Контрольная работа по "Химии"

Ответы контрольной  работы для заочного отделения

По дисциплине ХИМИЯ

 

Раздел 1. Физическая химия

7. Твердое состояние вещества. Кристаллическое и аморфное состояние. Образование и разрушение кристаллов. Сублимация, ее значение в консервировании пищевых продуктов.

 
Твердое состояние характеризуется тем, что энергия взаимодействия его частиц между собой выше кинетической энергии их движения:

W_м.в. > W_к.

Твердые вещества могут находиться в аморфном или кристаллическом  состояниях.

а) Аморфное состояние вещества. В этом состоянии вещества не имеют упорядоченной структуры. У них, как и у жидких веществ, наблюдается только ближний порядок в расположении атомов, поэтому вещества в аморфном состоянии еще называют переохлажденными жидкостями с аномально высокой вязкостью. Некоторые из них очень медленно текут. Наиболее известное из аморфных веществ – стекло, поэтому аморфное состояние еще называют стеклообразным. Аморфными являются также многие полимеры, смолы, простые вещества (Se, Si, Ag и др.), оксиды (SiO₂, GeO₂, B₂O₃ и др.), сульфаты, карбонаты, некоторые многокомпонентные неорганические соединения. Аморфные вещества изотропны, т.е. имеют одинаковые свойства во всех направлениях. Кроме того, аморфные вещества плавятся не при строго определенной температуре, а в некотором температурном интервале.

б) Кристаллическое состояние вещества характеризуется дальним порядком, т.е. трехмерной периодичностью структуры по всему объему твердого тела. Регулярное расположение частиц в твердом теле изображается в виде решетки, в узлах которой находятся частицы, соединенные воображаемыми линиями.

Монокристаллы (одиночные  кристаллы) характеризуются анизотропностью, т.е. зависимостью свойств от направления в пространстве. Кристаллические вещества плавятся при определенной температуре, t_пл. Она остается постоянной, пока все кристаллическое вещество не расплавится. Кристаллы характеризуются энергией и постоянной кристаллической решетки, и координационным числом. Координационное число – это число частиц, примыкающих к данной частице в кристалле. Чем больше координационное число, тем плотнее упаковка кристалла. Постоянная решетки характеризует расстояния между центрами частиц, занимающих узлы в кристалле. Энергия кристаллической решетки – энергия (кДж/моль), необходимая для разрушения одного моля кристалла (удаление частиц за пределы взаимодействия). Основной вклад вносит энергия химической связи между частицами в решетке. Образование кристаллов. Значительная часть минеральных видов произошла путем кристаллизации из водных растворов. Примеры выпадения кристаллов из раствора – выпадение кристаллов солей в замкнутых водоемах; рост кристаллов на стенках трещин и полостей при гидротермальных процессах, на больших глубинах в условиях высоких давлений и температур; образование отдельных кристаллов вторичных минералов в зонах окисления рудных месторождений. Образование кристаллов из расплавов. Если магматический очаг располагается на большой глубине и его остывание идет медленно, то магма успевает хорошо раскристаллизоваться и кристаллы вырастают достаточно крупными и хорошо ограненными. Если магма застывает внезапно, могут образоваться некристаллические минералы и горные породы. Внезапное застывание магмы происходит при извержении вулканов. Потоки застывшей лавы дает начало не кристаллическим, а стекловидным породам. Образование кристаллов в результате конденсации газов или из паров. Кристаллизоваться могут не только водяные пары, но и пары других веществ. Пример- на фумаролах образуются кристаллы из газов. Образование кристаллов при перекристаллизации твердых веществ. При переходе из твердого состояния в твердое выделяют 2 случая:

1. Кристаллическое вещество  образуется из аморфного–например, с течением времени закристаллизовываются  содержащие стекла кристаллические  породы.

2. Перекристаллизация –  это процесс, при котором структура одних веществ разрушается, и образуются новые кристаллы с другой структурой. Например, известняк под действием высоких температур и давления становится мрамором. Перекристаллизация связана с таким явлением как метосамотоз – преобразование горной породы или минерала в другую горную породу или минерал под воздействием привноса или выноса вещества.

Причины и условия  образования кристаллов. Материальные частицы (атомы, молекулы, ионы), слагающие газообразные или жидкие (расплавленные) вещества, обладая высокой кинетической энергией, находятся в непрерывном движении. Время от времени они сталкиваются, образуя зародыши – микроскопические фрагменты будущей структуры. Чаще всего такие зародыши распадаются, что связано либо с собственными колебаниями, либо с бомбардировкой их свободными частицами. Однако для начала кристаллизации необходимо, чтобы зародыш достиг критической величины, т.е. содержал такое количество частиц, при котором присоединение следующей частицы сделало бы разрастание зародыша энергетически более выгодным, чем его распад. Такая возможность для большинства веществ проявляется либо с понижением температуры, в результате чего уменьшаются температурные колебания, либо с повышением концентрации вещества в растворе или газе, что приводит к увеличению вероятности встречи частиц друг с другом, то есть к возникновению зародышей. Таким образом, рост кристаллов можно рассматривать как процесс, посредством которого мельчайшие кристаллические частицы – зародыши – достигают макроскопических размеров. Причем кристаллизация протекает не во всем объеме, а лишь там, где возникнут зародыши. Факторами, влияющими на появление зародышей, являются не только переохлаждение и повышение концентрации раствора или вязкости расплава, но и присутствие посторонних обломков кристаллов или пылинок, на поверхности которых собираются частицы, упрощая этим начало кристаллизации. Процесс кристаллизации является энергетически выгодным. Растущий кристалл не принимает равновесную форму вследствие того, что на него влияют различные изменяющиеся условия кристаллизации: температура, давление, сила тяжести, химический состав и динамика среды и т.д. Как в жидкостях, так и в твердых телах всегда имеется некоторое число молекул, энергия которых достаточна для преодоления притяжения к другим молекулам и которые способны оторваться от поверхности жидкости или твердого тела и перейти в окружающее их пространство. Этот процесс для жидкости называется испарением (или парообразованием), для твердых тел — сублимацией (или возгонкой). Сублимационная сушка основана на способности льда при определенных условиях испаряться, минуя жидкую фазу. Сублимационная сушка имеет следующие преимущества по сравнению с традиционными методами консервирования: 
 
 
- исключается необходимость холодильного хранения, так как сухие продукты могут длительное время храниться при положительных температурах;  
 
 
- значительно уменьшается масса продуктов после сушки, следовательно, снижаются расходы на погрузочно-разгрузочные работы и транспортировку продуктов; 
 
 
- упрощается система реализации продуктов и удлиняются сроки их реализации;  
- вкусовые качества продуктов изменяются незначительно.

Для проведения процесса сублимационной сушки необходимо соблюдение двух обязательных условий: 
 
 
- наличие основной части влаги в продукте (не менее 70%) в твердом агрегатном состоянии; 
 
 
- поддержание достаточной разницы парциальных давлении паров воды в продукте и в окружающей среде.

В настоящее время  общепризнанно, что в процессе сублимационной сушки происходят некоторые изменения свойств исходного сырья, но они минимальны по сравнению с изменениями при консервировании другими методами.

 

11. Влияние температуры,  давления и концентрации на  смещение химического равновесия.

 

ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ. Химические реакции заключаются во взаимодействии реагентов с образованием продуктов  реакциию. Не следует, однако, полагать, что направление химической реакции только одно. В действительности, химические реакции протекают и в прямом, и в обратном направлениях:

Реагенты Продукты

 
Все химические реакции, в принципе, обратимы. Это означает, что в реакционной смеси протекает как взаимодействие реагентов, так и взаимодействие продуктов. В этом смысле различие между реагентами и продуктами условное. Направление протекания химической реакции определяется условиями ее проведения (температурой, давлением, концентрацией веществ). 
Многие реакции имеют одно преимущественное направление и для проведения таких реакций в противоположном направлении требуются экстремальные условия. В подобных реакциях происходит почти полное превращение реагентов в продукты. 
 

Во всех обратимых реакциях скорость прямой реакции уменьшается, скорость обратной реакции возрастает до тех пор, пока обе скорости не станут равными и не установится состояние равновесия.

В состоянии равновесия скорости прямой и обратной реакции становятся равными. ПРИНЦИП ЛЕ-ШАТЕЛЬЕ.СМЕЩЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ. Положение  химического равновесия зависит  от следующих парамктров реакции: температуры, давления и концентрации. Влияние, которое оказывают эти факторы на химическую реакцию, подчиняются закономерности, которая была высказана в общем виде в 1884 году французским ученым Ле-Шателье. Современная формулировка принципа Ле-Шателье такова:

Если на систему, находящуюся  в состоянии равновесия, оказать  внешнее воздействие, то система  перейдет в другое состояние так, чтобы уменьшить эффект внешнего воздействия.

1. Влияние температуры. В каждой обратимой реакции одно из направлений отвечает экзотермическому процессу, а другое - эндотермическому.

N2 + 3H2 2NH3 + Q

Прямая реакция - экзотермическая, а обратная реакция - эндотермическая. Влияние изменения температуры  на положение химического равновесия подчиняется следующим правилам:

При повышении температуры  химическое равновесие смещается в  направлении эндотермической реакции, при понижении температуры - в направлении экзотермической реакции.

2. Влияние  давления. Во всех реакциях с участием газообразных веществ, сопровождающихся изменением объема за счет изменения количества вещества при переоходе от исходных веществ к продуктам, на положение равновесия влияет давление в системе. Влияние давления на положение равновесия подчиняется следующим правилам:

При повышении давления равновесие сдвигается в направлении образования  веществ (исходных или продуктов) с  меньшим объемом;  при понижении давления равновесие сдвигается в направлении образования веществ с большим объемом

Таким образом, при переходе от исходных веществ к продуктам объем газов уменьшился вдвое. Значит, при повышении давления равновесие смещается в сторону образования NH3, о чем свидетельствуют следующие данные для реакции синтеза аммиака при 400 0С:

давление, МПа	0,1	10	20	30	60	100
объемная доля NH3, %	0,4	26	36	46	66	80

3. Влияние  концентрации. Влияние концентрации на состояние равновесия подчиняется следующим правилам:

При повышении концентрации одного из исходных веществ равновесие сдвигается в направлении образования  продуктов реакции;  при повышении концентрации одного из продуктов реакции равновесие сдвигается в направлении образования исходных веществ.

 

17. Свойства растворов электролитов (ненадо)

 
Вещества, подвергающиеся при взаимодействии с растворителем диссоциации  на ионы и сообщающие раствору способность  проводить электрический ток, называются электролитами. Ионы – электрически заряженные частицы, которые являются переносчиками электричества в растворах и расплавах. Следует помнить, что не все электролиты диссоциируют (т.е. распадаются на ионы) в одинаковой степени. В связи с этим выделяют:

• сильные электролиты (вещества, полностью диссоциирующие в растворе);
• слабые электролиты (вещества, диссоциирующие в растворе лишь частично).

 
Электропроводность слабых электролитов определяется в основном степенью диссоциации , величина которой зависит от концентрации электролита и температуры. Для любого электролита: 
 
. (1.1) 
 
По величине степени диссоциации судить о силе электролита не очень удобно, так как величина зависит от многих параметров, особенно от концентрации. Более удобно использовать величину константы диссоциации К_д. Рассмотрим равновесие диссоциации слабого электролита (для простоты – бинарного, т. е. дающего при диссоциации один катион и один анион): 
 
, 
 
например 
 
. 
 
Если один моль вещества АВ растворён в V литрах раствора, то 
 
и . 
 
Константа диссоциации равна: 
 
, (1.2) 
 
где С = 1/V — начальная (исходная) концентрация вещества АВ. Выражение (1.2) называют законом разведения Оствальда для бинарных электролитов. Очевидно, что тем больше ^ К_д, тем при данной концентрации выше степень диссоциации. Таким образом, величина К_д может служить удобной мерой силы электролита. Как любая константа равновесия, константа диссоциации зависит от температуры, поэтому сила электролита меняется с изменением температуры. Выражение (1.2) позволяет определять константу диссоциации по величине степени диссоциации  при данной концентрации электролита С. С другой стороны, зная константу диссоциации, можно рассчитать величину  при любой заданной концентрации. Растворы электролитов, содержат в заметных концентрациях ионы-катионы и анионы. образующиеся в результате электролитической диссоциации молекул растворенного вещества. Р-ритель (чистый или смешанный) обычно в сколько-нибудь значит. степени не диссоциирован. Р. э. обладают способностью проводить электрич. ток и относятся к проводникам второго рода. Благодаря увеличению общего числа частиц коллигативные свойства бесконечно разбавленных растворы электролитов (т. е. свойства, зависящие только от концентрации растворенного вещества, но не от его природы) существенно отличаются от тех же свойств растворов неэлектролитов. Этим, в частности, объясняется увеличение осмотич. давления в сравнении со значением, предсказываемым законом Вант-Гоффа (см. Осмос), понижение давления пара растворителя над раствором в сравнении с предсказываемым Рауля законом и др. Наличием ионов обусловлены также классификация растворы электролитов, особенности теоретич. подходов в сравнении с др. классами растворов. Наиб. изучены водные растворы электролитов, играющие важную роль во многих биол., геол. и техн. процессах. Неводные растворы электролитов служат средой для проведения синтеза и электрохим. процессов, используются в совр. технологиях (создание новых химических источников тока, солнечных батарей, процессы разделения веществ и др.). Классификация растворы электролитов основана на классификации электролитов. Соответственно о растворы электролитов говорят как о симметричных и несимметричных в зависимости от того, распадается ли молекула растворенного вещества в растворе на два иона или на большее число частиц; z, z-зарядных [напр., раствор NaCl 1,1-зарядный, раствор СаС1₂ 2,1-зарядный] и т.п.-По степени диссоциации электролита a, которая равна отношению числа молекул, диссоциированных на ионы, к полному числу молекул в растворс, различают сильные (a = 1), слабые (a << 1) электролиты и, соотв., растворы сильных и слабых электролитов. Такое деление, однако, является условным и отражает состояние электролита в растворе, определяемое не только природой растворенного вещества и растворителя, но и концентрацией (молярной долей х_эл), т-рой Т, давлением р. В зависимости от состояния растворенного вещества до растворения выделяют два класса растворы электролитов-р-ры ионофоров и растворы ионогенов. Ионофоры в чистом состоянии существуют в виде ионных кристаллов (напр., галогениды щелочных металлов). В сильнополярных растворителях (напр., в воде) ионофоры, как правило, диссоциируют полностью и составляют растворы сильных электролитов. В слабополярных растворителях (напр., в уксусной кислоте) они образуют растворы слабых электролитов. Ионогены до растворения состоят из молекул, они являются потенц. электролитами, электролитич. диссоциация проходит, как правило, в две стадии и обычно не полностью (хлорная кислота в уксусной кислоте).