Коллоидная химия методическое пособие

Методическое пособие Тема: Изучение коллоидных растворов

Коллоидное состояние характерно для многих веществ, если их частицы имеют размер от 10ˉ 7 до 10ˉ 5 см. Суммарная их поверхность огромна, и она обладает поверхностной энергией, за счет которой может адсорбировать частицы из раствора. Образующаяся коллоидная частица называется мицеллой. Она имеет сложное строение и состоит из ядра, адсорбированных ионов, противоионов.

Если растворитель взаимодействует с ядром частицы, то образуются лиофильные коллоиды, если не взаимодействует – то лиофобные коллоиды.

Обычно считают, что основателем коллоидной химии является английский ученый Томас Грэм(1805-1869), который в 50-60-е годы позапрошлого столетия ввел в обращение основные коллоидно-химические понятия. Однако не следует забывать, что у него имелись предшественники, и прежде всего – Яков Берцелиус, итальянский химик Франческо Сельми. В 30-е годы XIX века Берцелиус описал ряд осадков, проходящих при промывании через фильтр (кремниевая и ванадиевая кислоты, хлористое серебро, берлинская лазурь и др.). Эти проходящие через фильтр осадки Берцелиус назвал «растворами», но в то же время он указал на их близкое сродство с эмульсиями и суспензиями, со свойствами которых он был хорошо знаком. Франческо Сельми в 50-е годы XIX века продолжил работы в этом направлении, ища физико-химические различия между системами, образованными осадками, проходящими через фильтр (он назвал их «псевдорастворами») и обычными истинными растворами.

Английский ученый Майкл Фарадей (*) в 1857 г. синтезировал коллоидные растворы золота – взвесь Au в воде размерами частиц от 1 до 10 нм. и разработал методы их стабилизации.

Эти «псевдорастворы» рассеивают свет, растворенные в них вещества выпадают в осадок при добавлении небольших количеств солей, переход вещества в раствор и осаждение из него не сопровождаются изменением температуры и объема системы, что обычно наблюдается при растворении кристаллических веществ.

Томас Грэм развил эти представления о различии между «псевдорастворами» и истинными растворами и ввел понятие «коллоид». Грэм обнаружил, что вещества, способные к образованию студнеобразных аморфных осадков, такие как гидроокись алюминия, альбумин, желатина, диффундируют в воде с малой скоростью по сравнению с кристаллическими веществами (NaCl, сахароза). В то же время кристаллические вещества легко проходят в растворе через пергаментные оболочки («диализируют»), а студнеобразные вещества не проходят через эти оболочки. Принимая клей за типичный представитель студнеобразных не диффундирующих и не диализирующих веществ, Грэм дал им общее название «коллоид», т.е. клееобразный (от греческого слова колла – клей). Кристаллические вещества и вещества, хороши диффундирующие и диализирующие он назвал «кристаллоидами».

Мицелла и её строение

Коллоидная частица представляет собой ядро из малорастворимого вещества коллоидной дисперсности, на поверхности которого адсорбируются ионы электролита раствора. Ионы электролита обеспечивают устойчивость золя, поэтому данный электролит называют ионным стабилизатором. Значит, коллоидная частица представляет собой комплекс, состоящий из ядра, вместе с адсорбционным слоем противоионов. Агрегат частицы или ядро представляет собой вещество кристаллического строения, состоящий из сотен или тысячи атомов, ионов или молекул, окружённый ионами. Ядро вместе с адсорбированными ионами называется гранулой. Так гранула имеет определённый заряд. Вокруг неё собираются противоположно заряженные ионы, придающие ей в целом электронейтральность. Вся система, состоящая из гранулы и окружающих её ионов называется мицеллой и является электронейтральной. Жидкая фаза, окружающая мицеллу, называется интермицелярной жидкостью. Это можно представить в виде следующей краткой схемы:

гранула, т.е. коллоидная частица = ядро + адсорбционный слой + противоионный слой + диффузный слой

мицелла = гранула + противоионы

золь = мицеллы + интермицеллярная жидкость.

Рассмотрим в качестве примера золь As2S3 (рис 7). Для получения данного золя на мышьяковую кислоту нужно подействовать сероводородом. Протекающую реакцию можно написать следующим образом:

Избыток H2S в данной системе играет роль ионного стабилизатора. H2S частично диссоциирует на ионы:

Из этих ионов HS — ионы адсорбируются на поверхности ядра мицеллы As2S3, поэтому в этой системе:

<[ As2S3 ]n, m HS — ,(m-x) Н + > — x Н + — мицелла
Ядра мицелл имеют кристаллическое строение. Процесс образования коллоидных частиц был подробно исследован В.А. Каргиным и З.Я. Берестневой в 1953 году при помощи электронного микроскопа и создана новая теория. Согласно этой теории механизм образования коллоидной частицы происходит в два этапа: сначала образуются шарообразные частицы, находящиеся в аморфном состоянии, в дальнейшем же внутри аморфных частиц возникают мелкие кристаллы. Благодаря возникновению кристаллических структур внутри аморфных частиц создаётся напряжение и согласно минимуму внутренней энергии системы при соблюдении условий (∆Н |Т∆S|, ∆G ( через коллоидный раствор пропускать пучок сходящихся лучей, поставив между источником света и кюветой с раствором линзу. При этом растворы, прозрачные в проходящем свете, в боковом освещении проявляют все свойства мутных сред. В коллоидной жидкости, наблюдаемой сбоку, образуется яркий светящийся конус (конус Тиндаля).

  • медленная диффузия
  • малое осмотическое давление
  • коллоидные растворы способны к диализу, т.е. с помощью мембраны могут быть отделены от примесей
  • способны к коагуляции (разрушению) системы при: добавлении примесей, изменении Т, перемешивании и т.д.
  • иногда обнаруживают явление электрофореза, т.е. частицы в системе могут обладать зарядом.

Устойчивость коллоидных растворов

Различают кинетическую и агрегатную устойчивость коллоидных систем. Кинетическая устойчивость связана со способностью частиц дисперсной фазы к самопроизвольному тепловому движению в растворе, которое известно под названием броуновского движения. Такое хаотичное движение частиц препятствует их соединению. Обычно коллоидные растворы кинетически устойчивы, и разрушение их наступает только после того, как нарушается агрегатная устойчивость раствора.

Агрегатная устойчивость обусловлена тем, что на поверхности коллоидных частиц имеет место адсорбции ионов (молекул) из окружающей среды.

Вещество, адсорбирующееся на ядрах частиц и повышающее устойчивость коллоидных растворов, называется стабилизатором. При ионном стабилизаторе вокруг ядер мицелл возникают двойные электрические слои, затрудняющие их объединение. При молекулярном стабилизаторе на адсорбированных молекулах за счет межмолекулярных сил взаимодействия возникают сольватные оболочки (слои) из молекул дисперсионной среды, мешающие объединению частиц.

Разрушение коллоидных растворов

Процесс укрупнения коллоидных частиц, приводящий к уменьшению степени дисперсности диспергированного вещества, называется коагуляцией. Коагуляция, или слипание частиц, приводит к осаждению (седиментации) крупных агрегатов в виде осадка.

Снижение устойчивости коллоидных систем вызывают введением электролитов, которые изменяют структуру диффузного слоя ионов. Причем коагулирующим действием в электролите обладают только те ионы, (коагуляторы), которые несут заряд, по закону одноименной с зарядом противоиона коллоидной частицы. Коагулирующее действие иона коагулятора тем больше, чем больше его заряд.

Коагуляция – самопроизвольный процесс, возникающий из-за стремления системы перейти в состояние с более низкой поверхностной энергией и более низким значением изобарного потенциала. Процесс седиментации скоагулированного вещества также протекает самопроизвольно. Коагуляция может быть обусловлена различными причинами, наиболее эффективно действие электролитов. Минимальная концентрация электролита в растворе, вызывающая коагуляцию, называется порогом коагуляции. Коагуляция также возникает при смещении двух золей с различными знаками зарядов частиц. Это явление называется взаимной коагуляцией.

Способ очистки коллоидных растворов

При получении коллоидных систем в их составе кроме дисперсной фазы в большом количестве присутствуют кислоты, основания и соли. Для обеспечения устойчивости коллоидного раствора должно содержатся некоторое количество электролита в растворе, однако лишнее количество электролита следует удалить. Удаление лишнего количества электролита из коллоидного раствора называется очисткой коллоидного раствора от электролита. При очистке коллоидных растворов используются методы диализа, ультрафильтрации, электродиализа.

Особенность диализа состоит в том, что коллоидный раствор и присутствующие в нём электролиты отделяются от чистого растворителя (воды) при помощи полупроницаемой мембраны (рис. 4). Молекулы и ионы, способные проходить через такую мембрану будут переходить в раствор, пока не установится равновесие между концентрациями молекул и ионов по обе стороны мембраны. Периодически меняя растворитель можно до определённой степени очистить золь от примесей. Для диализа обычно используют плёнки из коллодия, также перегородки, изготовленные из ацетилцеллюлозы, целлофана и других материалов. Наряду с этим используются и природные плёнки, например, стенки мочевого пузыря.

В сосуд, затянутый мембраной (В) наливают коллоидный раствор (А), после чего он погружается в сосуд, наполненный чистой водой (С). Вода в наружном сосуде перио-дически меняется, т.е. используется проточный диализатор с непрерывной сменой воды. Стенки мочевого пузыря или других мембран имеют очень мелкие отверстия (диаметр их 20-30 мкм). Сквозь эти отверстия могут проходить молекулы или ионы, но не коллоидные частицы. Электролиты, содержащиеся в золе диффундируя в воду, вымываются из коллоидного раствора через мембрану. Сменяя воду можно очистить до определённой степени коллоидный раствор.

При электродиализе диализ ускоряется действием электрического тока. Между двумя мембранами М1 и М2 помещают коллоидный раствор, который нужно очистить от электролитов (рис. 5). В боковых частях сосуда, в которых непрерывно пропускается чистая вода (растворитель), находятся электроды. При пропускании электрического тока, положительно заряженные ионы направляются к катоду, а отрицательно заряженные к аноду. Ионы электролита, пройдя через мембрану, собираются в той части сосуда, где установлены электроды. Очищенный золь остаётся в средней части сосуда между двумя мембранами. Этот метод используется в основном при очистке органических коллоидов. В промышленности он широко применяется для получения в чистом виде желатина, клея.

Коллоидные растворы можно очистить путём фильтрации их через полупроницаемые мембраны. Ультрафильтр состоит из воронки Бюхнера (1), мембраны (2), колбы Бюнзена (3) и насоса (4) (рис .6). Для ускорения ультрафильтрацию проводят под давлением. Используя определённую мембрану можно очистить фильтрацией коллоидный раствор от электролита, а также золи друг от друга. Для этого диаметры отверстия мембраны должны быть крупнее частиц одного золя, и меньше частиц другого золя.

Использование в медицине

В медицине коллоидные растворы применяются повсеместно. Вот несколько примеров их использования. Коллоидное серебро, представляющее собой мелкие частицы металла, диспергированные в воде, применяется при лечении ожогов, язвенных болезней желудка и двенадцатиперстной кишки, для промывания слизистой носа в целях предотвращения распространения вирусных инфекций.

Фармацевтическая промышленность предлагает большой выбор коллоидных растворов для различных целей. Среди них встречают универсальные средства, которые можно применять как ранозаживляющие при ожогах, геморрое; противовоспалительные – при насморке, ангине, гайморите; анальгетики – для снятия зубной боли и не только. К таковым относится коллоидный раствор «Миллениум». В состав геля входит алоэ, белок пшеницы, женьшень, витамин Е и прочие полезные добавки. Многие фармацевтические средства для наружного применения на самом деле являют собой коллоидный раствор. Для суставов, например, используется «Артро Комплекс», содержащий такой полезный компонент, как акулий хрящ.

Применение в быту и промышленности

Коллоидные растворы составляют основу моющих и чистящих ПАВов. Загрязнения проникают внутрь мицеллы и таким образом удаляются с поверхности.

Другой важный аспект применения мицеллообразующих ПАВов – производство полимеров, в частности латексов, поливинилового спирта, клеев растительного происхождения. Различные пластмассы, кожзаменители получены на основе эмульсии. ПАВы применяются также при очистке сточных вод и питьевой воды.

Преимущества косметики на основе коллоидных растворов заключаются в проникновении действующих веществ через кожные покровы человека и структуру волос. Такие средства эффективно используются против старения. К ним относится, в частности, гель «Миллениум Нео». Коллоидный раствор помогает содержащимся в нем компонентам достичь глубоких слоев кожи, минуя эпидермис.

Литература:

  1. Пустовалова Л.М., Никанорова И.Е. Общая химия. – Ростов н/Д: Феникс, 2006. – 478 с.
  2. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. – М.: Высшая школа, 2003. – 527 с.
  3. Евстратова К.И., Купина Н.А., Малахова Е.Е. Физическая и коллоидная химия. – М.: Высшая школа, 1990. – 487 с.
  4. Болдырев А.И. Демонстрационные опыты по физической и коллоидной химии. – М.: Высшая школа, 1976. – 256 с.
  5. Какие системы называются дисперсными?

    Чем отличаются истинные растворы, коллоидные и грубодисперсные системы?

    Назовите и охарактеризуйте методы получения дисперсных систем.

    Что такое пептизация? Каковы виды пептизации?

    Что такое химическая и физическая конденсация? Какие условия должны соблюдаться при получении золя методом химической конденсации?

    Какие оптические свойства характерны для коллоидных систем7

    Чем вызвана необходимость очистки коллоидных систем? Что такое диализ и ультрафильтрация? На каких явлениях основаны эти методы?

    Какие мембраны называют электрохимически активными? Что значит катодная и анодная мембрана?

    Какие виды устойчивости характерны для гидрофобных золей? Какими факторами обусловлены различные виды устойчивости?

    Что такое коагуляция? Какие факторы могут ее вызвать? Что называют порогом коагуляции и как он зависит от заряда иона-коагулятора?

  6. К водному раствору медленно прилили избыток водного раствора . Образовался коллоидный раствор. Составьте схему мицеллы, укажите заряд коллоидной частицы (гранулы) и ионы, которые при добавлении в раствор, могут вызывать коагуляцию.
  7. К водному раствору медленно прилили раствор соляной кислоты. Образовался коллоидный раствор. Составьте схему мицеллы, укажите заряд гранулы и ионы, которые при добавлении в раствор могут вызывать коагуляцию.
  8. К водному раствору BaCl2 медленно прилили избыток водного раствора . Образовался коллоидный раствор. Составьте схему мицеллы, укажите заряд гранулы и ионы, которые при добавлении в раствор могут вызывать коагуляцию.
  9. Тест по теме: «Дисперсные системы»

    Рассмотрите рисунок, изображающий дисперсную систему. Назовите ее основные компоненты:

    Распределите дисперсные системы на отдельные группы в зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды: жидкие среды организма, песчаные бури, воздух, попутный газ с капельками нефти, крем, пены, цветные стекла, текстильные ткани, шипучие напитки, медицинские и косметические средства, пористый шоколад, молоко, кирпич и керамика, природный газ, влажная почва, горные породы, строительные растворы, пасты, смог, порошки, нефть, пыль в воздухе, гели, дымы, сплавы, туман, золи.

    Г – газообразное вещество; Ж – жидкое вещество; Т – твердое вещество

    Сходство суспензий и эмульсий заключается в том, что:

    1. это гетерогенные системы
    2. частицы видны не вооруженным глазом
    3. они легко осаждаются
    4. все ответы верны
    5. 5.

      Дисперсной фазой керамических изделий является:

      1) твердое вещество

      4) зависит от вида керамического изделия

      К эмульсиям относится:

      3) цветное стекло

      4) текстильные ткани

      Дисперсная фаза шипучих напитков:

      3) углекислый газ

      Укажите рисунок, иллюстрирующий эффект Тиндаля в коллоидном и истинном растворах:

      2) пылевое облако

      3) лак для волос

      4) все ответы верны

      Хроматография – это:

      1. способ разделения неоднородных смесей
      2. вид дисперсной системы
      3. дисперсионная среда
      4. способ разделения однородных смесей
      5. 13.

        Эмульсия — это система, образованная:

        1) твердым веществом и газом

        2) двумя различными жидкостями

        3) жидкостью и газом

        4) жидкостью и твердым веществом

        Установите соответствие между примерами дисперсных систем и их названием:

        3) коллоидный раствор

        Г) раствор сахара

        по теме: «Дисперсные системы»

        1 — дисперсная фаза; 2 — дисперсионная среда

        Методические указания и контрольные задания по дисциплине Физическая и коллоидная химия для студентов специальности 240505 (2511)

        Текст работы

        Федеральное агентство по образованию
        ФГОУ СПО «Каменский химико-механический техникум»
        (ФГОУ СПО «КХМТ»)
        Методические указания и контрольные задания
        по дисциплине
        Физическая и коллоидная химия

        для студентов специальности 240505 (2511)
        «Технология высокомолекуллярных и высокоэффективных
        соединений и устройств» ,
        заочное отделение

        2009 г.
        Цели и задачи дисциплины.

        Физическая и коллоидная химия является одним их важнейших разделов химии.
        Курс «Физическая и коллоидная химия» ставит своей целью дать студентам знания основных термодинамических и физико-химических закономерностей протекания химических процессов, способов управления ими в производственных условиях.
        В данных методических указаниях раскрывается рекомендуемая последовательность изучения курса, а также показывается распределение учебного времени между темами дисциплины.
        Программа состоит из двух разделов «Физическая химия» и «Коллоидная химия». В первый раздел входят следующие темы «Агрегатное состояние вещества», «Химическая термодинамика», «Химическая кинетика», «Катализ», «Фазовое равновесие», «Растворы», «Электрохимия».
        В теме «Химическая термодинамика» студенты знакомятся детально с современными методами расчета термодинамических свойств веществ и химического равновесия. С помощью термодинамических расчетов оценивается возможность, направление и пределы самопроизвольного течения процессов в заданных условиях.
        В разделе химической кинетики вскрывается механизм реакций, что дает возможность управлять ими. Большое внимание при изложении материала по кинетике уделяется факторам, влияющим на скорость химических реакций. Подробно рассматриваются гомогенные и гетерогенные реакции, каталитические процессы, учитывается их использование в технологии.
        Термодинамические, кинетические расчеты используются в теоретических основах химической технологии для описания технологических процессов.
        Второй раздел рабочей программы «Коллоидная химия» включает изучение химии поверхностных явлений и дисперсных систем. Это направление химии открывает широкие возможности для развития современных технологий.
        Лабораторный практикум знакомит с методами и приборами физико-химических исследований, с методикой выполнения необходимых расчетов, обоснованием определенных закономерностей, дает навык научно-исследовательской работы в целом.
        Программой курса предусмотрены практические занятия, в рамках которых студенты выполняют работы по решению задач.
        Содержание курса физической химии строится на базе знаний по химии, физики и математики в объеме учебной программы техникума по данной специальности.
        Требования к уровню освоения содержания дисциплины.

        Государственный образовательный стандарт профессионального образования определяет определенные требования к минимуму содержания и уровню подготовки студентов. Так, в результате изучения «Физической и коллоидной химии» студенты должны:

        Коллоидная химия методическое пособие

        Физическая и коллоидная химия. Учебник под редакцией проф. А.П.Беляева

        Учебник с грифом ФИРО

        М: ГЭОТАР-МЕДИА, 2012, 750с

        А.П. Беляев А.М. Скворцов, В.И. Кучук, , И.Б. Дмитриева, Л.А. Бахолдина, А.С. Чухно, В.В. Гришин, Н.А. Купина, Е.Е. Малахова

        Физическая химия и коллоидная химия. Практикум под редакцией А.П. Беляева(

        Учебное пособие с грифом ФИРО

        М: ГЭОТАР-МЕДИА, 2012, 350с

        А.П. Беляев, А.С. Чухно, Л.А. Бахолдина, В.В. Гришин

        Физическая и коллоидная химия. Задачник. Методическое пособие под редакцией проф. А.П.Беляева

        СПб: СПХФА, 2013, 80с

        В.И. Кучук, И.Б. Дмитриева, К.И. Евстратова, А.М. Скворцов, Л.А. Бахолдина, Л.В. Шихеева

        Краткий лабораторный практикум по физической и коллоидной химии под общей редакцией А.П. Беляева

        3-е издание, исправленное и дополненное

        СПб: СПХФА, 2012, 103с

        А.П. Беляев, В.И. Кучук

        Физическая и коллоидная химия. Дополнения и изменения к учебнику «Физическая и коллоидная химия» под редакцией проф. Беляева А.П.

        СПХФА, СПб, 2012, 100с.

        А.С. Чухно, Л.А. Бахолдина, А.П. Беляев, В.В. Гришин,

        Сборник задач и контрольных вопросов по физической химии. Методическое пособие для самостоятельной работы студентов

        СПХФА, СПб, 2011, 87с.

        А.С. Чухно, Л.А. Бахолдина, В.В. Гришин, А.П. Беляев

        Сборник типовых заданий для подготовки к экзамену по физической химии в 2-х частях

        СПХФА, СПб, 2010, 42, 79с

        А.П. Беляев, А.М. Скворцов, В.И. Кучук, , И.Б. Дмитриева, Л.А. Бахолдина, А.С. Чухно, В.В. Гришин, Н.А. Купина, Е.Е. Малахова

        Физическая химия. Практикум под редакцией А.П. Беляева

        СПХФА, СПб, 2010, 240с

        А.М. Скворцов, А.П. Беляев, В.И. Кучук, Л.А. Бахолдина, И.Б. Дмитриева, А.С. Чухно, В.В. Гришин

        Лабораторный практикум по физической и коллоидной химии

        СПХФА, СПб, 2010.160с.

        А.С. Чухно, В.В Гришин, Л.А. Бахолдина, А.П. Беляев

        Типовые задания и контрольные вопросы по физической химии. Методическое пособие для самостоятельной работы студентов

        СПХФА, СПб, 2009, 113с

        А.М. Скворцов, Л.А. Бахолдина, В.И. Кучук, И.Б. Дмитриева, В.В. Гришин, А.П. Беляев *

        Лабораторный практикум по коллоидной химии (под редакцией А.М. Скворцова)

        СПХФА, СПб, 2009, 112с

        А.П. Беляев, К.И. Евстратова, А.С. Чухно, Л.В. Шихеева

        Учебное пособие по химической термодинамике (учебное пособие под ред. А.П. Беляева)

        Учебное пособие с грифом УМО

        СПХФА, СПб, 2009, 53с

        В.И. Кучук, И.Б. Дмитриева; К.И. Евстратова, Н.А.Купина, Е.Е. Малахова

        Методические рекомендации и контрольные задания по физической и коллоидной химии для студентов заочного обучения по специальности 060108, Фармация /под ред. В.И. Кучук

        Учебные издания

        Только что из печати

      6. Гатчин Ю.А., Сухостат В.В., Куракин А.С., Донецкая Ю.В.

        Теория информационной безопасности и методология защиты информации: Учебное пособие / Реценз.: Коробейников А.Г., д.т.н., проф. – 2-е изд., испр. и доп.

        Санкт-Петербург: Университет ИТМО, 2018. — 100 с. — 20 экз.

        Ланцева А.А., Иванов С.В.

        Дискретные математические модели: Учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ

        Болгова Е.В., Калюжная А.В., Ковальчук С.В.

        Производственная (научно-исследовательская) и производственная (преддипломная) практика студентов: организация и проведение: Учебно-методическое пособие

        Санкт-Петербург: Университет ИТМО, 2018. — 33 с. — экз.

        Муромцев Д.И., Шматков В.Н.

        Интернет Вещей: Введение в программирование на arduino: Учебное пособие

        Санкт-Петербург: Университет ИТМО, 2018. — 36 с. — экз.

        Баранов А.Ю., Соколова Е.В.

        Методические указания по выполнению выпускных квалификационных работ: учебно-методическое пособие

        Санкт-Петербург: Университет ИТМО, 2018. — 37 с. — экз.

        Рыков С.В., Кудрявцева И.В., Рыков С.А., Рыков В.А.

        Методы оптимизации в примерах в пакете MathCAD 15. Часть 4. Методы оптимизации. Тесты с ответами: Учебное пособие

        Санкт-Петербург: Университет ИТМО, 2018. — 85 с. — экз.

        Инструкция

        Руководство для авторов по созданию методического пособия

        стайт газеты «Университет ИТМО»

        Научные журналы

      7. «Научно- технический вестник»

      8. «Известия ВУЗов. Приборостроение»

      9. Научный журнал
        НИУ ИТМО
        «Наносистемы»

      10. Научный журнал
        НИУ ИТМО
        Серия «Холодильная техника и кондиционирование»

          Научный журнал
          НИУ ИТМО
          Серия «Экономика и экологический менеджмент»

          Научный журнал
          НИУ ИТМО
          Серия «Процессы и аппараты пищевых производств»

        • Научный журнал
          Вестник Международной
          академии холода

          Учебно-методическое пособие для проведения практических занятий и лабораторных работ по дисциплине «Физическая и коллоидная химия»

          КОМИТЕТ ПО НАУКЕ И ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

          САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИЗДАТЕЛЬСКО-ПОЛИГРАФИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ»

          (СПб ГБОУ СПО «ИПТ»)
          Утверждаю

          СПб ГБОУ СПО «ИПТ»

          Учебно-методическое пособие для проведения практических занятий и лабораторных работ по дисциплине «Физическая и коллоидная химия» для студентов специальности
          0.42. Полиграфическое производство базовая подготовка

          Санкт-Петербург, 2016 г.

          Раздел I «Общие физико-химические явления в полиграфических процессах»

          Тема 1. Строение вещества. Природа химической связи

          Практическая работа 1

          Характеристика атома элемента. Строение атома. Степени окисления

          Цель данной работы: закрепить знания и умения на теме «Строение атома, характеристика атома элемента. Степени окисления»

          Работа направлена на формирование следующих компетенций: ОК 1–9; ПК 1,1–1,6

          Формирование умений У1, позволяющих составлять электронные формулы атомов элементов, на основании которых делать прогнозы по свойствам элементов и их соединений.

          Инструкция по проведению занятия

          Учебная группа делится на подгруппы по 3 человека, куда входят студенты разного уровня по усвоению учебного материала. Для проведения контроля уровня знаний выбирается старший подгруппы. Практическая работа выполняется в тетрадях для практических и лабораторных работ по дисциплине и в конце занятия сдается на проверку.

          План работы

          1. Напоминание (тезисы лекций по теме «Строение атома»);
          2. Составление электронных схем строения атомов элементов;
          3. Самостоятельная работа по предложенным заданиям;
          4. Обсуждения темы по вопросам;
          5. Тестовая работа по теме;
          6. Домашнее задание.

          1. Напоминание. Повторение лекционного материала

          Студенты группы озвучивают тезисы темы, а затем записывают в тетрадь.

          1. Атом каждого химического элемента состоит из ядра, заряженного положительно и быстро движущихся на определенных расстояниях от него электронов — отрицательно заряженных частиц. Электроны обладают свойствами частиц и волн, могут находиться в любой части пр-ва вокруг ядра, а их заряд может рассматриваться как заряд электронного облака.
          2. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре атома равно порядковому номеру элемента в Периодической системе и равно числу электронов в атоме. Число нейтронов в ядре атома равно разности между относительной атомной массой химического элемента и числом протонов.
          3. При химических реакциях ядро остается неизменным. Изменения происходят лишь в строении электронной оболочки атома. От строения электронной оболочки в значительной степени зависит поведение химического элемента и его способность взаимодействовать с другими элементами. Электроны в атоме обладают разной энергией и размещаются на энергетических уровнях и подуровнях в соответствии с принципом Паули, правилом Хунда и правилом Клечковского.
          4. Принцип Паули: «В атоме не может быть двух электронов с одинаковым значением всех четырех квантовых чисел (n, l, m, s)».
          5. Число электронов на внешнем энергетическом уровне в атоме любого элемента не превышает 8. Правило Хунда: «В пределах подуровня электроны заполняют максимальное число орбиталей».
          6. Заполнение уровней и подуровней электронами происходит в соответствии с правилом Клечковского: «Заполнение уровней и подуровней электронами в атомах с увеличением порядкового номера элемента происходит последовательно с ростом суммы (n+1), а при равных значениях (n+1) следующий электрон поступает на подуровень с большим значением l.
          7. Атомы химического элемента не имеют строго определенных размеров, что обусловлено двойственной природой электронов. Свойства химических элементов зависят от их атомных радиусов. С увеличением атомного радиуса элемента ослабевает связь электронов внешнего уровня с ядром и наоборот. Так, с уменьшением атомных радиусов элементов в периоде и увеличением зарядов их ядер электроны внешнего уровня сильнее притягиваются к ядру, что приводит к ослаблению металлических свойств и появлению неметаллических. В группах сверху вниз по мере возрастания атомных радиусов элементов связь электронов внешнего уровня с ядром ослабевает, что обуславливает усиление металлических свойств.
          8. 2. Составление электронных схем строения атомов элементов. Характеристика элемента по электронному строению. Разбор 3–4 примеров с дополнительным объяснением на доске.

            1. Дать общую характеристику элемента с №33. Указать основные химические свойства.
            2. Ответ: As(мышьяк) — 4 период, V группа, главная подгруппа, порядковый номер — 33.

              Aр=75. Ядро состоит из 33 протонов и 42 нейтронов. 33 электрона расположены на 4 энергетических уровнях.
              Электронная формула: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 3
              5 электронов на внешнем уровне — элемент проявляет слабые неметаллические свойства.
              Высшая степень окисления +5, низшая -3.
              Высший оксид — As2O5, газообразное водородное соединение AsH3.
              Проявляет слабые окислительные и восстановительные свойства.

              1. Почему селен и хром, находясь в одном и том же периоде и в одной группе, обладают разными свойствами?
              2. Ответ: Электронные формулы атомов: селен – p – элемент; хром – d – элемент.

                +34Se 1s22s22p63s23p63d104s24p4 — неметаллические свойства

                +24Cr 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 1 — металлические свойства

                Атом хрома может отдать 1 электрон с внешнего уровня, но и 5d – электронов с предвнешнего уровня, приобретая при этом устойчивую электронную структуру 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 . Атом хрома не образует газообразных водородных соединений, а атом селена, обладая значительной электроотрицательностью 2,5, может образовывать водородное соединение.

                1. Исходя из учения о строении атома, объяснить, как изменяется окислительная способность у элементов главной подгруппы VII группы? Почему степень окисления у фтора -1, а у хлора и йода она в соединениях изменяется от -1 до +7?
                2. Ответ:

                  1. Электронные формулы галогенов:
                  2. +9F — 1s 2 2s 2 2p 5

                    +17Cl — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5

                    +35Br — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 5

                    +53I — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5p 5

                    Атомы этих элементов на внешнем уровне имеют по 7 элементов, способны в химических реакциях присоединять по 1 электрону и приобретать устойчивую электронную структуру благородных газов, т.е. выступать в качестве окислителей.

                    усиление электроотрицательности

                    1. Степень окисления F во всех соединениях -1, т.к. у атома F нет вакантных орбиталей.
                    2. Атом Cl

                      3s 2 3p 5 3d 0 — обычное состояние атома хлора,

                      степень окисления +1

                      3s 2 3p 4 3d 1 — 1 e возбужденное состояние; степень окисления +3

                      3s 2 3p 3 3d 2 — 2 e возбужденное состояние;

                      степень окисления +5

                      3s 2 3p 3 3d 3 — 3 e возбужденное состояние;

                      степень окисления +7

                      Для йода также известны четыре состояния:

                      5s 2 5p 5 — обычное состояние; степень окисления +1

                      5s 2 5p 4 5d 1 — 1 e возбужденное состояние; степень окисления +3

                      5s 2 5p 3 5d 2 — 2 e возбужденное состояние; степень окисления +5

                      5s 2 5p 3 5d 3 — 3 e возбужденное состояние; степень окисления +7

                      1. Для закрепления материала каждая группа выполняет по 5 примеров разного уровня сложности. Каждый член подгруппы работает самостоятельно, но при необходимости обращается за разъяснениями к студентам своей группы или к учителю.
                      2. Старший подгруппы (выбирается студентами или назначается учителем) оценивает правильность выполнения работы и дает оценку в баллах.

                        Наиболее сложные примеры проверяются на доске.

                        3. Основные задания

                        1. Назовите элементы, которым соответствуют следующие электронные формулы:
                        2. 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 ;

                          1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 ;

                          1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 1

                          К какому семейству относится каждый из этих элементов? Дать общую характеристику каждого элемента.

                          1. Определите, у какого элемента сильнее выражены металлические свойства:
                          2. Na или Cs

                            Напишите электронные формулы ионов:

                            Na + ; Cr + ; K + ; Cr 2+ ; Ag +

                            1. Составьте электронные формулы атомов элементов, расположенных в 3 периоде VI группе; в 4 периоде IV группе V ряду; 4 периоде IV группе IVряду; в 5 периоде VII группе VII ряду; К какому семейству относится каждый из этих элементов? Дать общую характеристику каждого элемента.
                            2. Какими химическими свойствами должен обладать элемент с №34? Выбрать из Периодической системы элемент аналог. Ответ подтвердить уравнениями химических реакций.
                            3. Назовите элементы по следующим данным:
                              • элемент 5 периода, высший оксид Э2О7, образует с водородом газообразное соединение НЭ;
                              • элемент 4 периода, высший оксид ЭО2, с водородом газообразного соединения не образует;
                              • элемент 4 периода, высший оксид ЭО, с водородом образует соединение ЭН2.
                              • Напишите электронные формулы атомов этих элементов.

                                Дополнительные задания

                                1. Среди приведенных ниже электронных формул указать невозможные и объяснить причину невозможности их реализации:
                                2. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины «химия»

                                  1. Коровин Н.В. Общая химия: Учебник для технических направлений и специальностей вузов. – 7-е изд., испр. – М.: Высшая школа, 2006. – 556[4] с.: ил, табл.– (Победитель конкурса учебников). – Библиогр.: с. 546. – Предм. указ.: с. 547-558. – ISBN (216 экз.)

                                  2. Гельфман М.И. Физическая химия: Уч. пособие. – Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2003. – с. ( 42 экз.).

                                  3. Ковалевич О.В. Коллоидная химия: Учебное пособие. – Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2003. – 96 с. (55 экз.).

                                  1. Чикин Е. В. Химия: Учебное пособие/ Федеральное агентство по образованию, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Кафедра радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга. – Томск: ТУСУР, 2005. – 190 с. (15 экз.).

                                  2. Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии: Учебное пособие для вузов; ред.: В. А. Рабинович, Х. М. Рубина. – Изд. стереотип. – М.: Интеграл-Пресс, 2002. – 240 с.: ил, табл.. – ISBN (43 экз.)

                                  3. Угай Я.А. Общая и неорганическая химия.- М.: Высшая школа, 2004. – 526 с.

                                  1989. – 463 с. (6 экз.)

                                  4. Денисов В.В., Дрововозова Т.И., Лозановская И.Н. и др. Химия. – М.- Ростов-

                                  на-Дону: Издателький центр «МарТ», 2003. – 460 с.

                                  5. Адамсон Б.И. и др. Задачи и упражнения по общей химии./ Под ред. Н.В.Коро-

                                  вина. – 2-е изд-е, испр. – М. – Высшая школа, 2003, 2004. – 253 с. (12 экз.)

                                  6. Глинка Н.Л. Общая химия. — М.: Химия, 1988.- 702 с. (216 экз.)

                                  7. Цитович И.К. Курс аналитической химии.- М.: Высшая школа, 1977.- 496 с.

                                  Microsoft Exel, CambridgeSoft ChemOffice, http://www.chemicsoft.ru

                                  Базы данных, информационно-справочные и поисковые системы:

                                  http//www.chemicsoft.ru – база данных по химии;

                                  Материально-техническое обеспечение дисциплины:

                                  1) оснащенная химическая лаборатория, необходимые для выполнения лабораторных работ приборы и оборудование: набор ареометров, технохимические весы с разновесами, водяная баня, электроплитка, термометры, калориметры), химическая посуда, реактивы;

                                  2) лекционная аудитория с мультимедийным оборудованием

                                  Раздел 1. Общая и неорганическая химия.

                                  Тема:Химия в системе естественных наук. Роль, значение химии в жизни человека.

                                  Задачи химии. Атомно-молекулярное учение (АМУ). Основные понятия химии.

                                  Вопросы: 1. Химия и материя. Наноструктурный уровень организации материи.

                                  2. Место химии в системе естественных наук, ее дифференциация и

                                  интеграция с физикой, электроникой и другими науками. Значение химии

                                  в познании природы, развитии техники и промышленного производства,

                                  охраны окружающей среды, в жизни человека.

                                  3. Этапы развития химии.

                                  4. АМУ, его постулаты и создатели.

                                  5. Основные понятия химии: вещество, химический элемент, элементарные

                                  частицы, атом, молекула, массы частиц: абсолютные и относительные,

                                  моль и молярные массы атома, молекулы; число Авогадро; Символ атома

                                  химического элемента, химическая формула, ее типы. Степень окисления

                                  (с.о.) и валентность (В), химические реакция и уравнение, схема реакции.

                                  Смотрите так же:

                                  • Федеральный закон статья 34 Федеральный закон от 01.05.2017 № 83-ФЗ РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЗАКОН О ВНЕСЕНИИ ИЗМЕНЕНИЙ В СТАТЬИ 30 И 34 ФЕДЕРАЛЬНОГО ЗАКОНА "О КОНТРАКТНОЙ СИСТЕМЕ В СФЕРЕ ЗАКУПОК ТОВАРОВ, РАБОТ, УСЛУГ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫХ И МУНИЦИПАЛЬНЫХ НУЖД" Принят […]
                                  • Правило клечковского химия пример Правило клечковского химия пример Решение. Значению главного квантового числа последнего энергетического уровня соответствует номер периода, следовательно, элемент находится в 4-м периоде. Сумма валентных электронов показывает номер группы, в которой […]
                                  • Задачи на тему сила упругости закон гука Урок физики по теме "Закон Гука – решение задач" В 1635 году родился Роберт Гук, английский физик, член Лондонского королевского общества, его секретарь. В 1660 году открыл закон упругости для твердых тел (закон Гука). В курсе 7 класса одной из сложных тем […]
                                  • П2 ст 30 закона ст 30 . Закон 400-ФЗ о Страховых Пенсиях 2018 В соответствии со статьей 36 Новый закон О Страховых пенсиях вступает в силу с 1 января 2015 года, за исключением частей 14 и 15 статьи 17, вступающих в силу с 1 января 2016 г. Обсуждение закона . Статья 30. […]
                                  • Приказ 453 от 08102014 Приказ Министерства сельского хозяйства РФ от 27 июля 2017 г. № 371 “О внесении изменений в правила рыболовства для Волжско-Каспийского рыбохозяйственного бассейна, утвержденные приказом Министерства сельского хозяйства Российской Федерации от 18 ноября 2014 […]
                                  • Нотариус часы работы до 2000 Нотариусы в Девяткино На этой странице вы найдете список всех нотариусов в районе Девяткино. Ближайший нотариус к станции метро Девяткино находятся либо в деревне Новое Девяткино, либо по адресу Токсовское шоссе, дом 46, либо около станции метро Гражданский […]
                                  • Работа гувернантки с проживанием без посредников Работа без посредников в Сфере обслуживания на RIA.com Опыт работы сборщиком корпусной мебели по индивидуальным заказам у клиента, наличие личного инструмента, чтение технической документации и чертежи; Г-Р свободный, З\П догов. Требуется домработница на […]
                                  • Патент на торговля запчастями Девять типичных ситуаций Разделы: Деятельность большинства ИП связана с розничной торговлей. Именно в этой сфере возникает множество типичных ситуаций и связанных с ними вопросов со стороны ИП. Рассмотрим основные. Ситуация 1. Особенности ведения бизнеса […]