Предисловие.
Будучи огорчен качеством преподавания химии в РНИИМУ, и тем более, способом последующего контроля качества образования – тестами, я решил оказать посильную помощь студентам в сдаче оных. Пособие представляет собой краткую, насколько возможно, инструкцию, как минимально загрузив голову таки сдать этот окаянный тест. Я исследовал большое их количество, обобщил результаты.
На каждый вид вопросов я постарался дать ответ, в меру научный, чтобы все-таки не слишком уйти от своих химических корней, но и достаточно ясный, чтобы он мог быть воспринят среднестатистическим студентом. Теперь я представляю свой труд для использования широкой общественностью, надеюсь, моё творение сможет послужить к чьей-нибудь пользе.
Тема весьма своеобразна и крайне отличается от прочих. Как говорил один из учителей автора этого пособия, человек это ходячий коллоид. Поэтому медицинское значение темы велико, хоть и неочевидно сейчас. Тема наполнена почти вся вопросами, похожими на верно-неверно в различных вариациях. Засилье теории зашкаливает. Единственным, на наш взгляд адекватным ответом этому было попытаться перевести теорию на человеческий язык. По возможности мы поясняли теорию и приводили примеры, как общее используется для решения частных задач. Крайне важно уметь логически рассуждать. К важности этого мы еще вернемся не раз по ходу изложения материала. Отнеситесь внимательно к каждой фразе и каждому слову. Мы старались не писать лишних слов, всё, что написано может быть в тестах.
Конечно, многим хотелось бы иметь готовые ответы и не париться. Думаю, что за годы работы eois общественность накопила некоторый объем ответов, он постепенно совершенствуется, доля верных ответов растет, уже в 2016 она была больше 70%. Правда, обновление вопросов в 2017 добавило веселья. Однако, в отношении химии мне это кажется неудачным путем. Объясню, почему я так считаю. Во-первых, вопросов большое количество, и они, как назло, очень похожи. Это делает трудным списывание с правильных ответов, и, одновременно, делает тесты уязвимыми к методичкам вот такого плана, с разбором вопросов на группы и злой иронией по этому поводу. Во-вторых, некоторые персонажи, как Карина, например, почему-то борются со списыванием, что делает этот процесс не самым простым трюком. А глядя на всё это глобально, по-моему, все же лучше что-то понимать и мыслить, чем списывать.
Заранее благодарен за адекватные комментарии, дополнения и исправления к тексту. Текст создан исключительно из гуманных соображений и распространяется безвозмездно.
Удачи, ни пуха, ни пера, дорогие любители химии.
Алексей «Леша-химик» Федоров,
29.10.2017.
Тема 10. Поверхностные явления.
Введение:
Здесь его не будет. Здесь вся тема будет как введение, одна теория. Просьба ко всем. Убедитесь, пожалуйста, что вы понимаете, что такое логика! Это очень, очень важно. Почти вся тема построена на умении в логику. Надо научиться воспроизводить конструкции вида пусть А=В, если В=С, то А=С, например: ПАВ понижают поверхностное натяжение, если бутанол — ПАВ, то бутанол понижает поверхностное натяжение. И так далее. И помнить или хотя бы иметь в шпорах определения, данные в САРС-овской методичке. Без определений жизнь становится грустной.
Типичные вопросы:
1. Поверхностное натяжение.
Пример:
Вот, определения завезли…
Как с этим бороться:
Поверхностное натяжение – неведомая хуйня. Если коротко, то это энергия на одном квадратном метре поверхности. Правда такое объяснению, ничего не объясняет.
Размерность поверхностного натяжения – Дж/м2
Поверхностное натяжение обозначается буквой σ (сигма).
Поверхностное натяжение равно общей энергии частиц, находящихся на единице площади поверхности раздела фаз.
Она зависит от нескольких факторов.
1. От полярности (полярность – это тоже самое что межмолекулярные взаимодействия) жидкости, чем больше полярность, тем больше сигма.
2. Температура, чем больше температура, тем меньше сигма.
3. От добавления разных веществ, ПАВ снижают сигму, ПНВ – не влияют на нее, ПИВ – увеличивают. Кто это такие — см. дальше.
Поверхностная активность это, способность понижать поверхностное натяжение и накапливаться в поверхностном слое. Размерность её — Дж∙м/моль.
2. ПАВ, ПНВ и ПИВ.
Пример:
Нетривиальный пример, бывают попроще… Обратите внимание, наша теория содержит ответ, но в очень неявном виде.
Как с этим бороться:
ПАВ (Поверхностно-активные вещества) – это вещества, которые уменьшают сигму с ростом концентрации, к ПАВ относятся органические вещества, состоящие из радикала и группы (так называемое дифильное строение, радикал гидрофобен, группа гидрофильна). Например, C3H7OH (пропанол-1), С4H9NН2(бутанамин-1), C17H33СООNa (олеат натрия) и тому подобные.
ПАВ бывают катионные ((R-NH3+)Cl-, например) и анионные (R-COO-, R-OSO3-, и т.д. они обычно пишутся как молекула, С3Н7-COONa, например). Про это тоже спрашивают.
К ПАВ относят желчь и фосфолипиды, ПАВ накапливается в поверхностном слое.
ПНВ(Поверхностно-неактивные вещества) – это вещества, которые не влияют на сигму. К ним относятся органические вещества с несколькими группами (ещё иногда пишут «только гидрофобные фрагменты»), например, глицирин, углеводы (глюкоза, рибоза, фруктоза, сахароза) и аминокислоты (аланин, глицин). Равномерно распределяются по объему раствора.
ПИВ(Поверхностно-инактивные вещества) – это вещества, которые увеличивают сигму.
К ним относится неорганика. Ну, кислоты там, щелочи, соли.
3. Правило Дюкло – Траубе.
Пример:
Ну такое себе…
Как с этим бороться:
· Официальная формулировка: С ростом радикала ПАВ на одну CH2 поверхностная активность увеличивается в 3,2 раза.
· Упрощенно, чем больше радикал, тем больше поверхностная активность, и тем меньше поверхностное натяжение. Не перепутайте активность и натяжение!
На всякий случай напоминаем, что ряд радикалов увеличиваются в ряду: Пропан (С3) – бутан (С4) –пентан (С5) – гексан (С6) – гептан (С7).
В примере: Надо найти вещества, ПАВ которых отличается ПРИМЕРНО в 10 раз, следовательно, на две группы CH2, так как 3,2*3,2 = примерно 10.
Пример 2.
Обратим внимание, что в примере указано именно поверхностная активность, а не поверхностное натяжение, если бы было наоборот, то зависимость была бы другая. Самому большому радикалу относим самую большую цифру, самому маленькому — самую маленькую.
4. Избирательная ионная абсорбция.
Пример:
Тут всё прямолинейно…
Как с этим бороться:
На поверхности кристаллов адсорбируются ионы, которые:
1. Входят в состав кристалла.
Например, на AgCl адсорбируются Ag+ или Cl-.
2. Ионы, образующие осадок с кристаллов. Например, на BaSO4 адсорбируется Ca2+, потому что Са SO4 — осадок. За дополнительной информацией обращайтесь в таблицу растворимости.
Это изи-изи, кстати, это называется правило Фаянса-Паннета (правило избирательной ионной адсорбции), и очень активно используется в следующем вопросе.
5. Мицелла.
Пример:
Опять-таки совсем нелинейный пример, хотя наша теория содержит правильны ответ — С…
Как с этим бороться:
Очень правильно понять, как строится мицелла, так как это есть в устном коллке. (Особенно для жертв Сергеева. Он матёрый коллоидист, бойтесь!).
Мицеллы образуются в результате обменных реакций, например, NaCl + AgNO3 = AgCl↓ + NaNO3
Мицеллы –– это очень маленькая частица осадка (по латыни мицелла — крошка), окруженная двойным электрическим слоем (ДЭС), который образуется по правилу Фаянса (см. пред вопрос). Много мицелл образуют золь. Сначала в обменной реакции выпадает осадок. Чтобы получилась мицелла, одно из двух исходных веществ, должно быть дано в избытке, пусть это будет AgNO3. На осадке адсорбируется ион, который в нем есть, например, на AgCl образуется Ag+, он же еще и в избытке, значит его много. По правилу физики к плюсу притягивается минус, а к Ag+ притягивается NO3-. Они формируют вот такой беспонтовый пирожок:
В середине мицеллы осадок AgCl вокруг него, по правилу Фаянса – Ag+, а дальше NO3-, распределенный в два слоя. Схематически это может быть изображено так, как нарисовано ниже. И, что характерно, в тесте и колке это так и будет делаться.
Потенциалопределяющие ионы определяют (сюрприз!) электротермодинамический потенциал. На границе ключ переломлен пополам NO3- первого и второго слоя (называется на границе адсорбционного и диффузного слоя) образуется электрокинетический потенциал, обозначается ζ (странная буква, читается как «дзет»). Вопросы, что такое потенциал, чем отличаются два эти потенциала и что вообще происходит, уместны, но рассмотрение этих вопросов выходит далеко за границы этого пособия, поэтому позволим себе на них не отвечать. Их можно и даже нужно переадресовать компетентным товарищам с кафедр химии и физики. Если потенциалопределяющий ион «+», то мицелла считается в целом «+», и наоборот, если «-», то и мицелла «-». При электрофорезе (то есть если к золю подвести электричество) положительные мицеллы перемещаются к катоду («-» электрод), а отрицательные мицеллы — к аноду («+» электрод). Задача может быть составлена, например, совсем нелинейно и многоступенчато, Пример. При электрофорезе частицы золя, полученного из AgNO3 + NaCl, перемещались к катоду. Какой ион в мицелле является противоионом? На что следуют примерно вот такие рассуждения: если перемещалась к катоду, значит была «+». Осадок тут получится AgCl (таблица растворимости). На таком могли адсобироваться или Ag+, или Cl- (правило Фаянса). Если была положительная, значит Ag+. Если Ag+ адсорбировался, значит был в избытке. Если в избытке был Ag+, вместе с ним был в избытке NO3-, он и будет противоионом. Попробуйте воспроизвести такое самостоятельно, на аналогичных примерах. Держите в памяти правило Фаянса, часть 1, и под рукой таблицу растворимости. Поначалу может с непривычки болеть голова, но потом должно пройти. Если нет, хорошо подумайте, а может быть, высшее образование — это вообще не ваше?
6. Индифферентные и неиндифферентные электролиты и их отношения с мицеллами.
Пример:
Тут будет линейный, лёгкий пример…
Как с этим бороться:
Индифферентные электролиты — это вещества, которые не содержат иона, способного адсорбироваться на осадке мицеллы. Например, NaNO3 является индифферентным к золю AgCl. (когда говорят «золь AgCl», имеют в виду, что в мицелле агрегат AgCl). Добавление индифферентных электролитов приводит к уменьшению ζ-потенциала (электрокинетического), но не влияет на электротермодинамический.
Неиндифферентные электролиты — это вещества, которые содержат ион, способный адсорбироваться на осадке мицеллы. Возможно два случая.
1) Из индифферентного электролита адсорбируется ион такого же знака, как мицелла. Например, если к положительному золю (положительной мицелле) AgCl добавили AgNO3, из добавленного будет адсорбироваться Ag+ (опять-таки по правилу Фаянса). Золь положительный и Ag+. В таком случае электротермодинамический и электрокинетический потенциалы сначала возрастают, потом убывают.
2) Из индифферентного электролита адсорбируется ион противоположного знака, чем мицелла. Например, если к положительному золю AgCl добавили NaCl, из добавленного будет адсорбироваться Cl- (и снова по правилу Фаянса). Золь положительный, а Cl-. Если так, то будет происходить перезарядка золя.
7. Когуляция.
Пример:
Тоже хер знает, как на это отвечать, не учившись коллоидной химии хотя бы пару месяцев…
Как с этим бороться:
Коагуляция — процесс объединения (слипания) частиц. Например, слипаться могут мицеллы, а могут и эритроциты и другие клетки, поэтому вы это и проходите. Каждый элементарный акт коагуляции — объединение двух частиц в одну более крупную. То есть то, что было изначально — частицы первого порядка. Потом они две объединяются попарно (ну, грубо) — образуется одна, но более крупная частица второго порядка, их меньше. Потом частицы второго порядка соединяются, количество частиц снова уменьшается, но размер их растет — и так далее. Коагуляция золей происходит сама по себе, но медленно. Её можно сильно ускорить, если добавить электролиты. То есть всякие там KNO3 понижают устойчивость (см. 9 и 10 вопрос).
Коагуляцию классифицируют:
1. По скорости: на быструю (скорость не зависит от концентрации добавленного электролита, дзет-потенциал снижен до ноля) и медленную (скорость зависит от концентрации).
2. По механизму: на концентрационную (вызывают индиффирентные электролиты, заключается в уменьшении ζ-потенциала и сжатии ДЭС) и нейтрализационную (вызывают неиндифферентные, за счет адсорбции ионов противоположного знака, уменьшается электротермодинамический потенциал и происходит разрядка агрегата).
8. Пороги коагуляции.
Пример:
Тоже требуется вести рассуждения. Если золь «-», коагуляцию вызовут положительные, и т.д… Ответ — С.
Как с этим бороться:
Порог коагуляции — минимальная концентрация электролита, которую нужно добавить, чтобы медленная коагуляция перешла в быструю. Всё это связано с правилом Шульце-Гарди, само оно выглядит так:
1) коагуляцию вызывает ион знака, противоположного мицелле. Например, если золь (мицелла) был положительным, и добавили NaCl, то коагуляцию вызовет Cl-.
2) Чем больше (по величине) знак заряда иона, вызывающего коагуляцию, тем сильнее его коагулирующая способность и тем меньше порог коагуляции. Короче, чем больше заряд — тем сильнее коагулянт — тем меньше его надо. Например, если к положительному золю добавляли NaCl, Na2SO4 и Na3PO4, то коагуляцию будут вызывать Cl-, SO42-, PO43-. Коагулирующая способность будет в ряду Cl- < SO42- < PO43-, а пороги коагуляции наоборот, Cl- > SO42- > PO43- (хлорид самый слабый и его нужно больше всего, фосфат самый сильный и его нужно меньше всего). Товарищи установили, что коагулирующая способность пропорциональна заряду в 6 степени, то есть в примере коагулирующие способности Cl-: SO42-: PO43- = 16: 26: 36 = 1: 64: 729 (хлорид самый слабый). Объемы и пороги коагуляции относятся так же, только наоборот. 729: 64: 1 (хлорида нужно много, фосфата мало).
9. Виды устойчивости.
Пример:
Тут просто определения…
Как с этим бороться:
Агрегативная устойчивость — устойчивость к объединению (агрегации, слипанию). Так же — способность системы сохранять индивидуальность частиц. Обеспечивается несколькими факторами, об этом ниже. Для устойчивых систем силы отталкивания преобладают над силами притяжения. Пример потери агрегативной устойчивости — коагуляция, то есть KNO3 и другие электролиты понижают агрегативную устойчивость золей.
Седиментационная устойчивость — устойчивость к оседанию частиц. Обеспечивается мелким размером этих частиц и их участием в броуновском движении. Если частицы более тяжелые — они оседают вниз, а если плотность меньше — всплывают.
10. Факторы устойчивости.
Пример:
Тоже классика…
Как с этим бороться:
Выделяют следующие факторы:
1) Электростатический. Образование заряда (за счет двойного электрического слоя, ДЭС) на поверхности частиц. Таким способом стабилизированы мицеллы.
2) Энтропийный. Стремление частиц равномерно распределиться.
3) Структурно-механический. Пленки из ПАВ или белков/углеводов (они называются ВМС, высокомолекулярные соединения). Это явление называется коллоидная защита, по нему могут быть отдельные вопросы, сводящиеся к тому, что устойчивость золя возрастает при добавлении белков или ПАВ.
4) Гидростатический. Что-то там про вязкость.
11. Адсорбция.
Пример:
Зачем это тут?…
Как с этим бороться:
Честно говоря, адсорбция в этой теме — как у собаки пятое колесо. Ладно бы еще Фаянс со своей избирательной ионной адсорбцией, но всё остальное — зачем?
Адсорбция — «прилипание» вещества к поверхности. Например, когда молекула аммиака (газа) из воздуха «прилипает» или «оседает» на твердой поверхности твёрдого активированного угля, говорят об адсорбции аммиака. Адсорбция может зависеть от нескольких факторов:
1) Температура, чем больше температура, тем меньше адсорбция.
2) Давление, чем больше давление, тем больше адсорбция.
3) Концентрация, чем больше концентрация, тем больше адсорбция.
Также иногда обсуждаются разные виды адсорбции. Бывают они такие:
1) Физическая — адсорбция газа/растворенного вещеста на твердом, например, аммиака на угле.
2) Гиббсовская адсорбция — так умеют только ПАВ.
3) Хемосорбция — если процесс сопровождается реакцией, пример, бородатый как Сергеев — адсорбция СО2 на СаО, с реакцией СаО + СО2 = СаСО3.
4) Избирательная ионная — смотреть правило Фаянса, например адсорбция Ag+ на AgCl.
12. Пептизация.
Пример:
Очередное не пойми что…
Как с этим бороться:
Несмотря на название, пептизация никак не связана с пептидами. Пептизация — это переход свжеосаждённых осадков в золь (в дисперсное состояние). Пептизация может происходить при промывании водой (как в примере), при добавлении некоторых веществ, например неиндифферентного электролита с ионом того же знака или ПАВ/ВМС.
13. Разное.
Пример:
Нет скрина
Образование ДЭС…
Как с этим бороться:
Если спрашивают о ДЭС, но знакомых слов нет, то ответ – поверхностная диссоциация. Хуй её знает, что это такое, зато подходит.
14. Закон М для противодействия засилью непонятной теории.
Пример:
Скомпенсированность-нескомпенсирванность…
Как с этим бороться:
Закон М: если ВООБЩЕ ничего не понятно, а отвечать надо, то верно там, где больше всего написано. Применимость около 90%.
Контрольная проверка теории
Спасибо за внимание!