Физколоидная химия

Оглавление 

 

 

Вариант 8

1. Опишите различия между аморфными  и кристаллическими веществами. Сублимация и её значение в  консервировании пищевых продуктов.  В чем состоит основное различие связей в кристаллах ионного, молекулярного, атомного типа?

В кристаллических веществах  атомы расположены в строгом  порядке — в узлах кристаллической  решетки. В аморфных веществах атомы  расположены беспорядочно, так же, как и в жидкостях. Кристаллические вещества имеют строго определенную температуру плавления. Это объясняется так: атомы в узлах кристаллической решетки не могут свободно двигаться, а могут лишь совершать небольшие колебания. При нагревании твердого кристаллического вещества атомы в узлах решетки начинают колебаться сильнее. Наконец, при какой-то определенной температуре колебания становятся настолько сильными, что атомы больше не могут удерживаться в кристаллической решетке и вещество плавится, превращаясь в жидкость. Аморфные вещества не имеют строго определенной температуры плавления. Так как в аморфном веществе атомы расположены беспорядочно, то при повышении температуры они приобретают все большую свободу движения, и вещество не плавится, а постепенно размягчается, превращаясь в очень вязкую жидкость. Чем выше температура, тем меньше вязкость, тем более подвижна жидкость.

Сублимация — специальная технология удаления воды из свежих продуктов вакуумным способом. После этого в продукте остаются практически все полезные вещества, продукт сохраняет форму, запах и цвет. Важно, что при сублимации не используются всевозможные красители, ароматизаторы и т. д. Структура продукта не разрушается при сублимации и быстро восстанавливается при оводнении. 

Ионная связь в узлах кристаллической решётки помещаются положительно и отрицательно заряженные ионы.

Силы взаимодействия между узлами являются в основном электростатическими (кулоновскими). Связь между такими частицами называется гетерополярной или ионной.

Кристаллы с ионной связью при низких температурах являются диэлектриками. При температурах близких к температуре плавления они становятся проводниками электричества. Примером кристаллов с ионной решёткой являются кристаллы каменной соли (NaCl).

Молекулярная связь- в  узлах кристаллической решётки  помещаются определённым образом ориентированные  молекулы. Силы связи между молекулами в кристалле имеют ту же природу, что и силы притяжения между молекулами, приводящие к отклонению газов от идеальности. По этой причине их называют ван-дер-ваальсовскими силами.

Для кристаллов с молекулярными связями характерны низкие температуры плавления и высокая сжимаемость.

Образование связи между двумя атомами происходит при сближении атомов с неспаренными электронами, спины которых антипараллельны. В результате взаимодействия электронов и ядер атомов образуется пара электронов, общая для обоих соединяющихся атомов. Возникает единое электронное облако, плотность которого между ядрами особенно велика, что обеспечивает наибольшее притяжение атомных ядер друг к другу и устойчивость молекулы в целом. Связь, возникающая за счет образования одной или нескольких электронных пар, которые становятся общими для двух соединяющихся атомов, называется ковалентной связью.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 2. Диссоциация раствора электролитов. Степень и константа диссоциации. Сильные и слабые электролиты. Напишите выражение константы диссоциации для карбоната аммония, хлорида натрия и масляной кислоты С₃Н₇СООН.

 

Для объяснения особенностей свойств растворов электролитов С. Аррениус предложил теорию электролитической диссоциации, основывающуюся на следующих постулатах:

1.  Электролиты в растворах распадаются на ионы – диссоциируют;

2.  Диссоциация является обратимым равновесным процессом;

3.  Силы взаимодействия ионов с молекулами растворителя и друг с другом малы (т.е. растворы являются идеальными).

Диссоциация электролитов в растворе происходит под действием  полярных молекул растворителя; наличие  ионов в растворе предопределяет его электропроводность. Для оценки полноты диссоциации в теории электролитической диссоциации вводится понятие степень диссоциации α, которая равна отношению числа молекул n, распавшихся на ионы, к общему числу молекул N:

Величина степени диссоциации зависит от природы растворителя и растворенного вещества, концентрации раствора и температуры. По величине степени диссоциации электролиты подразделяются на три группы: сильные (α ≥ 0.7), средней силы (0.3 < α < 0.7) и слабые (α ≤ 0.3). К сильным электролитам относятся почти все соли (кроме Рb(СН₃СОО)₂, НgСl₂, СdСl₂), большинство неорганических кислот и щелочей; к слабым – все органические кислоты, вода, NН₄ОН, Н₂S и т.д. Электролитами средней силы являются некоторые неорганические кислоты: НF, НСN, Н₃PO₄.

Процесс диссоциации  слабых электролитов является обратимым  и в системе существует динамическое равновесие, которое может быть описано  константой равновесия, выраженной через  концентрации образующихся ионов и  непродиссоциировавших молекул, называемой константой диссоциации. Для некоторого электролита, распадающегося в растворе на ионы в соответствии с уравнением:

А_aВ_b <––> aА^x- + bВ^y+

константа диссоциации  выразится следующим соотношением:

                          

Для бинарного  электролита  выражение  можно переписать в виде:

                          

Поскольку концентрация каждого иона для бинарного электролита  равна произведению степени диссоциации α на общую концентрацию электролита С,  в этом случае можно переписать следующим образом:

                                   

Для разбавленных растворов  можно считать, что (1 – α) = 1. Тогда получаем:

                                                    

Т.о., степень диссоциации  слабого электролита обратно  пропорциональна концентрации и  прямо пропорциональна разбавлению раствора; последнее выражение называют законом разбавления Оствальда. Степень диссоциации слабого электролита можно связать с изотоническим коэффициентом. Будем считать, что из N молекул электролита продиссоциировало n молекул, образовав νn ионов (ν – число ионов, на которое диссоциирует молекула). Поскольку изотонический коэффициент показывает, во сколько раз общее число молекул и ионов в растворе больше числа молекул до диссоциации, получаем:

                                               

Количественные расчеты  характеристик растворов сильных  электролитов осуществляют с помощью  понятий активности электролита а_э и активностей катионов и анионов а₊ и а_-соответственно, которые равны произведению коэффициента активности на концентрацию:

;          ;                            

Для бинарного электролита  средняя активность электролита  связана с активностями ионов  соотношением; подобным же образом связан средний коэффициент активности с ионными:

                                                  

Дебаем и Хюккелем был разработан метод расчета среднего коэффициента активности сильного электролита. Для бинарного электролита уравнение имеет следующий вид:

                    

Здесь z – заряд иона, для которого рассчитывается коэффициент  активности, I – т.н. ионная сила раствора: некоторый параметр, который одновременно учитывает молярную концентрацию и заряд всех имеющихся в растворе ионов. Ионная сила раствора равна полусумме концентраций всех ионов, умноженных на квадрат их заряда:

                     

• (NH₄)₂CO₃↔2NH₄⁺+CO₃^2- слабый электролит

K=[ NH₄⁺]²[CO₃²]/[ (NH₄)₂CO₃]

• NaCl↔Na⁺+Cl^- сильный электролит
• С₃H₇COOH↔С₃H₇COO^-+H⁺ слабый электролит

K=[ С₃H₇COO^-][ H⁺]/[ С₃H₇COOH]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Оптические свойства золей:  опалесценция, эффект Фарадея-Тиндаля,  окраска. Оптические свойства  бульона, чая, вин, молока.

 

Опалесце́нция — оптическое явление, заключающееся в резком усилении рассеяния света чистыми жидкостями и газами при достижении критической точки, а также растворами в критических точках смешения. Причиной явления является резкое возрастаниесжимаемости вещества, сопровождающееся усилением флуктуаций плотности, на которых и происходит рассеяние света.

Эффект Тиндаля—оптический эффект, рассеяние света при прохождении светового пучка через оптически неоднородную среду. Обычно наблюдается в виде светящегося конуса (конус Тиндаля), видимого на тёмном фоне.

Характерен для растворов коллоидных систем (например, золей, металлов, разбавленных латексов, табачного дыма), в которых частицы и окружающая их среда различаются по показателю преломления. На эффекте Тиндаля основан ряд оптических методов определения размеров, формы и концентрации коллоидных частиц и макромолекул.

Размер коллоидных частиц  влияет на характер светорассеяния: чем  меньше диаметр мицелл, тем сильнее  максимум поглощения света сдвигается в сторону коротких волн. Примером могут быть золи золота: золь с радиусом частиц 20 нм поглощает зеленый свет, и поэтому рассеяние света придает коллоиду красную окраску (дополнительный цвет); золь с радиусом частиц 50 нм окрашен в синий цвет в проходящем свете и в буро-лиловый при боковом освещении. Если дисперсность частиц золота особенно высока (радиус <20 нм), окраска золя желтая, сходная с цветом истинного раствора АиС1₃.

Избирательное поглощение и рассеяние света объясняют  окраску многих минералов, в том  числе драгоценных камней. Такие  разновидности кварца, как сапфир, аметист, дымчатый кварц, имеют свойственную им окраску благодаря диспергированию в кристаллическом кварце марганца, железа и других металлов на коллоидном уровне. Окраска рубина также связана с присутствием в А12Оз коллоидных частиц хрома или золота. Еще Ломоносов предложил окрашивать стекла в красный (рубинового оттенка) цвет путем введения в расплавленное стекло Аи (III) с последующим его восстановлением до золота металлического с частицами коллоидной дисперсии.

Очень важно отметить, что интенсивность окраски золей  намного превышает интенсивность окраски истинных растворов той же концентрации.

К оптическим свойствам относят прозрачность, цветность, рефракцию, оптическую активность. Эти показатели воспринимаются человеком посредством зрительных ощущений. Оптические свойства - важный показатель качества большинства продуктов питания.

Цвет — один из признаков качества очень многих продовольственных товаров. Проблема цвета постоянно находится в сфере внимания технологов, товароведов-экспертов, а вопросы правильной методики его измерений и анализа полученных результатов имеют важное значение. В пищевых продуктах находятся природные красящие вещества (антоцианы, хлорофилл, каротиноиды, миоглобин и др.), которые обусловливают их цвет.

При определении цвета  основную роль играет цветовое ощущение, возникающее при осмотре продуктов, не светящихся самостоятельно, а лишь освещенных источником света. Цвет несамосветящегося тела зависит не только от его оптических свойств (от способности поглощать, отражать или пропускать свет), но и от того, каким светом оно освещается.

Все тела подразделяются на серые и цветные. Если данное тело в равной степени поглощает и  отражает световые лучи с разными  длинами волн, то оно будет выглядеть  серым. В идеальных случаях, когда  тело отражает весь падающий на него лучистый поток, оно будет абсолютно белым (сахар, соль), и наоборот, когда полностью поглощает — абсолютно черным (чернослив). Все средние состояния представляют цвет с разной степенью серости, и цвет окраски продукта определяется цветом отраженных лучей.

Цвет продуктов определяется по измерению отражательного спектра  или спектра поглощения.

Прозрачность — свойство, характеризующее способность пропускать свет. Это один из главных показателей качества большинства жидких пищевых продуктов. Одни из них полностью пропускают весь спектр лучей — они бесцветны и прозрачны. Другие пропускают излучение в узком спектральном интервале — они прозрачны и окрашены, так как часть лучей отражается.

Оптическая активность веществ характеризуется свойством изменять направление колебаний при прохождении через них поляризованного света. Оптическая активность обусловлена особенностями строения кристаллической решетки (в этом случае вещества проявляют оптическую активность только в твердом кристаллическом состоянии) или особенностями строения молекул (когда оптическая активность проявляется в растворах).

Рефракция — это свойство веществ изменять направление распространения светового потока при его переходе из одной среды в другую.