Физколоидная химия

        Оглавление 
 

 
 
 

 

       Вопрос № 1 

      Получить  золь методом химической конденсации  СаCl_2(ИЗБ) + К₂С₂О₄ →. Указать условия проведения реакции, написать формулу мицеллы золя.   

      Ответ 

      В основе получения золя оксалата кальция  методом химической конденсации  лежит реакция ионного обмена:

      СаCl₂ + К₂С₂О₄ → СаС₂О₄↓ + 2КCl

      В ионном виде:

      Са²⁺ + С₂О₄^2– → СаС₂О₄↓ 

      Для образования золя необходимы следующие  условия:

      1) одно из исходных веществ (например, как в данном случае, СаCl₂) должно быть взято в избытке; электролит, взятый в избытке, становится стабилизатором коллоидных частиц, участвуя в образовании двойного электрического слоя;

      2) Концентрация исходных растворов  должна быть низкой, но достаточной  для того, чтобы при их смешивании  новый раствор оказался пересыщенным  относительно малорастворимого соединения (СаС₂О₄).

      Формула мицеллы золя оксалата кальция:

      

 
 
 
 
 
 
 

      Вопрос № 2 

      Какой электролит обладает большей коагулирующей  способностью, хлорид магния или карбонат натрия? 

      Ответ 

      Коагулирующее действие оказывают ионы, заряд которых  по знаку противоположен заряду коллоидных частиц: для положительно заряженных золей коагулирующими ионами являются анионы, для отрицательно заряженных – катионы.

      Рассмотрим  действие хлорида магния и карбоната  натрия на отрицательно заряженный золь: для него коагулирующими ионами являются катионы Na⁺ и Mg²⁺. Согласно правилу Шульце-Гарди, коагулирующее действие сильно возрастает с увеличением заряда иона. Следовательно, при коагуляции золей с отрицательно заряженными коллоидными частицами большей коагулирующей способностью обладает хлорид магния (ион Mg²⁺).

      Для золей с положительно заряженными  коллоидными частицами коагулирующими ионами являются анионы Cl^– и CO₃^2–. В соответствии с правилом Шульце-Гарди в данном случае большей коагулирующей способностью обладает карбонат натрия (ион CO₃^2–).  
 
 
 
 
 
 

      Вопрос № 3 

      Молекулярность  реакций и их типы по молекулярности. Почему порядок реакции и молекулярность чаще не совпадают? 

      Ответ 

      Молекулярность  реакции – это число молекул, участвующих в элементарном акте химического взаимодействия. По этому признаку реакции подразделяют на мономолекулярные, бимолекулярные и тримолекулярные.

      Мономолекулярной  называется реакция, у которой в элементарном акте взаимодействия участвует одна молекула или другая частица. К мономолекулярным относятся реакции разложения, радиоактивного распада, изомеризации, например:

      N₂O₄ → 2NO₂ 

      ₉₂U²³⁸  → ₉₀Th²³⁴ + ₂He⁴ 

      Бимолекулярной  называется реакция, у которой в  элементарном акте взаимодействия участвуют (сталкиваются) две молекулы или другие частицы, например:

      Н₂ + I₂ → 2HI 

      Тримолекулярной называется реакция, у которой в  элементарном акте взаимодействия участвуют (сталкиваются) три молекулы или  другие частицы, например:

      2NO + O₂ → 2NO₂ 

      Одновременное столкновение трех частиц в элементарном акте взаимодействия случается редко, поэтому тримолекулярных реакций по сравнению с бимолекулярными очень мало. Реакции более высокой молекулярности неизвестны. Если из химического уравнения следует, что в реакции участвует больше трех молекул, значит, на самом деле реакция протекает в несколько стадий, каждая из которых является моно-, би- или (редко) тримолекулярной реакцией.  

      Порядок реакции определяют по форме зависимости скорости от концентрации исходных веществ:  υ = f(C).

      Различают реакции первого, второго и третьего порядка.

      Скорость  реакции первого порядка пропорциональна  концентрации исходного вещества в  первой степени:

      υ = kC 

      Скорость  реакции второго порядка пропорциональна  концентрации исходных веществ во второй степени:

      υ = kC²  или υ = kC₁C₂     

      Скорость реакции третьего порядка пропорциональна концентрации исходных веществ в третьей степени:

      υ = kC³  ,  υ = kC₁²C₂ , υ = kC₁C₂C₃    

      В общем случае порядком реакции называют сумму показателей степеней, с  которыми концентрации реагентов входят в экспериментально найденное кинетическое уравнение.

      Порядок реакции далеко не всегда совпадает  с молекулярностью. Частое несовпадение объясняется тем, что большинство  реакций являются сложными и протекают  в несколько стадий, а стехиометрическое  уравнение  описывает процесс в целом. 
 

 

       Задача № 6.2 

      В реакции 1-го порядка за 6,7 минут разлагается 15,4% исходного вещества с начальной концентрацией 0,68 моль/л. Предполагая, что температура постоянна, рассчитайте и ответьте на вопросы:

      1) Сколько времени потребуется для разложения в этих же условиях 38% исходного вещества?

      2) Какова степень превращения через  32,3 минут от начала реакции?

      3) Покажите, пользуясь понятием периода  полупревращения, общий вид графика  С – t  для начального и конечного продуктов. Поясните физический смысл скорости по каждому веществу. Как и почему изменяется скорость образования (исчезновения) каждого участника реакции с течением времени?

      4) Как изменится вид этого графика  при повышении (понижении) температуры? 

      Решение 

      Кинетическое  уравнение реакции первого порядка:

       

                                                                  2,303       C₀     2,303        C₀

      k = ——— lg —— = ——— lg ———;

                                                                     t             С         t          C₀  – Х 

      Константа скорости реакции первого порядка зависит от соотношения исходной концентрации и концентрации в данный момент времени:

                                                                              C₀             100%

        ——— = —————;

                                                                         C₀ – Х     (!00 – Х)%          

      Рассчитаем  константу скорости данной реакции: 

                                                                 2,303           100

      k = ——— lg ————— = 0,025 мин^–1.

                                                                  6,7       100 – 15,4 
 
 

      1) Рассчитаем, сколько времени потребуется для разложения в этих же условиях 38% исходного вещества:

                                                  2,303         C         2,303          100

      t = ——— lg ——— = ——— lg ————— = 19,12 мин.

                                                   k         C – Х₁     0,025    100 – 38   
 
 

      2) Рассчитаем степень превращения через 32,3 минут от начала реакции: 

                                                                                            0,025·32,3

      lg(100 – Х₂) = lg100 – ————— = 1,649;

                                                                                                2,303

      100 – Х₂ = 44,6;  Х₂ = 55,4. 

      Степень превращения через 32,3 минут от начала реакции составляет 55,4%.  
 
 

      3) Рассчитаем период полупревращения (τ) – период времени, через который прореагирует половина исходного вещества.

      С₀/С = 2;  τ = ln2/k = 0,6931/0,025 = 27,7 мин. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      График  зависимости концентрации исходного вещества и конечного продукта от времени (С – t):

      

 

      Скорость  реакции – это изменение концентрации реагирующих веществ в единицу  времени: 

           dC

      υ = ——

           dt 

      Скорость  реакции первого порядка пропорциональна  концентрации вещества в первой степени:

      υ = kC

      Поскольку концентрация исходного вещества с  течением времени убывает, то и скорость исчезновения исходного вещества снижается. Концентрация продукта реакции, наоборот, с течением времени возрастает, соответственно и скорость образования его увеличивается. 

      4) Скорость реакции возрастает с повышением температуры (уменьшается с понижением температуры). Соответственно график зависимости С – t с повышением или понижением температуры изменяется:

      

      Т₂ > Т₁ ;  Т₃ < Т₁