Физическая и коллоидная химия

Вид материала

Общие методические указания

Содержание Общие методические указания Работа с книгой. Контрольные задания При выполнении контрольных работ следует строго придерживаться следующих требований Лабораторные занятия Раздел 1. физическая химия. Тема 2 . Основные понятия и законы химической термодина-мики. Термохимия. Тема 3 . Химическая кинетика и катализ. Химическое равновесие. Тема 4 . Растворы и их свойства. Тема 5 . Поверхностные явления. Адсорбция . Раздел 2 . коллоидная химия. Тема 7 . Грубодисперсные системы. Тема 8 . Высокомолекулярные соединения и их растворы. Вопросы для самостоятельного изучения по физической и коллоидной химии Перечень лабораторных работ Энергетика химических процессов Таблица . Термодинамические свойства некоторых веществ Химическая кинетика и равновесие Константы диссоциации некоторых веществ Соон} ↔{сн ... Полное содержание

Подобный материал:

• Методические указания и контрольные задания по дисциплине Физическая и коллоидная химия, 320.37kb.
• Программы Педагогических Университетов Физическая и коллоидная химия (для специальности, 382.61kb.
• Учебно-методический комплекс учебного занятия по дисциплине «Физическая и коллоидная, 127.59kb.
• Рабочая программа учебной дисциплины ф тпу 1 21/01 утверждаю, 218.97kb.
• Рабочая программа дисциплины коллоидная химия Направление подготовки, 403.92kb.
• Пояснительная записка к учебной дисциплине «Физическая и коллоидная химия», 76.33kb.
• Рабочая программа дисциплины (модуля) «математический анализ», 424.74kb.
• Рабочая программа дисциплины (модуля) «Уравнения математической физики», 266.58kb.
• Тематический план лабораторно-практических занятий дисциплины «физическая и коллоидная, 129.77kb.
• Рабочая программа дисциплины «физическая химия», 80.79kb.

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПРОФЕССИОНАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ КУЛИНАРИИ»





ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ


Методические указания,

программа и контрольные задания

для учащихся заочного отделения


Специальность : 2-91 01 01 01

« Производство продукции

и организация общественного

питания»


Специализация : 2-9101010131

«Технология продукции нацио-

нальной и мировой кухни»


Квалификация : техник-технолог


Гомель 2011


Химия: Методические указания, программа и контрольные задания для учащихся заочного отделения

специальности 2-91010101 «Производство продукции и орга-низация общественного питания»

специализации: 2-9101010131 «Технология продукции на-циональной и мировой кухни»

квалификации : техник-технолог. – Гомель: ГГПТК кулинарии, 2011г. - 35 с.


Разработала Т.А.Суханькова, преподаватель химии


ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие ……………………………………………………….4

Общие методические указания …………………………………...4

Программа ………………………………………………………….7

Вопросы для самостоятельного изучения по физической и коллоидной химии …………………………………………….….12

Перечень лабораторных работ ……………………………….…..12

Теоретические сведения об изучаемом материале, примеры

с решениями и таблицы с необходимыми для расчё-

тов химическими, термохимическими величинами…….............13


Задания для контрольной работы ………………………………..26

Вопросы для подготовки к экзамену ……………………………33

Рекомендуемая литература ………………………………………35


ПРЕДИСЛОВИЕ

Методические указания помогут учащимся заочного отделения самостоятельно изучить курс физической и коллоидной химии.

Работа состоит из общих методических указаний, программы дисциплины «Физическая и коллоидная химия», вопросов к домашней контрольной работе, примеров решений расчётных задач, справочных материалов, необходимых для решения задач, перечня экзаменационных вопросов.

В общих методических указаниях рассматриваются вопросы для изучения курса «Физической и коллоидной химии» и формы контроля усвоения знаний учащимися.

Программа дисциплины «Химия» предлагает учащимся основные разделы химии, которые они должны изучить самостоятельно, перечень лабораторных работ и список рекомендуемой литературы для проработки указанных в программе разделов химии.

В помощь учащимся при изучении более сложных разделов химии перед контрольными заданиями даются теоретические сведения об изучаемом материале, примеры с решениями и таблицы с необходимыми для расчётов химическими, термохимическими величинами.


ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ


Физическая и коллоидная является спецдисциплиной . Техник-технолог предприятия общественного питания должен обладать достаточными знаниями в области химии.

Основной вид учебных занятий учащихся заочного отделения – самостоятельная работа над учебным материалом. По курсу физической и коллоидной химии она слагается из следующих элементов: изучение материала по учебникам и учебным пособиям, выполнение контрольных заданий, выполнение лабораторного практикума, индивидуальные консультации, посещение учебных занятий, сдача зачёта по лабораторному практикуму, сдача экзамена по всему курсу.

Работа с книгой. Изучать курс рекомендуется по темам, предварительно ознакомившись с содержанием каждой из них по программе. (Расположение материала курса в программе не всегда совпадает с расположением его в учебнике). Изучая курс, пользуйтесь предметным указателем в конце книги. При первом чтении не задерживайтесь на математических выводах, составлении уравнений реакций; старайтесь получить общее представление об излагаемых вопросах, а также отмечайте трудные или не ясные места. Внимательно прочитайте текст, напечатанный особым текстом. При повторном изучении темы усвойте все теоретические положения, математические зависимости и их выводы, а также принципы составления уравнений реакций. Вникайте в сущность того или иного вопроса, а не пытайтесь запомнить отдельные факты и явления. Изучение любого вопроса на уровне сущности, а не на уровне отдельных явлений способствует более глубокому и прочному усвоению материала. Чтобы лучше усвоить и запомнить изучаемый материал, надо обязательно иметь рабочую тетрадь и заносить в неё формулировки законов и основных понятий химии, новые незнакомые термины и названия, формулы и уравнения реакций, математические зависимости и их выводы и т.п. Во всех случаях, когда материал поддаётся систематизации, составляйте графики, схемы, диаграммы, таблицы. Пока тот или иной раздел не усвоен, переходить к изучению новых разделов не следует. Краткий конспект курса будет полезен при повторении материала в период подготовки к экзамену. Изучение курса должно обязательно сопровождаться выполнением упражнений и решением задач.


Контрольные задания. При изучении курса химии учащийся должен выполнить контрольную работу, к выполнению которой можно приступить только тогда, когда будет изучена определённая часть курса и тщательно разобраны решения примеров, приведенных перед задачами к соответствующим темам контрольных заданий. Шифр работы выдаётся преподавателем.

Для ответа на теоретические вопросы учащийся должен изучить специальную литературу, учебники, пособия. Для понимания материала и полноты ответа литература прорабатывается по всему разделу, но в ответ включаются только сведения, требуемые по вопросу. Учащийся имеет право использовать дополнительную литературу, не указанную в списке рекомендуемой литературы, но имеющую прямое отношение к вопросам контрольной работы. После проработки литературы даётся ответ на вопрос. Текст должен быть написан разборчиво, сокращение слов не допускается. Контрольная работа должна быть аккуратно оформлена, для замечаний рецензента надо оставлять широкие поля, примеры с условиями задач переписывать в том порядке, в каком они указаны в задании. Работа должна быть датирована, подписана студентом и представлена на рецензирование.

Если контрольная работа не зачтена, её нужно выполнить второй раз в соответствии с указаниями рецензента и выслать на повторное рецензирование вместе с незачтённой работой. Контрольная работа, выполненная не по своему номеру, преподавателем не рецензируется и не засчитывается.

При выполнении контрольных работ следует строго придерживаться следующих требований:

1. номера и условия задач выполняются в том порядке, в каком они указаны в задании;

2. решения задач и ответы на вопросы должны быть полными и исчерпывающими. При решении задач нужно приводить весь ход решения и математические преобразования;

3. после выполнения задания приводится список используемой литературы;

4. работа должна быть датирована, подписана студентом и представлена в колледж для рецензирования до указанного срока;

5. после получения прорецензированной работы учащийся обязан выполнить указания рецензента; исправления нужно выполнять в конце тетради, а не в рецензируемом тексте.

Лабораторные занятия. Для глубокого изучения химии как науки, основанной на эксперименте, необходимо выполнить лабораторные работы в период лабораторно-экзаменационной сессии.

Консультации. Если у учащегося возникают затруднения при изучении курса, следует обращаться за консультацией к преподавателю, рецензирующему контрольные работы. Необходимо предварительно выписать направление на консультацию у секретаря заочного отделения.

Лекции. В помощь студентам читаются лекции в период лабораторно-экзаменационной сессии.

Темы лекций:

1. Введение в физическую и коллоидную химию
   
2. Агрегатное состояние веществ.
   
3. Поверхностные явления. Адсорбция
   
4. Основы химической термодинамики и кинетики.
   
5. Коллоидные системы.
   

Зачёт. Выполнив лабораторный практикум, учащиеся сдают зачёт. Во время сдачи зачёта необходимо уметь изложить ход работы, объяснить результаты выполнения опытов и выводы из них, уметь составлять уравнения реакций. Учащиеся, сдающие зачёт, предъявляют лабораторный журнал с пометкой преподавателя о выполнении всех работ, предусмотренных планом практикума.

Экзамен. К сдаче экзамена допускаются учащиеся, которые выполнили контрольные задания и сдали зачёт по лабораторному практикуму.


ПРОГРАММА

Программой дисциплины «Физическая и коллоидная химия» предусматривается изучение связи между физическими процессами и сопровождающими их химическими явлениями, структурой и свойствами дисперсных систем, строением и свойствами органических веществ, составляющих основу пищевых продуктов.

Дисциплина «Физическая и коллоидная химия» изучается в тесной связи с такими дисциплинами, как «Химия», «Физика», «Органическая химия», «Аналитическая химия», «Стандартизация и контроль качества продукции общественного питания», «Стандартизация и контроль качества продукции пищевых производств», «Технохимический контроль хлебобулочных, макаронных и кондитерских изделий» и др.

В процессе изучения дисциплины необходимо обеспечить у учащихся формирование:

• представлений об основных задачах, стоящих перед физической и коллоидной химией на современном этапе развития науки;
  
• знаний об агрегатных состояниях веществ, основных понятиях и законах термодинамики, о химической кинетике, видах растворов и их свойствах, сорбции и ее видах, коллоидных и грубодисперсных системах и их практическом использовании в производстве пищевой и кулинарной продукции;
  
• выполнять расчеты с использованием формул термодинамических величин;
  
• самостоятельности, точности, аккуратности, стремления к саморазвитию.
  

В учебном процессе следует широко использовать технические и дидактические средства обучения.

В целях приобретения учащимися более прочных профессиональных навыков необходимо рассматривать на занятиях нестандартные ситуации и способы их решения.

Тематика лабораторных работ обусловлена задачей формирования у учащихся навыков самостоятельной экспериментальной работы.


Введение

Цели и задачи дисциплины «Физическая и коллоидная химия». История развития химических наук. Важнейшие открытия ученых.

Значение физической и коллоидной химии в развитии технологои пищевых производств и в осуществлении мероприятий по охране окружающей среды.

РАЗДЕЛ 1. ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ.

Тема 1. Агрегатные состояния веществ, их характеристика.

Общая характеристика агрегатных состояний. Газообразное состояние. Идеальные и реальные газы. Уравнение Менделеева-Клапейрона. Твердое состояние. Кристаллические и аморфные тела. Жидкое состояние. Внутреннее давление и поверхностное натяжение. Методы определения поверхностного натяжения. Вязкость жидкостей. Методы определения вязкости жидкостей. Вязкость пищевых продуктов.

Тема 2 . Основные понятия и законы химической термодина-мики. Термохимия.

Основные понятия термодинамики. Внутренняя энергия. Первое начало термодинамики. Энтальпия. Термохимия. Закон Гесса. Теплота образования и сгорания химических соединений. Вычисление тепловых эффектов химических реакций. Второе начало термодинамики. Энтропия. Факторы, определяющие направление химических реакций. Изобарно-изотермический и изохорно-изотермический потенциалы. Максимальная работа реакции и химическое сродство. Условия самопроизвольного течения процесса.

Тема 3 . Химическая кинетика и катализ. Химическое равновесие.

Скорость химической реакции, зависимость ее от концентрации реагирующих веществ и температуры. Закон действия масс. Константа скорости. Правило Вант-Гоффа. Активные молекулы и энергия активации. Фотохимические реакции. Закон эквивалентности Эйнштейна. Квантовый выход. Цепные реакции, их стадии. Катализ, его виды. Автокатализ. Гомогенный катализ. Гетерогенный катализ. Ферментный катализ. Их сущность. Применение катализа в пищевых производствах.

Тема 4 . Растворы и их свойства.

Общая характеристика растворов. Растворы газов в жидкостях. Влияние давления и температуры на растворимость газов в жидкостях. Закон Генри. Взаимное растворение жидкостей распределение растворенного вещества между двумя несмешивающимися жидкостями. Экстракция. Критическая температура растворения. Растворы твердых тел в жидкостях. Теплота растворения. Диффузия и осмос в растворах. Практическое значение их в технологических процессах производства, пищевой и кулинарной продукции. Осмотическое давление. Уравнение Вант-Гоффа. Давление пара над растворами. Закон Рауля. Криоскопия и эбуллиоскопия. Температура замерзания и кипения растворов.

Тема 5 . Поверхностные явления. Адсорбция .

Значение сорбционных процессов для технологических процессов производства пищевой и кулинарной продукции. Сорбция, ее виды. Адсорбционное равновесие. Факторы, влияющие на адсорбцию. Изотерма адсорбции. Адсорбция на границе твердое тело-газ. Основные положения теории мономолекулярной адсорбции Фрейндлиха, Ленгмюра. Адсорбция на границе жидкость-газ и жидкость-жидкость. Поверхностно-активные вещества. Дифильность молекул ПАВ. Строение адсорбционного слоя. Уравнение адсорбции Гиббса. Правило Траубе. Гидрофобизация и гидрофилизация поверхности. Эффект Ребиндера.

РАЗДЕЛ 2 . КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ.

Тема 6 . Коллоидные системы.

Дисперсные системы, их классификация. Коллоидные системы. Их особенности. Получение коллоидных систем. Особенности конденсационных и диспергационных методов, их разновидности. Стабилизация. Способы очистки коллоидных систем, их сущность. Оптические свойства коллоидных систем. Опалесценция. Уравнение Релея. Ультрамикроскопия. Молекулярно-кинетические свойства. Броуновское движение, его природа. Средний сдвиг. Особенности диффузии и осмотического давления в коллоидных системах. Устойчивость коллоидных систем: агрегативная и кинетическая. Электрокинетические явления в золях. Строение двойного электрического поля. Термодинамический и электрокинетический потенциал. Строение мицеллы гидрозоля коагуляция золей. Правило Шульце-Гарди. Изоэлектрическое состояние. Порог коагуляции. Значение коагуляции в технологии пищевых производств и приготовления кулинарной продукции.

Тема 7 . Грубодисперсные системы.

Особенности грубодисперсных систем, их классификация. Эмульсии, классификация. Способы получения эмульсий. Эмульгаторы. Обращение фаз в эмульсиях. Разрушение эмульсий. Значение эмульсий в пищевых производствах и при приготовлении кулинарной продукции. Суспензии, их особенности, получение, свойства. Значение суспензий в пищевой промышленности. Пены, их получение, свойства. Пенообразование. Устойчивость пен. Пенообразователи. Разрушение пен. Пеногасители. Значение пен. Аэрозоли, их свойства, классификация. Получение аэрозолей. Взрыво-опасность пыли. Разрушение аэрозолей. Значение аэрозолей в пищевой промышленности. Порошки, их основные свойства.

Тема 8 . Высокомолекулярные соединения и их растворы.

Природные и синтетические высокомолекулярные соединения. Строение макромолекул. Фазовые и физические состояния полимеров. Эластичность и пластичность. Набухание, его сущность, разновидности. Стадии набухания. Явления, сопровождающие набухание. Студни, их образование и свойства. Условия, влияющие на процесс студнеобразования. Роль студнеобразования в технике, биологии. Технологии пищевых производств и приготовления кулинарной продукции. Синерезис. Тиксотропия. Растворы высокомолекулярных соединений. Коацервация. Высаливание. Свойства растворов полимерных электролитов (на примере белков). Защитное действие растворов ВМС.


ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ ПО ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

1. 
   Значение физической и коллоидной химии в производстве продовольственных товаров
   
2. Термодинамические факторы, определяющие направление химических реакций
   
3. Современные представления о природе растворов и механизме растворения
   
4. Давление пара над растворами неограниченно смешивающихся жидкостей
   
5. Температура кипения растворов двух жидкостей
   
6. Азеотропные смеси
   
7. Кинетическая классификация химических реакций
   
8. Сложные реакции
   
9. Закон распределения
   
10. Коагуляция коллоидных растворов
    
11. Методы очистки коллоидных систем
    
12. Понятие о золях
    
13. Фазовые и физические состояния полимеров
    
14. Полиэлектролиты
    
15. Применение ВМС для защиты коллоидных растворов и флокуляция
    

ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

1. Определение зависимости скорости реакции и химического равновесия от температуры
   
2. Определение зависимости скорости реакции и химического равновесия от концентрации реагирующих веществ
   
3. Получение коллоидных систем
   

Теоретические сведения об изучаемом материале, примеры с решениями и таблицы с необходимыми для расчётов химическими, термохимическими величинами.


ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Термодинамика— это наука, которая изучает законы взаимного превращения различных видов энергии при физических и химических процессах, определяет зависимость энергетического эффекта этих процессов от условий их протекания. Термодинамика также позволяет установить принципиальную возможность само­произвольного течения любых процессов в данных условиях. При химических реакциях происходит изменение внутренней энергии (энтальпии) системы, так как внутренняя энергия (эн­тальпия) веществ, взятых для реакции, обычно отличается от внутренней энергии продуктов реакции. Если внутренняя энергия продуктов реакции меньше чем у веществ взятых, т. е. U2>U1 ,то разность внутренних энергий ∆U выделяется в виде теплоты. При увеличении внутренней энергии (U2>U1) реакция идет с погло­щением тепла.

Количество теплоты, выделяющееся или поглощающееся при реакции, называется тепловым эффектом реакции. Если реакция протекала при постоянном объеме, то согласно уравнению QV=U2-U1= ∆U тепловой эффект реакции будет QV= ∆U. Если реакция протекает при постоянном давлении, то согласно уравнению QP=H2-H1= ∆H тепловой эффект реакции равен QP= ∆ H.

Процессы, в которых теплота выделяется, называют экзотерми­ческими; процессы, протекающие с поглощением теплоты, назы­вают эндотермическими.

Исторически сложилось, что в термохимии тепловые эффекты экзотермических реакций считаются положительными, а эндотер­мических— отрицательными. Для избежания путаницы в системе знаков термохимических и термодинамических величин, для тер­мохимических величин иногда используют обозначения QV и QP . Тогда

QV =- QV и QV =- ∆ U

QP =- QP и QP = - ∆Н

Для различных расчетов в термохимии пользуются не химичес­кими, а термохимическими уравнениями реакций. В термохимиче­ском уравнении в правой части указывают величину и знак теп­лового эффекта, например:

С + 0₂ = С0₂ + 393,8 кДж

Это термохимическое уравнение следует понимать так: один моль атомов углерода (масса 12 г) соединяясь с одним молем мо­лекул кислорода (масса 32 г) дает один моль молекул диоксида углерода (масса 44 г) и при этом выделяется 393,8 кДж теплоты.

В термохимических уравнениях стехиометрические коэффици­енты обозначают число участвующих в реакции молей и поэтому в них можно пользоваться дробными коэффициентами.

В термохимических уравнениях указывается также агрегатное состояние вещества и его кристаллическая форма, например:

С₆Н₅NН₂ (ж) + 7,75 0₂ (г) → 6С0₂ (г) + 3,5 Н₂0 (ж) + 0,5 N2 (г) + 3396 к Дж

Са (т) + С (граф) + 1,5 0₂ (г) → СаС0₃ (т) + 1206 кДж

Основным законом термохимии является закон-Гесса (1840), который устанавливает, что тепловой эффект химической реакции зависит только от вида и состояния исходных веществ и конечных продуктов, но не зависит от промежуточных состояний и путей перехода.

Закон Гесса является совершенно точным только для процес­сов, протекающих при постоянном объеме (тогда QP = - ∆U), или при постоянном давлении (тогда QP = -∆Н). В качестве примера рассмотрим реакцию образования диоксида углерода. Его можно получить, непосредственно сжигая уголь. Но можно также прове­сти процесс в две стадии, получая на первой из них СО и сжигая его на второй стадии до С0₂. Пользуясь законом Гесса, можно рассчитать тепловые эффекты таких реакций, которые или трудно реализовать, или невозможно довести до конца. В этих случаях в расчетах исполь­зуют или теплоты образования, или теплоты сгорания.

Теплотой образования данного соединения называется количе­ство выделенного или поглощенного тепла при образовании одно­го моля его из соответствующих простых веществ, находящихся в наиболее устойчивом состоянии при данных условиях. Например, теплота образования карбоната кальция равна тепловому эффек­ту реакции образования одного моля кристаллического карбоната кальция из металлического кальция, углерода (в виде графита) и газообразного кислорода

3 Са (т) + С (граф) + 1,5 0₂ (г) → СаС0₃ (кр)

Теплоты (энтальпии) образования наиболее устойчивых прос­тых веществ (N₂, Н₂, 0₂ и т. д.) приняты равными нулю. Обычно теплоты образования вычисляются для стандартных условий: 25 °С и 101,3 кПа и называются стандартными теплотами. Иногда в таблицах даются не стандартные теплоты образования, а стан­дартные энтальпии образования , которые обозначаются ∆H°₂₉₈.

В некоторых случаях удобнее вычислять тепловой эффект ре­акции по теплотам (энтальпиям) сгорания веществ, участвую­щих в реакции. Теплотой сгорания называется теплота, выделяю­щаяся при полном сгорании одного моля вещества в кислороде. Для органических соединений это будет тепловой эффект полного сгорания данного соединения до диоксида углерода, воды и выс­ших оксидов других элементов.

Закон Гесса является справедливым не только для чисто хи­мических реакций, но и для сложных биохимических превращений. В термодинамике наряду с внутренней энергией широко исполь­зуют энтальпию ∆Н.

Энтальпия — это энергия, которой обладает система, находящаяся при постоян­ном давлении; энтальпия численно равна сумме внутренней энергии и потен­циальной энергии . Энтальпия, как и внутренняя энергия, является функцией состоя­ния. Изменение энтальпии не зависит от пути процесса, а зави­сит только от начального и конечного состояний. Энтальпия имеет особо важное значение в химии, так как передача теплоты в хими­ческой реакции происходит при постоянном давлении (например, реакция в открытом сосуде).

Следовательно, для химических про­цессов важно знать ∆H.

Энтропия изолированной системы в самопроизволь­ном процессе возрастает, т. е. её изменение больше нуля: DS>0.

Иными словами, изолированная сис­тема всегда стремится достичь состо­яния с максимальной энтропией (ма­ксимальным беспорядком) — это и будет состояние термодинамическо­го равновесия. То есть энтропию можно считать мерой приближения системы к равновесию.

Вечный двигатель. Старинная гравюра.

Таким образом, изменение энтро­пии является однозначным критери­ем самопроизвольности реакции, про­текающей в изолированной системе:

DS>0 — реакция протекает само­произвольно;

DS=0 — реакция находится в со­стоянии равновесия;

DS<0 — реакция самопроизволь­но не протекает.