Термодинамическая и кинетическая устойчивость веществ.

Термодинамическая устойчивость вещества является мерой возможности образования этого вещества или превращения его в другие вещества при определенных условиях, если система достигла равновесия. Кинетическая устойчивость вещества относится к скорости, с которой могут происходить превращения, ведущие к достижению равновесия.

Термодинамические факторы:

Электростатический фактор способствует созданию электростатических сил отталкивания, возрастающих при увеличении поверхностного потенциала частиц, и особенно ζ- потенциала.

Адсорбционно-сольватный фактор обусловлен уменьшением в результате сольватации поверхности частиц. Поверхность частиц при этом лифильна по своей природе или из-за адсорбции стабилизаторов-неэлектролитов. Такие системы могут быть агрегативно устойчивыми даже при отсутствии потенциала на поверхности частиц. Лиофилизовать лиофобные системы можно, адсорбировав на их поверхности молекулы, с которыми их среда взаимодействует. Это ПАВ, ВМС, и в случае эмульсий – тонкодисперсные порошки, смачиваемые средой. Адсорбция таких веществ сопровождается сольватацией и ориентацией молекул в согласии с полярностью контактирующих фаз (правило Ребиндера). Адсорбция ПАВ приводит к снижению поверхностной энергии Гиббса и тем самым - к повышению термодинамической устойчивости системы

Энтропийный факторособую роль играет в системах с частицами малых размеров, так как вследствие броуновского движения частицы дисперсной фазы равномерно распределяются по объёму системы. В результате повышается хаотичность системы (хаотичность её меньше, если частицы находятся в виде осадка на дне сосуда), как следствие, возрастает и её энтропия. Это приводит к увеличению термодинамической устойчивости системы, достигаемой за счёт снижения общей энергии Гиббса. Действительно, если в ходе какого-либо процесса DS > 0, то согласно уравнению DG = DH - TDS, такой процесс идет с уменьшением энергии Гиббса DG <0.

Кинетические факторы:

Структурно-механический фактор устойчивости возникает при адсорбции ПАВ и ВМС на поверхности частиц, которые приводят к образованию адсорбционных слоев, обладающих повышенными структурно-механическими свойствами. К таким веществам относятся: длинноцепочечные ПАВ, большинство ВМС, например, желатин, казеин, белки, мыла, смолы. Концентрируясь на поверхности частиц, они могут образовывать гелеобразную пленку. Эти адсорбционные слои являются как бы барьером на пути сближения частиц и их агрегации. Одновременное снижение поверхностного натяжения в этом случае приводит к тому, что этот фактор становится универсальным для стабилизации всех дисперсных систем.

Гидродинамический фактор устойчивости проявляется в сильновязких и плотных дисперсионных средах, в которых скорость движения частиц дисперсной фазы мала и их кинетической энергии недостаточно, чтобы преодолеть даже малый потенциальный барьер отталкивания.

50 (13) .Катализ ( гомогенный , гетерогенный , ферментативный). Ката́лиз (разрушение) — избирательное ускорение одного из возможных термодинамически разрешенных направлений химической реакции под действием катализатора(ов), который многократно вступает в промежуточное химическое взаимодействие с участниками реакции и восстанавливает свой химический состав после каждого цикла промежуточных химических взаимодействий. Явление катализа распространено в природе (большинство процессов, происходящих в живых организмах, являются каталитическими) и широко используется в технике (в нефтепереработке и нефтехимии, в производстве серной кислоты, аммиака, азотной кислоты и др.). Большая часть всех промышленных реакций — каталитические. Катализатор изменяет механизм реакции на энергетически более выгодный, то есть снижает энергию активации. Катализатор образует с молекулой одного из реагентов промежуточное соединение, в котором ослаблены химические связи. Это облегчает его реакцию со вторым реагентом. Важно отметить, что катализаторы ускоряют обратимые реакции как в прямом, так и в обратном направлениях. Поэтому они не смещают химическое равновесие. По влиянию на скорость реакции катализ многие источники делят на положительный (скорость реакции растет) и отрицательный (скорость реакции падает). В последнем случае происходит процесс ингибирования, который нельзя считать 'отрицательным катализом', поскольку ингибитор в ходе реакции расходуется. Катализ бывает гомогенным и гетерогенным (контактным). В гомогенном катализе катализатор состоит в той же фазе, что и реактивы реакции, в то время, как гетерогенные катализаторы отличаются фазой. Гомогенный .Примером гомогенного катализа является разложение пероксида водорода в присутствии ионов йода. Реакция протекает в две стадии: H₂О₂ + I → H₂О + IO; H₂О₂ + IO → H₂О + О₂ + I При гомогенном катализе действие катализатора связано с тем, что он вступает во взаимодействие с реагирующими веществами с образованием промежуточных соединений, это приводит к снижению энергии активации. Гетерогенный катализ. При гетерогенном катализе ускорение процесса обычно происходит на поверхности твердого тела — катализатора, поэтому активность катализатора зависит от величины и свойств его поверхности. На практике катализатор обычно наносят на твердый пористый носитель. Механизм гетерогенного катализа сложнее, чем у гомогенного. Механизм гетерогенного катализа включает пять стадий, причем все они обратимы. Диффузия реагирующих веществ к поверхности твердого вещества 1.Физическая адсорбция на активных центрах поверхности твердого вещества реагирующих молекул и затем хемосорбция их. 2.Химическая реакция между реагирующими молекулами 3.Десорбция продуктов с поверхности катализатора 4.Диффузия продукта с поверхности катализатора в общий поток . Примером гетерогенного катализа является окисление SO₂ в SO₃ на катализаторе V₂O₅ при производстве серной кислоты (контактный метод). Течение реакции именно на поверхности катализатора можно продемонстрировать на опыте, в котором пластинку из платины нагревают в пламени газовой горелки, затем пламя тушат и пускают на пластинку струю газа из горелки, при этом пластинка снова раскаляется докрасна — окисление метана происходит на поверхности металла

ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ (биокатализ), ускорение биохим. р-ций при участии белковых макромолекул, называемых ферментами (энзимами). Ф. к.- разновидность катализа, хотя термин "ферментация" (брожение )известен с давних времен, когда еще не было понятия хим. катализа. Ферментативный катализ играет огромную роль в жизнедеятельности организмов. Благодаря ферментам в организме при температуре 36-37⁰С быстро образуются все необходимые вещества. Так в пищеварительной системе благодаря ферментам (амилаза, мальтоза, пепсин, трипсин и др.) все питательные вещества - белки, жиры и углеводы превращаются в более простые продукты, легко усваиваемые организмом. Ферментативный катализ широко используется в пищевой . Здесь главную роль играют процессы брожения, в которых изменение химического состава происходит в результате жизнедеятельности тех или иных микроорганизмов - дрожжей, плесеней или соответствующих бактерий. Действующим началом в этих случаях являются различные ферменты, вырабатываемые этими микроорганизмами. Этиловый спирт получается из гексоз С₆Н₁₂О₆ с помощью ферментов, содержащихся в дрожжах. С помощью других микроорганизмов осуществляются уксуснокислое, молочнокислое, лимоннокислое и другие виды брожения. Благодаря ферментативному катализу получают такие ценные продукты, как ацетон и бутанол.

51 (14) .Растворы и смеси. Смесь — физико-химическая система, в состав которой входят два или несколько химических соединений (компонент) . Описывается составом смеси (качественным и количественным соотношением содержания компонентов).В смеси исходные вещества включены неизменными. При этом нередко исходные вещества становятся неузнаваемыми, потому что смесь обнаруживает другие физические свойства по сравнению с каждым изолированным исходным веществом. При смешивании не возникает, тем не менее, никакое новое вещество. Специфические качества смеси, например, плотность, температура кипения или цвет, зависят от соотношения компонентов смеси (массовое отношение). Смесь двух металлов, полученная путём смешивания их расплавов, называется сплавом. В другой связи говорят о конгломерате. Коллоидные растворы находятся посередине между гомогенными и гетерогенными смесями. В этих жидкостях примешаны твердые частички, каждая из которых состоит из небольшого числа молекул. Поэтому такая смесь ведёт себя как раствор.Если хотят разделить смесь на чистые вещества, то используют некоторые физические качества. Из этого получается выбор соответствующего разделительного метода. Различные виды смесей можно классифицировать в 2 группы: Гетерогенные смеси полностью не смешаны, так как чистые вещества существуют в ясно отграниченных фазах, то есть это многофазные материалы. Гомогенные смеси — это на молекулярном уровне смешанные чистые вещества, то есть однофазные материалы. Гомогенные смеси делятся по агрегатному состоянию на три группы: газовые смеси; растворы; твёрдые растворы. Гетерогенные смеси двух веществ можно разделить по агрегатным состояниям на следующие группы:

Мерой, указывающей доли веществ в смеси, является концентрация. Существуют различные методы разделения смесей. Для газов эти методы основаны на разнице в скоростях либо массах молекул веществ, входящих в смесь. 1. Основные способы выделения веществ из неоднородной (гетерогенной) смеси: отстаивание, фильтрование, действие магнитом 2. Основные способы выделения веществ из однородной (гомогенной) смеси: выпаривание, кристаллизация, дистилляция, хроматография.

Раство́р — гомогенная (однородная) смесь, состоящая из частиц растворённого вещества, растворителя и продуктов их взаимодействия. "Гомогенный" - значит, каждый из компонентов распределён в массе другого в виде своих частиц, то есть атомов, молекул или ионов.Раствор — однофазная система переменного, или гетерогенного, состава, состоящая из двух или более компонентов. Растворитель — компонент, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора. В случае же растворов, образующихся при смешении газа с газом, жидкости с жидкостью, твёрдого вещества с твёрдым, растворителем считается компонент, количество которого в растворе преобладает^. Образование того или иного типа раствора обусловливается интенсивностью межмолекулярного, межатомного, межионного или другого вида взаимодействия, то есть, теми же силами, которые определяют возникновение того или иного агрегатного состояния. Отличия: образование раствора зависит от характера и интенсивности взаимодействия частиц разных веществ. Химическое взаимодействие растворенного вещества с водой приводит к образованию соединений, которые называются гидратами.Их формулы выражают с помощью формул растворенного вещества и воды, соединённых знаком . В зависимости от цели для описания концентрации растворов используются разные физические величины. Ненасыщенный раствор — раствор, в котором концентрация растворенного вещества меньше. Насыщенный раствор — раствор, в котором растворённое вещество при данных условиях достигло максимальной концентрации и больше не растворяется. Пересыщенный раствор — раствор, содержащий при данных условиях больше растворённого вещества, чем в насыщенном растворе, избыток вещества легко выпадает в осадок. Концентрированный раствор — раствор с высоким содержанием растворённого вещества в противоположность разбавленному раствору, содержащему малое количество растворённого вещества Разбавленный раствор — раствор с низким содержанием растворённого вещества.

52 (15) . Физико-химическая природа растворов. Химическая и физическая теории растворов. Химические явления в процессе растворения были отмечены Д.М. Менделеевым: при растворении веществ выделялась или поглощалась теплота . были известны кристаллогидраты, которые выделялись из растворов. Суть химической теории Менделеева (1887г.) состоит в том, что при растворении многих веществ в воде их молекулы (или ионы) связываются с молекулами растворителя, образуя соединения (комплексы), называемые сольватами (от латинского solvere – растворять); этот процесс химического взаимодействия молекул (частиц) растворителя с частицами растворенного вещества называют сольватацией (в общем случае). В частном случае, если растворитель – вода, процесс называется гидратацией, а продукты взаимодействия – гидратами. Гидраты, как правило, нестойкие соединения, во многих случаях разлагающиеся уже при выпаривании растворов. Но иногда гидраты настолько прочны, что при выделении растворенного вещества из раствора вода входит в состав его кристаллов (кристаллогидраты). Химическая теория растворов принципиально отличается от физической теории, которая рассматривала растворитель как инертную среду и приравнивала растворы к простым механическим смесям. Физическая теория растворов развивалась главным образом трудами Вант-Гоффа, Рауля, Аррениуса. Растворение – физико-химический процесс.Современная теория растворов является синтезом химической (Менделеев) и физической (Вант-Гофф, Рауль, Аррениус) теории. В создании современной физико-химической теории растворов большую роль сыграли работы русских ученых И.А. Каблукова (изучал неводные растворы), Д.П. Коновалова, Н.А. Измайлова, К.П. Мищенко, О.Я. Самойлова и др. Растворение веществ сопровождается тепловым эффектом: или выделением, или поглощением теплоты – в зависимости от природы вещества. При растворении разрушается связь между молекулами (атомами, ионами) в растворяемом веществе и растворителе, что связано с затратой энергии(DH1>0). Одновременно протекает процесс возникновения новых связей между частицами вещества и растворителя (сольватация), он сопровождается выделением энергии (DH2<0). Общий же энергетический эффект растворения DHр=DH1+DH2 может быть как экзотермическим, так и эндотермическим в зависимости от соотношения количеств выделяемой и поглощаемой энергии.

Многокомпонентные системы; растворы.