Химическая термодинамика

Если соль образована слабой кислотой и сильным основанием, то в результате гидролиза в растворе образуются гидроксид-ионы и он приобретает  щелочную реакцию.

При гидролизе соли, образованной сильной кислотой и  слабым основанием, гидролизу подвергается катион соли; при этом в растворе возрастает концентрация ионов водорода, и он приобретает кислую реакцию.

При взаимодействии с водой соли, образованной слабой кислотой и слабым основанием, гидролизу  подвергаются как катион, так и  анион соли.

Если К_кисл≈К_осн, то катион и анион гидролизуются в равной степени и реакция раствора будет нейтральной; если К_кисл>К_осн, то катион соли гидролизуется в большей степени, чем анион, так что концентрация ионов Н⁺ в растворе будет больше концентрации гидроксид-ионов и реакция раствора будет слабокислой; если К_кисл<К_оосн, то гидролизу подвергается преимущественно анион соли и реакция раствора будет слабощелочной.

Степенью гидролиза  h называется доля электролита, подвергшаяся гидролизу. Она связана с константой гидролиза К_г уравнением, аналогичным закону разбавления Оствальда для диссоциации слабого электролита:

К_г=h²C_m/(1-h)

Гидролиз солей, образованных слабыми многоосновными кислотами, протекает ступенчато, при чем  продуктами первых стадий гидролиза  являются кислые соли. Так же ступенчато протекает гидролиз солей, образованных слабыми основаниями многовалентных металлов.

Если в раствор  гидролизующейся соли ввести реактив, связывающий образующие при гидролизе ионы Н⁺ и ОН^-, то в соответствии с принципом Ле Шателье равновесие сместится в сторону усиление гидролиза; в результате гидролиз может протекать полностью – до образования конечных продуктов.

Равновесие гидролиза  может быть смещено  изменением температуры. Поскольку обратный гидролизу процесс  – реакция нейтрализации –  протекает с выделением теплоты, то реакция гидролиза представляет собой эндотермический процесс. Поэтому повышение температуры  ведет к усилению гидролиза, а  понижение температуры – к  его ослаблению. 

Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения  гидролиза солей  MnCl₂,RbClO4 .

Задание 4

Коллоидное  состояние вещества – раздробленное состояние веществ с размером частиц от 400 – 300 нм до 1нм.

Дисперсные системы  являются гетерогенными. Они состоят  из сплошной непрерывной фазы –  дисперсионной среды и находящихся  в этой среде раздробленных частиц того или иного размера и формы  – дисперсной фазы.

Дисперсная фаза находится в виде отдельных небольших  частиц,а значит, что дисперсные системы,в отличии от гетерогенных со сплошными фазами, называют микрогетерогенными, а коллоиднодисперсные системы  называют так же ультрамикрогенными.

Степень дисперсности – количественная характеристика дисперсности.

D=

Частицы коллоидных размеров могут иметь различную  внутреннюю структуру. Существует 3 типа внутренней структуры первичных  частиц коллоидных растворов:

1. Суспензиоиды или необратимые коллоиды, лиофобные коллоиды.

Это коллоидные растворы металлов, их оксидов, гидроксидов, сульфидов  и других солей. Первичные частицы  дисперсной фазы коллоидных растворов  этих веществ по своей внутренней структуре  не отличаются от структуры  соответствующего компактного вещества и имеют молекулярную или ионную кристаллическую решетку. Суспензоиды – типичные гетерогенные высокодисперсные системы, свойства которых определяются очень сильно развитой межфазной поверхностью. Они не могут длительно существовать в отсутствие стабилизатора дисперсности. Чем выше дисперсность, тем больше свободная поверхностная энергия, тем больше склонность  к самопроизвольному уменьшению дисперсности. Поэтому для получения устойчивых коллоидных растворов необходимо не только достигнуть заданной дисперсности, но и создать условия для ее стабилизации. Устойчивые дисперсные системы состоят не менее чем из трех компонентов: дисперсионной среды, дисперсной фазы и стабилизатора дисперсной системы.

2. Ассоциативные или мицеллярные, коллоиды (полуколлоиды)

Коллоиднодисперсные частицы возникают при достаточной  концентрации дифильных молекул  низкомолекулярных веществ путем  их ассоциации в агрегаты молекул  – мицеллы – сферической или пластинчатой формы.

Молекулярный, истинный раствор↔ Мицеллярный коллоидный раствор (золь)

Мицеллы представляют собой скопление правильно расположенных  молекул, удерживаемых преимущественно  дисперсионными силами.

Образование мицелл характерно для водных растворов  моющих веществ и некоторых органических красителей с большими молекулами. В других средах, например в этиловом спирте, эти вещества растворяются с образованием молекулярных растворов.

3. Молекулярные  коллоиды или обратимые и лиофильные коллоиды

К ним относятся  природные и синтетические высокомолекулярные вещества с молекулярной массой от 10000 до нескольких миллионов. Молекулы этих веществ имеют размеры коллоидных частиц, поэтому такие молекулы называют макромолекулами.

Разбавленные растворы высокомолекулярных соединений – это  истинные, гомогенные растворы, которые  при предельном разведении подчиняются общим законам разбавленных растворов.

Для получения растворов  молекулярных коллоидов достаточно привести сухое вещество в контакт  с подходящим растворителем. Неполярные макромолекулы растворяются в углеводородах, а полярные – в полярных растворителях. Вещества этого типа назвали обратимыми коллоидами потому, что после выпаривания их растворов и добавления новой порции растворителя сухой остаток вновь переходит в раствор.

Растворение макромолекулярных  коллоидов проходит через стадию набухания. Молекулы растворителя проникают  в твердый полимер и раздвигают  макромолекулы. Из-за своего большого размера медленно диффундируют в раствор, что внешне проявляется в увеличении объема полимера. Набухание может быть неограниченным, когда конечным его результатом является переход полимера в раствор, и ограниченным,  если набухание не доходит до растворения полимера. Ограниченно набухают обычно полимеры с особой, «трехмерной» структурой. Растворы высокомолекулярных соединений имеют значительную вязкость.

Термин «коллоиды», что означает «клееподобные», возник в 1861 году, когда шотландский химик  Т.Грэм для разделения веществ применил диализ. Метод основан на неодинаковой способности компонентов растворов  к диффузии через тонкие пленки –  мембраны. Широко применяют для очистки  коллоидных растворов и растворов  высокомолекулярных соединений. 
 

Напишите  строение мицеллы золя гидроксида никеля, полученного при взаимодействии хлорида никеля с избытком гидрооксида натрия.

                                     Творческая часть.

Представить информацию об использовании  законов химии  в современном  мире.

Химия постоянно  развивается как наука. И не только в теоретическом аспекте. На нынешнем уровне развития человечества химические открытия приобрели огромное практическое значение в самых разных сферах человеческой деятельности. Именно поэтому инновации  в химической отрасли часто выступают  не изолированно, а соотносятся с  другими науками, другими областями  знаний и практическими сферами: физикой, биологией, экологией, утилизацией  отходов, альтернативной энергетикой. В этих областях открытия в химии  обычно реализуются, получают свое практическое применение.  
Моя работа включает в себя обзор наиболее интересных открытий в химической отрасли (выступающей в неразрывной связи с остальными) за 2004-2007 годы. Она дает некоторое представление о широком поле для исследований по химии для ученых мира, а также показаны, насколько важны инновации в этой области и насколько разнообразны сферы их применения. 
Найдена управа на пластиковую напасть. 
Химики из Российского химико-технологического университета имени Менделеева придумали, как перерабатывать смесь всевозможных пластмассовых бутылок, даже если они сделаны из разных полимеров. Куда деваются все те многочисленные бутылки, банки, контейнеры и другая полимерная тара, которые сегодня в избытке можно видеть в киосках, магазинах, да и на собственной кухне, которые люди используют и выбрасывают каждый день? Вопрос этот скорее экологической направленности - ведь ресурсы природы небезграничны. Сжигать или закапывать полимерную тару вредно, да и просто немыслимо - земли не хватит. Некоторые скептики утверждают, что день, когда российская земля будет представлять собой равномерную смесь почвы и пластиковых бутылок, отнюдь не далек. Перерабатывать же использованную тару весьма 
нелегко.

   Вот как  рассказывает об этом процессе  кандидат химических наук Станислав  Ермаков с факультета химической  технологии полимеров РХТУ им. Д.И. Менделеева: "Вначале тару  собирают и сортируют на полигоне, к примеру, возле Люберец. Потом  ее прессуют в тюки весом  в тонну и отправляют на  мельницу-дробилку. Полученную смесь  хлопьев вываливают в водяную  ванну - здесь смывают этикетки  и удаляют остатки клея. Затем  хлопья по возможности разделяют  на полимеры разных видов. Иные  полимерные фракции легче воды, они всплывают на поверхность  и таким образом отделяются  от более тяжелых полимеров.  Дальше - еще проще. На специальном  барабане хлопья смеси полимеров  фильтруют, высушивают, затаривают  в огромные мешки и отправляют  на склад. Теперь полимеры ждут  главные превращения - химическая  переработка в реакционном экструдере. А вот тут и возникает главная  проблема - как переработать смесь  разных полимеров. Дело в том, что полиэтилен, полиэфир, полиэтилентерефталат и другие полимеры, помещенные в реактор и нагретые до температуры их переработки, часто вызывают взаимное разложение друг друга. Здесь сказывается ограниченная совместимость полимеров разной химической природы". Для того чтобы избежать этих неприятных явлений, химики из университета и придумали делать органические добавки в смесь. Назначение такой спасительной добавки (это оксазолины карбоновых кислот) - подавлять разложение основной цепи или концов молекулы, равно как и сам по себе распад полимера, вызванный чрезмерным нагревом. Добавки могут быть разными - в зависимости от того, какие полимеры нужно переработать и до какой температуры их требуется нагреть в реакторе.  
- На выходе оказываются полимерные композиционные материалы, которые имеют повышенную механическую и ударную стойкость и почти не впитывают воду, - поясняет Станислав Ермаков. Поэтому из них можно делать корпуса фильтров, мембран, аппаратуры водоподготовки и другие изделия, которые работают при повышенных температуре и влажности. Сегодня мы работаем над созданием аппарата реакционной экструзии для переработки полимеров и их отходов независимо от состава и химической природы их компонентов. 
Российские ученые синтезировали новый наполнитель для резин и полимеров, так называемые квазикристаллы, в которых атомы железа, меди и алюминия расположены в строгом, но запрещенном для обычных кристаллов порядке. Исследовав свойства этих веществ, химики нашли для них область применения. Композиты на основе резин и полимеров с добавками этих соединений будут обладать, по мнению авторов, уникальными свойствами. С одной стороны, они исключительно твердые тверже самых твердых легированных сталей, 
почти как алмаз. А с другой - у них очень низкий коэффициент трения, чуть больше, чем у сверхскользкого фторопласта, и гораздо меньше, чем у любого металла. И химическая стой кость у них тоже очень высокая почти как у керамики. Квазикристаллические сплавы авторы предлагают получать методом так называем ого механо-химического синтеза в специальных мельницах, в которых порошки исходных металлов дробят с такой силой и до тех пор, пока металлы не перемешаются на атомарном уровне и не получится сплав. А чтобы закрепить успех, полученный порошок нужно еще отжечь прогреть некоторое время при высокой температуре. Данные материалы перспективные наполнители для различных резиновых и пластиковых уплотнителей. Материал будет служить дольше и сможет выдержать большие нагрузки. Износостойкость при этом может увеличиться в десятки раз. 
Вместо выхлопных газов - чистая вода. 
Альтернативная энергетика. Вместо громоздких газовых баллонов и привычных батареек - элементы питания, созданные с использованием нанотехнологий. Что стоит за этим термином, ставшим сверхпопулярным, продемонстрировали ученые из Института физической химии и электрохимии. Вместо выхлопных газов автомобилей - чистая вода. И это уже не фантастика, а всего лишь вопрос времени, говорят ученые. Экспериментальные машины с двигателями на водородном топливе уже не один год ездят по улицам. Но в серийное производство такие чудеса техники запускать нерентабельно. Газовые баллоны с водородом довольно громоздки и опасны - в случае повреждения могут взорваться.

 Решение предлагают  ученые Института физической  химии и электрохимии имени  Фрумкина. Они считают, что нужно  вырабатывать водород прямо в  двигателе. Технология очень проста. В специальную ёмкость подаётся  топливо, формулу которого ученые  уже разработали, и кислород. Когда  эти вещества соприкасаются со  специальным катализатором, образуется водород. В зависимости от размеров топливного элемента будет меняться и количество энергии. Её хватит даже для самого мощного авто.

"Сейчас новые  технологии нацелены на то, чтобы  не производить много отходов,  совершенно уходить от отходов,  работать на обратимых процессах,  не создавать те трудности,  которые есть сейчас в нашей  технике", - отметил Аслан Цивадзе,  директор Института физической  химии и электрохимии имени  А.Н. Фрумкина, академик РАН, профессор.  Сейчас процессы образования  водорода ученые тестируют в  лаборатории. В энерговодородных  картриджах для автомобилей и  других механизмов будет то  же самое, но только в миниатюре. "Создаваемые нами картриджи,  во-первых, будут портативными - размером  с мобильный телефон, или чуть-чуть  больше, могут быть использованы  как самостоятельные источники  водорода, или как топливный элемент  для источников тока", - рассказывает  Андрей Дорохов, сотрудник лаборатории  физико-химических проблем Института  физической химии и электрохимии  имени А.Н. Фрумкина. Самое главное  достижение московских ученых - катализатор,  благодаря которому образуется  водород. Его разработали с  применением нанотехнологий. Нужное  вещество буквально собрали по  атомам, как строители собирают  дом из кирпичей. Занимаются этим  молодые ученые и аспиранты.  Получаются новые приборы с  огромным потенциалом.Энергия в  них не уходит в воздух, скорее  из воздуха она и создается. "Перспективность топливных элементов  высока в силу того, что они  имеют высокий коэффициент полезного  действия", - говорит Алексей Кузов,  сотрудник лаборатории электрокатализа  и топливных элементов Института  физической химии и электрохимии  имени А.Н. Фрумкина. Подобным  образом, соединяя друг с другом  атомы, ученые института придумали,  как усовершенствовать литиевый  аккумулятор мобильного телефона. Ёмкость нового - в несколько раз  больше, чем у известных нам  аналогов. Нанотехнологии - наше будущее, говорят люди науки. С ними соглашаются - государство выделяет на развитие этой области немалые деньги, а крупные компании уже заключают контракты с учеными на перспективные разработки. 
Вместо топлива – соленая вода. 
Химики из Пенсильванского государственного университета (Pennsylvania State University) подтвердили, что инженеру Джону Канзиусу (John Kanzius) действительно удалось создать аппарат, позволяющий сжигать соленую воду. Доктор Растум Рой (Rustum Roy), известный специалист по наукам о материалах, высоко оценил изобретение Канзиуса и назвал его . В аппарате Канзиуса вода подвергается воздействию радиоволн, которые ослабляют связи между ее компонентами и высвобождают водород. При наличии искры водород воспламеняется и горит ровным пламенем, температура которого, как показывают эксперименты, может превышать 1600 градусов Цельсия. Канзиус подчеркивает, что процесс высвобождения водорода не является формой электролиза, имеет место другое явление. Воду не надо подвергать никакой специальной очистке, годится любая соленая вода (хотя разная соленость и разные дополнительно растворенные вещества влияют на температуру и окраску пламени), в том числе взятая непосредственно из моря. Если эксперименты подтвердят, что аппарат Канзиуса энергетически выгоден (получаемая энергия превышает энергию, затрачиваемую на генерацию радиоволн) и может использоваться для приведения в действие достаточно тяжелой техники, например, автомобилей, то это открывает большие перспективы перед топливной отраслью. Соленая вода доступна почти в любом регионе Земли практически в неограниченном количестве, для окружающей среды аппарат безвреден: отходом производства является опять же вода. Канзиус совершил свое открытие случайно. Шестидесятитрехлетний пенсионер стремился (и продолжает стремиться) найти альтернативу химиотерапии: способ  уничтожать раковые клетки при помощи радиоволн. Когда он показывал действие своего аппарата коллегам, кто-то заметил осадок на дне пробирки и посоветовал попытаться применить аппарат для опреснения воды. Канзиус последовал совету, и в ходе эксперимента вода неожиданно вспыхнула от случайной искры. Канзиус уже подал заявку на патент: использование соленой воды в качестве альтернативного топлива. 
Современная химия представлена множеством различных направлений развития знаний: