Е. В. Криволапова физическая и коллоидная химия учебно-практическое пособие



страница1/23
Дата09.08.2016
Размер3.83 Mb.
ТипУчебно-практическое пособие
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   23

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Бузулукский гуманитарно-технологический институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Оренбургский государственный университет»


Кафедра биологии

Е.В. КРИВОЛАПОВА

ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

УЧЕБНО-ПРАКТИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ


Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом БГТИ (филиала) ОГУ в качестве учебного пособия для студентов по направлению подготовки 020400.62 - Биология

Бузулук


БГТИ (филиал) ОГУ

2013


УБК 577.4

ББК 28.072

К-82
Рецензент: кандидат биологических наук, доцент кафедры биологии

М.С.Малахова;




Криволапова Е.В.

К-82 Физическая и коллоидная химия: учебно-практическое пособие /Е.В.Криволапова; Бузулукский гуманитарно-технологич. ин-т (филиал) ОГУ - Бузулук: БГТИ (филиал) ОГУ, 2013. – 235 с.

Учебно-практическое пособие включают в себя содержание лекционных занятий, обязательный минимум теоретического материала, необходимого для изучения дисциплины. Темы иллюстрированы рисунками схемами, таблицами, которые позволяют глубже понять и усвоить тему по разделам, необходимым для изучения физической и коллоидной химии студентов биологов.

Учебно-практическое пособие предназначено для преподавания дисциплины «Физическая и коллоидная химия» студентам третьего курса очной формы обучения направления подготовки 020400.62 - Биология в 3 семестре.

ББК 28.072

УБК 577.4

К-82

© Криволапова Е.В., 2013

© БГТИ (филиал) ОГУ, 2013

Содержание


Введение

4

1 Агрегатные состояния веществ

5

2 Химическая термодинамика

20

3 Основы кинетики и химическое равновесие

36

4 Химическое равновесие

61

5  Термодинамика растворов

68

6 Электрохимические процессы

88

7 Электролиз, его виды

97

8 Коррозия металлов

101

9 Введение в курс коллоидной химии

109

10 Дисперсные системы

116

11 Методы получения коллоидных систем

126

12 Поверхностные явления

135

13 Свойства коллоидных систем

157

14 Электрические свойства коллоидных систем

166

15 Устойчивость и коагуляция дисперсных систем

174

16 Растворы высокомолекулярных соединений

190

17 Лиофильные коллоидные системы. Растворы коллоидных поверхностно-активных веществ

201

18 Грубодисперсные системы

Список использованных источников



213




235




































Введение
Физическая химия – наука, объясняющая химические явления и устанавливающая их закономерности на основе общих принципов физики.

Общая задача физической химии – предсказание временного хода химического процесса и конечного результата на основании данных о строении и свойствах молекул.

Термин «физическая химия» предложен М. В. Ломоносовым. Им же был прочитан первый курс по собственной книге «Введение в физическую химию». В 1860 г. Н. Н. Бекетов впервые вводит физическую химию в качестве особой учебной дисциплины, читает курс лекций в Харьковском университете, создает кафедру физической химии. В 1887 г. В. Оствальд в Лейпцигском университете организует кафедру физической химии. Он же выпускает первое периодическое издание по физической химии. Годом ранее И. А. Каблуков читает курс в Московском университете. К концу XIX в. определились три основных раздела физической химии: химическая термодинамика, химическая кинетика и электрохимия.

Физхимия является основным теоретическим фундаментом современной химии, опирающимся на такие важнейшие разделы физики, как квантовая механика, статистическая физика и термодинамика и др. Она включает учения:

Учение о строении вещества и строении молекул обобщает обширный экспериментальный материал и позволяет получать структурные данные об электронной конфигурации молекул, о системе энергетических уровней молекул и переходах между ними, об изменении геометрических конфигураций молекулы или отдельных ее фрагментов и т.д.

Наряду с задачей соотнесения свойств веществ с их строением, современная физхимия активно занимается и обратной задачей прогнозирования строения соединений с заданными свойствами.



Химическая термодинамика составляет существенную часть физхимии и в значительной мере определяет ее структуру и развитие. Многие выдающиеся ученые 2-й половины 19 - начала 20 вв. участвовали в разработке основных принципов и решений прикладных задач термодинамики. H. Карно, P. Клаузиус, Г.И. Гесс, Д.П. Коновалов, Г. Гельмгольц, Я. Вант-Гофф, Ф. Рауль, Дж. Гиббс, А. Ле Шателье, В. Оствальд, В. Нернст и мн. другие сформулировали законы, принципы, правила и уравнения, которые и по сей день сохраняют свое непреходящее значение.

Термодинамика играет в физхимии двоякую роль. Она позволяет, с одной стороны, на основе общих принципов разделить все мыслимые процессы в химических системах на возможные и невозможные. С другой стороны, термодинамика позволяет получать соотношения, в которые входят измеряемые на опыте величины, и с помощью этих соотношений рассчитывать важные характеристики исследуемых систем, а также предсказывать, какие из соединений будут наиболее перспективными для решения конкретных прикладных задач в тех или иных условиях.

Химическая кинетика изучает превращения хим. веществ во времени, т. е. скорости хим. реакций, механизмы этих превращений, а также зависимость хим. процесса от условий его осуществления. Она устанавливает закономерности изменения состава превращающейся системы во времени, выявляет связь между скоростью хим. реакции и внешними условиями, а также изучает факторы, влияющие на скорость и направление хим. реакций.

Весьма важным разделом физхимии, тесно связанным с химической кинетикой, является учение о катализе, т. е. об изменении скорости и направления химических реакции при воздействии веществ (катализаторов), участвующих в реакции, но остающихся неизменными после каждого цикла превращений и поэтому не входящих в состав конечных продуктов.

Учение о катализе очень важно для решения прикладных вопросов химической технологии, поскольку подавляющее большинство химических процессов, осуществляемых в промышленности, является каталитическими. Оно не менее важно для понимания большинства биологических процессов на молекулярном уровне.

Катализ играет решающую роль в защите окружающей среды от токсичных компонентов выхлопных газов автотранспорта и стационарных энергетических установок. Разрабатываются каталитические способы устранения нежелательных антропогенных изменений состава атмосферы, а также водных бассейнов.

Электрохимия рассматривает особенности растворов электролитов, электрическую проводимость растворов, электрохимические элементы и их ЭДС.

Учение о растворах – изучает природу растворов электролитов и неэлектролитов, их внутреннюю структуру в зависимости от химической природы компонентов и концентрации.

Фотохимия – устанавливает связь между световой и химической энергией, изучает влияние световой энергии на химические процессы.

Коллоидная химия изучает свойства и поведение систем, в состав которых входят частицы относительно больших размеров (высокомолекулярные вещества или агрегаты молекул малой молекулярной массы). В настоящее время существует как отдельная дисциплина. Отдельным разделом физхимии, базирующимся на хим. термодинамике, является учение о поверхностных явлениях и адсорбции, обобщающее данные о свойствах межфазных границ и равновесных процессах в гетерогенных системах. Поверхностные явления составляют и предмет коллоидной химии, которая имеет дело, прежде всего, с проявлениями поверхностных явлений у дисперсных систем.
1 Агрегатные состояния веществ
Вещество может находиться в двух основных агрегатных состояниях - кристаллическом (твердом) или газообразном, и в переходных агрегатных состояниях – аморфном (твердом), жидкокристаллическом, жидком и парообразном.


    1. Твердое состояние


Твердое тело, агрегатное состояние вещества, отличительными признаками которого при нормальных условиях являются устойчивость формы и характер теплового движения структурных единиц твердого тела (атомов, ионов, молекул), совершающих малые колебания.

Свойства твердого тела определяются их химическим составом и зависят от характера межатомных связей, типа кристаллической структуры и от фазового состава. В зависимости от количества образующих их элементов твердое тело можно подразделить на простые (однокомпонентные) и сложные (многокомпонентные), которые, в свою очередь, могут представлять собой химические соединения, либо твердые растворы различного типа (замещения, внедрения).

Межатомные связи в твердом теле осуществляются в результате взаимодействия атомов (ионов) и валентных электронов, связь между атомами может быть ионной, ковалентной, металлической, а также ван-дер-ваальсовой, водородной. Для многих твердых тел характерен смешанный тип хим. связи.

Твердые тела бывают кристаллические и аморфные. Кристаллическое состояние характеризуется наличием порядка в расположении частиц, симметрией кристаллической решетки. Кристаллические твердые тела могут быть в виде монокристаллов или поликристаллов. В большинстве областей техники используют поликристаллические твердые тела, монокристаллы находят применение в электронике, производстве оптических приборов, ювелирных изделий и т. д.

Для аморфного состояния твердого тела характерно наличие только ближнего порядка; оно термодинамически неустойчиво, однако при обычных температурах переход в кристаллическое состояние обычно не реализуется и может осуществляться лишь при нагреве.

По фазовому составу твердые тела разделяются на однофазные и многофазные. Форма и распределение фазовых составляющих могут оказывать сильное влияние на различные свойства многофазных твердых тел. К наиболее важным в практическом отношении свойствам твердых тел относят механические, электрические, тепловые, магнитные, оптические.

Механические свойства твердого тела - упругость, пластичность, твердость, хрупкость, прочность – характеризуют их способность сопротивляться деформации и разрушению при воздействии внешних напряжений.

Твердые тела с металлическим типом химической связи обычно более пластичны в сравнении с твердым телом, имеющим ионный тип связи, и в большинстве случаев при больших напряжениях испытывают вязкое разрушение (тогда как вторые - обычно хрупкое). Пластичность твердого тела возрастает с повышением температуры.

Электрическая проводимость твердого тела определяется в первую очередь характером заполнения электронами энергетических зон. Твердые тела с металлическим типом химической связи (металлы) характеризуются высокой степенью обобществления валентных электронов (электронов проводимости) и являются хорошими проводниками.

Теплоемкость твердого тела при высоких температурах определяется законами классической статистической механики, при низких - квантовой механики.

Магнитные свойства твердого тела, определяются наличием или отсутствием у частиц, образующих твердые тела магнитных моментов. Основную роль в формировании магнитных свойств твердого тела играют электроны благодаря наличию у них спиновых магнитных моментов. По магнитным свойствам твердые тела разделяются на парамагнетики, диамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и фёрримагнетики.

Оптические свойства твердого тела определяются характером взаимодействия электромагнитного поля с веществом. Поглощение излучения обусловлено переходом частиц, образующих твердые тела в возбужденное состояние. С обратным переходом частиц из возбужденного состояния в невозбужденное связана люминесценция.

Процессы взаимодействия твердых тел с электромагнитным излучением лежат в основе использования их для изготовления элементов оптических приборов и систем, источников и приемников излучения и др.


    1. Жидкое состояние

Жидкости имеют промежуточную природу между твердыми и веществами и газами. Жидкие тела текучи, не обладают определенной формой, могут образовывать свободную поверхность и стремятся сохранить свой объем. Аморфные твердые тела (стекла) обычно рассматриваются как переохлажденные жидкости с очень малой текучестью.

Как и в твердом состоянии, в жидкости частицы из-за сильного взаимодействия удерживаются вместе в определенном объеме. В тоже время, частицы жидкости, подобно частицам газообразных веществ, слегка перемещаются относительно друг друга. Для описания жидкого состояния в настоящий момент имеет наибольший интерес модель мерцающего ассоциата. В жидкости частицы связаны межмолекулярными силами взаимодействия в небольшие ассоциаты, содержащие разное число частиц. Внутри ассоциатов и между ними имеются свободные полости и отдельные частицы. Структура жидкости чувствительна к изменениям температуры. При температуре замерзания строение жидкости приближается твердому состоянию, так как вследствие уменьшения подвижности частиц увеличивается размер их ассоциатов и возрастает степень упорядоченности.

При температурах, близких к Ткип, упорядоченность расположения частиц и размеры ассоциатов уменьшается и происходит испарение.

Важнейшие свойства чистых жидкостей в состоянии термодинамического равновесия: плотность d, термический коэффициент объемного расширения V, коэффициент изотермической сжимаемости dT, теплоемкости Ср и СV при постоянных давлении и объеме соответственно, энтальпия испарения ∆Hисп, поверхностное натяжение , диэлектрическая проницаемость , магнитная восприимчивость , показатель преломления п. Процессы переноса в жидкостях характеризуются коэффициентом вязкости , теплопроводности и самодиффузии D. С ростом температуры у большинства жидкостей d, Hисп, , , п и особенно резко и уменьшаются, а V, T, Ср и D возрастают. Такое поведение характерно для так называемых нормальных жидкостей. По мере приближения к критическому давлению свойства жидкостей начинают заметно изменяться с давлением. Это, в первую очередь, связано с зависимостью плотности d от температуры и давления.

От нормальных жидкостей отличаются так называемые ассоциированные жидкости (вода, спирты и т. п.), обладающие высокими значениями Ткип., ΔHисп, ,, d и др.; жидкие металлы и полупроводники, для которых характерна высокая электрическая проводимость; расплавы солей, характеризующиеся электролитической диссоциацией молекул с образованием катионов и анионов. Отдельную группу составляют квантовые жидкости (изотопы гелия), существующие при очень низких температурах и проявляющие специфические квантовые свойства (напр., сверхтекучесть). Квантовой жидкостью является жидкий гелий. Плотность нормальных жидкостей при атмосферном давлении обычно на два-три порядка превышает плотность газа при нормальных условиях, а их сжимаемость очень мала (T ~ 10-9 м2/Н). Это свидетельствует о значительном сближении молекул в жидкости. Малое различие значений теплоемкости жидкости и твердых тел указывает на сходный характер теплового движения в жидкостях и твердых телах. Вместе с тем вид зависимостей и D от температуры говорит о более сложном характере теплового движения молекул в жидкости. Считается, что молекулы жидкости совершают частые столкновения с ближайшими соседями и относительно более редкие перемещения, приводящие к смене окружения. Наличие сильного взаимного притяжения молекул обусловливает свойства жидкости сокращать свою свободную поверхность и охлаждаться при испарении, если отсутствует подвод тепла.



Поверхностное натяжение и поверхностная энергия. Поверхность жидкости, соприкасающейся с другой средой, например, с её собственным паром, находится по сравнению с остальной массой жидкости в особых условиях. Эти особые условия возникают потому, что молекулы поверхностного слоя в отличие от молекул в глубине, подвергаются неодинаковому притяжению молекул жидкости и газа. Каждая молекула внутри жидкости со всех сторон притягивается соседними молекулами, расположенными на расстоянии радиуса сферы действия межмолекулярных сил.

В результате силы притяжения компенсируются, поэтому равнодействующая этих сил равна нулю. У молекул поверхностного слоя она равна нулю. У молекул поверхностного слоя части сферы действия межмолекулярных сил находятся в газовой фазе. Так как плотность газа меньше плотности жидкости, то равнодействующая всех сил притяжения будет направлена внутрь жидкости перпендикулярно её поверхности.

Таким образом, поверхностные молекулы жидкости всегда находятся под действием силы, стремящейся втянуть их внутрь. Это приводит к тому, что поверхность жидкости всегда стремится сократиться. Этим объясняется и шарообразная форма капли жидкости (шар имеет минимальную поверхность) и идеально гладкая поверхность жидкости в широком сосуде.

При увеличении поверхности, например, при сжатии капли или растяжении жидкой пленки, некоторое число молекул из глубины жидкости переходит на поверхность. Этот процесс переноса молекул из равновесного состояния в особое состояние молекул поверхностного слоя требует затраты внешней работы. Работа увеличения площади поверхности переходит в потенциальную энергию молекул поверхностного слоя – поверхностную энергию. Поверхностная энергия, отнесенная к единице поверхности, получила название поверхностного натяжения.


(1.1)

где - поверхностное натяжение, F – поверхностная энергия, S – площадь поверхности, выражается в Дж/м2 или Н/м.

Поверхностное натяжение у различных жидкостей неодинаково и особенно велико у воды (7,3 *10-2 Н/м)

Поверхностное натяжение можно вычислить, зная массу капли жидкости в момент отрыва её от капилляра по уравнению:


(1.2)

где r – радиус капилляра, – поверхностное натяжение, g –ускорение свободного падения.

Массу капли находят по уравнению:
(1.3)

где n – число капель в объеме жидкости, вытекающей из капилляра, ρ- плотность жидкости.

Подставив значение массы в предыдущее уравнение, получим

(1.4)

Наиболее удобным и универсальным методом определения поверхностного натяжения является метод наибольшего давления пузырьков, которое измеряют с помощью прибора Ребиндера.

От поверхностного натяжения зависит способность жидкости смачивать поверхности твердых тел. Подъем жидкости в тонких капиллярах, так называемое капиллярное впитывание, играющее важную роль в таких процессах, как пропитка жидкостями пористых материалов, миграция влаги в почве, водоснабжение растений, также определяется поверхностным натяжением. Размер капель распыляемой жидкости и размер пузырьков газа, продуваемого через жидкость, связаны с поверхностным натяжением.

Вязкость жидкостей. Жидкости обладают свойством, известным под названием вязкости, проявляющейся в сопротивлении жидкости при перемещении одной её части относительно другой. Например, при перемешивании. Течение можно рассматривать как перемещение тонких слоев жидкости, движущихся параллельно друг другу. Слой жидкости, непосредственно прилегающий к твердой поверхности (например, к стенке капилляра) можно считать неподвижным. Чем дальше слой жидкости от твердой поверхности, тем скорость движения будет больше.

Единица измерения вязкости (пуаз)


(1.5)

Вязкость равная 1 Па*с соответствует вязкости такой жидкости, у которой при градиенте скорости 1 м/сек на 1 м сила трения между слоями площадью 1 м2 равна 1 Н. значение вязкости некоторых жидкостей приведены в таблице.

С повышением температуры увеличивается среднее расстояние между молекулами жидкости, ослабляется взаимное притяжение между ними и, следовательно, уменьшается сила трения между двигающимися слоями, т.е. вязкость жидкости уменьшается.

Вязкость является важной физико-химической характеристикой жидкостей. Её необходимо учитывать при различных технических расчетах, например, при определении расхода энергии на перемешивание жидкости, на перемещении её по трубопроводам и т.д.

Приборы для измерения вязкости жидкостей называются вискозиметрами. Широко распространены капиллярные вискозиметры, в которых вязкость определяется по времени вытекания определенного объема жидкости через капилляр.

Для расчета вязкости применяют формулу Пуазейле:


(1.6)
где r –размер капилляра, - его длина, V – объем вытекающей жидкости, Р – давление, под которым жидкость вытекает через капилляр, - время вытекания.

Вязкость можно определить и по скорости свободного падения в жидкости шарика известного объема и массы. В этом случае коэффициент вязкости вычисляют по уравнению Стокса:


, (1.7)

где r – радиус шарика, ρ и ρ0 – плотность шарика и жидкости соответственно, u – скорость падения шарика, g – ускорение свободного падения.




    1. Газообразное состояние

Газ – это однородная сильноразреженная система, состоящая отдельных молекул, далеко отстоящих друг от друга. Большинство газов при P = 1атм. И T = 300К могут рассматриваться в приближении к идеальным газам. Газы, вещества в агрегатном состоянии, характеризующемся слабым взаимодействием составляющих вещество частиц, в результате чего газы заполняют весь предоставленный им объем. Газы, как и нормальные (обычные) жидкости, макроскопически однородны при отсутствии внешних воздействий.


Свойства идеального газа:

- молекулы совершают беспорядочное непрерывное движение

-объем молекул газа пренебрежительно мал по сравнению с межмолекулярными расстояниями.

- между молекулами газа не существует сил притяжения и отталкивания.

Изолированная газовая система характеризуется четырьмя параметрами:

P- давление, V – объем, T- температура, n – количество вещества. Связь между ними описывается уравнением идеального газа (уравнение Менделеева- Клапейрона).


PV = nRT, (1.8)
где R универсальная газовая постоянная 8,314 Дж*К-1*моль-1

Свойства идеального газа рассматриваются следующими законами, названными законами идеального газа:



1 Закон Бойля-Мариотта (1662) –Закон количественного соотношения между объемом и давлением: объем газа обратно пропорционален его давлению (процесс изотермический).
Р1V1 = Р2V (1.9)
При постоянной температуре идеального газа произведение РV – величина постоянная.

2 Закон Шарля (1787 г) – изобарный закон. При постоянном давлении объем газа изменяется пропорционально его температуре.
(1.10)
Отношение объема к абсолютной температуре при постоянном давлении есть величина постоянная.
3 Закон Гей-Люссака (1802 г) – изохорный процесс – при постоянном объеме давление газа изменяется с температурой.

(1.11)
Отношение давления к абсолютной температуре при постоянном объеме есть величина постоянная.
4 Закон Авогадро (1811) – равные объемы всех газов при одинаковой температуре и давлении содержат одинаковое число молекул. Число молекул 1 моля любого газа – 6,02*1023 моль – постоянная Авогадро. Поскольку 1 моль любого газа при нормальных условиях занимает объем , равный 22,4 л/ моль, можно вычислить плотность газа (ρ) или (D)
(1.12)

(1.13)
М (Н2) = 2 г/моль , М (возд) 29 г/моль.
5 Закон парциального давления Дальтона (1801) – давление нескольких газов равно сумме парциальных давлений всех газов, составляющих смесь.
Р смеси = РА + РВ + РС + … Рn (1.14)

(1.15)



(1.16)


Объединенный газовый закон. Изучение эмпирических газовых законов (Р. Бойль, Ж. Гей-Люссак) постепенно привело к представлению об идеальном газе, поскольку обнаружилось, что давление данной массы любого газа при постоянной температуре обратно пропорционально объему, занимаемому этим газом, и термические коэффициенты давления и объема с высокой точностью совпадают для различных газов, составляя, по современным данным, 1/273 град–1. Придумав способ графического представления состояния газа в координатах «давление – объем», Б. Клапейрон получил объединенный газовый закон, связывающий все три параметра:

(1.17)

отсюда



PV = BT, (1.18)

где коэффициент В зависит от вида газа и его массы.

Только через сорок лет Д. И. Менделеев придал этому уравнению более простой вид, записав его не для массы, а для единицы количества вещества, т. е. 1 кмоля.

PV = RT, (1.19)
PV = nRT, (1.20),

отсюда,



(1.21)

где R универсальная газовая постоянная 8,314 Дж*К-1*моль-1

Физический смысл универсальной газовой постоянной. R – работа расширения 1 кмоля идеального газа при нагревании на один градус, если давление не меняется. Для того, чтобы понять физический смысл R, представим себе, что газ находится в сосуде при постоянном давлении, и мы повысим его температуру на ΔT, тогда

PV1 = RT1, (1.22)

и PV2 = RT2. (1.23)

Вычитая из (2.21) уравнение (2.22), получим

P(V2V1) = R(T2T1) (1.24)

Если правая часть уравнения равна единице, т. е. мы нагрели газ на один градус, тогда



R = PΔV (1.25)

Поскольку P = F/S, а ΔV равно площади сосуда S, умноженной на высоту подъема его поршня Δh, имеем



(1.26)

Очевидно, что справа получим выражение для работы, и это подтверждает физический смысл газовой постоянной.



6 Кинетическая теория газов. Очень плодотворным в середине XIX века оказалось представление о молекулярном строении вещества. Когда была принята гипотеза А. Авогадро о том, что в киломоле любого вещества содержится одно и то же количество структурных единиц: 6,02 x 1026 кмоля = 6,02 x 1023 моля, поскольку молярная масса воды M(H2O) = 18 кг/кмоль, следовательно, в 18 литрах воды находится столько же молекул, сколько в 22,4м3 водяного пара. Это позволяет легко понять, что расстояние между молекулами газообразной воды (пара) значительно больше, в среднем на один порядок, чем в жидкой воде. Можно предположить, что это выполняется для любого вещества. Считая, что в газах молекулы движутся хаотически, можно вывести так называемое основное уравнение кинетической теории:

(1.27)

где Na – 6,02 x 1026 кмоль = 6,02 x 1023 моль – число Авогадро; VM – молекулярный объем = 22,4 м3; m – масса одной молекулы; v – скорость молекулы.

Преобразуем уравнение (2.26):

, (1.28)

где Ek – энергия одной молекулы.

Видно, что справа стоит полная кинетическая энергия всех молекул. С другой стороны, сравнивая с уравнением Менделеева – Клапейрона, видим, что это произведение равно RT.

Это позволяет выразить среднюю кинетическую энергию молекулы газа:



(1.29)

где к = R / Na – постоянная Больцмана, равная 1,38*10–23 кДж/кмоль. Зная кинетическую энергию молекулы, можно рассчитать ее среднюю скорость





(1.30)

(1.31)

Около 1860 г. Д. К. Максвелл вывел функцию, описывающую распределение молекул газа по скоростям. Ни одна молекула газа не может сохранить постоянную скорость при каждом столкновении между двумя молекулами, кинетическая энергия их изменяется. Закономерность распределения частиц по скорости называется распределением Максвелла-Больцмана. Эта функция имеет на графике вид характерной кривой с максимумом около наиболее вероятной скорости примерно 500 м/с. Важно заметить, что существуют молекулы со скоростями, превышающими этот максимум. С другой стороны, уравнение (6) позволяет сделать вывод об увеличении доли молекул с большими скоростями при нагревании газа. Спустя почти 60 лет гениальная догадка Д. К. Максвелла была подтверждена в опытах О. Штерна.



Реальные газы. При рассмотрении реальных газов – газов, свойства которых зависят от взаимодействия молекул, надо учитывать силы межмолекулярного взаимодействия. Они проявляются на расстояниях ≤10-9 м. и быстро убывают при увеличении расстояния между молекулами. Такие силы называются короткодействующими. В ХХ в., по мере развития и представлений о строении атома и квантовой механики, было выяснено, что между молекулами вещества одновременно действуют силы притяжения и силы отталкивания. Силы отталкивания считаются положительными, а силы взаимного притяжения – отрицательными. Силы притяжения, проявляющиеся на расстояниях r между центрами молекул порядка 10-7 см, называются ван-дер-ваальсовыми силами.

Различают три вида ван-дер-ваальсовых сил.



Ориентационные силы между двумя молекулами, обладающими постоянными дипольными моментами. Они стремятся расположить молекулы упорядоченно так, чтобы векторы дипольных моментов ориентировались вдоль одной прямой. Этому препятствует тепловое движение молекул.

Индукционные силы, возникающие между молекулами, обладающими высокой поляризуемостью. Если молекулы достаточно сближены, то под действием электрического поля одной из них в другой возникает индуцированный дипольный момент.

Дисперсионные силы возникают в результате возбуждения колебаний электронов в молекуле (атоме) под влиянием колебаний электронов в другой молекуле (атоме).

Поведение реальных газов отклоняется от идеальных, так как их молекулы имеют конечный объем и при столкновении молекул газа возникают силы притяжения, при этом образуются ассоциаты, которые могут переходить в пар.

При повышении плотности изменяются свойства газов, они перестают быть идеальными. Уравнение состояния оказывается неприменимым, т. к. средние расстояния между молекулами газа становятся сравнимыми с радиусом межмолекулярного взаимодействия. Для описания термодинамических свойств неидеальных, или, как их чаще называют, реальных, газов пользуются различными уравнениями состояния, имеющими более или менее строгое теоретическое обоснование. Простейшим примером уравнения, которое качественно правильно описывает основные отличия реального газа от идеального, служит уравнение Ван-дер-Ваальса. Оно учитывает, с одной стороны, существование сил притяжения между молекулами (их действие приводит к уменьшению давления газа), с другой стороны — сил отталкивания, препятствующих безграничному сжатию газов.


Каталог: UMP -> %D0%A3%D0%9C%D0%9F%20%D0%BA%D0%B0%D1%84%D0%B5%D0%B4%D1%80%D0%B0%20%D0%91%D0%B8%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D0%B8
UMP -> Федеральное бюю медико-социальной экспертизы
UMP -> Курс лекций Для студентов, обучающихся по специальности 080109. 65 «Бухгалтерский учет, анализ и аудит»
%D0%A3%D0%9C%D0%9F%20%D0%BA%D0%B0%D1%84%D0%B5%D0%B4%D1%80%D0%B0%20%D0%91%D0%B8%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D0%B8 -> Конспект лекций предназначен для преподавания дисциплины
UMP -> I. Основные группы кабельно-проводниковой продукции. Кабели силовые с пластмассовой изоляцией на номинальное напряжение 0,66; 1 и 3 кВ
UMP -> Методическая разработка к практическому занятию по учебной дисциплине «Деловой иностранный язык» (английский) для студентов 1 курса
UMP -> Сборник практических заданий и упражнений
UMP -> Учебно-методическое пособие по дисциплине «Международная экономика и внешнеэкономическая деятельность» Минск 2014 (076. 5)


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   23


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница