Q і w – абсолютні значення кількості теплоти і роботи, А не їх зміни, тому що теплота і Робота не є функціями стану і не можуть бути виражені у формі Δq і Δw.

 

 

 

ГАЛЯС В.Л.

КОЛОТНИЦЬКИЙ А.Г.

ФІЗИЧНА

І

КОЛОЇДНА ХІМІЯ

 

Рекомендовано Міністерством аграрної

політики України як підручник

 для студентів вищих навчальних закладів

 

Львів-2007

 

 

ББК 24.5я 73 + 24.6я 73

УДК 541.1+541.18(075.8)

 

Г 17

 

Галяс В.Л., Колотницький А.Г. Фізична і колоїдна хімія. – Львів, 2007. –234 с.

 

 

Підручник складається із двох частин: фізичної і колоїдної хімії. У частині фізичної хімії розглядаються питання термодинаміки, агрегатного стану речовин, розчини, електрохімія, хімічна кінетика, каталіз. Друга частина включає питання колоїдної хімії: адсорбція, колоїднодисперсні системи, розчини високомолекулярних сполук, грубодисперсні системи. Наведені контрольні запитання допомагають закріпити набуті знання.

Для студентів вищих навчальних закладів ІІІ-ІV рівнів акредитації за спеціальностями “Ветеринарна медицина” та “Технологія виробництва і переробки тваринницької продукції”.

 

 

Рекомендовано Міністерством аграрної політики України (протокол №18-128-13/1583 від 26.12.2006 р.)

 

 

Рецензенти:

Доктор сільськогосподарських наук, професор Цехмістренко С.І. (Білоцерківський державний аграрний університет)

Доктор хімічних наук, професор Ковальчук Є.П., кандидат хімічних наук, доцент Українець А.М. (Львівський національний університет імені Івана Франка)

        

 

ISBN                                      

 

                                                              © Галяс В.Л., Колотницький А.Г., 2007

 

П Е Р Е Д М О В А

Пропонований підручник з фізичної і колоїдної хімії призначений для студентів вищих навчальних закладів ІІІ-ІV рівнів акредитації за спеціальностями 7.130.501 – “Ветеринарна медицина” та 7.130.201 – “Технологія виробництва і переробки тваринницької продукції” і був апробований авторами – викладачами Львівської національної академії ветеринарної медицини імені С.З.Гжицького під час читання лекцій та проведення лабораторно-практичних занять. Разом з тим він може бути використаний як базовий при підготовці фахівців інших аграрних і природознавчих спеціальностей.

Автори прагнули якнайдоступніше викласти матеріал відповідно до всіх розділів. Особлива увага приділена значенню викладеного матеріалу для розуміння біохімічних процесів, що відбуваються в організмі. Кожен із описаних розділів є ілюстрований таблицями, графіками та схемами, що значно покращує засвоєння навчального матеріалу. Для більш глибокого засвоєння і розуміння різних фізико-хімічних закономірностей та їх біологічного значення приведено математичні доведення для більшості рівнянь. У кінці кожного розділу наведені питання для самоконтролю. Виклад матеріалу у підручнику відповідає рекомендаціям Національної комісії України з хімічної термінології та номенклатури IUPAC.

Автори висловлюють щиру вдячність кандидату сільськогосподарських наук Федцю О.М., старшому лаборанту Каві С.Й. за допомогу при підготовці підручника до видання, а також рецензентам доктору сільськогосподарських наук, професору Цехмістренко С.І., доктору хімічних наук, професору Ковальчуку Є.П. та кандидату хімічних наук, доценту Українцю А.М. за цінні зауваження та побажання.

 

В  С  Т  У  П

 

Фізична хімія – наука, яка вивчає взаємозв’язок між фізичними і хімічними явищами.

У даний час фізична хімія настільки глибоко проникла в органічну, загальну, аналітичну, біологічну хімію, що чітко визначити межі цієї науки неможливо.

Успіхи фізичної хімії дали методи, які підняли на значно вищий ступінь вивчення біохімічних процесів. Своїми досягненнями біохімія зобов’язана саме цим методам. Тому природно, що вивчення біохімії доцільно починати з основ фізичної і колоїдної хімії, яка, в свою чергу, є фізико-хімією дисперсних систем і поверхневих явищ.

Знання про живі організми досягли тепер такого рівня, на якому об’єктом біологічного дослідження поряд з клітиною стала молекула. Дослідження на молекулярному рівні (молекулярна біологія) призвели до того, що біологія все більше стикається з хімією. Особливо важливу роль у вивченні біологічних процесів відіграє фізична хімія.

Ймовірність, напрямленість і механізм перебігу біохімічних процесів можна визначити лише використовуючи основні положення та закони фізичної хімії. В основі всіх процесів життєдіяльності лежать різноманітні і часто дуже складні хімічні реакції. Біохімікам відомі деталі багатьох з них, а також взаємозв’язки між окремими реакціями. Однак існують проблеми, для вирішення яких необхідний фізико-хімічний підхід. Ці проблеми стосуються фізико-хімічної оцінки того, яким чином в певній живій системі окремі реакції зв’язуються у відповідні послідовності.

Використання законів і методів фізичної та колоїдної хімії в біології, медицині, ветеринарній медицині дало можливість дослідити складні реакції, процеси в органах і тканинах організму.

Застосування методу радіоактивних індикаторів дозволило вивчити процеси, що відбуваються в окремих органах, не порушуючи загальний стан тварини. У сучасних фізіологічних і біохімічних лабораторіях широко використовують методи фізико-хімічного аналізу, такі як електрометричні і колориметричні методи дослідження концентрації гідроген-йонів у тканинах і рідинах організму, визначення в’язкості і поверхневого натягу розчинів, електрофоретичне розділення білків на окремі фракції, ультрамікроскопія і електронна мікроскопія, та визначення активності окремих ферментів у нормі і при захворюваннях тварин.

 

ЧАСТИНА ПЕРША

ФІЗИЧНА ХІМІЯ

 

Розділ І

ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ І ЗАКОНИ ТЕРМОДИНАМІКИ. ТЕРМОХІМІЯ

§1. Поняття про хімічну термодинаміку.

Термодинаміка (від грецького therme i dynamis – теплота і сила) як дисципліна сформувалася на початку ХІХ ст. на основі даних про вивчення переходу теплоти в механічну роботу. Вона формує загальний підхід у характеристиці фізико-хімічних явищ і встановлює взаємозв’язок між різними видами енергії, вивчає можливість, направленість і межі спонтанних процесів. Розділ цієї науки, який вивчає хімічні реакції, фазові переходи (кристалізація, розчинення, випаровування), адсорбцію, взаємозв’язок хімічної та інших видів енергії, а також перехід енергії від однієї частини системи в іншу в різних хімічних процесах, називають хімічною термодинамікою. Вивчення природних явищ з позиції термодинаміки не вимагає знання причин і механізмів процесів, що відбуваються, та відомостей про будову речовини і т. п. Теоретичною базою цього розділу є основні закони термодинаміки.

Термодинаміка вивчає властивості різних систем і процеси, що проходять у них. Системою називають тіло, або групу тіл, фактично або уявно відділених від навколишнього середовища. Прикладами можуть бути реакційний посуд, гальванічний елемент або стан динамічної рівноваги між розчином якої-небудь речовини і парою та твердою фазою. Фізичні величини (температура, об’єм, тиск), які характеризують стан системи, називаються термодинамічними параметрами. Зміну будь-якого з них називають термодинамічним процесом, який може відбуватися в ізохорних (за сталого об’єму) або ізобарних (за сталого тиску) умовах системи.

Систему, яка обмінюється з навколишнім середовищем своєю масою та енергією, називають відкритою. Закрита система може обмінюватися з навколишнім середовищем лише енергією (у вигляді теплоти чи роботи). У ізольованих системах відсутній обмін речовини і енергії з зовнішнім середовищем.

Термодинамічні процеси можуть бути оборотними або необоротними. У випадку оборотності процесу відбувається повернення системи до вихідних параметрів через ті ж проміжні рівноважні стани, за яких відбувався процес у прямому напрямку.

Система може бути гомогенною і гетерогенною. Систему називають гомогенною, якщо вона складається із одної фази. Гетерогенна система побудована із декількох фаз (наприклад, лід-вода, вода-бензен).

Фаза – це частина гетерогенної системи, яка відділена межою поділу і характеризується однаковими фізичними властивостями у всіх своїх точках.

Слід відмітити, що термодинамічна оборотність відрізняється від хімічної оборотності. Хімічна оборотність характеризує напрямленість процесу, а термодинамічна – спосіб його проведення. Термодинамічний процес викликає енергетичні зміни у системі, які виражаються через зміни відповідних величин: внутрішньої енергії, теплоти, роботи.

 

§2. Внутрішня енергія системи. Робота. Теплота.

Перший закон термодинаміки.

Будь-яка термодинамічна система складається із атомів і молекул, які знаходяться в безперервному русі. Кількісною характеристикою руху є енергія. Внутрішня енергія (U) характеризує загальний запас енергії системи. Вона включає всі види енергії руху і взаємодії частинок, з яких складається система: кінетичну енергію молекулярного руху; міжмолекулярну енергію; внутрімолекулярну або хімічну енергію; енергію електронного збудження; внутріядерну і променеву енергію. Звичайно внутрішню енергію відносять до 1 моля речовини і називають молярною внутрішньою енергією; виражають її у Дж/моль. Абсолютне значення внутрішньої енергії системи виміряти неможливо, однак експериментально можна визначити її зміну при переході системи з одного стану в інший. Якщо позначити через U₁ внутрішню енергію системи в стані 1, U₂ – внутрішню енергію в стані 2, то зміна внутрішньої енергії ΔU в процесі переходу цієї системи із стану 1 у стан 2 дорівнює

ΔU = U₂–U₁.     (1.1)

Так, якщо в системі відбувається хімічна реакція, що супроводжується виділенням тепла в ізохорних умовах, то зміна внутрішньої енергії буде чисельно дорівнювати кількості виділеної теплоти. Внутрішня енергія системи при цьому зменшується.

Важливою термодинамічною функцією системи є ентальпія (Н) – це енергія, якою володіє система при сталому тиску. Вона чисельно дорівнює сумі внутрішньої енергії U і потенційної енергії pV. Зв’язок ентальпії з внутрішньою енергією може бути виражений як:

H = U+pV.     (1.2)

При розгляді ізохорних процесів достатньо користуватися величиною ΔU, а у випадку перебігу процесу при сталому тиску, необхідно враховувати поряд із зміною внутрішньої енергії і роботу, пов’язану зі зміною об’єму рΔV:

ΔH = ΔU+рΔV.     (1.3)

Так як і ентальпія, внутрішня енергія є функцією стану системи:

ΔH = Н₂–Н₁     (1.4)

і не залежить від шляху і способу переходу системи від початкового стану в кінцевий.

На відміну від внутрішньої енергії, теплота і робота – не є функціями стану, оскільки вони є різними формами передачі енергії. Тому теплоту і роботу можна віднести тільки до процесу, а не до стану.

Робота W, виконувана системою, зумовлена взаємодією між системою і зовнішнім середовищем, внаслідок чого долаються зовнішні сили, що порушили рівновагу в системі. Наприклад, газова суміш, розширюючись у циліндрі з поршнем, може стискати пружину і таким чином передавати їй частину енергії. Отже, робота є макрофізичною формою передачі енергії від системи до системи.

Іншою формою передачі енергії є теплота Q. У цьому випадку енергія безпосередньо передається молекулами одного тіла молекулам іншого тіла під час їхнього контакту. Такий обмін відбувається між тілами, що мають різну температуру. Оскільки теплота і робота в кількісному співвідношенні є мірою передаваної енергії, то їхня кількість вимірюється у тих же одиницях, що й енергія – у джоулях (Дж).

Перший закон термодинаміки випливає із закону збереження енергії. Згідно з цим законом, енергія не зникає безслідно і не виникає з нічого, а лише переходить з однієї форми в іншу в точно еквівалентних кількостях. Він встановлює співвідношення між теплотою Q і роботою W при зміні загального запасу енергії системи. Внутрішня енергія системи може змінюватися під час поглинання або виділення теплоти в процесі виконання роботи системою або над системою. При поглинанні системою деякої кількості теплоти внутрішня енергія системи збільшується, а якщо в результаті цього змінюється об’єм системи, то виконується робота щодо зміни об’єму:

Q = ΔU+W.       (1.5)

З цього рівняння випливає, що:

ΔU = Q–W,     (1.6)

тобто збільшення внутрішньої енергії системи ΔU дорівнює наданій системі теплоті Q з вирахуванням виконаної системою сумарної роботи W. При усіх змінах, що відбуваються з системою, одні форми енергії перетворюються на інші, але повна внутрішня енергія ізольованої системи залишається величиною сталою. Отже, згідно з Q = ΔU+W, перший закон термодинаміки формулюється так: загальний запас внутрішньої енергії системи залишається сталим доти, поки відсутній тепловий обмін з навколишнім середовищем.

Для безмежно малих елементарних процесів рівняння (1.5) має вигляд: