Рег. №
МНОГОВАРИАНТНЫЕ ЗАДАЧИ
По коллоидной химии
Учебное пособие
Направление подготовки 19.03.04 – Технология продукции и организация общественного питания.
Санкт-Петербург
Допущено
редакционно-издательским советом СПбГЭУ
в качестве методического издания
Составители
канд. химических. наук, доцент О.А. Черемисина.
канд. технических. наук, профессор С.Т. Прокопенко.
канд. экономических. наук, профессор Е.Ф. Антипов.
Рецензент
доктор физ.- мат. наук, профессор С.В. Сипаров
(Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации).
Подготовлено на кафедре
Гостиничного и ресторанного бизнеса
Одобрено научно-методическим советом факультета
гостинично-ресторанного бизнеса
Отпечатано в авторской редакции с оригинал-макета,
представленного составителем
В сборник вошли задачи по основным разделам дисциплины «Коллоидная химия».
Каждый раздел включает в себя примеры решения типовых задач и задачи для самостоятельного решения.
ã СПбГЭУ, 2016
СОДЕРЖАНИЕ
| ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………. | |
| 1. КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ……………………………………………………………….. | |
| 2. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ 2.1. Расчет поверхностного натяжения……………………………… 2.2. Межфазные взаимодействия. Адгезия, когезия, смачивание, растекание………………………………………… 2.3. адсорбция на границе твердое тело – газ…………………….. | |
| 3. Коллоидные растворы 3.1. Оптические свойства коллоидных растворов……………… 3.2. Молекулярно-кинетические свойства коллоидных растворов……………………………………………………………… 3.3. Электрокинетические свойства коллоидных растворов….. 3.4. Агрегативная устойчивость коллоидных растворов. 3.5. Коагуляция………………………………………………………... 3.6. реологические свойства дисперсных систем………………... | |
| 4. РАСТВОРЫВМС……………………………………………………. | |
| 5. РАСТВОРЫКОЛЛОИДНЫХ ПАВ………………………………… | |
| СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………..…….……. |
ВВЕДЕНИЕ
Настоящий сборник многовариантных задач составлен в соответствии с рабочей программой по дисциплине «Физическая и коллоидная химия» раздел «Коллоидная химия» для студентов-бакалавров, обучающихся по направлению 19.03.04 – Технология продукции и организация общественного питания.
Целью выполнения индивидуальных самостоятельных работ по дисциплине является приобретение навыков в применении химических законов для решения конкретных задач с проведением количественных вычислений и использовании учебной, справочной и специальной литературы.
Для этого необходимо:
ü отработать практические навыки решения задач в области коллоидной химии;
ü научить студентов понимать основные закономерности протекания коллоидно-химических процессов;
ü приобрести опыт практических расчетов, необходимых для решения производственных задач в области пищевых технологий.
Основные задачи дисциплины направлены на формирование следующих компетенций:
ü Использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования. Уметь использовать нормативные правовые документы в своей деятельности (ПК-3);
ü Устанавливать и определять приоритеты в сфере производства продуктов питания. Обосновывать принятие конкретного технологического решения при разработке новых технологических решений при разработке новых технологических процессов производства продукции питания; выбирать технические средства и технологии с учетом экологических последствий их применений (ПК-10);
ü Уметь проводить исследования по заданной методике и анализировать результаты экспериментов (ПК-30);
ü Уметь измерять и составлять описание проводимых экспериментов, подготавливать данные для составления обзоров, отчетов и научных публикаций; владеть статистическими методами и средствами обработки экспериментальных данных проведенных исследований (ПК-32);
1. КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
ПРИМЕРЫРЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Пример 1. В сосудах диаметр капель эмульсии масла зависит от способа приготовления и при ручном взбалтывании составляет 20 мкм, а при машинном перемешивании 4 мкм. Определить дисперсность, удельную поверхность дисперсной фазы, а также отношение этих величин, если плотность масла равна 1,1∙103 кг/м3.
Решение. Определяем дисперсность по формуле Dмаш = 1/а, где а – размер частицы, м.
Dмаш = 1/а = 1/(4∙10-6) = 2,5∙105 м-1.
Dруч = 1/а = 1/(20∙10-6) = 5∙104 м-1.
Часто удельную поверхность относят к массе m дисперсной фазы (дисперсиионной среды), и тогда нужно учитывать плотность вещества. Находим удельную поверхность по формуле: Sуд = 6/(а ∙ ρ), м2/кг
где ρ – плотность вещества, кг/м3.
Sудмаш = 6/(4∙10-6∙1,1∙103) = 13,6∙102 м2/кг.
Sудруч = 6/(20∙10-6∙1,1∙103) = 2,72∙102 м2/кг.
Dмаш/Dруч = 2,5∙105/5∙104 = 5; Sудмаш / Sудруч = 13,6∙102/2,72∙102 = 5.
Пример 2. Методом механического диспергирования 5 г толуола в 1 л воды получена дисперсная система с частицами толуола шарообразной формы с радиусом 2,5×10-7 м. Плотность толуола равна 0,867 г/см3.
1. Определите тип системы по всем классификационным признакам.
2. Рассчитайте дисперсность системы D и удельную поверхность Sуд.
2. Рассчитайте параметры частицы дисперсной фазы: объем V0, поверхность S0, массу m0.
3. Рассчитайте общую поверхность всех частиц S и число частиц N в дисперсной системе.
Решение. 1. Определяем тип системы. По дисперсности – грубодисперсная, т.к. размер частиц попадает в интервал 10-7- 10-5 м. По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды это эмульсия, т.к. фаза и среда являются жидкостями. По наличию или отсутствию взаимодействия между частицами дисперсной фазы и частицами дисперсионной среды система – свободно-дисперсная. По степени взаимодействия дисперсной фазы и дисперсионной среды система – лиофобная (гидрофобная), т.к. практически отсутствует взаимодействие между толуолом и водой.
2. Определяем дисперсность системы D и удельную поверхность Sуд.
Удельная поверхность – межфазная поверхность, приходящаяся на единицу объема дисперсной фазы.
D = 1/а, м-1
где а – размер частицы (диаметр шара или длина ребра куба (l)).
Для шарообразной частицы а = 2r:
D = 1/(2∙2,5∙10-7) = 2∙106 м-1.
Sуд = S/V = 6 D (для частиц шарообразной формы), где S – поверхность частиц, V – объем частиц. Для кубических частиц Sуд = S / V = 6 l2/l3 = 6/ l = 6 D.
Sуд = 6∙2∙106 = 1,2∙107 м-1.
3. Рассчитываем параметры шарообразной частицы толуола.
V 0 = 4/3πr3 = 4/3∙3,14(2,5∙10-7)3 = 6,54∙10-20 м3.
S0 = 4 πr2 = 4∙3,14(2,5∙10-7)2 = 7,85∙10-13 м2
(для кубических частиц V0 = l3 м3, S0 = 6 l2 м2)
m 0 = ρV 0 = 0,867∙103∙6,54∙10-20 = 5,67∙10-17 кг;
ρ = 0,867 г/см3 = 0,867∙103 кг/м3.
4. Рассчитаем общую поверхность частиц S и число частиц N в дисперсной системе.
N = m / m 0 = 5∙10-3/5,67∙10-17 = 8,82∙1013 шт.
S = N ∙ S0 = 8,82∙1013∙7,85∙10-13 = 69,2 м2.
МНОГОВАРИАНТНЫЕ ЗАДАНИЯ
Задача 1
| Вари-ант | Задача |
| 1, 13 | Средний диаметр частиц каолина составляет 5∙10-7 м, плотность равна 2,5 г/см3. Определить величину удельной поверхности каолина в м2/кг. |
| 2, 14 | Определите средний диаметр частиц цеолита, если удельная поверхность раздела фаз равна 5,2∙104 м2/кг, плотность частиц равна 2,1∙103 кг/м3. |
| 3, 15 | Определить удельную поверхность раздела фаз гидроксида кальция, средний диаметр частиц которого равен 1,7∙10-7 м, плотность равна 2,1∙103 кг/м3. |
| 4, 16 | Определите средний диаметр частиц гидрозоля гидроксида железа, если удельная поверхность раздела фаз равна 4,8∙104 м2/кг, плотность частиц равна 1,1 г/см3. |
| 5, 17 | Определите удельную поверхность пылевидного топлива, если известно, что его плотность равна 1,68 г/см3, а средний диаметр частиц равен 1,5∙10-3 мм. |
| 6, 18 | Определите удельную поверхность силикагеля, если средний диаметр частиц диоксида кремния 2∙10-6cм, плотность частиц 2,1 г/см3 |
| 7, 19 | Определите средний диаметр частиц цеолита, если удельная поверхность раздела фаз равна 5,2∙104 м2/кг, плотность частиц равна 2,1∙103 кг/м3. |
| 8, 20 | Удельная поверхность силикагеля, найденная методом низкотемпературной адсорбции азота, составляет 8,3∙103 м2/кг. Плотность силикагеля 2,2 г/см3. Рассчитайте средний диаметр частиц силикагеля. |
| 9, 21 | Рассчитайте удельную поверхность бензола, эмульгированного в воде, если диаметр капель бензола равен 5∙10-7 м, плотность бензола 0,858 г/см3. |
| 10, 22 | Определите средний диаметр частиц гидрозоля гидроксида железа, если удельная поверхность раздела фаз равна 4,8∙104 м2/кг, плотность частиц равна 1,1 г/см3. |
| 11, 23 | Вычислите удельную поверхность гидрозоля сульфида мышьяка As2S3, средний диаметр частиц которого равен 1,2·10–7 м, а плотность равна 3,43·103 кг/м3. Ответ дайте в м–1 и в м2 /кг. |
| 12, 24 | Рассчитайте средний диаметр частиц силикагеля, если его удельная поверхность равна 8,3·103 м2, а плотность r = 2200 кг/м3 |
Задача 2.
Дана дисперсная система с массой дисперсной фазы m, плотностью дисперсной фазы r, с частицами дисперсной фазы определенной формы и размера: r – радиус шара, l – длина ребра куба.
1. Определите тип системы по всем классификационным признакам.
2. Рассчитайте дисперсность системы D и удельную поверхность Sуд.
3. Рассчитайте параметры частицы дисперсной фазы: объем V0, поверхность S0, массу m0.
4. Рассчитайте общую поверхность всех частиц S и число частиц N в дисперсной системе.
| Вари- ант | Дисперсная фаза | Дисперсионная среда | Форма частиц | r(l), м | r·10-3, кг/м3 | m, кг. |
| Сера | Вода | Куб | 2·10-8 | 2,07 | ||
| Платина | Вода | Куб | 4·10-8 | 21,4 | ||
| Пыль угольная | Воздух | Шар | 8·10-5 | 1,8 | ||
| Бензол | Вода | Шар | 8·10-7 | 0,86 | ||
| Ртуть | Вода | Шар | 6·10-8 | 13,55 | ||
| Пыль мучная | Воздух | Шар | 5·10-5 | 0,82 | ||
| Платина | Вода | Куб | 9·10-9 | 21,4 | ||
| Серебро | Вода | Куб | 4·10-8 | 10,5 | 0,1 | |
| Вода | Воздух | Шар | 2·10-7 | 0,997 | ||
| Сера | Вода | Куб | 1·10-7 | 2,07 | ||
| Ртуть | Воздух | Шар | 2·10-7 | 13,55 | 0,5 | |
| Золото | Вода | Куб | 4·10-9 | 19,3 | ||
| Масло растительное | Вода | Шар | 4·10-6 | 0,92 | ||
| Ртуть | Вода | Шар | 8·10-8 | 13,55 | ||
| Пудра сахарная | Воздух | Шар | 6·10-5 | 0,85 | ||
| Толуол | Вода | Шар | 2·10-6 | 0,87 | 0,8 | |
| Серебро | Вода | Куб | 5·10-8 | 10,5 | ||
| Камфара | Вода | Шар | 1·10-6 | 0,99 | ||
| Пыль угольная | Воздух | Куб | 6·10-5 | 1,8 | ||
| Золото | Вода | Шар | 8·10-9 | 19,3 | ||
| Селен | Вода | Шар | 2,8·10-7 | 4,28 | 0,3 | |
| Глина | Вода | Шар | 5,6·10-6 | 2,7 | 0,04 | |
| AgCl | Вода | Шар | 3×10-6 | 5,6 | ||
| Al2O3 | Вода | Шар | 2,9×10-9 | 0,2 |
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
расчет поверхностного натяжения
ПРИМЕРЫРЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Пример 1. Вычислите поверхностное натяжение анилина при 292 К, если методом наибольшего давления пузырька газа получены следующие данные: давление пузырька при проскакивании его в воду составляет 11,82·102 Н/м2, а в анилин равно 7,12·102 Н/м2. Поверхностное натяжение воды 72,55·10-3 Н/м.
Решение. Широко распространенным методом определения поверхностного натяжения является метод наибольшего давления пузырька (метод Ребиндера). К поверхности жидкости подводится вакуумная пробирка с капилляром, на конце которого под действием вакуума образуется воздушный пузырек. Давление, при котором пузырек проскакивает через поверхностную пленку жидкости и прорывает ее, определяется величиной поверхностного натяжения жидкости:
σx = (σ0·px)/p0 (Н/м),
где σ0 – поверхностное натяжение стандартной жидкости (Н/м), px и p0 – давления, необходимые для проскока пузырька через поверхность исследуемой и стандартной жидкости (Н/м2).
σx = (72,55·10-3 · 7,12·102)/ 11,82·102 = 43,7·10-3 Н/м.
Пример 2. Найти поверхностное натяжение анилина, если с помощью сталагмометра Траубе получены следующие данные: число капель анилина 42, плотность его 1020 кг/м3, число капель воды 18. Температура опыта 288 К поверхностное натяжение воды σ0 = 73,26·10-3 Н/м.
Решение. Широко распространенным методом определения поверхностного натяжения является метод Траубе (метод счета капель). С помощью сталагмометра подсчитывается, какое число капель стандартной жидкости n0 и исследуемой жидкости nx содержится в определенном объеме этих жидкостей:
σ = (n0 · ρ x · σ0) / (nx · ρ0) (Н/м)
где ρ0 и ρx – плотности стандартной и исследуемой жидкостей, σ0 – поверхностное натяжение стандартной жидкости (Н/м).
σ = (18 · 1020 · 73,26·10-3)/(42·999)=32,1·10-3 Н/м.
Пример 3. Вычислите поверхностное натяжение глицерина, если в стеклянном капилляре с радиусом 0,8 мм столбик ее поднялся на 12,0 мм выше уровня глицерина в сосуде. Плотность глицерина равна 1,26·103 кг/м3.
Решение. При погружении в жидкость капилляра уровень жидкости, смачивающей стенки капилляра, выше, чем ее аналогичный уровень в широком сосуде. Причем уровень жидкости в капилляре тем выше, чем меньше радиус капилляра. Если жидкость не смачивает стенки капилляра, то жидкость в капилляре будет опускаться.
При использовании метода поднятия (опускания) жидкости в капилляре применяют следующее уравнение:
σ = (h·r·ρ · g)/2 (Н/м)
где, r – радиус капилляра (м), ρ – плотность (кг/м3), g – ускорение свободного падения (м/с2).
σ =(12·10-3·0,8·10-3·1,26·103· 9,8)/2 = 59,3·10-3 Н/м.
МНОГОВАРИАНТНЫЕ ЗАДАНИЯ
| Вари-ант | Задача |
| Рассчитайте поверхностное натяжение ртути, если в стеклянном капилляре радиусом 0,16·10-3 м столбик ее опустился на 0,012 м ниже уровня ртути в сосуде. Плотность ртути равна 13,6·103 кг/м3. | |
| Вычислите поверхностное натяжение глицерина, если в стеклянном капилляре с радиусом 0,4·10-3 м он поднимается на высоту 27·10-3 м. Плотность глицерина равна 1,26 103 кг/ м3. | |
| Найдите поверхностное натяжение жидкости, если в капилляре с диаметром 2 мм она поднимается на высоту 15 мм. Плотность жидкости 0,998 г/см3. | |
| Определите диаметр трубки капилляра, если ацетон поднимается в ней на 6,3 мм. Поверхностное натяжение ацетона составляет 23,70·10-3 Н/м, плотность ацетона равна 0,791·103 кг/м3. | |
| До какой высоты поднимется вода в капилляре диаметром равным 0,1 мм, если при 15°С поверхностное натяжение воды составляет 73,26·10-3 Н/м. | |
| Вычислить поверхностное натяжение глицерина, если в капилляре с радиусом r = 0,4 · 10-3 м столбик поднялся на высоту h = 26,8 · 10-3 м. Плотность глицерина ρ = 1,26 кг/м3 | |
| Какова величина поверхностного натяжения ртути, если в стеклянном капилляре с радиусом r = 0,6 · 10-3 м столбик ее опустился на 12 · 10-3 м ниже уровня ртути в сосуде? | |
| Вычислить поверхностное натяжение анилина на границе с воздухом, если методом наибольшего давления пузырьков получены следующие результаты: давление пузырька при проскакивании его в воду равно 11,82 · 102 Н/м2, а анилин 711,5 Н/м2. Поверхностное натяжение воды σ0 = 72,55 · 10-3 Н/м. | |
| Найти поверхностное натяжение анилина, если с помощью сталагмометра Траубе получены следующие данные: число капель анилина 48, плотность его ρ = 1, 022 · 103 кг/м3, число капель воды 23. Температура опыта 288 К. Поверхностное натяжение воды σ0 = 72,55 · 10-3 Н/м. | |
| Вычислите поверхностное натяжение раствора масляной кислоты по методу Ребиндера, если давление пузырька при проскакивании его в воду равно 12,3·102 Н/м2, а в раствор кислоты составляет 10,1·102 Н/м2. Поверхностное натяжение воды равно 72,75·10-3 Н/м. | |
| С помощью сталагмометра получены следующие данные: среднее число капель воды 54,7, среднее число капель исследуемой жидкости 88,2. При температуре опыта 17,5°С поверхностное натяжение воды составляет 72,38·10-3 Н/м. Плотности воды и исследуемой жидкости соответственно равны: 999 кг/м3 и 1131 кг/м3. Вычислите поверхностное натяжение исследуемой жидкости. | |
| Вычислите поверхностное натяжение водного раствора паратолуидина, если пузырек в раствор проскакивает при давлении 6,34·102 Н/м2, а в воду при давлении 9,55·102 Н/м2. Поверхностное натяжение воды при 20°С равно 72,75·10-3 Н/м. | |
| Вычислите поверхностное натяжение анилина при 15°С, если с помощью сталагмометра получены следующие данные: число капель анилина 32, число капель воды 18. Плотность анилина составляет 1035 кг/м3, плотность воды равна 999 кг/м3. Поверхностное натяжение воды при 15°С равно 73,5·10-3 Н/м. | |
| Определите диаметр трубки капилляра, если хлороформ поднимается в ней на 19,3 мм. Поверхностное натяжение хлороформа равно 27,24·10-3 Н/м, плотность хлороформа составляет 1,48·103 кг/м3. | |
| Вычислите поверхностное натяжение ацетона при 283 К, если методом наибольшего давления пузырька газа получены следующие данные: давление пузырька при проскакивании его в воду равно 14,1·102 Н/м2, а в ацетон составляет 4,75·102 Н/м2. Поверхностное натяжение воды при 10°С равно 74,22·10-3 Н/м. | |
| Вычислите поверхностное натяжение гексана при 20°С, если методом счета капель получены следующие данные: число капель гексана 65, число капель воды 25. Плотность гексана равна 659,5 кг/м3, плотность воды 998,2 кг/м3. Поверхностное натяжение воды при 20°С равно 72,75·10-3 Н/м. | |
| Определите диаметр капилляра, если хлороформ поднялся в нем на высоту 9,68 мм. Поверхностное натяжение хлороформа составляет 27,14·10-3 Н/м, плотность хлороформа равна 1,488·103 кг/м3. | |
| Вычислите поверхностное натяжение раствора уксусной кислоты по методу Ребиндера, если давление пузырька при проскакивании его в воду равно 10,8·102 Н/м2, а в раствор кислоты составляет 4,13·102 Н/м2. Поверхностное натяжение воды равно 72,75·10-3 Н/м. | |
| Вычислите поверхностное натяжение уксусной кислоты при 20°С, если методом счета капель получены следующие данные: число капель уксусной кислоты 44, число капель воды 16. Плотность кислоты равна 1049,1 кг/м3, плотность воды составляет 998,2 кг/м3. Поверхностное натяжение воды при 20°С равно 72,75·10-3 Н/м. | |
| Вычислите поверхностное натяжение глицерина при 30°С, если пузырек в глицерин проскакивает при давлении 8,67·102 Н/м2, а в воду при давлении 10,46·102 Н/м2. Поверхностное натяжение воды при 30°С равно 71,15·10-3 Н/м. | |
| Вычислите поверхностное натяжение толуола при 323 К, если методом наибольшего давления пузырька газа получены следующие данные: давление пузырька при проскакивании его в воду равно 14,28·102 Н/м2, а в толуол составляет 5,03·102 Н/м2. Поверхностное натяжение воды при 323 К равно 67,91·10-3 Н/м. | |
| Вычислите поверхностное натяжение нитробензола при 10°С сталагмометрическим методом получены следующие данные: число капель нитробензола 33, число капель воды 18. Плотность нитробензола 1,213·103 кг/м3. | |
| До какой высоты поднимется уксусная кислота в капилляре диаметром 0,2 мм, если при 20°С поверхностное натяжение кислоты равно 27,80·10-3 Н/м. Плотность уксусной кислоты составляет 1049 кг/м3. | |
| Вычислите поверхностное натяжение анилина, если с помощью сталагмометра Траубе получены следующие данные: число капель анилина равно 42, число капель воды 18. Плотность анилина 1013 кг/м3, плотность воды 995,6 кг/м3. Поверхностное натяжение воды при 30°С составляет 71,15·10-3 Н/м2. |