ОДЕСЬКОЇ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Скачати 0.93 Mb.

Назва	ОДЕСЬКОЇ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ
Сторінка	2/9
Дата	09.04.2013
Розмір	0.93 Mb.
Тип	Лекція

bibl.com.ua > Химия > Лекція

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Вступ

Сучасний конспект лекцій складено у відношенні з діючою програмою по фізичній та колоїдній хімії для студентів денного та заочного відділення учбових закладів І-ІІ рівнів акредитації.

Курс фізичної та колоїдної хімії визначається після курсу фізики, математики, неорганічної, аналітичної і органічної хімії, тому до конспекту не увійшли, чи приведені дуже коротко розділи цих дисциплін. Докладно викладений матеріал наступних тем: «Агрегатний стан речовин», «Поверхневі явища», «Структуроутворення», «Мікрогетерогенні системи».

Це обумовлено важністю вказаних тем для поняття фізико-хімічних, колоїдно-хімічних основ технологічних процесів харчової промисловості. Багато законів і положень фізичної та колоїдної хімії зображається прикладами із різних харчових галузей.

У зв’язку з більшою різноманітністю технологічних процесів харчових виробництв у конспект увійшли матеріали для спеціалістів кондитерських, хлібобулочних та макаронних виробництв.

Для кращого застосування і розуміння теоретичного матеріалу в деяких розділах приведені приклади, використання теоретичного матеріалу в галузях харчової промисловості. Всі фізичні величини виражені у Міжнародні системі одиниць.

Лекція № 1
Тема: Фізична хімія, основні розділи, практичне використання, загальна характеристика агрегатного становища.

Мета: Вивчити основні розділи фізичної хімії, навчитися використовувати основні поняття, ознайомитися з загальною характеристикою агрегатного становища.

Вступ до фізичної хімії, розвиток фізичної хімії.

Виникнення фізичної хімії відноситься до середини 18 ст. У цей час знання з фізики і хімії створили основу для виділення фізичної хімії як самостійної науки. Засновник фізичної хімії Ломоносов М.В. ( 1711-1765 p.).

Фізична хімія - наука, яка розкриває фізичні причини хімічних процесів.

М. В. Ломоносов відкрив і кількісно обґрунтував основний закон хімії - "Закон збереження маси речовин". Його дослідження доказали те, що речовину неможливо знищити.

Розвиток фізичної хімії був пов'язаний з дослідженнями вчених, що вивчали дію тепла та електрики на протікання хімічних процесів.

Другим засновником фізичної хімії є Г.І.Гесс. На основі його досліджень було відкрито науку – термодинаміку. В основі цієї науки лежить "Закон постійності сум тепла при хімічних перетворюваннях". "Закон збереження енергії": енергія може переходити з одного виду в інший в еквівалентних співвідношеннях.

У 1887р. німецький вчений В.Оствальд заснував у Лейбцигському університеті першу кафедру фізичної хімії і перший став видавати журнал.

У 1865 р. курс фізичної хімії починає викладати М. М. Бекетов у Харківському університеті. Курс носить назву: «Відносини фізичних і хімічних явищ між собою». Таку назву курс мав 5 років.
Основні відкриття М.М.Бекетова:

1) Ряд активності металів.

2) Вивчення відновної здатності одних металів по відношенню до інших.

3) Відкрив виробництво алюмінію та магнію.

Великий внесок у розвиток фізичної хімії внесли: С.А.Арреніус - теорія електролітичної дисоціації ; Я.Х.Вант - Гофф займався вивченням розведених розчинів, які він дорівнював до газоподібного стану, розробив термодинамічну теорію хімічної рівноваги (правило Вант-Гоффа ); Д.І.Менделєєв займався вивченням термодинамічного розширення рідин, їх поверхневого натягу при різних температурах, вивів газову постійну: R = 8,314 ∙10³ кДж/к моль ∙К
Головні розділи фізичної хімії:

1) Агрегатні стани речовин.

2) Основи хімічної термодинаміки(тут вивчають перетворення одного виду енергії в інші).

3) Хімічна кінетика (цей розділ вивчає швидкість хімічних реакцій, фактори, від яких вона залежить, а також різні види каталізу).

4) Розчини (вивчають здатності розчинів - неелектролітів та фактори, від яких вони залежать).

5) Електрохімія (вивчає властивості розчинів - електролітів, електропровідність цих розчинів гальванічні процеси в них).

В основі багатьох технологічних процесів добування металів та їх сплавів пластмас, хімічних волокон, добрив, лікарських препаратів, неорганічних речовин харчових продуктів полягають закони фізичної хімії. Поширені у різних галузях харчової промисловості процеси як випарювання, сепарація, дистиляція сушіння, екстрагування, кристалізація і розчинення можуть бути зрозумілі і здійснювані на основі законів фізичної хімії. Усі біохімічні процеси, які лежать в основі багатьох харчових виробництв, також підпорядковуються законам фізичної хімії. На методах фізичної хімії засновано і технологічний контроль харчових виробництв: визначення кислотності, вологості, вміст цукру, жиру, білку і вітамінів.

Всі агрегатні стани речовини характеризуються двома протилежностями: збираючим і розсіювальним факторами, а саме силами когезії і кінетичною енергією молекули.

До збираючих сил відносяться :

1) Сили когезії (існують в однакових молекулах);

2) Сили адгезії (існують між різними молекулам).

Розсіювальний фактор - кінетична енергія, обумовлена броунівським рухом.

Лекція № 2
Тема: Газоподібний стан речовин, рівняння ідеального та реального газу, об’єднаний газовий закон.

Мета: Вивчити газоподібний стан речовин, навчитися користуватися рівняннями: ідеального, реального та об’єднаним газовим законом, переводити одиниці вимірювання в систему СІ.

Агрегатні стани речовини.

Газоподібний стан речовин, рівняння ідеального та реального газу.

Газові закони

Газоподібний стан речовини характеризується дуже великою кінетичною енергією молекул і дуже малими силами когезії, тому газ завжди намагається зайняти як можна більший об'єм.

Якщо газ дуже розріджений, міжмолекулярний простір настільки великий, то сили когезії стають настільки малими, що ними можна нехтувати. У таких газах нехтують і об'ємом самих молекул. Такий газ називають ідеальним. Усі газові закони використовують для ідеальних газів.

Ідеальний стан газів вивчали вчені Менделєєв і Клапейрон і вивели рівняння ідеального газу.

PV = nRT

де, Р- тиск, Па (Па = Н/м²)

V- об'єм , м³ (м³ = л ∙10^-3)

n – кількість молів газу

R - універсальна газова постійна (R = 8,314 ∙10³ кДж/к моль ∙К)

Т - температура, К (0⁰ С = 273 К)

Газ під тиском називають реальним газом. У реальних газах неможливо нехтувати ні об'ємом молекул, ні силами когезії, тому для реальних газів неможливо використовувати рівняння Менделєєва - Клапейрона. Використовують рівняння

Ван-дер-Ваальса:
( Р + n∙a/ V²)∙( V - n∙b ) = nRT
де, Р- тиск, Па

n - кількість молів газу

а - коефіцієнт, що враховує сили когезії

V- об'єм, м³

R - газова постійна

b - коефіцієнт, що враховує об'єм молекул.

Ті зовнішні умови (Р, Т, V), при яких газ перетворюється у рідину, називають критичними параметрами. Ці параметри були доведені Д.І. Менделєєвим.
Практичне використання газів.

1) Рідкі гази знайшли своє використання у холодильних установках.

2) У харчовій промисловості газ використовують як розпушувач – СО₂, амоній.

3) Газ використовують у виробництві будівельних матеріалів.
Об'єднаний газовий закон:

де, Р₀= 101325 Па

V₀ = 22,4 ∙ 10^-3 м³

Т₀ = 273 К
При заданих умовах:

_зад = m/V ( кг/м³ )
При нормальних умовах:
_н.у. = М/V ( кг/м³ )

Лекція № 3
Тема: Рідкий стан: поверхневий натяг, методи визначення, в’язкість, формули Ньютона і Пуазейля. Твердий стан.

Мета: Вивчити властивості рідини, навчитися визначати поверхневий натяг та в’язкість, встановити залежність поверхневого натягу та в’язкості від концентрації та температури.

Рідкий стан речовини. Поверхневий натяг, в'язкість.

Рідкий стан речовини характеризується більшими силами когезії і малою кінетичною енергією у порівнянні з газоподібними станами речовини.

Усі властивості рідини характеризуються об'ємом самих молекул. Рідини мають свій постійний об'єм, форми постійної вони не мають, цим вони схожі з газом. Також вони схожі з газом та твердим станом, так як займають проміжний стан між ними, рух молекул в рідині поступово-коливальний. Спільність з твердими тілами - пружність.

Рідини текучі, як гази і пружні, як тверді тіла. Рідини, як і тверді тіла, відносять до конденсованих систем.

Молекули, об'єднані у групи, називають асоціатами, а такі рідини -асоційованими.
Властивості рідини:

1) поверхневий натяг;

2) в'язкість.

Поверхневий натяг - поверхнева енергія, віднесена до одиниці площі. Поверхневий натяг визначають за формулою:
 = G/S (Н/м²)

де,  - поверхневий натяг

G - поверхнева енергія

S - площа поверхні
При збільшенні поверхні деяке число молекул переходить з середини на поверхню. Цей процес вимагає затрати зовнішньої роботи.

Поверхнева енергія - робота, витрачена на збільшення площі поверхні рідини, переходить у потенційну енергію молекул поверхневого шару.
Методи визначення поверхневого натягу:

1) Метод рахування краплин.

Прилад називають сталагмометр (піпетка). Сталагмометром визначають відносний поверхневий натяг (відносно води).

Визначають відносний поверхневий натяг за формулою:
G =

де, G_o – поверхневий натяг води

G – поверхневий натяг досліджуємої речовини

_o – густина води

 - густина досліджуємої рідини

n_o –число крапель води

n- число крапель досліджуємої рідини

2. По масі краплини, відірваної від кінця капіляру.

3. По висоті піднятої рідини у капілярі

4. По найбільшому тиску, який необхідно дати пузирку газу, для того, щоб він увійшов у рідину.

В'язкість має велике практичне значення, оскільки треба обов'язково знати в'язкість при розрахунку перетину труб, по яким буде текти рідина. По в'язкості переконуються у готовності напівфабрикату (шоколадної маси, тіста).

В'язкість визначається за формулою Пуазейля:

 =

(Па с)

де, r – радіус капіляра, м

l – довжина капіляра, м

V – об’єм витікаючої рідини, м³

P – тиск, під яким рідина тече через капіляр, Па

 - час протікання, с

На практиці замість абсолютного значення в’язкості знаходять відносну в’язкість (наприклад відносно води) по формулі:

 = 

(Па с)

де,  - в’язкість досліджуваної речовини, Па  с



- в’язкість води, Па  с

- густина води і досліджованої рідини, кг/м³

- час витікання води і досліджуваної речовини, с
Для визначення одиниць вимірювання в'язкості використовують формулу Ньютона, який доказав, що між шарами існує сила, яка намагається зрівняти швидкості руху шарів.
F= dv/dx ∙S
де, dx/dv – градієнт швидкості

S – площа шарів, які труться

 - коефіцієнт внутрішнього тертя
 = Fdx / Sdv
Твердий стан речовини. Кристалічний і аморфний стан.

Тверді та рідкі тіла утворюють конденсовані системи. Особливість цих систем у тому, що вони чинять опір всебічному стисненню при накладанні на них зовнішнього тиску.

Твердий стан речовини характеризується властивістю зберігати не тільки об’єм, як це властиво рідинам, але і форму.

Тому густина твердих і рідких тіл зберігається, якщо зовнішній тиск змінюється не дуже сильно. В'язкість конденсованих систем з підвищенням температури знижується, а розріджених - підвищується. Частинки у тілах самостисненні дією міжмолекулярних сил притягання. При подальшому примушеному зближенні частинок (зовнішній тиск) інтенсивно наростають сили відштовхування, зумовлені взаємодією однойменне заряджених електронних оболонок зближуваних частинок. Кожна частинка зазнає дію сил притягання та відштовхування. Спочатку наростають сили притягання, а потім сили відштовхування.
Кристалічний та аморфний стан речовин.

Дослідження рентгенівським промінням виявляють: частинки в одних твердих тілах розташовані у періодично повторному порядку, а в інших-безладно. Перші утворюють кристали - тверді тіла, які мають форму багатогранника, другі цією властивістю не володіють, а утворюють маси різноманітної форми, обмежені кривими поверхнями - це аморфні тіла.

До кристалічних тіл відносяться: мінерали, солі, тверді кислоти та органічні сполуки. До аморфних - каніфоль, скло, бітуми, бакеліт, гідрооксид.

Основною ознакою кристалічного стану речовини є їх анізотропія, її сутність у тому, що кристал у різних напрямках має неоднакові властивості (твердість, тепло - і електропровідність).

При нагріванні шару він приймає форму еліпса. Зміна зовнішньої форми тіла є результатом того, що коефіцієнт лінійного розширення в одному напрямку має одну величину, а в другому - іншу. Друга важлива особливість кристалічних утворювань - здатність самоогранятися. Явище самоограніння спостерігається при утворенні кристалів йоду, нафталіну, бензойної кислоти, а саме у здатності возгонятися.

Здатність кристала легко роздроблюватися на шари по деяких площинах називається стійкістю (у аморфних тіл її немає).

Кристалічні речовини характеризуються строго визначеною t° плавлення та твердіння. Ця температура є константою для даної кристалічної сполуки.

У аморфних речовин: з підвищенням температури вони розм'якшуються, потім з підвищенням температури переходять у рідкий стан. Тут існує температурна область переходу з одного агрегатного стану в інший.

Здатність до ізотропії наближає аморфні тіла до рідких. При охолодженні усіх речовин в'язкість помітно збільшується.

Лекція № 4
Тема: Основи хімічної термодинаміки, закон Гесса та наслідки з нього

Мета: Вивчити основні поняття хімічної термодинаміки: ентальпія, ентропія, вільна енергія Гіббса; перший та другий закон термодинаміки, навчитися користуватися законом Гесса та наслідками з нього, вирішувати задачі на визначення теплових ефектів реакції, теплоти утворення та розкладання.

Основи хімічної термодинаміки.

Термодинаміка - наука про переходи теплової енергії в інші і навпаки.

Хімічна термодинаміка - наука, що вивчає переходи хімічної енергії в теплову енергію.

В основу хімічної термодинаміки покладено закон М.В. Ломоносова, відкритий в 1748 році - «Закон збереження енергії».
А

В + С Д = М І

Н₁ = Н₂

Енергія не виникає з нічого і не зникає безслідно, а тільки перетворюється з одного виду в інший, у строго еквівалентних відносинах.
Основні поняття хімічної термодинаміки.

Система - це тіло або сукупність тіл, які знаходяться у взаємодії і умовне огороджені від навколишнього середовища. Система може бути ізольованою і неізольованою. До ізольованої системи приблизно відносяться: холодильник, термос, космічний корабель, підводний човен. Неізольовані системи - усі інші.

Системи бувають гомогенні і гетерогенні. Гомогенна система - це однорідна система (СО₂, NaCl розчинений у воді). Гетерогенна - неоднорідна система, повинен випадати осад, утворюються гази.

Фаза - це сукупність усіх гомогенних частин системи, однакових за складом, фізичними та хімічними властивостями. Фази, складені з однієї, будь-якої хімічної речовини, називають простими, ті, що містять дві або декілька речовин - змішаними.

Стан системи характеризується термодинамічними параметрами:

1) концентрація;

2) тиск;

3) внутрішня енергія;

4) ентропія;

5) ентальпія;

6) вільна енергія Гіббса.

Перший закон термодинаміки.

I закон термодинаміки встановлює кількісні та якісні зміни внутрішньої енергії системи.

Внутрішня енергія складається з усіх видів енергії: енергії протонів, нейтронів, електронів, енергії зв'язків між атомами у системі та міжмолекулярні взаємодії. І закон термодинаміки встановлює тільки зміни внутрішньої енергії, а не абсолютне її значення.
U = U₁ – U₂

де, U – внутрішня енергія

Математичний вираз І закону термодинаміки: "Зміна внутрішньої енергії системи складається з того тепла або тої енергії, яка надається даний системі, за відрахуванням тої роботи, яку здійснює дана система."

U = Н - А

Якщо система не здійснює ніякої механічної роботи, а отримує тільки енергію, тоді:

U = Н

Внутрішня енергія в хімічних реакціях - це тепловий ефект. Тепловим ефектом хімічної реакції називається та кількість тепла, яка виділяється або поглинається в результаті хімічних реакцій. Якщо тепло виділяється, реакцію називають екзотермічною + Н.
АВ + СД = ЕМ + Н

Якщо внаслідок реакції тепло поглинається, то реакцію називають ендотермічною - Н.
АВ + СД = ЕМ - Н

Закон Гесса і наслідки з нього.

Теплохімія базується на законі Гесса: сумарний тепловий ефект даного хімічного процесу не залежить від того, вівся цей процес в одну стадію або в декілька проміжних стадій.
С + О₂ = СО₂ + Q ккал – 1 стадія

С

+ 1/2О₂ = CO + Q₁ ккал

CO + 1/2О₂ = СО₂ + Q₂ ккал 2 стадія

Н = Н₁ + Н₂
З закону Гесса витікає декілька наслідків:

1) Теплота утворення складної речовини з простих дорівнює теплоті розкладання цієї складної речовини на прості, але з протилежним знаком.

Теплота утворення - це те тепло, яке виділяється при утворенні 1 моля складної речовини.

Теплота розкладання - це те тепло, яке виділяється або поглинається при розкладанні 1 моля речовини.
С + О₂ = СО₂ + Н - теплота утворення

СО₂ = С + О₂ - Н - теплота розкладання
Теплота утворення простих речовин дорівнює нулю. Теплоту утворення складних речовин находять за таблицею.
2) Якщо декілька хімічних реакцій виходять з різних речовин, внаслідок реакції утворюється одна і та ж речовина, то тепловий ефект переходу дорівнює різниці між відповідними реакціями.

С_вуг + О₂ = СО₂ + Н₁

C_ал + О₂ = СО₂ + Н₂

С_гр + О₂ = СО₂ + Н₃
Наприклад, тепловий ефект переходу вугілля в алмаз дорівнює:
Н_пер = Н₁ - Н₂
3) Тепловий ефект реакції дорівнює різниці між сумами теплоти утворення речовин, які стоять в правій та лівій частинах хімічного рівняння.

АВ + СД = EM + NF  Н

   

Н₁ Н₂ Н₃ Н₄

Н = (Н₃ + Н₄) – (Н₁ - Н₂)

II закон термодинаміки.

II закон термодинаміки встановлює напрямки і межі самовільного процесу. Вперше II закон сформулював у 1747 р. М.В.Ломоносов. Формулювання підтвердив Клаузіус, яке формулюється так: тепло завжди самовільно переходить від гарячого тіла до холодного до тих пір, доки у системі не настане рівновага.

У випадку тепла фактором інтенсивності є температура. У випадку дифузії – концентрація, у випадку газів – тиск, у випадку електрики - потенціали.

Всю внутрішню енергію системи розглядають як суму двох додатків цільної енергії і зв'язаної.
U= G+ g
Вільна енергія - це та енергія, за рахунок якої система здійснює роботу -G.

Зв'язана - це та енергія, яка розсіюється у навколишнє середовище - g.
Н = U + pV

H= G + pV+ g
Потенціал Гельмгольца - вільна енергія для конденсованих систем F.

Зв'язана енергія дорівнює g = Т ∙ S.

Ентропія – міра зв’язаної енергії необратимості S. Змінення енергії Гіббса позначається G.

Для самовільного процесу рухомою силою є ентальпія H, ентропія S, або енергія Гіббса G.

1) Якщо Н = 0 ( процес невиділення і непоглинання енергії ), то самовільно буде йти той процес, який буде супроводжувати збільшення ентропії.

2) Якщо S = 0, то самовільно буде йти той процес, який супроводжує зменшення внутрішньої енергії, а саме зменшення ентальпії.

3) Якщо ні S, ні Н = 0, то силою, яка керує процесом, буде G

а) якщо G  0, буде йти прямий процес;

б) якщо G  0, буде йти зворотний процес;

в) якщо G= 0, система буде у рівновазі.

Лекція № 5

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Схожі:

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ Циклова комісія хімічних дисциплін Одеського технічного коледжу Одеської національної академії харчових технологій	МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ МОРЕХІДНИЙ... Дійсний стандарт установлює мету, завдання й основні положення роботи методичного кабінету Морехідного коледжу технічного флоту Одеської...
ОДЕСЬКИЙ ОБЛАСНИЙ ЦЕНТР ЗАЙНЯТОСТІ ОДЕСЬКИЙ МІСЬКИЙ ЦЕНТР ЗАЙНЯТОСТІ Ярмарок кар’єри. Презентація навчального закладу Одеської національної академії зв’язку ім. О. С. Попова та коледжу зв’язку та інформатизації...	ПРАВИЛА ПРИЙОМУ до Морехідного коледжу технічного флоту Одеської... Правила прийому до Морехідного коледжу технічного флоту Одеської національної морської академії у 2013 році
ПРАВИЛА ПРИЙОМУ до Морехідного коледжу технічного флоту Одеської... Правила прийому до Морехідного коледжу технічного флоту Одеської національної морської академії в 2012 році	МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ МОРЕХІДНИЙ КОЛЕДЖ ТЕХНІЧНОГО...
ПОЛОЖЕНН Я про спеціалізовані вчені ради Національної академії наук, Академії медичних наук, Української академії аграрних наук, Академії педагогічних наук, Академії правових...	За загальною редакцією ректора Національної академії Служби безпеки... Рекомендовано до друку Вченою радою Національної академії Служби безпеки України, протокол №13 від 23 вересня 2010 року
Урок найважливіша організаціійна форма процесу пізнання світу учнями ОДЕСЬКА ЗАГАЛЬНООСВІТНЯ ШКОЛА №66 І-ІІІ СТУПЕНІВ ОДЕСЬКОЇ МІСЬКОЇ РАДИ ОДЕСЬКОЇ ОБЛАСТІ	Конкурс проводиться з метою залучення дітей до читання, підтримки... України), Інститутом інноваційних технологій і змісту освіти (далі – Інститут) спільно з Міністерством культури України (далі – Мінкультури...

Додайте кнопку на своєму сайті:
Портал навчання