изотер-
мические (T=const), изохорные (V=const), изобарные (р=const), изобар-
но-изотермические (р,T=const), изохорно-изотермические (V,Т=const) и
другие процессы.
     Как известно, материя находится в постоянном движении, которое
совершается в различных формах. Общей мерой различных форм дви-
жения материи является энергия. Энергия бывает разных видов: меха-
ническая, электрическая, внутренняя, кинетическая и др. Все виды
энергии связаны между собой и способны превращаться одна в другую.
В химической термодинамике большое значение имеет внутренняя
энергия.
     Внутренняя энергия (U) – сумма потенциальной энергии взаимо-
действия всех частиц тела между собой и кинетической энергии их
движения (поступательной, колебательной, вращательной, энергии
электронных переходов) за вычетом кинетической и потенциальной
энергии, обусловленных движением и положением системы в целом.
     Абсолютное значение внутренней энергии измерить нельзя. Можно
измерить только изменение внутренней энергии ΔU при переходе сис-
темы из одного состояния в другое.
     Изменение внутренней энергии считается положительным (ΔU>0),
если при переходе системы из начального состояния в конечное ее
внутренняя энергия увеличивается.
     Изменение внутренней энергии может происходить в двух формах:
в форме теплоты и в форме работы.
     Теплота (Q) – форма и мера передачи энергии за счет хаотическо-
го столкновения молекул. Теплота считается положительной (Q>0), ес-
ли тепло подводится к системе, и отрицательной (Q<0), если отводится
от системы.
     Работа (W) – форма и мера передачи энергии за счет упорядочен-
ного движения большого числа частиц системы под действием каких-
либо сил. Работа считается положительной (W>0), если ее совершает
сама система, и отрицательной (W<0), если работа совершается над
системой.
     Во многих процессах изменение внутренней энергии происходит
как в виде теплоты, так и в виде работы. Связь между изменением внут-
ренней энергии, теплотой и работой устанавливает первое начало тер-
модинамики.

                                 6


              Первое начало термодинамики
    Первое начало термодинамики является постулатом, который был
раскрыт и сформулирован в результате обобщения человеческого опыта
и связан с законом сохранения энергии.
    Существует несколько формулировок первого начала термодина-
мики, равноценных друг другу и вытекающих одна из другой.
              Формулировки первого начала термодинамики
      в любой изолированной системе общий запас энергии остается
постоянным;
      энергия никуда не исчезает и ни откуда не появляется, различные
виды энергии переходят одна в другую в строго эквивалентных количе-
ствах;
      невозможен вечный двигатель первого рода (Perpetuum mobile), то
есть невозможно построить машину, которая производила бы работу, не
затрачивая на это соответствующее количество энергии;
    Из первого начала термодинамики следует, что полученная систе-
мой извне теплота Q расходуется на изменение внутренней энергии ΔU
системы и совершение работы W. Математическая запись первого
начала термодинамики в интегральной форме имеет вид:
                              Q       U W.                      (1.1)
    В отличие от внутренней энергии, теплота и работа являются функ-
циями процесса, но не являются функциями состояния системы. Поэто-
му, математическая запись первого начала термодинамики в диф-
ференциальной форме имеет вид:
                               Q dU         W  ,                (1.2)
     где δQ – бесконечно малое количество теплоты; dU – полный
дифференциал внутренней энергии системы; δW – бесконечно малое
количество работы.
     Под работой, входящей в математическое выражение первого нача-
ла термодинамики, понимается общая работа (все виды работ). В связи с
тем, что для многих процессов единственным видом работы является
работа расширения (работа против внешнего давления), общую работу
(δW), принято рассматривать как сумму работы расширения (рdV) и так
называемой полезной работы ( W ):
                         W     pdV      W   .                   (1.3)


                                  7


    Под полезной работой понимают совокупность всех видов работы
(работа поднятия тяжести, работы образования поверхности, работы в
электрохимическом элементе и др.) кроме работы расширения. С уче-
том этого, математическая запись первого начало термодинамики будет
иметь вид:
              Q dU         W    dU     pdV       W   .             (1.4)


                 Термохимия. Закон Гесса
    Все химические и физико-химические процессы (растворение, кри-
сталлизация, испарение, разбавление растворов и др.) сопровождаются
выделением или поглощением тепла. При соблюдении определенных
условий теплота процесса называется его тепловым эффектом.
    Тепловой эффект химической реакции – это количество теплоты,
которое выделяется или поглощается при необратимом протекании
процесса, когда единственным видом работы является работа расшире-
ния. При этом температуры исходных веществ и продуктов реакции
должны оставаться постоянными.
    Химические уравнения с указанием тепловых эффектов химиче-
ских реакций и агрегатного состояния реагирующих веществ называют-
ся термохимическими уравнениями.
    Примером термохимического уравнения может служить уравнение
реакции окисления угля до углекислого газа:
         C (тв ) O2 ( г) CO2 ( г);           H       405 ,8кДж .
    Раздел химической термодинамики, изучающий тепловые эффекты
различных физико-химических процессов, называется термохимией.
Основным законом термохимии является закон Гесса, который можно
рассматривать как следствие первого начала термодинамики.
     Закон Гесса – тепловой эффект химической реакции не зависит от
пути протекания процесса, а зависит от начального и конечного состоя-
ния системы.
     Это означает, что если из данных исходных веществ можно полу-
чить одни и те же конечные продукты различными путями, то, незави-
симо от вида промежуточных реакций, суммарный тепловой эффект бу-
дет одним и тем же.
                    Условия выполнения закона Гесса
   1. Единственным видом работы является работа расширения (отсут-
ствует полезная работа W 0 ).
                                  8


   2. Давление и температура не меняются (р,Т=const) – изобарно-
изотермический процесс.
   3. Объем и температура не меняются (V,Т=const) – изохорно-
изотермический процесс.

            Термодинамическое обоснование закона Гесса
    Для термодинамического обоснования закона Гесса применим
уравнение первого начала термодинамики для двух наиболее часто
встречающихся       термодинамических       процессов:     изохорно-
изотермического (V,Т=const) и изобарно-изотермического (р,Т=const).
    1. Изохорно-изотермический процесс (V,Т = const)
    Запишем первое начало термодинамики в дифференциальной фор-
ме: Q dU        W dU pdV W .
    Поскольку W      0 , V = const, то dV = 0, и QV ,T dU
    Математическая    запись   закона   Гесса   для   изохорно-
изотермического процесса:
                                 QV ,T        dU .             (1.5)
      После интегрирования уравнения (1.5) получим:
                         QV ,T   U 2 U1              U.      (1.6)
    Следовательно, тепловой эффект химической реакции в изохорно-
изотермическом процессе равен изменению внутренней энергии систе-
мы в этом процессе.
      2. Изобарно-изотермический процесс (р,Т = const)
      Запишем первое начало термодинамики в дифференциальной фор-
ме:    Q dU        W     dU      pdV      .   W
    При протекании химической реакции в изобарно-изотермических
условиях работа расширения может совершаться лишь за счет измене-
ния числа моль газообразных участников реакции.
    Поскольку W       0 , то Q dU pdV d (U pV ) dH
                                 U       pV ,     H            (1.7)
    где Н – термодинамическая функция, которая называется энталь-
пия (теплосодержание).
    Математическая запись закона Гесса для изобарно-изотермического
процесса:
                                 Q p,T        dH .             (1.8)
                                     9


    После интегрирования уравнения (1.8) получим:
                         Q p ,T        H2       H1         H.    (1.9)
     Следовательно, тепловой эффект химической реакции в изобарно-
изотермическом процессе равен изменению энтальпии системы в этом
процессе.
     Таким образом, в изохорно-изотермическом и изобарно-
изотермическом процессах при отсутствии полезной работы теплота
приобретает свойства функции состояния, то есть ее изменение не зави-
сит от пути процесса, а зависит только от начального и конечного со-
стояния системы. Это означает, что если из данных исходных веществ
можно получить одни и те же конечные продукты различными путями,
то, независимо от вида промежуточных реакций, суммарный тепловой
эффект будет одним и тем же.

                         Связь между Qp и QV
    Получим связь между теплотой в изобарном процессе Qр и тепло-
той в изохорном процессе QV:
        Qp    H2    H1    (U 2         pV2 ) (U1            pV1 )
                    U 2 U1 pV2                 pV1         U      p V.            (1.10)

    Поскольку      U QV , то
                                  Qp     QV          p V. (1.11)
    Для химических реакций, протекающих с участием газообразных
веществ, произведение pΔV можно рассчитать по уравнению Менде-
леева – Клапейрона:
                                  p V                RT ,     (1.12)
    где Δν – изменение числа моль газообразных веществ в ходе хими-
ческой реакции
                                         газ              газ
                                        прод              исх .                   (1.13)
                                                                         1
    Например, для реакции Ag ( тв )            HCl ( г)     AgCl( тв )   2 H 2 ( г) изме-
нение числа моль газообразных продуктов составит:                        1
                                                                         2  1        1
                                                                                     2 .
    Если в химической реакции принимают участие газообразные ве-
щества, то
                         Qp       QV            RT .                              (1.14)


                                       10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика