Основы физической и коллоидной химии. Кинетическая теория агрегатного состояния вещества

Основы физической и коллоидной химии . Кинетическая теория агрегатного состояния вещества. Газы. Идеальные и реальные газы. Основные газовые законы. Уравнение Клайперона-Менделеева. Закон Дальтона. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы реальных газов. Принцип соответственных состояний. Жидкость. Особенности строения. Давление пара. Парообразование. Поверхностная энергия. Вязкость. Твердое тело. Особенности строения. Кристаллическое состояние. Основные типы кристаллических решеток. Монокристаллы. Плазма. Химическая термодинамика Первый закон термодинамики Внутренняя энергия. Теплота и работа. Теплоемкость. Термодинамические функции в основных обратимых процессах. Открытая термодинамическая система. Энтальпия. Термохимия. Тепловой эффект реакции. Соотношение между изобарным и изохорным тепловыми эффектами реакции. Закон Гесса и следствие из него.00 (термодинамический потенциал). Тепловая машина. Тепловая машина Карно. Коэффициент полезного действия тепловой машины. Приведенная теплота процесса. Энтропия. Изменение энтропии в основных термодинамических процессах. Р-V-Диаграмма, Р-V-Диаграмма обычных веществ (воды). Влажный пар. Т-S-Диаграмма. Т-S-Диаграмма воздуха. Т-S-Диаграмма воды.Н- S-Диаграмма. Н- S-Диаграмма воды. Влажный воздух. Термодинамическое равновесие Поверхностные явления. Адсорбция. Типы адсорбции. Применение адсорбции. Химическое равновесие. Уравнение изотермы реакции. Химическое сродство. Константа химического равновесия. Особенности химического равновесия в гетерогенных системах. Принцип Ле Шателье-Брауна. Химическая кинетика и катализ Общая теория протекания реакций. Основной закон химической кинетики. Определение константы скорости и порядка реакции. Влияние температуры на скорость реакции. Катализ. Механизм действия катализаторов. Автокатализ. Особенности каталитических процессов. Управление каталитическими процессами. Цепные реакции Механизм цепных реакций. Критические параметры. Фотохимические и радиационно-химические реакции. Физико-химическое равновесие. Фазовое равновесие. Основные понятия и определения. Правило фаз. Фазовая диаграмма воды. Уравнение Клаузиса-Клайперона. Фазовая диаграмма двухкомпонентной смеси. Кинетические свойства растворов. Строение растворов. Термодинамика растворения. Растворы электролитов. Осмос и осмотическое давление. Давление пара над раствором. Зависимость температуры фазового перехода от состава раствора. Практическое применение закона Рауля. Идеальные бинарные растворы. Состав пара над идеальным бинарным раствором. Первый закон Коновалова. Перегонка и ректификация. Реальные растворы. Второй закон Коновалова. Особенности ректификации реальных растворов. Взаимная растворимость жидкостей. Перегонка с водяным паром. Вакуумная перегонка. Растворимость газов в жидкостях. Закон Генри. Закон Генри-Дальтона. Закон распределения. Экстракция. Электрохимия. Элемент Даниэля. Электродный потенциал. Уравнение Нернста. Электрохимический ряд напряжений. Электродвижущая сила и принцип действия гальванического элемента. Измерение э.д.с. гальванического элемента. Измерение электродного потенциала. Электроды сравнения. Потенциометрия. Электролиз. Законы электролиза. Применение электролиза. Химические источники электрического тока. Топливный элемент. Электрохимическая коррозия. Проводники электрического тока и их особенности. Измерение электрической проводимости раствора. Эквивалентная (молярная) электропроводность. Закон Кольрауша. Кондуктометрия. Ультрамикрогетерогенные и микрогетерогенные системы низкомолекулярных веществ. Классификация дисперсных систем. Получение дисперсных систем. Очистка и концентрирование дисперсных систем.Кинетические свойства дисперсных систем.Оптические свойства дисперсных систем.Электрические свойства дисперсных систем.Строение дисперсных систем.Устойчивость дисперсных систем.Эмульсии.Суспензии.Пены.Аэрозоли Растворы высокомолекулярных соединений (ВМС) Общая характеристика растворов полимеров.Растворение полимеров. Пластификация.Вязкость растворов полимеров.Желатинирование. Определение молярной массы полимеров Тема1.Кинетическая теория агрегатного состояния вещества. Теоретические основы. Агрега́тное состоя́ние вещества (лат. aggrego 'присоединяю') — состояние одного и того же вещества в определённом интервале температур и давлений, характеризующееся определёнными, неизменными в пределах указанных интервалов, качественными свойствами: способностью (твёрдое тело) или неспособностью (жидкость, газ, плазма) сохранять объём и форму, наличием или отсутствием дальнего (твёрдое тело) и ближнего порядка (жидкость), и другими свойствами. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других физических величин.[1] Традиционно выделяют три агрегатных состояния: твёрдое тело, жидкость и газ. К агрегатным состояниям принято причислять также плазму[2], в которую переходят газы при повышении температуры и фиксированном давлении. Существуют и другие агрегатные состояния, например, жидкие кристаллы или конденсат Бозе — Эйнштейна. Отличительной особенностью является отсутствие резкой границы перехода к плазменному состоянию. Определения агрегатных состояний не всегда являются строгими. Так, существуют аморфные тела, сохраняющие структуру жидкости и обладающие небольшой текучестью и способностью сохранять форму; жидкие кристаллы текучи, но при этом обладают некоторыми свойствами твёрдых тел, в частности, могут поляризовать проходящее через них электромагнитное излучение. Для описания различных состояний используется более широкое понятие термодинамической фазы. Явления, описывающие переходы от одной фазы к другой, называют критическими явлениями. Газообразное состояние Газы (французское gaz; название предложено голландским учёным Я. Б. Гельмонтом), агрегатное состояние вещества, в котором его частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объём. Газы обладают рядом характерных свойств. В отличие от твёрдых тел и жидкостей, объём газы существенно зависит от давления и температуры. Изопроцессы. Законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Шарля. Всякое изменение состояния газа называется термодинамическим процессом. Идеальный газ — математическая модель газа, в которой предполагается, что: 1) потенциальной энергией взаимодействия молекул можно пренебречь по сравнению с их кинетической энергией; 2) суммарный объем молекул газа пренебрежимо мал. Между молекулами не действуют силы притяжения или отталкивания, соударения частиц между собой и со стенками сосуда абсолютно упруги, а время взаимодействия между молекулами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями. В расширенной модели идеального газа частицы, из которого он состоит, имеют также форму в виде упругих сфер или эллипсоидов, что позволяет учитывать энергию не только поступательного, но и вращательно-колебательного движения, а также не только центральные, но и нецентральные столкновения частиц и др.[1].Простейшими процессами в идеальном газе являются изопроцессы. Это процессы, при которых масса газа и один из его параметров состояния (температура, давление или объем) остаются постоянными. Изопроцесс, протекающий при постоянной температуре, называется изотермическим. Экспериментально Р. Бойлем и Э. Мариоттом было установлено, что при постоянной температуре произведение давления газа на объем для данной массы газа есть величина постоянная (закон Бойля–Мариотта): Р1/V1= Р2/V2          Графически этот закон в координатах РV изображается линией, называемой изотермой (рис.1). Изопроцесс, протекающий в идеальном газе, в ходе которого давление остается постоянным, называется изобарным. Зависимость объема газа от его температуры при постоянном давлении была установлена Л. Гей-Люссаком, который показал, что объем газа данной массы при постоянном давлении возрастает линейно с увеличением температуры (закон Гей-Люссака): V1/Т1= V2/Т2 V = V0·(1 + ·t),         где V – объем газа при температуре t, °С; V0 – его объем при 0°С. Величина называется температурным коэффициентом объемного расширения. Для всех газов  = (1/273°С–1). Следовательно, V = V0·(1 +1/273·t).       Графически зависимость объема от температуры изображается прямой линией – изобарой (рис. 2). При очень низких температурах (близких к – 273°С) закон Гей–Люссака не выполняется, поэтому сплошная линия на графике заменена пунктиром. Изопроцесс, протекающий в газе, при котором объем остается постоянным, называется изохорным. Исследования зависимости давления данной массы газа от температуры при неизменном объеме были впервые проведены французским физиком Шарлем. Им было установлено, что давление газа данной массы при постоянном объеме возрастает линейно с увеличением температуры (закон Шарля): P = P0(1+t).          Здесь P – давление газа при температуре t, °С; P0 – его давление при 0 °С. Величина называется температурным коэффициентом давления. Ее значение не зависит от природы газа; для всех газов = 1/273 °С–1. Таким образом, P = P0(1 +1/273·t).          Графическая зависимость давления от температуры изображается прямой линией – изохорой (Рис. 3). Еще один важный закон ,которому подчиняются лишь идеальные газы был открыт Авогадро.Закон Авогадро: при одинаковых давлениях и одинаковых температурах и равных объемах различных идеальных газов содержится одинаковое число молекул; или, что то же самое: при одинаковых давлениях и одинаковых температурах грамм-молекулы различных идеальных газов занимают одинаковые объемы. Так, например, при нормальных условиях (t = 0°C и p = 1 атм = 760 мм рт. ст.) грамм-молекулы всех идеальных газов занимают объем Vm = 22,414 л.· Число молекул, содержащихся в одном моле вещества , называется числом Авогадро, оно равно 6,022*1023 моль-1.Закон Авогадро сыграл огромную роль в развитии химии , так как он впнрвые разграничил атомы и молекулы, а также позволил достоверно определить атомные и молекулярные массы. Абсолютная шкала температур. Если изохору продолжить в область отрицательных температур, то в точке пересечения с осью абсцисс имеем Отсюда температура, при которой давление идеального газа обращается в нуль, t = –273°С (точнее,–273,16°С). Эта температура выбрана в качестве начала отсчета термодинамической шкалы температур, которая была предложена английским ученым Кельвиным. Эта температура называется нулем Кельвина (или абсолютным нулем). Температура, отсчитанная по термодинамической шкале температур, обозначается Т. Ее называют термодинамической температурой. Так как точка плавления льда при нормальном атмосферном давлении, принятая за 0°С, равна 273,16 К–1, то Т = 273,16 + t.           Уравнение Клайперона. Получим другую форму уравнений, описывающих изобарный и изохорный процессы, заменив в уравнениях (18) и (20) температуру, отсчитанную по шкале Цельсия, термодинамической температурой: Т=V0*Т/273,16=const*T Обозначив объемы газа при температурах Т1 и Т2, как V1 и V2, запишем V1/V2 = Т1/Т2 ;V/Т=const Аналогично получим новую форму закона Шарля : P/T= const; P1/Т1= P2/Т2; Законы Шарля и Гей-Люссака можно объединить в один общий закон, связывающий параметры P, V и T при неизменной массе газа. Действительно, предположим, что начальное состояние газа при m = const характеризуется параметрами V1, Р1, Т1, а конечное – соответственно V2, Р2, Т2. Пусть переход из начального состояния в конечное состояние происходит с помощью двух процессов: изотермического и изобарического. В ходе первого процесса изменим давление с Р1 на Р2. Объем, который займет газ после этого перехода, обозначим V, тогда по закону Бойля–Мариотта, Р1V1 = Р2V, откуда           На втором этапе уменьшим температуру с Т1 до Т2, при этом объем изменится от значения V до V2; следовательно по закону Шарля V /V2= Т1/Т2 |откуда           В уравнениях равны левые части; следовательно, равны и правые, тогда , или  ,           т. е. можно записать, что .           Это выражение называют уравнением Клапейрона или объединённым газовым законом. Уравнение состояния идеального газа – уравнение Менделеева-Клапейрона. Значение входящей в уравнение Клайперона константы, которая обозначается как R, для одного моля любого газа одинаково, поэтому эта константа получила название универсальной газовой постоянной. Найдем числовое значение R в СИ, для чего учтем, что, как следует из закона Авогадро, один моль любого газа при одинаковом давлении и одинаковой температуре занимает один и тот же объем. В частности при Т0 = 273K и давлении Р0 = 105 Па объем одного моля газа равен V0 = 22,4·10–³ м³. Тогда R == 8,31 Дж/(моль· К). Уравнение (28) для одного моля газа можно записать в виде .           Из уравнения (29) легко получить уравнение для любой массы газа. Газ массой m займет объем V = V0(m/M), где М – масса 1 моль, m/M – число молей газа. Умножив обе части уравнения (29) на m/M, получим . Так как , то окончательно получаем .           Уравнение называется уравнением Менделеева – Клапейрона и является основным уравнением, связывающим параметры газа в состоянии теплового равновесия. Поэтому его называют уравнением состояния идеального газа Пример решения задачи1. В колбе объемом 2,6 л находится кислород при давлении 2,3 атм и температуре 26 оС. Вопрос: сколько молей O2 содержится в колбе? Из газового закона найдем искомое число молей n: Не следует забывать преобразовывать температуру из градусов Цельсия в кельвины: (273 оС + 26 оС) = 299 K. Вообще говоря, чтобы не ошибиться в подобных вычислениях, нужно внимательно следить за размерностью величин, подставляемых в уравнение Клапейрона-Менделеева. Если давление дается в мм ртутного столба, то нужно перевести его в атмосферы, исходя из соотношения: 1 атм = 760 мм рт. ст. Давление, заданное в паскалях (Па), также можно перевести в атмосферы, исходя из того, что 101325 Па = 1 атм. ** Можно проводить вычисления и в системе СИ, где объем измеряется в м3, а давление - в Па. Тогда используется значение газовой постоянной для системы СИ: R = 8,314 Дж/K·моль. П ример решения задачи 2. Газообразный хлор массой 0,01 г, находящийся в запаянной ампуле объемом 10 см3, нагревают от 0 до 273oС. Чему равно начальное давление хлора при 0oС и при 273oС? Решение. Мr(Сl2) =70,9; отсюда 0,01 г хлора соответствует 1,4 10-4 моль. Объем ампулы равен 0,01 л. Используя уравнение Менделеева-Клапейрона pV=vRT, находим начальное давление хлора (p1) при 0oС: аналогично находим давление хлора (р2) при 273oС: р2 = 0,62 атм. Пример решения задачи 3. Чему равен объем, который занимают 10 г оксида углерода (II) при температуре 15oС и давлении 790 мм рт. ст.? Решение. Задачи для самостоятельной работы. 1. Какой объем (при н. у.) занимает 0,5 моль кислорода? 2. Какой объем занимает водород, содержащий 18-1023 молекул (при н. у.)? 3. Чему равна молярная масса оксида серы(IV), если плотность этого газа по водороду равна 32? 4. Какой объем занимают 68 г аммиака при давлении 2 атм и температуре 100oС? 5. В замкнутом сосуде емкостью 1,5 л находится смесь сероводорода с избытком кислорода при температуре 27oС и давлении 623,2 мм рт. ст. Найдите суммарное количество веществ в сосуде. Выполнить задание № Вопрос ответ 1 Как называют процессы, протекающие при неизменном значении одного из параметров? 2 Какими тремя макроскопическими параметрами характеризуется состояние данной массы газа? 3 Какой процесс называют изотермическим? 4 Какой процесс называют изобарным? 5 Какой процесс называют изохорным? 6 Как называют количественные зависимости между двумя параметрами газа при фиксированном значении третьего параметра? 7 Сформулируйте закон Бойля-Мариотта. 8 Сформулируйте закон Шарля. 9 Сформулируйте закон Гей-Люссака. 10 . Какой из приведенных ниже графиков соответствует изобарному расширению? 11 . Какой из приведенных ниже графиков соответствует процессу изотермического расширения? 12 Какое значение температуры по шкале Кельвина соответствует температуре 1000С? 273. К, 373. К, 473К. 13 В сосуде объемом 8,3м3 находится 0,04 кг гелия при температуре 1270С. Определить его давление. 14 Газ занимает объем 2м3 при температуре 546К Каким будет его объем при температуре 819К? 15 Определите массу водорода, находящегося в баллоне вместимостью 20 м3 под давлением 830 Па при температуре 17 0С. Закон Дальтона. В обычных условияхразличные газы при смешивании друг с другом в произвольных соотношениях образуют однородные смеси.Молекулы идеального газа двигаются независимо друг от друга.Если в ограниченном объеме смешать несколько газов,то каждый газ сохраняет в смеси теже свойства,которые он имел в данном объеме в отсутствие других газов.Это следует из того ,что молекулы идеальных газов не взаимодействуют друг с другом.Так ,каждый газ будет оказывать свое собственное давление,называемое парциальным давлением, такое, как если бы он занимал один весь объем. Закон Дальтона — Давление смеси газов, не взаимодействующих друг с другом химически, равно сумме парциальных давлений этих газов.    Для того чтоб понять, что представляет из себя закон Дальтона , рассмотрим для этого воздух в комнате. Он представляет собой смесь нескольких газов: азота (80%), кислорода (20%). Парциальное давление каждого из этих газов — это давление, которое имел бы газ, если бы он один занимал весь объем. К примеру, если бы все газы, кроме азота, удалили из комнаты, то давление того, что осталось, и было бы парциальным давлением азота. Закон Дальтона утверждает, что общее давление всех газов вместе взятых равно сумме парциальных давлений каждого газа в отдельнсти. (Строго говоря, закон применим только к идеальным газам, но с достаточно хорошим приближением он описывает также и реальные газы.) Так же, закон Дальтона описывает связь растворимости компонентов газовой смеси, которая пропорциональна их парциальному давлению.    В Формуле мы использовали :  — Давление смеси газов  — Масса растворимого газа  — Давление окружающей среды Пример решения задачи1. Камеру объемом V = 10 л наполнили при температуре t1 = 0 °C сухим воздухом, ввели в нее m = 3 г воды, закрыли, а затем нагрели до t2 = 100 °C. Какое давление установится в камере, если первоначальное давление было p1 = 105 Па?    Решение:    Искомое давление по закону Дальтона равно сумме давлений водяного пара и сухого воздуха. Давление сухого воздуха, первоначально находившегося в камере, найдем по закону Шарля: pв = p1T2/T1 ≈ 136,6 кПа. Прежде чем дать окончательное заключение о давлении пара, выясним, будет ли он насыщенным при t2 = 100 °C. Предположив, что вся вода испарилась, оценим возможное парциальное давление пара: pп = mRT2/(MV) ≈ 51,7 кПа. Давление же насыщенного водяного пара при данной температуре почти в два раза больше (100 кПа). Значит, наше предположение правильное, и для полного давления в камере получим p = pв + pп ≈ 188,3 кПа. Если бы давление пара при оценке получилось большим, чем 100 кПа, то отсюда следовало бы, что пар еще насыщенный и его давление 100 кПа, а полное давление в камере p ≈ 236,6 кПа.    Ответ: p = ≈ 188,3 кПа. Пример решения задачи2. А10. В двух сосудах, соединенных тонкой трубкой с закрытым краном, при одинаковых температурах находится гелий. Вместимость сосуда V1 = 2,0 л, давление в нем p1 = 4,0×105 Па. Давление во втором сосуде p2 = 2,0×105 Па. После открытия крана в сосудах установилось давление p = 0,28 МПа. Если температура гелия не изменяется, то вместимость V2 второго сосуда равна: Решение. Давление, производимое смесью газов, по закону Дальтона равно сумме парциальных давлений газов: p' = p1' + p2'. Парциальное давление — давление, производимое газом в предоставленном ему объеме при отсутствии других газов. p1V1 = p1'(V1 + V2), отсюда: p1' = V1 p1. V1 + V2 Аналогично: p2' = V2 p2, V1 + V2 тогда: p = V1 p1 + V2 p2. V1 + V2 V1 + V2 Выразим искомый V2: V2 = p1 − p V1. p − p2 Вычислим: V2 = 4,0×10−5 − 0,28×10−6 2 = 3 (л). 0,28×10−6 − 2,0×105 Задачи для самостоятельной работы Сосуд содержащий 6 л воздуха при давлении 100 кПа, соединяют с пустым сосудом вместимостью 4 л. Какое давление установится в сосудах, если температура не меняется? Два сосуда с газом вместимостью 2л и 5л соединяют между собой. В первом сосуде газ находится под давлением 100 кПа, во втором – 30 кПа. Найдите давление, под которым будет находиться газ, если температура в сосудах одинакова и постоянна. Какова плотность смеси, состоящей из 40г кислорода и 20г углекислого газа при температуре 00С и нормальном давлении? Открытую стеклянную колбу вместимостью 300 см3 нагрели до 1270С, после чего её горлышко опустили в керосин (плотность 800кг/м3). Сколько граммов жидкости войдёт в колбу, если она охладится до 170С? Давление в колбе считать постоянным.

Похожие:

	Закону Бойля-Мариотта Современная химия является одной из естественных наук и представляет собой систему отдельных научных дисциплин: общей и неорганической...		Урока по химии. Класс: 10 Тема: Практическая работа №2 «Распознавание... Образовательные: совершенствовать практические умения и навыки выполнения химического эксперимента, соблюдая правила от и тб. Получить...
	Задачи к лабораторному практикуму по физической химии для студентов... Задачи для лабораторного практикума по физической химии. Для студентов 3 курса специальности «Химия»		Биологически важные вещества: жиры, углеводы, белки и методика их...
	Инструкция о порядке уничтожения использованных ампул из-под наркотических... Заявка на наркотические средства и психотропные вещества, сильнодействующие вещества списка пккн для многопрофильного стационара...		Анархия, государство и утопия I теория естественного состояния, или как вернуться к государству даже не стремясь к этому
	Рабочая программа по химии для 11а,б классов на 2013-2014 учебный год Учитель химии Программы курса химии для 8-11 классов общеобразовательных учреждений. Базовый, профильный уровень. Допущена министерством образования...		Атомы не сразу вошли в научный обиход, хотя само слово "атом" появилось... Чисто логическим путем можно прийти к выводу, что дробление вещества не может происходить бесконечно. В конце концов должна остаться...
	Паспорт учебного кабинета химии (№20) Извлечения из правил по технике безопасности при работе в кабинетах химии средних школ 17		1 понятие актов гражданского состояния и нормативно-правовые основы их регистрации Основания, порядок и принципы регистрации актов гражданского состояния