Лекции по "Физике"

Электрич. ток - направленное движение свободно заряженных частиц. Условия:1.Заряженные частицы 2.Свобода ионов 3.Направление. Электролитическая диссоциация - это процесс распада электролита при растворении в воде или расплавлении. В расплавах электролитическая диссоциация происходит из-за колебательных движений молекул или атомов в-ва. Причина, вызывающая распад в-ва на ионы является интенсивное взаимодействие ионов с молекулами растворителя (гидратация или сольватация). Если образуются стойкие гидраты то их удается выделить при охлаждении или выпаривании р-ра, при этом можно получить кристаллы, которые чаще содержат кристаллизационную воду. По способности образовывать ионы р-ры электролита делят на слабые и сильные. Многие сильные электролиты кристаллизуются. К слабым электролитам относят ковалентные соединения, подвергающиеся в воде слабой диссоциацией, т.е. распад. Это слабые к-ты и слабые основания, а также органич. к-ты, фенолы и амины. Диссоциация связана с полиризацией ковалентной связи степень, которой определяет число образующихся ионов. Процесс диссоциации слабого электролита является обратимым. Молекулы распадаются на ионы, а образующиеся ионы, с противоположными знаками встречаясь в растворе, могут вновь соединиться к молекулам. Количественная характеристика равновесного состояния диссоциации слабого электролита может быть получена с использованием степени диссоциации, которая показывает, какая часть молекул электролита в растворе распалась на ионы, т.е. альфа-это отношение числа распавшихся молекул к общему числу растворенных молекул. Значение альфа никогда не превышает 1или 100%, альфа зависит от природы электролита, природы растворителя, р-ра и степени его разбавления. С.Арениус  ошибочно считал, что в р-ре сильного электролита существует динамическое равновесие между молекулами и ионами, т.е. сильные электролиты лишь частично диссоциированы в растворах любых концентраций и разница между сильным и слабым электролитом заключается лишь в разной степени диссоциации. Исследования р-ров сильных электролитов с помощью спектральных методов показали, что в них не существует недиссоциируемых молекул которые этими методами всегда обнаруживаются в р-рах слабых электролитов. Значит, сильные электролиты в отличие от слабых электролитов не только в разбавленном, но и в р-рах значительной концентрации содержатся только в виде ионов. Причиной резкого различия в поведении сильных электролитов межионного взаимодействия. Ионы в р-ре, хотя и отдалены друг от друга молекулами р-теля все таки испытывают слабые притяжения. Чем выше концентрация, тем ближе ионы расположены друг к другу и каждый ион как бы окружен атмосферой ионов противоположного знака, что препятствует свободному движению. В 1887г. С.Корениус установил критерий кислотности и основности по Аррениусу к-та - это соединение с характерным кислотным вкусом действующая на окрашенные индикаторы. Эти св-ва определяются присутствием в водном р-ре протонов (Н⁺) возникающих при диссоциации. Основание также воздействует на окрашенные индикаторы, что и к-ты, это связано с наличием ионов (ОН^-). Теория Аррениуса не объясняла роли воды в процессе диссоциации. В 1923г. Появилась теория Брёнстеда и Льюиса. Согласно этой теории основание это соединение поставляющая электронные пары для образования химической связи, т.е. является донором электронных пар. К-та это в-во принимающее электронные пары, т.е. акцептор электронных пар. Кислотно-основное взаимодействие согласно электронной теории заключается в образовании донорно-акцепторной связи. В результате взаимодействия к-ты с основанием образуются соли подобные в-ва аддукты. Их иногда удается выделить как индивидуальные соединения. основание. Все р-ры, в которых принимает участие к-та и вода образует кислотно-основные пары с химич. равновесием в зависимости от силы к-ты смещающихся в ту или другую сторону. Силы к-т и оснований обусловлены той легкостью, с которой они отдают или принимают протон. К-та тем сильнее, чем легче отдает протон. В количественном отношении определение кислотности в водных р-рах рассматривается только разбавление водных р-ров, т.е. такие р-ра в которых кол-во в-ва к-ты или основания растворено в литре воды гораздо меньше кол-во в-ва воды. Тогда можно считать, что кол-во в-ва воды, например в 1 литре остается практически постоянной не смотря на химич. реакции которые могут протекать в р-ре приводя к распаду или возникновению молекул воды. В любом водном р-ре всегда присутствуют совместно ионы Н3О⁺ ОН ^-. Р-р наз. кислым, если концентрация (Н3О⁺) выше 10^-7, а концентрация (ОН ^-) ниже этого значения. Щелочной р-р соответствует концентрации ионов гидроксония ниже этого значения. Если (Н3О⁺)=(ОН^-) то и = 10^-7, то р-р нейтральный. Величина рН р-ра определяется как отрицательный десятичный логарифм числа выражающего концентрацию (Н3О⁺) в этом р-ре. Закон Освальда степень диссоциации увеличивается с разбавлением. Например, уксусная к-та в концентрированном виде слабо проводит электрический ток, но с разбавлением повышается степень диссоциации и лампочка горит ярче.

Электрохимия это раздел физич. химии изучающий превращение химич. энергии в электрическую и наоборот. Электрохимич. процессы, протекающие в организме недостаточно изучены, известно, что движение скелетных мышц, сокращение сердца, возбуждение и торможение клеток ЦНС, распространение импульсов по нервам сопровождается электрич. явлениями. Биологич. ткани и жидкости содержат большое кол-во электролитов, и обладает высокой электропроводностью. Поэтому в физиотерапии применяют монофарез (введение лекарств в виде ионов) из поверхности кожи и слизистых к которым прикасаются электроны. Электропроводность это способность в-в проводить электрич. ток. Это величина обратная сопротивлению проводимого тока. Проводник 2-го рода (р-ры, расплавы) электролит переносится ионами, скорость движения ионов в р-рах по сравнению со скоростью движения электронных металлов мала. Абсолютная скорость движения ионов в р-ре определяется величиной его заряда, размерам, степенью гидратации, с-вами растворителя. С повышением температуры гидратация ионов уменьшается, и скорость их движения увеличивается. Для всех агрегатных состояний электропроводимость подразделяется: 1.На металлич. проводники обусловленные подвижностью электронов, являющихся носителями заряда, т.е. металлич. пластины погружают в р-р солей, на ней идет процесс перехода катиона из металла в р-ры или из р-ра в металл в зависимости от ЭДС. При увеличении температуры проводимость металла ухудшается, т.к. движение электронов через решетку кристалла затруднено вследствие более активного теплового движения атомов решетки. В-ва характеризующиеся металлич. проводниками наз. проводниками 1-го рода. 2.Электрич. проводимость жидкости вызвана подвижностью ионов катионами и анионами. При увеличении температуры проводимость электрич. проводников улучшается, т.к. при большей температуры ионы движутся с большей скоростью за счет понижения вязкости. В-ва характеризующиеся электрич. проводимость. наз. проводниками 2-го рода (к-ты, соли, щелочи). Движение ионов в р-ре значительно меньше, чем скорость движения электронов в металле, поэтому электрич. проводимость металлов меди, серебра в миллион раз больше чем электролитов. 3. Полупроводимость тв. в-в. Электрич. проводимость газов возникает за счет ионов газа и электронов. При наложении электрич. поля на р-р электролита движение к электродам становится основным. Скорость движения ионов зависит от природы иона и потенциала. Различают удельную и молярную электрич. проводимость. Удельная электрич. проводимость р-ра электролита это проводимость р-ра объемом в 1 м³ при расстоянии между электродами в 1 м, меры электрич. проводимости р-ра является кол-во электричества выраженная в кулонах, которая проходит через р-р за единицу времени. J=L*E Сила тока это произведение электропроводности на электродвижущую силу. Удельная электрич. проводимость р-ров зависит от концентрации р-ра, скорости движения ионов и заряда температуры. Молярная электрич. проводимость лямбда это электрич. проводимость объема р-ра содержащего 1 киломоль растворенного в-ва и помещенного между электродами находящихся на расстоянии 1 м друг от друга. Молярная электрич. проводимость р-ра равна произведению удельной электрич. проводимости на разведение. Молярная электрич. проводимость как сильных, так и слабых электролитов увеличивается с уменьшением концентрации, т.е. с увеличением разведения р-ра. Электрохимич. элементы (гальванические) это устройство получения электрич. тока за счет химич. реакции протекающей на электродах. Простейший гальванический элемент состоит из 2-х металлич. пластинок проводников 1-го рода помещенных в электролит проводника 2-го рода. Количественной характеристикой электрохимич. элемента является электродвижущая сила ЭДС (Е). Которая равна равновесной разности потенциалов между 2-мя полуэлементами. При погружении металлич. пластинки может происходить один из 2-х процессов: 1.Если металл является активным, то под действием диполя воды содержащихся в р-ре некоторые части атомов металлов оставляет свои электроны на электроде и в виде гидротированных ионов переходит в р-р. Me⁰+mH₂O→Me²⁺*mH₂O+ne В результате процесса окисления металла пластинка заряжается -, а металл +. На границе металла р-р образует 2-ной электрич. слой. Если металл является не активным, слабым восстановителем, то его ионы, содержащиеся в р-ре соли являются сильными окислителями. Некоторая часть этих ионов подходит к поверхности металлич. пластинки и восстанавливается за счет имеющихся в ней свободных электронов. Me²⁺+ne→Me⁰ В результате осаждения катионов металлич. пластинка заряжается + и притягивает к себе электроны. Разность потенциалов возникает в 2-ном электрич. слое на границе металлич. р-ра наз. электронным потенциалом. Разность потенциалов между металлом, погруженным в р-р своей соли с концентрацией ионов металла 1 моль\л наз. стандартным электродным потенциалом, на основании которого создается электрохимич. ряд напряжений. Значение электронного потенциала количественно характеризует способность металла отдавать электроны, т.е. его восстановительные св-ва.

Электролиз это окислительно-восстановит. процесс, протекающий на электродах при прохождении электрич. тока через расплав или р-р электролита. Электролиз в водных р-рах. Процесс не зависит от материала катода, а зависит от положения металла в электрохимич. ряду. 1)Если катион электролита находится от начала ряда до Al³⁺ включая его, то на катоде идет восстановление воды и выделяется Н. Катионы металла не восстанавливаются они остаются в р-ре. 2)Если катион электролита находится между Al и Н, то на катоде восстанавливаются одновременно и ионы металла и молекулы воды. 3)Если катионы электролита находятся после Н, то на катоде восст. Ионы металла. 4)Если в р-ре находится смесь катионов разных металлов, то 1-ми восст. Катионы тех металлов, которые имеют наибольшие значения электродного потенциала. Процесс на аноде зависит от материала, из которого этот анод сделан и от природы. 1)Если анод растворимый, то идет окисление металла анода. 2)Если анод не растворимый (графит, платина, золото), то а) при электролизе р-ра безкислородных солей на аноде идет окисление аниона J^-, S^2-, Cl^-, OH^-, SO₄^2-, NO₃^-, F^-. Б) при электролизе р-ров солей оксикислот и фторидов на аноде идет процесс окисления воды и выделяется кислород. Анион не окисляется, остается в р-ре и при электролизе щелочей на аноде окисляются гидроксид ионы.

Общая характеристика коллоидных систем.

Англ. ученый Томас Гремм в 1861г разработал ряд методов приготовления и очистки, коллоидных р-ров, он предложил все в-ва классифицировать на 2 группы: кристаллоиды сравнительно быстро диферинциирующие в-ва образующие истинные р-ры из которых в-во при определенных условиях может быть выделено в виде кристаллов; коллоиды в-ва обладающие малой скоростью диффузии, низким осмотическим давлением и образующие коллоидные р-ры, студни и клее подобные аморфные осадки. Было выявлено, что в-ва способны к образованию аморфных осадков (желатин) дефундирует в воде медленно по сравнению со скоростью диффузии кристаллических в-в (сахар). Т. Гремм ошибочно считал, что коллоиды и кристаллоиды представляют совершенно обособленные классы в-в между которыми нет никого сходства, чуть позже русск. ученый Борщев в 1869г сделал вывод, что любое в-во можно перевести в коллоидные состояния, создав соответствующие условия. Если коллоидные частицы находятся в жидкой среде, то такие системы наз. коллоидными или золями, например р-р мыла в воде обладает св-вами коллоида если же его растворить в спирте то будет обладать св-вами истинного р-ра или NaCl в воде св-вами истинного р-ра, а в бензоле коллоидные р-ры. Д.И. Менделеев полагал, что любое в-во в зависимости от условий и природы среды может проявлять св-ва и коллоида и кристаллоида. Под коллоидным состоянием в-ва понимается степень раздробленности или дисперсности и нахождение коллоидных частиц во взвешенном состоянии в растворителе. Коллоидная химия это наука, изучающая физико-химич. св-ва гетерогенных высокодиспестных и высокомолекулярных систем. Коллоидные системы относятся к дисперсным, т.е. к системам, где одно в-во в виде частиц различного размера распределено в другом в-ве. Степень раздробленности частиц наз. степенью дисперсности. Среда, в которой находится раздробленное в-во наз. дисперсной средой, а раздробленное в-во в идее частиц разных размеров наз. дисперсной фазой. Обязательным условием получения дисперсной системы является взаимная нерастворимость диспергируемого в-ва и дисперсной среды.

Классификация дисперсных (коллоидных) систем.

По степени дисперсности дисперсные системы классифицируют на грубо дисперсные и тонко дисперсные. Грубо дисперсные они мутные, частицы видны или капельки не вооруженным глазом, легко осаждаются, задерживаются обычным фильтром, размер частиц больше 100 н.м. (суспензии, эмульсии). Тонко дисперсные они подразделяются на коллоидные и истинные р-ры. Коллоидные прозрачны, отдельные частицы обнаруживаются только при помощи ультрамикроскопа, осаждаются с трудом в течении продолжительного времени, задерживаются ультрафильтрами с маленькими порами (пергаментная бумага, животный пузырь) и размер частицы от 1 до 100 н.м. Истинные р-ры прозрачны, отдельные частицы нельзя обнаружить даже в ультрамикроскопе, не осаждаются, фильтрами не задерживаются, размер частиц меньше 1 н.м. Св-ва коллоидных р-ров зависят от размеров частиц и поверхности раздела. Коллоидные системы рассматривают как 2 группы резко отличные по взаимодействиям между частицами дисперсной фазы и дисперсионной среды это лиофобные и лиофильные коллоиды. К лиофобным относят системы, в которых частицы дисперсионной фазы не взаимодействуют или слабо взаимодействуют с дисперсионной средой. Эти р-ры получают затраты энергии, устойчивы они только в присутствии стабилизатора, термодинамически не устойчивы, к ним относят аэрозоли, пены, эмульсии. Лиофильные коллоиды или ВМС это система образованные самопроизвольно благодаря сильному взаимодействию дисперсной фазы и дисперсной среды. Это термодинамически обратимые молекулярные системы способные сохранять агрегатную устойчивость без стабилизатора, они представляют истинные р-ры лишь мыла самопроизвольно образуют коллоидную систему в воде. По агрегатному состоянию различают 9 состояний: 1.Газ в газе (воздух) 2.Жидкость в газе (туман, попутный нефтяной газ). 3.Тв. в-во в газе (пыль, дым). 4.Газ в жидкости (минералка, пены). 5.Жидкость в жидкости (эмульсия масло в воде). 6.Тв. в-во в жидкости (гель, пасты). 7.Газ в тв. в-ве (почва, кирпич). 8.Жидкость в тв. в-ве (тушь, мазь). 9.Тв. в-во в тв. в-ве (сплавы, цветные стекла).

Они могут быть получены 2 путями: конденсацией молекул или ионов (метод конденсации) и дроблением более крупных частиц до нужной степени дисперсности ( метод диспергирования). Известны также случаи самопроизвольного диспергирования дисперсной фазы в дисперсионной среде. Для придания частицам устойчивости против слипания (агрегативной устойчивости) необходимо создание на поверхности частиц защитных слоев: двойных ионных слоев, вызывающих электростатическое отталкивание (электростатический фактор устойчивости), и сольватных, или адсорбционно-сольватных слоев, препятствующих в силу своих особых структурно-механических св-в соприкосновению  и слипанию частиц (структурно-механический фактор стабилизации.

Основные диспергационные  методы.

1.Механическое диспергирование  - измельчение тв. тел в данной  среде в присутствии стабилизаторов  в шаровых или ультразвука,  вольтовой дуги и т.д. Дробление  до частиц малых размеров требует  большой затраты работы, т.к. поверхность  раздела между фазами в таких  системах весьма велика. 2.Физико-химическое  дробление осадков (пептизация)- дробление рыхлых осадков, в  которых имеются отдельные частицы  дисперсной фазы, разделенные прослойками  дисперсионной среды. Их непосредственному  соприкосновению мешают либо  двойные ионные слои (они имеют  небольшую толщину, но все же  не дают частицам слипаться), либо  сольватные оболочки, имеющиеся на поверхности частиц. Как первая, так и вторая причина обеспечивают отталкивание частиц на близких расстояниях, тогда как на более далеких преобладают силы межмолекулярного притяжения, не дающие частицам разойтись за счет теплового движения. Перевести такой осадок в коллоидный р-р (пептизировать) можно разными способами: а) адсорбционная пептизация – в этом случае отталкивание частиц осадка друг от друга вызывается двойными ионными слоями, образуемыми на поверхности частиц за счет адсорбции ионов добавляемого электролита – пептизатора. Б) пептизация путем поверхностной диссоциации связана с образованием двойного ионного слоя в результате диссоциации молекул, находящихся на поверхности твердой фазы. Пептизатор в этом случае способствует процессу диссоциации (например, вызывает образование на поверхности частиц растворимых соединений). В) пептизация путем промывания применяется тогда, когда на поверхности частиц, образующих осадок, есть двойные ионные соли, но они сжаты, т.к. концентрация электролита достаточно большая. При промывании такого осадка водой концентрация электролита в нем уменьшается, двойные ионные слои увеличивают свою толщину, силы электростатического отталкивания между частицами действуют на более далекие расстояния и вызывают коллоидное растворение осадка.

Конденсационные методы получения дисперсионных систем.

1.Физическая конденсация  – конденсация молекул одного  в-ва (будущей дисперсной фазы) в  другой (будущей дисперсионной среде). Практически это может быть  осуществлено различными путями, например, пропусканием паров одного  в-ва в другое. Одним из примеров физической конденсации может быть метод замены растворителя: молекулярный р-р какого-либо в-ва постепенно, при перемешивании прибавляют к жидкости, в которой это в-во нерастворимо. При этом происходит конденсация молекул и образование коллоидных частиц. 2.Химическая конденсация – получение коллоидных систем с помощью химических реакций. Коллоидные р-ры могут быть получены с помощью реакций различных типов, двойного обмена, восстановления, гидролиза и др. Наиболее распространены методы, при которых труднорастворимое в-во образуется в результате химической реакции, протекающей в той среде, которая в дальнейшем является дисперсионной. При получении коллоидных р-ров необходимо вести реакцию в разбавленном р-ре, чтобы скорость роста кристаллических частиц была невелика, тогда частицы получаются мелкие (10⁵~10⁹~м) и системе будет обеспечена седиментационная устойчивость. Кроме того, одно из реагирующих в-в должно быть взято в избытке. Это обеспечит образование на поверхности двойного электрического слоя основного фактора агрегативной устойчивости. Следует отметить, что золи будут наиболее устойчивыми тогда, когда в результате реакции получается небольшое кол-во электролитов.