Типы химических связей. Агрегатные состояния вещества, их общая характеристика

Типы химических связей. Агрегатные состояния вещества, их общая характеристика ГОУ СПО «Сыктывкарский торгово-экономический колледж» по дисциплине « Товароведение пищевых продуктов» вариант № 22 Выполнила: студентка ТП – 3 группы шифр 121 Проверила: Преподаватель Конасова Анна Александровна Дата проверки________________ Оценка__________________ Подпись_________________ Сыктывкар, 2010 №7 Типы химических связей. Агрегатные состояния вещества, их общая характеристика. Типы химической связи. 1. Ковалентная связь – связь, осуществляемая общими электронными парами. Двуцентровая, двухэлектронная. Соединения с ковалентной связью называют Ковалентная связь бывает: - Неполярная ковалентная связь – то есть связь, при которой общая электронная пара принадлежит обеим атомам в ровной степени и находится симметрично относительно ядер атомов, образующих химическую связь. - Полярная ковалентная связь – если атомы имеют различия электроотрицательности, то общая электронная пара смещается к элементу с более высокой электроотрицательностью. 2. Ионный тип связи – образование связи происходит за счёт электростатического притяжения между катионами и анионами. Соединения с таким типом химической связи называют ионными. Связь ненаправленная и ненасыщаемая, поскольку ионная связь действует сразу во всех направлениях и ионные соединения, это твёрдые тела с ионной кристаллической решеткой. 3. Металлическая связь - характерна для металлов в твёрдом и жидком состоянии. Элементы, образующие металлическую связь, имеют небольшое количество электронов на внешнем энергетическом уровне и достаточное количество свободных орбиталей. Валентные орбитали соседних атомов перекрываются и электроны свободно перемещаются по ним при образовании кристаллической решетки. Таким образом, осуществляется связь между всеми атомами металла. 4. Водородная связь. Может быть как внутримолекулярной (в биополимерах), так и межмолекулярной (НО). Обладает направленностью и насыщаемостью. Межмолекулярная водородная связь – связь между молекулами, содержащий сильно электроотрицательный элемент (кислород, азот, сера) и водород. Агрегатные состояния вещества - состояния (фазы) одного и того же вещества, переходы между которыми сопровождаются скачкообразным изменением ряда физических свойств (плотности, энтропии и др.). Обычно рассматривают газообразное, жидкое и твердое агрегатные состояния (иногда еще плазменное). Существование у вещества нескольких агрегатных состояний обусловлено различиями в тепловом движении его молекул (атомов) и в их взаимодействии Газ с чем частицы движутся свободно, равномерно заполняя в отсутствие внешних полей весь предоставленный им объем. Жидкость - агрегатное состояние вещества, сочетающее в себе черты твердого состояния (сохранение объема, определенная прочность на разрыв) и газообразного (изменчивость формы). Для жидкости характерны ближний порядок в расположении частиц (молекул, атомов) и малое различие в кинетической энергии теплового движения молекул и их потенциальной энергии взаимодействия. Тепловое движение молекул жидкости состоит из колебаний около положений равновесия и сравнительно редких перескоков из одного равновесного положения в другое, с этим связана текучесть жидкости. Твердое тело - агрегатное состояние вещества, отличающееся стабильностью формы и характером теплового движения атомов, которые совершают малые колебания вокруг положений равновесия. Различают кристаллические и аморфные твердые тела. В первых существует пространственная периодичность в расположении равновесных положений атомов. В аморфных твердых телах атомы колеблются около хаотически расположенных точек. Устойчивым состоянием твердых тел является кристаллическое. Баллон ёмкостью 30 л содержит 1 кг СО2 . Вычислите давление в баллоне при 200 С. t = 200 C Т = 273 + 20 = 2930 К v = 30 л V = 30 х 10-3 M3 M(CO2 ) = 44 г/моль М = 44 х 10-3 Р - ? Р - ? P = mRT/MV P = 1кг х 8,31 Дж/мольК х 2930 1844568 Па = 1,8 МПа -3 кг/моль х 30 х 10-3 м3 № 20 Принцип Ле Шателье. Влияние температуры, давления и концентрации на смещение химического равновесия. Если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, осуществляется воздействие (изменяется температура, давление или концентрация вещества), то в первую очередь происходит та реакция, которая уменьшает это воздействие Р Если давление растёт , равновесие смещается в сторону уменьшения объёма реагирующей системы Если давление снижается , равновесие смещается в сторону увеличения объёма реагирующей реакции Т Если температура растёт , равновесие смещается в сторону экзотермической реакции Если , равновесие смещается в сторону экзотермической реакции С Если растёт концентрация одного из реагентов, равновесие смещается в сторону продуктов реакции Если снижается концентрация одного из реагентов, равновесие смещается в сторону обратной реакции (распада) Направление смещения химического равновесия при изменениях концентрации реагирующих веществ, температуры и давления (в случае газовых реакций) определяется общим положением, известным под названием принципа подвижного равновесия или принципа Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, производится какое-либо внешнее воздействие (изменяется концентрация, температура, давление), то оно благоприятствует протеканию той из двух противоположных реакций, которая ослабляет воздействие. Влияние температуры: В каждой обратимой реакции одно из направлений отвечает экзотермическому процессу, а другое — эндотермическому. N2 + 3H2⇄ 2NH3 + Q Прямая реакция — экзотермическая, а обратная реакция — эндотермическая. Влияние изменения температуры на положение химического равновесия подчиняется следующим правилам: При повышении температуры химическое равновесие смещается в направлении эндотермической реакции, при понижении температуры — в направлении экзотермической реакции. Влияние давления: в системе. давления равновесие сдвигается в направлении образования веществ с большим объёмом: N2 + 3H2 ↔ 2NH3 Таким образом, при переходе от исходных веществ к продуктам объем газов уменьшился вдвое. Значит, при повышении давления равновесие смещается в сторону образования NH3, о чем свидетельствуют следующие данные для реакции синтеза аммиака при 400°С: давление, МПа 0,1 10 20 30 60 100 объемная доля NH3, % 0,4 26 36 46 66 80 Влияние концентрации: Влияние концентрации на состояние равновесия подчиняется следующим правилам: При повышении концентрации одного из исходных веществ равновесие сдвигается в направлении образования продуктов реакции; При повышении концентрации одного из продуктов реакции равновесие сдвигается в направлении образования исходных веществ. CO + 2 H2↔ CH3 OH ∆ H = -113. 13 кДж реакция экзотермическая, при понижении температуры равновесие сместиться вправо; 2 SO2 O2 ↔ 2 SO3 ∆ H = -176. 8 кДж реакция экзотермическая, при понижении температуры равновесие сместиться вправо; 2 H2 ↔ 2 H2 + S2 (пар) ∆Н = 41,9 кДж реакция эндотермическая, при понижении температуры равновесие сместится влево. № 29 Степень диссоциации, её зависимость от температуры и концентрации раствора. Константа диссоциации, независимость этой величины от концентрации раствора. Сильные и слабые электролиты. – обратимый процесс: параллельно с распадом вещества на ионы происходит процесс соединения ионов (ассоциация): КА К+ + А- Степень диссоциации - это отношение числа распавшихся на ионы молекул N' к общему числу растворенных молекул N: Степень диссоциации электролита определяется опытным путем и выражается в долях единицы или в процентах. Если α = 0, то диссоциация отсутствует, а если α = 1 или 100%, то электролит полностью распадается на ионы. a = n N (общее число молекул) Различные электролиты имеют различную степень диссоциации. Константа диссоциации. Процесс диссоциации электролитов является обратимым, поскольку ионы противоположного знака способны соединяться в молекуле. Для электролита вида АВ2 процесс диссоциации выглядит следующим образом: АВ2 = А2+ + 2В- Д . Выразим константу диссоциации для данной реакции: КД = С(А+ ) С (В2- )2 /С(АВ2 ), где С(А+ ), С(В2- ), С(АВ2 ) – концентрации соответствующих ионов и недиссоциированных молекул электролита. Полученное соотношение применимо к слабым электролитам в разбавленных растворах. В концентрированных растворах или в присутствии сильных электролитов вместо концентраций необходимо пользоваться соответствующими активностями: КД ,a = a(A+ ) a(В2- )22 ), Константу диссоциации, определяемую через активности, часто называют термодинамической константой диссоциации. При отсутствии данных об активности часто используют соотношение, выраженное через концентрации. Подобную величину называют условной константой диссоциации, ибо рассчитанная таким способом константа диссоциации может несколько меняться с концентрацией. Термодинамическая константа диссоциации связана с изменением энергии Гиббса в реакции диссоциации следующим уравнением изотермы: ∆GД = RT (InKД ,a (A+ (B2- )2 /a2 )], где a обозначены соответствующие активности в исходном состоянии. Для стандартных условий данные активности равны единице, поэтому в этом случае уравнение изотермы будет выглядеть следующим образом: ∆G0 Д = -RT (InK Д, a ). + ) и С ( В- ) и концентрация недиссоциированных молекул С ( АВ ) связываются с общей концентрацией электролита С соотношениями: С ( А+- ) = aС; С ( АВ ) = ( 1 – a ) С. Представив значения С ( А+ ), С ( А+ КД = a С2 a = ( КД / С ). Полученные выражения являются формулировками закона разведения Оствальда Электролиты по степени диссоциации Слабые электролиты Электролиты средней силы - вода - соли тяжелых металлов - нерастворимые основания 2 S, Н2 SiO3, НNO2, Н2 CO3, CН 3 COOН, другие органические кислоты Н2 SO3 3 РО4 - почти все соли 4, Н23, НСI, НI, НВr Константа диссоциации зависит от природы растворителя, электролита и внешних условий – температуры и давления. Существуют электролиты, диссоциация которых протекает ступенчато, например сернистая кислота H2SO3 , при этом каждая ступень характеризуется своей константой и степенью диссоциации, которые обозначаются соответственно К1 и a 1 для первой ступени, К2 и a 2 – для второй и т. д.: I-ая ступень H23 H+ + HSO3 - II-ая ступень H+SO3 - H+ + SO3 2- Для электролитов, диссоциирующих ступенчато, всегда выполняются следующие соотношения для констант и степеней диссоциации: К1 >>K2>>K3 >>… a1>a 2 >a 3 >… т. е. диссоциация электролита протекает по каждой последующей ступени значительно труднее, чем по предыдущей. а) 10-9 моль/л; б) 10-2 моль/л. Концентрацию ионов гидроксида определяем из равенства (Н+ ) х (ОН- ) = 10-14 2 /л2 где 10-14 моль2 /л2 – ионное произведение воды при 25°С (является константой и для разбавленных водных растворов веществ). - ) = 10-14-9-5 моль/л – концентрация ионов гидроксида + ) = -Lg10-5 = 5 pH = 5 – среда кислая б) (ОН- ) = 10-14 /10-2 = 10-12 моль/л – концентрация ионов гидроксида рН = -Lg(H+ ) = -Lg10-12 = 12 pH = 12 – среда щелочная № 37 очистки питьевой воды. Адсорбирующееся вещество является адсорбатом, адсорбирующее вещество -адсорбентом. Адсорбционный процесс идет самопроизвольно и вызван избытком поверхностной энергии. При помощи различных твердых адсорбентов производится улавливанье примесей и осветление растворов в производстве сахара, глюкозы. Ионообменная адсорбция нашла широкие применения в пищевой промышленности. Так, например, в производстве вина с помощью ионитов из него удаляют излишнее количество ионов Fe3+,Cu2+,Ca2+, которые вызывают помутнение вин. Таким же методом изменяют солевой состав молока. Коровье молоко характеризуется повышенным содержанием солей, поэтому отличаются от женского характером створаживания, зависящим от соотношения казеина и солей кальция. Удаляя с помощью ионитов определенное количество солей кальция из коровьего молока, можно так изменить соотношение кальция и казеина, что коровье молоко можно будет применять для питания детей раннего возраста. Полученное таким способом молоко называется ионитным. Иониты применяются для очистки воды и в пивоваренном производстве, могут найти применение для умягчения воды в общественном питании. или специальной «оттяжки» (при осветлении обычных мясных или мясо-костных бульонов) при нагревании свертываются, образуя пористую массу, которая адсорбирует на своей поверхности взвешенные частицы, придающие бульону мутность. Яичным белком осветляют также мутные фруктово-ягодные сиропы для приготовления желе. Мясной прозрачный бульон осветляют оттяжкой. С этой целью котлетное мясо измельчают, заливают холодной водой, добавляют соль, настаивают на холоде, затем вводят сырые яичные белки и перемешивают. В охлажденный до +50° бульон добавляют оттяжку и тщательно размешивают. После этого бульон доводится до кипения и выдерживается на слабом огне, пока белок не опустится на дно. Во время варки на поверхности мясной оттяжки оседают взвешенные частицы жира. Адсорбционное фильтрование широко применяется в винодельческой промышленности. Это один из основных способов осветления виноматериалов. Движущей силой фильтрования является разность давлений, под действием которой жидкость проходит через поры фильтрующей перегородки, а взвешенные в виноматериале частицы задерживаются на ее поверхности и не проникают в поры. В этом случае на фильтрующей перегородке образуется осадок. Если размеры взвешенных частиц меньше размеров пор, то они могут пройти с виноматериалом или задержаться внутри фильтрующей перегородки в результате адсорбции на стенках пор. Общее сопротивление фильтрования увеличивается с повышением концентрации взвешенных частиц в виноматериале и разности давлений по обе стороны фильтрующей перегородки, что объясняется увеличением сжимаемости слоя осадка. Фильтрование на современных фильтрах происходит при постоянной скорости и возрастающем давлении до 150-250 кПа и выше. Для фильтрования применяют различные материалы, которые должны отвечать следующим требованиям: быть химически нейтральными, обладать высокой адсорбционной способностью к частицам мути и микроорганизмам, сохранять рыхлую микропористую структуру при повышении давления и иметь достаточную механическую прочность (ткани, асбест, целлюлозу, фильтр-картон, диатомит). № 49. Получение и общие свойства эмульсий. Деэмульгирование. Эмульсии – бензин, керосин, анилин, растительное масло и иные, в общем случае называемые маслом. На практике чаще всего встречаются водные эмульсии, то есть эмульсии, в которых одной из двух жидкостей является вода. Типы эмульсий: 1) масло в воде ( м / в ) – прямая эмульсия 2) вода в масле ( в / м ) – обратная эмульсия , где вода является раздробленной в виде капелек дисперсной фазой, а масло – дисперсной средой. Существуют также множественные эмульсии, в которых капли дисперсной фазы содержат в своем объеме более мелкие капли дисперсионной среды. Эмульсии широко распространены в природе; это молоко (капли жира в воде, стабилизированные смесями белков, в основном казеина, липопротеинов и фосфолипидов), млечный сок растений, напр. каучуконосов, сырая нефть. Получение эмульсии – э мульгирование: две несмешивающиеся жидкости подвергают процессу эмульгирования, состоящему в том, что механическим встряхиванием, разбиванием особыми лопастными мешалками или продавливанием через узкие щели одну жидкость (дисперсную фазу) разбивают на мелкие капли в другой жидкости (дисперсная среда). Для получения особовысокодисперсных эмульсий применяется ультразвуковой метод. При этом не зависимо от применяемого метода, значительно возрастает поверхность раз­дела жидкостей, в поверхностном слое действуют силы повер­хностного натяжения и поэтому отдельные капельки стремятся укрупниться, в результате чего уменьшается свободная энер­гия. Это приводит к разрушению эмульсии. Чтобы придать эмульсии стойкость, применяют эмульгаторы. Это веще­ства, которые либо уменьшают поверхностное натяжение, либо образуют вокруг капелек раздробленной жидкости (масла) защитные пленки. Эмульгаторы бывают двух типов: порошкооб­разные и молекулярные. Порошкообразные эмульгаторы — это тонкие порошки горчицы, молотого перца и других продуктов, кото­рые на границе раздела двух жидкостей создают защитный слой и мешают капелькам слипаться. Порошкообразные эмуль­гаторы используют при получении малостойких эмульсий (зап­равки на растительном масле). Молекулярные эмульгаторы (стабилизаторы) — это вещества, молекулы которых состоят из двух частей: длинных углеводородных цепей, имеющих сродство с жиром, и по­лярных групп, имеющих сродство с водой. Молекулы располагаются на поверхности раздела двух жидкостей так, что угле­водородные цепи направлены в сторону жировой фазы, а полярные радикалы — в сторону водной. Таким образом, на по­верхности капелек эмульсии образуется прочная защитная пленка. Эти эмульгаторы (вещества, содержащиеся в яичных жел­тках и др.) используют при приготовлении стойких эмульсий, например соуса майонез и голландского. Основные свойства эмульсий : По своим свойствам, в первую очередь по агрегатной устойчивости, эмульсии делятся на группы: – эмульсии разбавленные, в которых капельки не способны взаимодействовать между собой (концентрация меньше 0,1%), – эмульсии концентрированные, в которых капельки могут взаимодействовать, но остаются недеформированными, т. е. сохраняют сферическую форму (объемная концентрация от 0,1% до 74,02 %) часто называют пенообразными или спумоидными. Важная характеристика эмульсий - их дисперсность, точнее функция распределения капель по размерам. В концентрированных эмульсиях средний размер капель обычно составляет от нескольких мкм до десятков мкм, тогда как разбавленные эмульсии имеют капли в доли мкм и меньше. Стабильность эмульсии при замерзании и оттаивании. Стабильность эмульсий при повышенных температурах. Вязкость; Электрические свойства эмульсий и свойства адсорбционных слоев. Разрушение эмульсий происходит в результате нарушения строения адсорбционных слоев стабилизатора или при снижении их стабилизирующей способности. Часто разрушение эмульсии происходит в результате недостаточной кинетической устойчивости, связанной с размером капелек. В последнем случае разрушение происходит в два этапа. На первом этапе эмульсия разделяется на две – концентрированную и разбавленную. Концентрированная эмульсия (сливки) всплывает или осаждается в зависимости от плотности дисперсной фазы, если размер капель достаточно велик, чтобы преодолеть броуновское движение. Таков механизм самопроизвольного разрушения эмульсий. На практике используют следующие методы: 1. Деэмульгирование. В эмульсию вводят такое вещество, которое обладает высокой поверхностной активностью и вытесняет молекулы стабилизатора с поверхности раздела фаз, но неспособное к образованию механически прочного гелеобразного слоя. В результате при столкновении капель происходит разрушение такого слоя и слияние капель. К деэмульгаторам относят вещества с неразвитым углеводородным радикалом и маленькой полярной частью - например, низшие спирты или их эфиры с окисью этилена. Этот метод часто используют для удаления воды из нефти. 2. Химическое разрушение связано с химическим изменением стабилизатора, например, при введении кислот. 3. Тепловое разрушение эмульсии основано на понижении адсорбционной способности стабилизатора и прочности структуры адсорбционного слоя при повышении температуры. 4. Электрофорез. Если капли эмульсии стабилизированы за счет образования двойного ионного слоя, то такую эмульсию можно разрушить с помощью электрического тока. Происходит электрофорез, капли разряжаются на соответствующем электроде, что приводит к их коалесценции. такой кинетической энергии, которая превышает потенциальный барьер коалесценции. 6. Разрушение эмульсий с помощью фильтров, хорошо смачивающихся дисперсионной средой, но не смачивающихся внутренней – дисперсной фазой, остающейся на фильтре. 7. Инверсия фаз. Введение веществ, изменяющих растворимость стабилизатора, способствует переходу его молекул с поверхности раздела в объем фаз. № 58 Набухание полимеров. Факторы, влияющие на набухание. Значение набухания. Использование процессов набухания при замесе теста. Набухание полимеров – увеличение объема (массы) полимерного тела в результате поглощения жидкости или ее пара при сохранении им свойства нетекучести (т. е. форма образца обычно не изменяется). Характеризуется степенью набухания - отношением объема (массы) набухшего полимера к его исходному объему (массе); степень набухания увеличивается во времени, постепенно приближаясь к равновесному значению. Поглощение жидкости полимером ограничивается или конечным содержанием аморфной фазы в частично закристаллизованном полимере, или наличием поперечных химических связей между макромолекулами (сшивками) в сетчатых полимерах. В первом случае степень набухания, как правило, невелика даже при относительно большом содержании аморфной фазы (набухание до 2-3-кратного объема), во втором - при малом числе поперечных хим. связей полимер может поглощать очень большое кол-во жидкости, иногда значительно (в десятки раз) превосходящее массу самого полимера. Предел набухания обусловлен при этом, изменением энтропии из-за нарушения равновесной конфирмации отрезков цепи между узлами сетки, при изменении объема полимера во время набухания. Давление, развивающееся в полимере при набухании, может достигать в начальной стадии несколько сотен МПа. сохраняющих внутренние напряжения, наблюдается временное превышение степени набухания над ее равновесным значением. Набухание в жидкостях, неограниченно совместимых с полимером, приводит к его полному растворению и переходу в вязкотекучее состояние. На практике с набуханием связаны переработка полимеров в контакте с жидкостями (парами), обработка пищевых продуктов, устойчивость формы и размеров полимерных изделий, эксплуатируемых, например в контакте с парами воды. Набухание одно из важнейших свойств крахмала, которое влияет на консистенцию, форму, объем и выход готовых изделий из крахмалосодержащих продуктов. Степень набухания зависит от температуры среды и соотношения воды и крахмала. Так, при нагревании водной суспензии крахмальных зерен до температуры 55оо С) набухание крахмальных зерен ускоряется, причем объем их увеличивается в несколько раз. Замес теста — важнейшая технологическая операция, от которой в значительной степени зависит дальнейший ход технологического процесса и качество хлеба. При замесе теста из муки, воды, дрожжей, соли и других составных частей получают однородную массу с определенной структурой и физическими свойствами, чтобы в последующем при брожении, разделке и расстойке тесто хорошо перерабатывалось. в воде белки муки, соединяясь при замесе с водой, набухают и образуют клейковину. При этом белки связывают воду в количестве, примерно в два раза превышающем свою массу, причем 75% этой воды связывается осмотически. Набухшие белковые вещества муки образуют как бы каркас теста губчатой структуры, что и определяет растяжимость и эластичность теста. Основная часть муки (зерна крахмала) адсорбционно связывает большое количество воды. Значительное количество воды поглощается также пентозанами муки. Крахмал связывает воду в количестве 30 % от своей массы. Но поскольку в муке крахмала значительно больше, чем белков, количество воды, связанное белками и крахмалом, примерно одинаково. в атмосфере которого происходит замес, и за счет пузырьков углекислого газа, выделяемых дрожжами. Следовательно, тесто представляет собой полидисперсную систему, состоящую из твердой, жидкой и газообразной фаз. От соотношения фаз в этой полидисперсной системе зависят физические свойства теста. Белки ржаной муки отличаются от белков пшеничной муки тем, что в ржаном тесте не образуется губчатого клейковинного каркаса. Значительная часть белков ржаной муки в тесте неограниченно набухает и переходит в коллоидное состояние. В ржаной муке содержится около 3 % высокомолекулярных углеводных соединений — слизей. Из белков, слизей и других составных частей теста (растворимых декстринов, соли, водорастворимых веществ муки), перешедших в вязкое коллоидное соединение, в ржаном тесте образуется вязкая жидкая фаза, от состояния которой в значительной степени зависят физические свойства ржаного теста. Ржаное тесто характеризуется большой вязкостью, пластичностью и малой упругостью, эластичностью. Ржаное тесто мало растягивается. Особенности химического состава ржаной муки определяют особенности приготовления ржаного теста. В ржаном тесте нет клейковины, значительная часть белков муки растворима в воде или растворах солей. В ржаной муке (и тесте) находится активная а-амилаза, превращающая крахмал в декстрины. Крахмал ржаной муки гидролизуется легче, чем пшеничный. Ввиду этого ржаное тесто при всех способах его приготовления имеет высокую кислотность (9—12 град). Такая кислотность инактивирует а-амилазу, улучшает реологические свойства теста, предупреждает липкость мякиша. Высокую кислотность теста обеспечивают ржаные закваски, содержащие большое количество кислот и кислотообразующих бактерий. Выбрать правильный ответ и пояснить его: Вопрос Какая кислая среда влияет на набухание пищевых полимеров? положительно отрицательно не влияет Кислая среда ускоряет набухание крахмала – т. е. оказывает положительное влияние. Лит.: Тагер А. А., Физюсохимия полимеров, 3 изд., М., 1978; Папков С. П., Равновесие фаз в системе полимер - растворитель, М., 1981. С. П. Папков.