3. Химические системы: растворы, дисперсные системы, полимеры и олигомеры

Растворы - однородные смеси переменного состава. Растворы делят на газовые, жидкие и твердые.

К газовым растворам относят воздух, природные горючие газы и др., их чаще называют смесями.

Наибольшее значение имеют жидкие растворы, например, воды озер, рек, морей, нефть и др.

К твердым растворам относятся многие сплавы.

Всякий раствор состоит из растворенного вещества и растворителя, то есть среды, в которой это вещество равномерно распределено в виде молекул, агрегатов молекул и ионов.

Возможность образования растворов обуславливается растворимостью его компонентов. Наибольшую взаимную растворимость имеют вещества со сходным строением и свойствами.

Важнейшей характеристикой раствора является его состав. Наиболее распространен способ выражения состава раствора через массовые проценты.

Так, 20 %-ный раствор какого-либо вещества - это раствор, в 100 г которого содержится 20 г этого вещества.

Другой часто используемы способ выражения состава раствора - молярная концентрация, которая показывает число молей растворенного вещества в 1 л раствора.

Иногда пользуются титром раствора. Титр раствора выражается числом граммов растворенного вещества в 1 мл раствора.

Растворы получаются при взаимодействии растворимого вещества и растворителя.

Абсолютно нерастворимых веществ нет.

Процесс растворения продолжается до установления состояния равновесия - состояния насыщенного раствора.

При самопроизвольном образовании растворов изобарный потенциал (энергия Гиббса) системы уменьшается, а D G< 0, для насыщенного раствора D G=0.

Движущими силами образования растворов являются энтальпийный и энтропийный факторы.

Энтропийным фактором объясняется самопроизвольное смешивание двух инертных, практически не взаимодействующих газов гелия и неона.

Чем слабее взаимодействие молекул растворителя и растворенного вещества, тем больше роль энтропийного фактора в образовании раствора. Знак изменения энтропии зависит от степени изменения порядка в системе до и после процесса растворения. При растворении газов в жидкости энтропия всегда уменьшается, а при растворении кристаллов возрастает.

Знак изменения энтальпии растворения определяется знаком суммы всех тепловых эффектов процессов, сопровождающих растворение, из которых основной вклад вносят разрушение кристаллической решетки и взаимодействие образовавшихся ионов с молекулами растворителя.

Растворитель и растворенное вещество оказывают значительное влияние друг на друга и взаимно изменяют свои свойства. Степень влияния зависит от природы того или иного вещества, и оно наиболее существенно проявляется в диссоциации молекул растворенного вещества или их ассоциации. Преимущественное прохождение того или иного процесса определяется концентрацией вещества в растворе, температурой и соотношением полярностей растворителя и растворенного вещества.

Для понимания природы растворов важное значение имеют работы Д.И. Менделеева, создавшего химическую теорию растворов. До работ Менделеева считалось, что растворы - это результат физического процесса измельчения растворяемого вещества в среде растворителя, причем между частицами в растворе отсутствуют какие-либо взаимодействия. На основании экспериментальных факторов Менделеев доказал наличие в растворах определенных химических соединений - комплексов растворенного вещества с растворителем. Эти комплексы называются сольватами (для водных растворов - гидратами).

Идеальный раствор - это раствор, в котором силы межмолекулярного взаимодействия молекул растворителя и растворенных веществ одинаковы.

При образовании идеального раствора энтальпия системы не изменяется. Каждый компонент в составе идеального раствора ведет себя независимо от других компонентов.

Дисперсные системы

Истинные растворы содержат молекулы или атомы, размеры которых обычно не превышают 5× 10-9 м (5 нм). При увеличении размеров частиц система становится гетерогенной, состоящей из двух и более фаз с сильно развитой поверхностью раздела. Такие системы получили название дисперсных систем.

Все дисперсные системы состоят из сплошной фазы, называемой дисперсной средой, и прерывистой фазы (частиц) называемой дисперсной фазой. В зависимости от размера частиц дисперсные системы подразделяются на группы:

  1. взвеси (суспензии, эмульсии) у которых частицы имеют размер 1000 нм (10-6 м) и более;
  2. коллоидные системы, размер частиц которых лежит в пределах от 1 до 500 нм (10-9- 5× 10-7 м).

Дисперсные системы также классифицируются по агрегатным состояниям дисперсной фазы и дисперсной среды:

Тип дисперсной системы

Фазовое состояние

Примеры

 

дисперсной среды

дисперсной фазы

 

Аэрозоль

газ

жидкость

туман, облака

Аэрозоль

газ

твердая

дым, пыль

Пена

жидкая

газ

взбитые сливки

Эмульсия

жидкая

жидкая

молоко, майонез

Золь

жидкая

твердая

краски

Твердая эмульсия

твердая

жидкая

масло

Гель

твердая

жидкая

желе

Коллоидные системы

Коллоидное состояние характерно для многих веществ, если их частицы имеют размер от 1 до 500 нм. Характерной особенностью коллоидных частиц является наличие на их поверхности заряда, обусловленного избирательной адсорбцией ионов (изменение концентрации вещества на границе раздела фаз называется адсорбцией). Коллоидная частица имеет сложное строение. Она включает в себя ядро, адсорбированные ионы, противоионы и растворитель. Существуют лиофильные коллоиды, в которых растворитель взаимодействует с ядрами частиц, и и лиофобные коллоиды, в которых растворитель не взаимодействует с ядром частиц.

Полимеры и олигомеры

Полимеры - высокомолекулярные соединения, которые характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов. Молекулы полимеров, называемые также макромолекулами, состоят из большего числа повторяющихся звеньев. Вследствие большой молекулярной массы макромолекул полимеры приобретают некоторые специфические свойства. Поэтому они выделены в особую группу химических соединений.

Отдельную группу также составляют олигомеры, которые по значению молекулярной массы занимают промежуточное положение между низкомолекулярными и высокомолекулярными соединениями.

Различают неорганические, органические и элементоорганические полимеры. Органические полимеры подразделяют на природные и синтетические.

Макромолекулы полимеров могут быть линейными, разветвленными и сетчатыми.

Линейные полимеры образуются при полимеризации мономеров или линейной поликонденсации.

Разветвленные полимеры могут образовываться как при полимеризации, так и при поликонденсации. Разветвление полимеров при полимеризации может быть вызвано передачей цепи на макромолекулу, росте боковых цепей за счет сополимеризации и другими причинами.

Линейные и разветвленные макромолекулы из-за способности атомов и групп вращаться вокруг ординарных связей постоянно изменяют свою пространственную форму, имеют много конформационных структур. Это свойство обеспечивает гибкость макромолекул, которые могут изгибаться, скручиваться, распрямляться. Поэтому для линейных и разветвленных полимеров характерно высокоэластическое состояние, т.е. способность к обратимой деформации под действием относительно небольших внешних сил.

При разветвлении полимеров эластические и термопластические свойства становятся менее выраженными. При образовании сетчатой структуры термопластичность теряется. По мере уменьшения длины цепей в ячейках сеток утрачивается и эластичность полимеров, например, при переходе от каучука к эбониту.

Линейные макромолекулы могут быть регулярную и нерегулярную структуру. В полимерах регулярной структуры отдельные звенья цепи повторяются в пространстве в определенной порядке. Полимеры регулярной структуры получили название стереорегулярных.

Большинство полимеров обычно находится в аморфном состоянии. Некоторые полимеры в определенных условиях могут быть иметь кристаллическую структуру. Аморфные полимеры могут находиться в стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем состояниях.

Химические свойства зависят от состава, молекулярной массы и структуры полимеров. Им свойственны реакции соединения макромолекул поперечными связями, взаимодействия функциональных групп друг с другом и низкомолекулярными веществами и деструкции. Наличие у макромолекул двойных связей и функциональных групп обуславливает повышение реакционной способности полимеров.

Механические свойства определяются элементным составом, молекулярной массой, структурой и физическим состоянием макромолекул.

Все вещества подразделяются на диэлектрики, полупроводники и проводники.

Композиционные материалы (композиты) - состоят из основы (органической, полимерной, углеродной, металлической, керамической), армированным наполнителем, в виде высокопрочных волокон и нитевидных кристаллов. В качестве основы используются синтетические смолы и полимеры. Композиты на основе полимеров используются как конструкционные, электро- и теплоизоляционные, коррозийностойкие в электротехнической, авиационной, радиотехнической промышленности, космической технике и т.д.

Химия


*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.