Сформулируйте основные положения МКТ. Дайте определение понятиям «броуновское движение» и «диффузия». Приведите примеры. Докажите сходство этих явлений.

Молекулярно-кинетической теорией называют учение о строении и свойствах вещества на основе представления о существовании атомов и молекул как наименьших частиц химических веществ.
В основе молекулярно-кинетической теории лежат три основных положения:
1. Все вещества – жидкие, твердые и газообразные – образованы из мельчайших частиц – молекул, которые сами состоят из атомов.

Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы.

2. Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.

3. Частицы взаимодействуют друг с другом силами, имеющими электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами

пренебрежимо мало.

Наиболее ярким экспериментальным подтверждением представлений молекулярно-кинетической теории о беспорядочном движении атомов и молекул является броуновское движение.

Броуновское движение - э то тепловое движение мельчайших микроскопических частиц, взвешенных в жидкости или газе. Оно было открыто английским ботаником Р. Броуном.

Броуновские частицы движутся под влиянием беспорядочных ударов молекул. Из-за хаотического теплового движения молекул эти удары никогда не уравновешивают друг друга. В результате скорость броуновской частицы беспорядочно меняется по модулю и направлению, а ее траектория представляет собой сложную зигзагообразную кривую.

Постоянное хаотичное движение молекул вещества проявляется также в другом легко наблюдаемом явлении – диффузии.

Диффузией называется явление проникновения двух или нескольких соприкасающихся веществ друг в друга.

Наиболее быстро процесс протекает в газе, если он неоднороден по составу. Диффузия приводит к образованию однородной смеси независимо от плотности компонентов. Так, если в двух частях сосуда, разделенных перегородкой, находятся кислород O₂ и водород H₂, то после удаления перегородки начинается процесс взаимопроникновения газов друг в друга, приводящий к образованию взрывоопасной смеси – гремучего газа.
Диффузия и броуновское движение – родственные явления. Взаимопроникновение соприкасающихся веществ друг в друга и беспорядочное движение мельчайших частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходят вследствие хаотичного теплового движения молекул.

 

Дайте определение понятию «теплоемкость». Какие виды теплоемкостей применяют в теплотехнических расчетах. Объясните от чего зависит величина теплоёмкости газов? Приведите запись уравнения Майера.

Теплоемкость – величина, равная отношению сообщаемой телу или отводимой от него теплоты к соответствующему изменению его температуры: C= , [Дж/К]

где С – теплоемкость; Q – подведенная (или отведенная) теплота; ∆Т – изменение температуры тела.

В теплотехнических расчетах применяют различные виды приведенных теплоемкостей (отнесенных к единице массы, количества и объема)

Массовой (или удельной) теплоемкостью называется отношение теплоемкости тела к его массе: с = ,

где с – массовая теплоемкость; m – масса тела.

Молярной теплоемкостью называется отношение теплоемкости к количеству вещества: _µс = ,

где _μc – молярная теплоемкость; n – количество вещества.

Объемной теплоемкостью называется отношение теплоемкости к 1 м³ газа при нормальных условиях: с`= ,

где с`– объемная теплоемкость; v₀ – объем газа при нормальных условиях.

В СИ массовая теплоемкость с измеряется в Дж/кг*К, молярная теплоемкость _µс – Дж/моль*К, объемная теплоемкость с' – Дж/м³*К.

Теплоемкости газов и паров являются переменными величинами; для идеальных газов они зависят от их температуры, а для реальных газов и паров также и от их давления.

Теплоемкость газов в сильной степени зависит от тех условий, при которых происходят процессы их нагревания или охлаждения. Среди этих процессов в технике наиболее важное значение имеют процессы, протекающие при постоянном объеме газа (изохорный процесс) и при постоянном давлении газа (изобарный процесс).

В связи с этим различают теплоемкость при постоянном объеме (с_v) и теплоемкость при постоянном давлении (с_p).

Количественное соотношение между с_р и с_v устанавливают с помощью уравнения Майера: с_р − с_v = R, где R-универсальная газовая постоянная.

Таким образом, разность между изобарной и изохорной теплоемкостями для всех газов есть величина постоянная и равна универсальной газовой постоянной.

 

Дайте определение понятию «дисперсные системы». Назовите два основных признака дисперсных систем. По каким признакам классифицируют дисперсные системы? Используя каждый признак, опишите дисперсные системы.

Дисперсными называют системы, состоящие из множества малых частиц, распре­деленных в жидкой, твердой или газообразной среде.

Для всех дисперсных систем характерны два основных признака: высокая раздробленность (дисперсность) и гетерогенность.

Гетерогенность дисперсных систем проявляется в том, что эти системы состоят из двух (или более) фаз. Все дисперсные системы состоят из сплошной фазы - дисперсионной среды и прерывистой фазы (частиц) - дисперсной фазы.

Высокая дисперсность придает веществам новые качественные признаки: повышенную реакционную способность и растворимость, интенсив­ность окраски, светорассеяние и т. п.

Классификацию дисперсных систем проводят на основе различных признаков, а именно: 1) по размеру частиц, 2) по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, 3) по характеру взаимо­действия частиц дисперсной фазы между собой и со средой.

В зависимости от размера частиц дисперсные системы подразделяют на группы:
1) грубодисперсные системы - системы, у которых частицы имеют размер 1000 нм и более;
2) коллоидные системы - частицы имеют размер от 1 до 500 нм.

3) истинные растворы – частицы имеют размер до 1 нм.

По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды системы классифицируют следующим образом:

Тип дисперсной системы	Фазовое состояние	Примеры систем
дисперсионной среды	дисперсной фазы
Аэрозоли	Г	Г	Не существует
Г	Ж	туман, облака
Г	Т	пыль, дым
Лиозоли	Ж	Г	пены
Ж	Ж	эмульсии (молоко)
Ж	Т	суспензии (краски)
Твердые золи	Т	Г	пористые тела (пемза, хлеб)
Т	Ж	самоцветные камни
Т	Т	металлические сплавы

 

По отношению коллоидных частиц к дисперсионной среде выделяют лиофильные и лиофобные системы (от греч. "philia" - любовь, "phobia" - ненависть).

Лиофильные системы - те, у которых коллоидные частицы связаны с молекулами дисперсионной среды и имеют из них оболочку (если дисперсионная среда - вода, системы называются гидрофильными). Например, к лиофильным коллоидным системам относят растворы, образующиеся при растворении природных или синтетических ВМС. Таковы растворы белков, крахмала, эфиров целлюлозы и разнообразных смол, как природных так и синтетических.

Лиофобные системы (гидрофобные) - те, у которых коллоидные частицы слабо связаны с молекулами дисперсионной среды или растворителя. Например, к лиофобным системам относятся золи драгоценных металлов, золи серы, золи гидроксидов железа, алюминия и т.д. Эти системы характеризуются агрегативной неустойчивостью и требуют стабилизации.

 

7. Дайте определение понятию «химическое равновесие». Сформулируйте принцип Ле-Шателье. Обоснуйте, как влияет изменения давления на поло­жение равновесия реакции: N₂+3H₂⇄2NH₃. Для этого процесса составьте выражение константы равновесия и спрогнозируйте ее значение, если равновесные концентрации реагирую­щих веществ азота, водорода и аммиака соответственно равны 3 моль/л, 9 моль/л, 4 моль/л.

 

Химическое равновесие — динамическое состояние химической системы, в которой обратимо протекает химическая реакция, причём скорости прямой и обратной реакции равны между собой.

Для системы, находящейся в химическом равновесии, концентрации реагентов, температура и другие параметры системы не изменяются со временем.

Принцип Ле Шателье: если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия (температура, давление, концентрация), то в системе усиливаются процессы, направленные на компенсацию (или ослабление) внешнего воздействия.

Реакция N₂+3H₂⇄2NH₃ протекает с участием газообразных веществ и является обратимой. Давление существенно влияет на положение равновесия в таких реакциях, т.к. они сопровождаются изменением объема за счет изменения количества вещества при переходе от исходных веществ к продуктам реакции: при повышении давления равновесие сдвигается в направлении, в котором уменьшается суммарное количество молей газов и наоборот.

По уравнению реакции N₂+3H₂⇄2NH₃ видно, что количество исходных газообразных веществ равно 4 моль (1 моль азота и 3 моль водорода), а количество газообразных продуктов равно 2 моль (2 моль аммиака). Следовательно, при увеличении давления химическое равновесие сместится вправо, в сторону меньшего количества газообразных веществ, а при уменьшении давления – влево, в сторону исходных веществ.

Константа равновесия — величина, определяющая для данной химической реакции соотношение между термодинамическими активностями (либо, в зависимости от условий протекания реакции, парциальными давлениями, концентрациями) исходных веществ и продуктов в состоянии химического равновесия (в соответствии с законом действующих масс). Зная константу равновесия реакции, можно рассчитать равновесный состав реагирующей смеси, предельный выход продуктов, определить направление протекания реакции.

Дано: [N₂]=3 моль/л, [H₂]=9 моль/л, [NH₃]=4 моль/л

Найти: К_с-?

Решение: 1) Запишем уравнение реакции N₂+3H₂⇄2NH₃

2) Константа равновесия для этой реакции имеет выражение: К_с=[NH₃]²/[N₂]*[H₂]³; 3) вычислим константу равновесия К_с=4²/3*9³=0,0073

Ответ: К_с=0,0073

 

8. Дайте определение понятию «дисперсная система». Приведите классификацию дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсной среды. Систематизируйте данные знания и определите агрегатные состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды для предложенных систем: нефть; пыльный воздух. Спрогнозируйте и объясните устойчивость данных коллоидных систем.

Дисперсная система — это образования из двух или более числа фаз (тел), которые совершенно или практически не смешиваются и не реагируют друг с другом химически.

Наиболее общая классификация дисперсных систем основана на различии в агрегатном состоянии дисперсионной среды и дисперсной фазы. Сочетания трех видов агрегатного состояния позволяют выделить девять видов дисперсных систем. Для краткости записи их принято обозначать дробью, числитель которой указывает на дисперсную фазу, а знаменатель на дисперсионную среду, например для системы «газ в жидкости» принято обозначение Г/Ж.

Обозначение	Дисперсная фаза	Дисперсионная среда	Название и пример
Г/Г	Газообразная	Газообразная	Дисперсная система не образуется
Ж/Г	Жидкая	Газообразная	Аэрозоли: туманы, облака
Т/Г	Твёрдая	Газообразная	Аэрозоли (пыли, дымы), порошки
Г/Ж	Газообразная	Жидкая	Газовые эмульсии и пены
Ж/Ж	Жидкая	Жидкая	Эмульсии: нефть, крем, молоко
Т/Ж	Твёрдая	Жидкая	Суспензии и золи: пульпа, ил, взвесь, паста
Г/Т	Газообразная	Твёрдая	Пористые тела
Ж/Т	Жидкая	Твёрдая	Капиллярные системы: жидкость в пористых телах, грунт, почва
Т/Т	Твёрдая	Твёрдая	Твёрдые гетерогенные системы: сплавы, бетон, композиционные материалы

В свою очередь эти системы классифицируются по степени дисперсности.

Системы с одинаковыми по размерам частицами дисперсной фазы называются монодисперсными, а с неодинаковыми по размеру частицами — полидисперсными. Как правило, окружающие нас реальные системы полидисперсны.

Устойчивость дисперсных систем – это возможность их нахождения в исходном состоянии неопределенно долгое время.
Устойчивость дисперсных систем может быть:
1. К осаждению дисперсной фазы - характеризует способность дисперсной системы сохранять равновесное распределение фазы по объему дисперсионной среды или ее устойчивость к разделению фаз. Это свойство называется седиментационная (кинетическая) устойчивость.
2. К агрегации ее частиц. Агрегативная устойчивость – это способность дисперсной системы сохранять неизменной во времени степень дисперсности, т.е. размеры частиц и их индивидуальность.
Она обусловлена способностью дисперсных систем образовывать агрегаты (т.е. укрупняться). По отношению к агрегации дисперсные системы могут быть устойчивыми кинетически и термодинамически. Термодинамически устойчивые системы образуются в результате самопроизвольного диспергирования одной из фаз, т.е. самопроизвольного образования гетерогенной системы.

Дисперсионная система: пыльный воздух состоит из газообразной дисперсионной среды и твердой дисперсионной фазы. Эта система кинетически и агрегативно неустойчива.

Дисперсионная система: нефть состоит из жидкой дисперсионной среды и жидкой дисперсионной фазы. А система кинетически и агрегативно устойчива.

 

9. Дайте определение понятию «смещение химического равновесия». Прокомментируйте, какие факторы влияют и какие не влияют на положе­ние химического равновесия? Сформулируйте принцип Ле-Шателье. Спрогнозируйте, в каком направлении смещается равновесие при увеличении давления, температуры, концентрации исход­ных веществ для реакции:

+СаСОз + O(пар)⇄Ca(HCO₃ +Q

Химическое равновесие — динамическое состояние химической системы, в которой обратимо протекает химическая реакция, причём скорости прямой и обратной реакции равны между собой.

Положение химического равновесия зависит от следующих параметров реакции: температуры, давления и концентрации. Изменение этих параметров вызывает изменение скоростей протекающих химических реакций и смещает химическое равновесие.

Факторы, влияющие на химическое равновесие: температура, давление, концентрация.

1) температура: при увеличении температуры химическое равновесие смещается в сторону эндотермической (поглощение) реакции, а при понижении в сторону экзотермической (выделение) реакции.

2) давление: при увеличении давления химическое равновесие смещается в сторону меньшего объёма веществ, а при понижении в сторону большего объёма. Этот принцип действует только на газы, т.е. если в реакции участвуют твердые вещества, то они в расчет не берутся.

3) концентрация исходных веществ и продуктов реакции

При увеличении концентрации одного из исходных веществ химическое равновесие смещается в сторону продуктов реакции, а при увеличении концентрации продуктов реакции - в сторону исходных веществ.