Науково - дослідницькі роботи

15.03.2017

 Всеукраїнський конкурс юних дослідників «Кристали» імені Євгена Гладишевського

   Тема: «Кристали: таємниці росту та мистецтво синтезу»  

Підготувала: Лисенко Анастасія, 10 клас, м.Покров, комунальний заклад «Будинок творчості дітей та юнацтва м.Покров Дніпропетровської області»

  «Полезно камни наблюдать, над ними можно размышлять, ценней же прочего  желанье – законы жизни их понять»

  Криста́л (англ. crystal, нім. Kristall m) — тверде тіло з упорядкованою внутрішньою будовою, що має вигляд багатогранника з природними плоскими гранями: впорядкованість будови полягає у певній повторюваності у просторі елементів кристала (атомів, молекул, йонів), що зумовлює виникнення так званої кристалічної ґратки. Поверхня кристала обмежена площинами — гранями, лінії перетину яких є ребрами, а точки перетину ребер — вершинами. Кристал є обмежений гранями однієї або декількох простих форм. Фізичні властивості кристалів визначаються їх складом, геометрією кристалічної структури і типом хімічного зв'язку в них. Основні властивості кристалів — однорідність, анізотропія і здатність до самоограновування.

   Для вирощення кристалів можна використовувати різні речовини: цукор, сіль, мідний купорос, галун та інші. Це захоплююче, цікаве, розвиваюче, доступне та відносно безпечне заняття дає нам можливість спостерігати за створенням чогось нового, гарного. Для вирощування своїх кристалів я використовувала сіль «Екстру» та кам'яну, а також мідний купорос. Спочатку я думала, що між сіллю різниці немає, але спостерігаючи за ростом кристалів, я зрозуміла, що це не так. Розчини солей я готувала однакові: додавала по 40 грамів солі в 100 грамів окропу, розчиняла, фільтрувала через вату і опускала нитку. Через два дні в розчині кам'яної солі утворилися невеликі прозорі кристали кубічної форми, а в розчині солі «Екстра» кристали були трохи менші і білого кольору. На фото зображені кристали кам'яної солі:

  При приготуванні розчину мідного купоросу я використала 75г купоросу та 100 г теплої води і аналогічно відфільтрувала. Утворювались кристали шестигранної форми, ті, що росли на дні – зросталися «щитком». Зображений кристал, віком два тижні:                             

Результат експерименту через 20 днів:

Найцікавішим є те, що з припиненням росту кристалів не завершується експеремент. Я знайшла гарне застосування отриманих кристалів в виготовленні прикрас. Покривши їх прозорим лаком для нігтів, я виготовила дуже ніжні і гармонійні біжутерні вироби.

ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ВОДИ: АНОМАЛЬНІСТЬ

Роботу виконав:   Єлисєєв Олексій Сергійович,  учень 10 класу 

Науковий керівник:  Собіщанська В.І., вчитель-методист                                                      

ВСТУП

Вода є одним з найважливіших елементів біосфери. Без води неможливе життя людей, тварин і рослин. Людина без води може прожити не більше 5-6 діб. Організм дорослої людини складається в середньому на 65 % з води. З віком її кількість зменшується. Так, зародок людини містить 97 % води, організм новонароджених  − 77 %, у 50 річному віці кількість води в організмі становить лише 60 %. Основна маса води (70 %) зосереджена всередині клітин, а 30 % − це позаклітинна вода, яка розподілена в організмі неодна­ково: менша (близько 7 %) − це кров і лімфа, більша − вода, що омиває клітини. У різних органах і тканинах вміст води теж нео­днаковий: скелет містить 20 %, м'язова тканина − 76, сполучна тканина − 80, плазма крові − 92, склоподібне тіло − 99 % води.

Актуальнiсть  теми. Вода в нашому житті − звичайнісінька і найпоширеніша речовина. Проте з наукової точки зору це сама незвичайна, найзагадковіша рідина. Мабуть, тільки рідкий гелій може змагатися з нею. Але незвичайні властивості рідкого гелію (такі, як надплинність) проявляються при дуже низьких температурах (поблизу абсолютного нуля) і обумовлені специфічними квантовими законами. Тому рідкий гелій − ця екзотична речовина. Вода ж в нашій свідомості є прообразом усіх рідин, і тим більше дивно, коли ми називаємо її самою незвичайною. Але в чому ж полягає незвичність води? Річ у тому, що важко назвати яку-небудь її властивість, яка не була б аномальною, тобто її поведінка (залежно від зміни температури, тиску і інших чинників) істотно відрізняється від такої  у переважної більшості інших рідин, у яких ця поведінка схоже і може бути пояснена з найзагальніших фізичних принципів.  До таких звичайних, нормальних рідин відносяться, наприклад, розплавлені метали, зріджені благородні гази (за винятком гелію), органічні рідини (бензин, що є їх сумішшю, або спирти). Вода має первинне значення для більшості хімічних реакцій, зокрема і біохімічних. Давнє положення алхіміків  − "тіла не взаємодіють, поки не розчинені" − значною мірою справедливе. Людина і тварини можуть у своєму організмі синтезувати первинну ("ювенільну") воду, утворювати її при згоранні харчових продуктів і самих тканин. У верблюда, наприклад, жир, який  міститься в горбі, може шляхом окислення дати 40 л води. Зв'язок між водою і життям такий великий, що навіть дозволила В. І. Вернадському "розглядати життя, як особливу колоїдну водну систему... як особливе царство природних вод". Вода − речовина звична і незвичайна. Відомий радянський вчений академік  І.В.Петрянов свою науково − популярну книгу про воду назвав "Сама незвичайна речовина у світі". А доктор біологічних наук  Б.Ф.Сергєєв  розпочав свою книгу "Цікава фізіологія" з глави про воду − "Речовина,  яка створила нашу планету". Учені праві: немає на Землі речовини важливішої для нас, ніж звичайна вода, і в той же час не існує іншої такої ж речовини, у властивостях якої було б стільки протиріч і аномалій, скільки в її властивостях.

Об’єкт дослiдження: властивості води.

Предмет дослiдження: вода.

Мета дослідження:   дослідити властивості води і зрозуміти в чому їх унікальність.

Гіпотеза:  Дослідження властивостей води допоможе зрозуміти їх унікальність.

Виходячи з мети та гіпотези дослідження було визначено наступнi завдання:

- розглянути поширення води в природі;

- описати фізичні властивості води та їх аномальність;

- дослідити структуру і форму льоду;

- розглянути будову молекули води.

Методи дослiдження:  для вирiшення поставлених завдань використано наступнi методи дослiдження: аналiтико-статистичний, науково-тематичний, компонентний аналiз, порiвняльний, iсторичний, метод спостереження, аналiз та узагальнення результатiв.

Новизна роботи:  досліджено властивості води та доведено доцільність впровадження в навчально-виховний  процес середньої загальноосвітньої школи використання результатів роботи у позакласній роботі при вивченні хімії, фізики, біології.

Практичне значення:  полягає в тому, що: розглянуто поширення води в природі;  описано фізичні властивості води та їх аномальність;  досліджено структуру і форму льоду;  розглянуто будову молекули води.  Матеріали дослідницької роботи можуть бути впроваджені в навчальний процес середньої загальноосвітньої школи при вивченні курсів природознавства, фізики, біології, хімії.

Структура роботи:  робота написана на аркушах паперу формату А-4 друкованим  текстом i складається з вступу, трьох роздiлiв, висновку, додаткiв.

РОЗДІЛ 1. ПОШИРЕННЯ ВОДИ ТА БУДОВА ЇЇ МОЛЕКУЛИ

      Майже 79% всієї  поверхні нашої планети зайнято океанами і морями. Твердою водою − снігом і льодом − покрито 20% суші. Із загальної кількості води на Землі (1 млрд. 386 млн. кубічних кілометрів), 1 млрд. 338 млн. кубічних кілометрів припадає на частку солоних вод Світового океану, і лише 35 млн. кубічних кілометрів  −  на частку прісних вод. Всієї кількості океанічної води вистачило б на те, щоб покрити нею земну кулю шаром більш 2,5 кілометри. На кожного жителя Землі приблизно припадає 0,33 кубічних кілометрів морської води і 0,008 кубічних кілометрів прісної води. Але трудність в тому, що переважна частина прісної води на Землі знаходиться в такому стані, який робить її важкодоступною для людини. Майже 70% прісних вод знаходиться в льодовикових покривах полярних країн і в гірських льодовиках, 30% − у водоносних шарах під землею, а в руслах всіх річок містяться одночасно всього лише 0,006% прісних вод.

Молекули води виявлені в міжзоряному просторі. Вода входить до складу комет, більшості планет сонячної системи і їх супутників.[2]

Атоми Гідрогену й Окисигену, що утворюють воду, або гідроген оксид, можуть мати різні масові числа і відрізнятися один від одного своїми фізико-хімічними властивостями, але при цьому вони мають однаковий електричний заряд атомних ядер і тому займають в періодичній системі елементів одне і те ж місце. Такі різновиди атомів одного і того ж хімічного елементу називаються ізотопами. Відомі п'ять атомів Гідрогену  і п'ять атомів Оксигену. Щоправда, по два з них (⁴Н, ⁵Н, ¹⁴О і ¹⁵О) радіоактивні і дуже короткоживучі. Наприклад, тривалість існування Гідрогену – 4 − 4·10^-11 секунд. Найбільш широко відомі наступні ізотопи Гідрогену: протій ¹Н ( з відносною атомною масою 1), дейтерій ²Н, або D (з відносною атомною масою 2) і тритій ³Н, або T ( з відносною атомною масою 3), найбільш важкий, але мало радіоактивний Гідроген (його період напіврозпаду 12,3 року), і ізотопи  Оксигену: ¹⁶О, ¹⁷О і ¹⁸О.

Ці шість ізотопів можуть утворювати 18 ізотопічних різновидів води : ¹Н₂¹⁶О; ¹НD¹⁶О; D₂¹⁶О ; ¹НT¹⁶О; DT¹⁶О; T₂О¹⁶; ¹Н₂¹⁷О; ¹НD¹⁷О; D₂¹⁷О; ¹НT¹⁷О; DT¹⁷О; T₂¹⁷О; ¹Н₂¹⁸О; ¹НD¹⁸О; D₂¹⁸О; ¹НT¹⁸О; DT¹⁸О; T₂¹⁸О.

На Землі на 6800 атомів протію припадає один атом дейтерію, а в міжзоряному просторі один атом дейтерію  вже на 200 атомів протію.

Молекула води складається з двох атомів Гідрогену (Н) і одного атома Оксигену (О). Усе різноманіття властивостей води і незвичність їх прояву кінець кінцем визначаються фізичною природою цих атомів і способом їх сполучення в молекулу. У окремій молекулі води ядра Гідрогену й Оксигену розташовані так один відносно одного, що утворюють ніби рівнобедрений трикутник з порівняно великим ядром Оксигену на вершині і двома дрібними ядрами Гідрогену біля основи. У молекулі води є чотири полюси зарядів: два негативних за рахунок надлишку електронної густини у Оксигенових пар електронів і два позитивних − внаслідок нехватки електронної густини  у ядрах  Гідрогену  −  протонів. Така ассиметричність розподілу електричних зарядів води має яскраво виражені полярні властивості; вона є диполем з високим дипольним моментом − 1,87 дебай. [5]

Завдяки цьому молекули води прагнуть нейтралізувати електричне поле. Під впливом диполів води на поверхні занурених в неї речовин міжатомні і міжмолекулярні сили слабшають в 80 разів. Така висока діелектрична проникність з усіх відомих речовин властива тільки воді. Цим пояснюється її здатність бути універсальним розчинником.

«Допомагаючи»  молекулам, що контактують з нею, розкладатися на іони (наприклад, солям, кислотам), сама вода проявляє велику стійкість. Із 1 млрд. молекул води диссоційованими при звичайній температурі виявляються лише дві, при цьому протон не зберігається у вільному стані, а найімовірніше входить до складу іона гідроксонію. ( Гідроксоній (Н₃О⁺)  − це гідратований іон Гідрогену; існує у водних розчинах кислот).

Вода хімічно не змінюється під дією більшості тих речовин, які вона розчиняє, і не змінює їх. Це характеризує її інертним розчинником, що важливо для живих організмів на нашій планеті, оскільки необхідні їх тканинам поживні речовини поступають у водних розчинах в порівняно стійкому вигляді. Як розчинник вода багаторазово використовується, несучи у своїй структурі пам'ять (додаток 1.1.) про раніше розчинені в ній речовини. Молекули в об'ємі води зближуються протилежними зарядами, виникають міжмолекулярні водневі зв'язки між ядрами Гідрогену і неподіленими електронами  Оксигену, насичуючи електронну негативність Гідрогену однієї молекули води і фіксуючи його по відношенню до Оксигену іншої молекули. Спрямованість тетраедра водневої хмари дозволяє утворити чотири водневі зв'язки для кожної  молекули води, яка завдяки цьому може асоціювати з чотирма сусідніми. У такій моделі кути між кожною парою ліній, що сполучають центр (атом О) з вершинами становлять 109,5⁰.

Водневі зв'язки у декілька разів слабкіші за ковалентні зв'язки, що з'єднують атоми Оксигену й Гідрогену. Мікромолекулярна структура води з великою кількістю порожнин дозволяє їй, розриваючи водневі зв'язки, приєднувати молекули або частини молекул інших речовин, сприяючи їх розчиненню.

Вода змінює свою структуру під впливом емоцій (додаток 1.2.)

Рідкий кристал води в природі може мати різну форму (Додаток 1.3.)
       Порівнюючи воду − гідрид Оксигену з гідридами елементів, що входять в одну з Оксигеном підгрупу періодичної системи Д.І. Менделєєва, слід було б чекати, що вода повинна кипіти при - 70 ^оС, а замерзати при - 90 ^оС. Але в звичайних умовах вода замерзає при 0⁰С. Таке різке відхилення від встановленої закономірності якраз і пояснюється тим, що вода є асоційованою рідиною. Асоційованість її позначається і на дуже високій теплоті пароутворення. Так, для того, щоб випарувати 1 г води, нагрітої до 100^оС,  потрібно в шість разів  більше тепла, ніж для нагріву такої ж кількості води від 0 до 80^оС. Завдяки цьому вода є щонайпотужнішим енергоносієм на нашій планеті.  В порівнянні з іншими речовинами, вона здатна сприймати значно більше тепла, істотно не нагріваючись. Вода виступає ніби регулятором температури, згладжуючи завдяки своїй великій теплоємності різкі температурні коливання. У інтервалі від 0⁰ до 37^оС теплоємність її падає і тільки після 37^оС починає підвищуватися. Мінімум теплоємності води відповідає температурі 36⁰ − 39^оС − нормальній температурі людського тіла. Завдяки цьому можливе життя теплокровних тварин, у тому числі і людини. Замерзає при 0^оС і закипає при 100^оС.

Висновки до першого розділу

Отже, вода є одним з найважливіших елементів біосфери.      Майже 79% всієї  поверхні нашої планети зайнято океанами і морями.  Без води неможливе життя людей, тварин і рослин.

Крім того молекули води виявлені в міжзоряному просторі. Вода входить до складу комет, більшості планет сонячної системи і їх супутників.

Шість ізотопів Гідрогену й Оксигену можуть утворювати 18 ізотопічних різновидів води. Усе різноманіття властивостей води і незвичність їх прояву кінець кінцем визначаються фізичною природою цих атомів і способом їх сполучення в молекулу. У окремій молекулі води ядра Гідрогену й Оксигену розташовані так один відносно одного, що утворюють ніби рівнобедрений трикутник з порівняно великим ядром Оксигену на вершині і двома дрібними ядрами Гідрогену біля основи. У молекулі води є чотири полюси зарядів : два негативних за рахунок надлишку електронної густини у Оксигенових пар електронів і два позитивних − внаслідок нехватки електронної густини  у ядрах  Гідрогену  −  протонів. Така ассиметричність розподілу електричних зарядів води має яскраво виражені полярні властивості; вона є диполем з високим дипольним моментом − 1,87 дебай. На рис. 1 показана схема утворення молекули води

Рис. 1. Утворення  молекули води.

Як видно на рис. 1, в одного атома Оксигену і двох атомів Гідрогену (а) з'являються спільні електрони, що утворюють міцний ковалентний зв'язок (б). Якщо два протони Гідрогену молекули води обертаються в одну сторону, то вода називається параводою, в різні сторони – ортоводою. У звичайній воді 3/4 ортоводи. Ряд учених припускає, що співвідношення орто - і параводи в клітині має регуляторне значення. Якщо будову молекули води в загальних рисах встановлено, структура води, як і раніше залишається загадкою.

Вода є асоційованою рідиною. Асоційованість її позначається і на дуже високій теплоті пароутворення. Так, для того, щоб випарувати 1 г води, нагрітої до 100^оС,  потрібно в шість разів  більше тепла, ніж для нагріву такої ж кількості води від 0 до 80^оС. Завдяки цьому вода є щонайпотужнішим енергоносієм на нашій планеті.  В порівнянні з іншими речовинами, вона здатна сприймати значно більше тепла, істотно не нагріваючись. Вода виступає ніби регулятором температури, згладжуючи завдяки своїй великій теплоємності різкі температурні коливання. У інтервалі від 0⁰ до 37^оС теплоємність її падає і тільки після 37^оС починає підвищуватися. Мінімум теплоємності води відповідає температурі 36⁰ − 39^оС − нормальній температурі людського тіла. Завдяки цьому можливе життя теплокровних тварин, у тому числі і людини.

РОЗДІЛ 2. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ВОДИ , ЇХ АНОМАЛЬНІСТЬ

Чиста вода є безбарвною без смаку запаху прозорою рідиною.  Густина води під час переходу її з твердого стану в рідкий не зменшується, як майже у усіх інших речовин, а зростає.

Як добре відомо, вода прийнята за зразок міри  −  еталон для усіх інших речовин. Здавалося б, за еталон для фізичних констант слід було б вибрати таку речовину, яка поводиться звичайним способом. А вийшло якраз навпаки.
       І перше, саме вражаюче, властивість води полягає в тому, що вода належить до єдиної речовини на нашій планеті, яка в звичайних умовах температури і тиску може знаходитися в трьох фазах, або трьох агрегатних станах : в твердому (лід), рідкому і газоподібному (невидимий оку пар).

2.1. Аномалія густини

Усім відома аномалія густини. Вона двояка. По-перше, після танення льоду густина  збільшується, проходить через максимум при 4 ^оС і тільки тоді зменшується із зростанням температури. У звичайних рідинах густина завжди зменшується з температурою. І це зрозуміло. Чим більша температура, тим більша теплова швидкість молекул, тим сильніше вони розштовхують один одного, призводячи до більшої рихлості речовини. Зрозуміло, і у воді підвищення температури збільшує теплову швидкість молекул, але чомусь це призводить в ній до пониження густини тільки при високих температурах.

Друга аномалія густини полягає в тому, що густина води більша густини льоду (завдяки цьому лід плаває на поверхні води, вода в річках взимку не вимерзає до дна і так далі). Зазвичай же при плавленні густина рідини виявляється менше, ніж у кристала. Це теж має просте фізичне пояснення. У кристалах молекули розташовані регулярно, мають просторову періодичність − це властивість кристалів усіх речовин. Але у звичайних речовин молекули в кристалах, крім того, щільно упаковані. Після плавлення кристала регулярність в розташуванні молекул зникає, і це можливо тільки при більше рихлій упаковці молекул, тобто плавлення зазвичай супроводжується зменшенням густини речовини. Такого роду зменшення густини дуже мале: наприклад, при плавленні металів вона зменшується на 2 – 4%. А густина води перевищує густину льоду відразу на 10%.   Стрибок густини при плавленні льоду аномальний не лише по знаку, але і по величині.

2.2. Переохолоджена вода

    Останнім часом багато уваги приділяється вивченню властивостей переохолодженої води, тобто води, що залишається в рідкому стані нижче точки замерзання 0^оС. (Переохолоджувати воду можна або в тонких капілярах, або − ще краще − у вигляді емульсії: маленьких крапельок в неполярному середовищі  − "олії"). Що ж відбувається з аномалією густини при переохолодженні води? Вона поводиться дивно. З одного боку, густина води сильно зменшується у міру переохолодження (тобто перша аномалія посилюється), але, з іншого боку, вона наближається до густини льоду при пониженні температури (тобто друга аномалія послаблюється).

     При контакті з певним класом речовин переохолоджена вода починає перетворюватися на лід з підвищенням температури. Такий незвичайний дослід провела група дослідників під керівництвом Ігоря Любомирського з наукового інституту Вайцмана. Чиста переохолоджена вода здатна залишатися рідкою до -40 градусів за Цельсієм, і зазвичай переходу її в кристалічний стан сприяє якась зовнішнє втручання або добавка центрів кристалізації (дрібних твердих частинок). Однак можлива парадоксальна ситуація, при якій переохолоджена рідина мимовільно і різко почне звертатися в лід при нагріванні. Даний ефект, який  відкрили Любомирський і його колеги, отримується при контакті води з піроелектриками. Останні являють собою матеріали, здатні при зростанні або падінні температури створювати на своїй поверхні тимчасові нескомпенсовані електричні заряди.
За результатами експериментів з водою на кристалі LiTaO₃ і на квазіаморфній тонкій плівці SrTiO₃ вчені встановили, що поява позитивних зарядів на поверхні цих речовин сприяє кристалізації H₂O, а негативних зарядів, навпаки, знижує температуру замерзання води. Це, в свою чергу, приводить до цікавих явищ. Так, крапельки води, охолоджені на негативно зарядженій поверхні LiTaO₃ до 11 градусів нижче нуля (і залишаються при цьому рідкими), миттєво заморожуються при підвищенні температури до       -8 °C, оскільки піроелектрик в цей момент змінює заряд поверхні на позитивний.
   Також автори експерименту, використовуючи рентген, встановили, що на позитивно зарядженій поверхні заморожування починається з розділу тверде тіло/вода, а на негативно зарядженій поверхні лід зростає з межі вода/повітря. Ймовірно, це пов'язано з поляризацією молекул води (електронні хмари у якої зміщені в бік Оксигену) і притяганням (або відштовхуванням) того чи іншого її краю до зарядженої поверхні піроелектрика.
     "Різниця між позитивним і негативним зарядами була несподіваною", − прокоментував спостережувані ефекти Любомирський. Розуміння всіх тонкощів взаємодії води і піроелектриків може дати багате підгрунтя для роздумів про захисні процеси у тканинах холоднокровних тварин, що потрапляють в лід, а також може призвести до нових методів кріоконсервації клітин і тканин, захисту сільськогосподарських рослин від замерзання і штучної генерації хмар.

    

 2.3. Аномалія стиснення

      Ось ще приклад аномалії води: незвичайна температурна поведінка її стиснення, тобто міри зменшення об'єму при збільшенні тиску. Зазвичай стиснення рідини росте з температурою: при високих температурах рідини більш рихлі (мають меншу густину) і їх легше стиснути. Вода виявляє таку нормальну поведінку тільки при високих температурах. При низьких же стиснення поводиться протилежним чином, внаслідок чого в його температурній поведінці з'являється мінімум при 45^оС.

На цих двох прикладах ми бачимо, що незвичайні властивості води характеризуються екстремальною поведінкою, тобто появою максимумів (як в густині) або мінімумів (як в стисненні) на кривих їх залежностей від температури. Такі екстремальні залежності означають, що у воді має місце протиборство двох процесів, кожен з яких обумовлює протилежну поведінку даної властивості. Один процес − цей звичайний тепловий рух, що посилюється із зростанням температури і робить воду (як і будь-яку іншу рідину) у більше разів впорядкованішою; інший процес незвичайний, властивий тільки воді, за рахунок його вода стає більше впорядкованою при низьких температурах. Різні властивості води по-різному чутливі до цих двох процесів, і тому положення екстремуму спостерігається для кожної властивості при своїй температурі.

2.4. Поверхневий натяг

Серед незвичайних властивостей води важко обійти увагою ще одну − її виключно високий поверхневий натяг 0,073 Н/м (при 20^o С). З всіх рідин більш високий поверхневий натяг має тільки ртуть. Він проявляється в тому, що вода постійно прагне стягнути, скоротити свою поверхню, хоча вона завжди приймає форму посудини, в якій знаходиться в даний момент. Вода лише здається безформною, розтікаючись по будь-якій поверхні. Сила поверхневого натягу змушує молекули її зовнішнього шару зчіплюватися, створюючи пружну зовнішню плівку. Властивості плівки також визначаються замкнутими і розімкнутими водневими зв'язками, асоціатами різної структури і різного ступеня впорядкованості. Завдяки плівці деякі предмети, будучи важчими за воду, не занурюються в воду (наприклад, обережно покладена навзнаки сталева голка або скріпка) (Додаток 2.4.1.). Багато комах (водомірки, ногохвостки і інші) (додаток 2.4.2) не тільки пересуваються по поверхні води, але злітають з неї і сідають, як на тверду опору. Більш того, живі істоти пристосувалися використовувати навіть внутрішню сторону водної поверхні. Личинки комарів повисають на ній за допомогою не змочуваних щетинок, а маленькі равлики  −  прудовики і котушки − повзають по ній у пошуках здобичі.

Високий поверхневий натяг дозволяє воді приймати кулясту форму при вільному падінні або в стані невагомості: така геометрична форма має мінімальну для даного об'єму поверхню. Струмінь хімічно чистої води перерізом 1 см² по міцності на розрив не поступається сталі того ж перерізу. Водний струмінь як би цементує сила поверхневого натягу. Поведінка води в капілярах підкоряється і більш складним фізичним закономірностям. Сент-Д'єрдьї зазначав, що в вузьких капілярах виникають структурно впорядковані шари води поблизу твердої поверхні. Структуризація розповсюджується в глибінь рідкої фази на товщину шару порядка десятків і сотень молекул (раніше припускали, що впорядкованість обмежується лише мономолекулярним шаром води, що прилягають до поверхні). Особливості структурування води в капілярних системах дозволяють з певною підставою говорити про капілярному стані води. У природних умовах цей стан можна спостерігати у так званої порової води. У вигляді найтоншої плівки вона вистилає поверхню порожнин, пір, тріщин порід і мінералів земної кори. Розвинені міжмолекулярні контакти з поверхнею твердих тіл, особливості структурної впорядкованості, ймовірно, і є причиною того, що парова вода замерзає при більш низькій температурі, ніж звичайна − вільна  − вода. Дослідження показали, що при замерзанні зв'язаної води виявляються не тільки зміни її властивостей, −  іншими стають і властивості тих гірських порід, з якими вона безпосередньо стикається.[6]

            

2.5.  Аномалія теплоємності

Що ж це за незвичайний процес, що відбувається у воді і робить її несхожою на інші рідини? Щоб усвідомити його фізичну сутність, розглянемо ще одну, на мій погляд, найсильнішу аномалію води − температурна поведінка її теплоємності. Величина теплоємності, як відомо, показує, скільки потрібно затратити тепла, щоб підняти температуру речовини на один градус. Для переважного числа речовин теплоємність рідини після плавлення кристала збільшується небагато − ніяк не більше 10%. Інша справа − вода. При плавленні льоду теплоємність скаче від 9 до 18 кал/моль·град, тобто в два рази! Такого величезного стрибка теплоємності при плавленні не спостерігається ні у однієї іншої речовини: тут вода абсолютний рекордсмен. В льоду енергія, що відводиться для нагрівання, витрачається в основному на збільшення теплової швидкості молекул. Стрибок теплоємності після плавлення означає, що у воді відкриваються якісь нові процеси (і дуже енергоємні), на які витрачається, що підводиться тепло і які обумовлюють появу надлишкової теплоємності. Така надмірна теплоємність і, отже, згадані енергоємні процеси існують у всьому діапазоні температур, при яких вода знаходиться в рідкому стані. Вона зникає тільки в парі, тобто ця аномалія є властивістю саме рідкого стану води. Теплоємність води аномальна не тільки за своїм значенням. Питома теплоємність різна при різних температурах, причому характер температурної зміни питомої теплоємності своєрідний: вона знижується у міру збільшення температури в інтервалі від 0⁰ до 37^oС, а при подальшому збільшенні температури − зростає.  Мінімальне значення питомої теплоємності води виявлено при температурі 36,79^oС, а адже це нормальна температура людського тіла! Нормальна температура майже всіх теплокровних живих організмів також знаходиться поблизу цієї межі. При сильному переохолодженні теплоємність сильно зростає, тобто аномальний внесок в неї ще більше збільшується. Переохолоджена вода ще більш аномальна, ніж звичайна.

Висновки до другого розділу

      Таким чином, ми змогли пояснити походження численних аномалій води. Аномалії густини. Перша причина аномалії густини −  різке збільшення густини при плавленні льоду − пов'язана з тим, що решітка водневих зв'язків льоду сильно спотворюється після плавлення: у водній решітці кути між зв'язками відхиляються від оптимальних тетраедричних, в результаті чого зменшується обсяг порожнього простору між молекулами води. Друга визначається теплової перебудовою структури водної решітки. Чим нижче температура, тим ажурніше стає решітка, обумовлюючи зменшення густини при зниженні температури нижче 4⁰С. А при високих температурах перебудова структури решітки вже мало впливає на густину, оскільки решітка тут сильно відрізняється від ажурної тетраедричної конфігурації. Тоді стає видним загальне для всіх речовин (нормальне) явище збільшення відстаней між частинками при нагріванні. Зауважимо, що наближення густини води при її переохолодженні до густини льоду не означає, що структура води стає все більше схожою на структуру льоду. Хоча кути між водневими зв'язками при цьому наближаються до тетраедричних, але структура ажурної гратки води при низьких температурах не має нічого спільного з регулярною структурою льоду.

   Аналогічним чином можна пояснити аномальну поведінку й інших властивостей води при низьких температурах, наприклад, стисненні.     Загальна причина такої аномальної поведінки полягає в тому, що при низьких температурах сітка водневих зв'язків води ще не дуже спотворена в порівнянні з тетраедричною конфігурацією, і при зміні температури має першорядне значення перебудова структури цієї сітки, яка і визначає аномальний внесок в поведінку досліджуваних нами властивостей води. При високих температурах, коли воднева сітка сильно деформована, її перебудова чинить менший вплив на досліджувану властивість і вода веде себе, як і всі звичайні рідини.

     Щоб деформувати сітку при зміні температури, перебудувати її структуру, потрібно затратити енергію; це і пояснює аномальний внесок в теплоємність. Зміна структури сітки можна назвати зміною її конфігурації, тому аномальний внесок в теплоємність, який описує витрати енергії на зміну структури сітки (при збільшенні температури на один градус), називають конфігураційної теплоємністю. Аномальний внесок в теплоємність не зникає аж до 100°С (при звичайному тиску) і його величина мало змінюється з температурою. Це означає, що сітка водневих зв'язків у воді існує на всьому інтервалі існування рідини − від точки плавлення до точки кипіння: із зростанням температури водневі зв'язки не розриваються, а поступово змінюють свою конфігурацію.

Таке різке відхилення від встановленої закономірності якраз і пояснюється тим, що вода є асоційованою рідиною. Асоційованість її позначається і на дуже високій теплоті пароутворення. Так, для того, щоб випарувати 1 г води, нагрітої до 100^о С, потрібно в шість разів більше тепла, ніж для нагріву такої ж кількості води від 0⁰ до 80⁰С. Завдяки цьому вода є щонайпотужнішим енергоносієм на нашій планеті.

РОЗДІЛ 3.  СТРУКТУРА І ФОРМИ ЛЬОДУ

Вода при охолодженні за нормальних умов нижче 0^оС кристалізується, утворюючи лід, густина якого менше, а об’єм майже на 10% більше об’єму вихідної води. Охолоджуючись, вода поводиться так, як інші речовини: потроху ущільнюється − зменшує свій питомий об'єм. Але при 4^оС (точніше, при 3,98°С) настає кризовий стан: при подальшому зниженні температури об'єм води вже не зменшується, а збільшується. З цього моменту починається впорядкування взаємного розташування молекул, складається характерна для льоду гексагональна кристалічна структура. Кожна молекула в структурі льоду сполучена водневими зв'язками з чотирма іншими. Це приводить до того, що в фазі льоду утворюється ажурна конструкція з каналами між фіксованими молекулами води. У водних розчинах деяких органічних речовин навколо молекул домішок виникають впорядковані групи молекул води своєрідні зони "рідкого льоду", які мають кубічну структуру, яка відрізняється великою рихлістю в порівнянні з гексагональною. Поява такого льоду викликає значне розширення всієї замерзлої маси. При появі льоду руйнуються зв'язки не тільки дальнього, але і ближнього порядку. Так, при 0^оС 9 − 15% молекул Н₂О втрачають зв'язки з сполуками, в результаті збільшується рухливість частини молекул і вони занурюються в ті порожнини, якими багата ажурна структура льоду. Цим пояснюється стиснення льоду при таненні і велика в порівнянні з ним густина води, яка утворюється. При переході "лід-вода" густина зростає приблизно на 10%, і можна вважати, що ця величина певним чином характеризує кількість молекул Н₂О, що потрапили в порожнини.

У твердій воді (лід) атом Оксигену кожної молекули бере участь в утворенні двох водневих зв'язків з сусідніми молекулами води згідно зі схемою, в якій водневі зв'язки показані пунктиром

                     

Утворення водневих зв'язків приводить до такого розташування молекул води, при якому вони стикаються одна з одною своїми різнойменними полюсами. Молекули утворюють шари, причому кожна з них зв'язана з трьома іншими молекулами, що належать до того ж шару, і з однією − з сусіднього шару. Структура льоду належить до якнайменше щільних структур, в ній існують пустки, розміри яких дещо перевищують розміри молекули.

Характерною особливістю структури льоду є те, що в ній молекули упаковані рихло. Якщо зобразити молекулу кулею (додаток 3.1.), то при найщільнішій упаковці куль навколо кожної з них буде 12 сусідів. В льоду ж  їх всього чотири. Якби молекули води в льоду були щільно упаковані, то його густина складала б 2,0 г/см³, тоді як насправді вона рівна 0,92 г/см³. Здавалося б, рихлість упаковки частинок, тобто наявність в ній великих об’ємів не заповненого молекулами простору, повинна приводити до нестійкості структури. Наприклад, можна було б очікувати, що при стисненні льоду зовнішнім тиском сітка водневих зв'язків руйнуватиметься, пустки структури будуть з легкістю схлопуватися, заповнюючись молекулами, вирваними з цієї сітки. Але не тут-то було! Насправді сітка водневих зв'язків не руйнується, а перебудовується. При підвищенні тиску звичайний гексагональний лід змінює свою структуру.

Зараз відомо десять форм льоду, стійких при високому тиску. І у всіх зберігається чотири рази координована сітка водневих зв'язків, тобто кожна молекула води зберігає в них всі свої чотири водневі зв'язки.

I − звичайний лід, існуючий при тиску до 2200 атм., при подальшому збільшенні тиску переходить в II;

II − лід із зменшенням об'єму на 18%, тоне у воді, дуже нестійкий і легко переходить в III;

III − також важчий  за воду і може бути безпосередньо одержаний з льоду I;

IV – легший  за воду,  існує при невеликих тисках і температурі трохи нижче 0⁰ С, нестійкий і легко переходить в лід I;

V − може існувати при тиску від 3600 до 6300 атмосфер, він щільніше льоду III, при підвищенні тиску з тріском миттєво перетворюється на лід VI;

VI − щільніше льоду V, при тиску близько 21 000 атм. має температуру  +76⁰ С; може бути одержаний безпосередньо з води при температурі +60⁰ С і тиску 16 500 атм.

Структура льоду, у якої всі кути між сусідніми водневими зв'язками рівні тетраедричному куту, має мінімальну густину  (найбільшу рихлість), можливу для чотирижди  координованих сіток. При деформації такої сітки густина неминуче збільшується, так що, наприклад, для льоду III вона складає 1,15 г/см³, тобто на 25% більше, ніж в льоду.

Отже, при зовнішніх діях (підвищенні тиску) сітка водневих зв'язків в льоду не руйнується, а перебудовується, зберігаючи свою четвертинну координацію. Більш вигідним виявляється не розірвати деякі водневі зв'язки, а зберегти їх все, лише деформуючи сітку, дещо змінюючи кути між зв'язками. В цій дивній структурній стійкості полягає найважливіша властивість сіток водневих зв'язків між молекулами води.

Тепер легко уявити собі, що відбувається при плавленні льоду. Сітка водневих зв'язків і тут не повинна руйнуватися, але кристалічний порядок повинен зникнути. Це означає, що кожна молекула води і в рідкому стані повинна зберегти свої чотири водневі зв'язки, але кути між ними відрізнятимуться, що і призводить до підвищення її густини по порівнянню з льодом. Чим же відрізняється структура сітки водневих зв'язків в рідкій воді від структур сіток в формах льоду, стабільних при високих тисках? Відсутністю просторової періодичності. На відміну від льоду в сітці води неможливо виділити ділянки в різних її місцях, які були б тотожні по структурі. Сітка в воді випадкова. В ній кути між зв'язками відхиляються не по якомусь певному закону, як в кристалах, а випадково. У кристалі навколо кожної молекули сусідні частинки розташовані однаково (додаток 3.1.2.), в рідині ж оточення кожної молекули влаштовано особливим (але випадковим) чином. З цієї причини структуру випадкової сітки неможливо встановити рентгеноструктурним аналізом, який розкриває закономірності тільки одноманітно оточених частинок.

Значить, молекулярну структуру води, тобто конкретне положення всіх її молекул, неможливо визначити експериментально. Тут потрібно використовувати інші методи дослідження і перш за все моделювання. За допомогою комп'ютера можна моделювати рухи не дуже великого ансамблю частинок (близько тисячі) і одержувати інформацію про положення кожної молекули, якщо зробити певні (модельні) припущення про закони їх взаємодії. Цією захоплюючою задачею займаються зараз вчені у всьому світі. Всі дослідники згодні в тому, що основою структури є сітка водневих зв'язків, що охоплює всі молекули води; розбіжності торкаються в основному будови цієї сітки.

Висновок до третього розділу

   Отже, найбільш реалістичною картиною структури води є випадкова чотирижди координована сітка водневих зв'язків. Така загальна ідея цілком достатня для нашого обговорення. Як пояснити з цієї точки зору аномалії води? Всякі зміни сітки при зовнішніх діях можуть бути: 1) без зміни структури (наприклад, зміни довжин зв'язків); 2) зі зміною структури сітки (без зміни довжин зв'язків). Подовження всіх зв'язків при збільшенні температури відноситься до змін першого роду і є загальним для всіх речовин, включаючи воду. Але у воді істотну роль відіграє і другий чинник. При низьких температурах структура більш впорядкована, тобто кути між водневими зв'язками в сітці в меншій ступені відхиляються від тетраэдрического кута, тому вона більш ажурна (більш крихка, має меншу густину) і її важче деформувати. При зміні температури сітка перебудовується, міняє свою структуру. Це потрібно розуміти не тільки як зміну кутів між зв'язками, але і як зміну характеру зв'язності вузлів сітки (молекул): наприклад, зміна кількості кілець різного типу, аналогічно тому, що відбувається при переході від льоду IІ до льоду III. Але якщо при низьких температурах, в кристалічній фазі структура кожної з десяти форм льоду залишалася незмінною в кінцевому інтервалі температур і перебудова сітки відбувалася при переході від однієї дискретної форми до іншої, то в рідині структура сітки водневих зв'язків безперервно перебудовується при зміні температури.

ВИСНОВОК

Таким чином, «Що таке вода?»   − питання далеко не просте. Все, про що було розказано про неї у даній роботі не є вичерпною відповіддю на це питання, а в багатьох випадках дати чітку відповідь на них поки і зовсім не можна. Наприклад, поки залишається відкритим питання про структуру води, причини численних аномалій води і, ймовірно, ще про багато властивостей та різновиди води, про яких ми навіть не підозрюємо. Однозначно можна сказати лише те, що вода − унікальна речовина на Землі.

Нагадаємо слова нашого геніального співвітчизника академіка                      В. І. Вернадського про те, що  "надо ждать особый исключительный характер физико-химических свойств воды среди всех других соединений, который отражается и на ее положении в мироздании и на структуре мироздания".

Отже, вода в нашій свідомості є прообразом усіх рідин, і тим більше дивно, коли ми називаємо її самою незвичайною. Але в чому ж полягає незвичність води? Річ у тому, що важко назвати яку-небудь її властивість, яка не була б аномальною, тобто її поведінка (залежно від зміни температури, тиску і інших чинників) істотно відрізняється від такої  у переважної більшості інших рідин, у яких ця поведінка схоже і може бути пояснена з найзагальніших фізичних принципів.  До таких звичайних, нормальних рідин відносяться, наприклад, розплавлені метали, зріджені благородні гази (за винятком гелію), органічні рідини (бензин, що є їх сумішшю, або спирти). Вода має первинне значення для більшості хімічних реакцій, зокрема і біохімічних. Давнє положення алхіміків  − "тіла не взаємодіють, поки не розчинені" − значною мірою справедливе. Людина і тварини можуть у своєму організмі синтезувати первинну ("ювенільну") воду, утворювати її при згоранні харчових продуктів і самих тканин. Зв'язок між водою і життям такий великий, що навіть дозволив В. І. Вернадському "розглядати життя, як особливу колоїдну водну систему... як особливе царство природних вод". Вода − речовина звична і незвичайна. Разом з тим немає на Землі речовини важливішої для нас, ніж звичайна вода, і в той же час не існує іншої такої ж речовини, у властивостях якої було б стільки протиріч і аномалій, скільки є в її властивостях.

      Для вирiшення поставлених завдань використано наступнi методи дослiдження: аналiтико-статистичний, науково-тематичний, компонентний аналiз, порiвняльний, iсторичний, метод спостереження, аналiз та узагальнення результатiв.

Досліджено поширення води в природі;  описано фізичні властивості води та їх аномальність;  досліджено структуру і форму льоду;  розглянуто будову молекули води.  Матеріали дослідницької роботи можуть бути впроваджені в навчальний процес середньої загальноосвітньої школи при вивченні курсів природознавства, фізики, біології, хімії.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1.     Глінка М.Л.,Загальна хімія / М.Л. Глінка, К. “Вища школа“, 1982. – с.172 – 174

2.     Дерпгольц В. Ф., Вода во вселенной / В. Ф. Дерпгольц,  Л.: “Недра“, 1971.

3.     Крестов Г. А., От кристалла к раствору /Г.А. Крестов,  Л.: Химия , 1977.

4.     Хомченко Г.П., Химия для поступающих в ВУЗы. / Г.П.Хомченко М., 1995г.

5.     Романова Н.В., Загальна та неорганічна хімія / Н.В. Романова, К. “Ірпінь“, 2007. – с.147 – 164

6.     Лебідь В.І., Фізична хімія / В.І. Лебідь,  Харків “Фоліо“, 2005. – с. 22, 166 – 168

7.     Химическая энциклопедия. Том 1. Редактор И.Л. Кнунянц. Москва, 1988

8.     В.А.Крицман, В.В.Станцо. Энциклопедический словарь юного химика. М., “ Педагогика“,  1982. 

9.     О.А.Спенглер. Слово о воде. Л.,  “ Гидрометеоиздат “, 1980.

10.            I.В.Петрянов. Самое необыкновенное вещество в мире. М.,“ Педагогика “,      1975

11.            Прокофьев М. А., Энциклопедический словарь юного химика. М., 1982.

12.            Арабаджі В. І. Загадки простой воды.  М.: «Знание», 2003г.

13.            Ахматов М.В. Вода, которую мы пьём. М.: 2006г.

14.            Петрянов И.В. Самое необыкновенное вещество в мире. М.: «Педагогика», 2005г.

15.           Зацепіна Г.Н., Структура и свойства воды. Видавництво. МГУ, Москва (1984).

АКТУАЛЬНІ ПРОБЛЕМИ РОЗВИТКУ СУЧАСНОЇ НАУКИ:

НАНОХІМІЯ

                                                       

 Роботу виконала:  Михайленко Олеся Ігорівна,  учениця 9класу      
Науковий керівник:  Собіщанська В.І., вчитель-методист                                               

                                              Зміст

ВСТУП                                                                                

РОЗДІЛ 1. ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ НАНОХІМІЇ

            1.1.   Основні поняття

            1.2.   Напрями досліджень в нанохімії

            1.3.   Мета та завдання досліджень нанохімії

            Висновки до першого розділу

РОЗДІЛ 2. АКТУАЛЬНІ ПРОБЛЕМИ РОЗВИТКУ СУЧАСНОЇ НАУКИ:   НАНОХІМІЯ

           2.1. Розділи нанохімії

           2.2. Об'єкти нанохімії 

           2.3  Способи отримання наночастинок

            2.4. Перспективи використання наноматеріалів

            Висновки до другого розділу

        

ВИСНОВКИ

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

                                                                           

                                                               ВСТУП

«У всьому цьому немає нічого таємничого або
магічного. Це хімія, і нічого більше».
Артур Конан-Дойл.
«Кільце Тота»

   Хімія як наука про речовини та їх взаємне перетворення фактично з самого свого народження стикалася з отриманням нанодисперсних систем. Вже більше 1000 років тому в Китаї був відомий спосіб отримання нанодисперсного золота, яке використовували для фарбування порцелянових виробів. Однак лише відносно недавно (в останні 20-25 років) хіміки отримали можливість вивчати наносистеми і навіть безпосередньо спостерігати частки, розмір яких складає близько 1 нм. Виявилося, що подібні наночастинки мають  незвичайні хімічні властивості і, зокрема, з ними можливе здійснення реакцій, які не відбуваються з участю частинок макроскопічного розміру. Хімічні властивості і методи одержання речовин
у нанодисперсному стані стали предметом вивчення нової галузі знань - нанохімії. Нанохімія − це розділ хімічної науки, що вивчає процеси, що протікають при формуванні нанодисперсних систем, а також фізико-
хімічні властивості таких систем. [1.288]

  Нанотехнології − цей один з ключових напрямів розвитку сучасної промисловості і суспільства, шлях до керованого синтезу молекулярних структур, покликаний забезпечити отримання об'єктів будь-якого призначення не із звичайних сировинних ресурсів, а безпосередньо з атомів і молекул за допомогою машин-збирачів, обладнаних системами штучного інтелекту.

   За прогнозами учених, нанотехнології в XXI столітті зроблять таку ж революцію в маніпулюванні матерією, яку в XX зробили комп'ютери в маніпулюванні інформацією, а їх розвиток змінить життя людства більше, ніж освоєння писемності, парової машини або електрики.

   Розробками у сфері нанотехнологій займається нова міждисциплінарна область − нанонаука, одним з напрямів якої є нанохімія.  Основна особливість нанохімії як науки − її міждисциплінарність. В ході вирішення як конкретних прикладних, так і невіддільних від них фундаментальних завдань тісно переплітаються підходи і методи, які використовуються у фізиці, хімії, біології, матеріалознавстві. Успішний розвиток різних напрямків нанонауки в цілому та нанохімії зокрема неможливий без тісного співробітництва вчених різних спеціальностей і різних наукових шкіл в рамках єдиної загальної задачі або програми. Міждисциплінарність нанохімії вимагає зміни і вдосконалення методичних підходів, які будуть визначати розвиток природознавства в новому столітті[1.288], тому і є актуальною.

  Метою даної роботи є теоретичне дослідження теми «Актуальнi проблеми розвитку сучасної науки: нанохімія» та висвітлення окремих питань.

  Завдання дослідження:

-         вивчити  стан проблеми в науковій літературі;

-         дати визначення нанохімії;

-         розглянути розділи нанохімії: теоретичний, експериментальний та прикладний;

-         описати способи отримання наночастинок;

-         розкрити перспективи використання наноматеріалів.

 У процесі роботи було використано теоретичні відомості наукової літератури з проблеми.

 Робота складається з вступу, двох розділів, списку використаних джерел.

          РОЗДІЛ 1. ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ НАНОХІМІЇ

1.1        Основні поняття

    Нанохімія — розділ хімії, де об'єктами вивчення є тіла, розмір яких лежить у діапазоні 1-100 нм, де фізичні і хімічні властивості тіл суттєво залежать від розміру, досліджує склад і структуру нанотіл.

    Нанохімія (від " нано- "і" хімія ") − розділ хімії, який досліджує властивості, і особливості хімічних перетворень наночастинок. Відмінною особливістю нанохімії є наявність розмірного ефекту − якісної зміни фізико-хімічних властивостей і реакційної здатності при зміні числа атомів або молекул у частці. Зазвичай даний ефект спостерігається для частинок розміром менше 10 нм, хоча дана величина має умовне значення.

1.2        Напрями досліджень в нанохімії

    Основними напрямами досліджень в нанохімії є розробка методів складання великих молекул з атомів з допомогою наноманіпулятора; вивчення внутрішньомолекулярних перегрупувань атомів при механічних, електричних і магнітних впливах. Синтез наноструктур в потоках надкритичної рідини; розробка способів спрямованої збірки нанокристалів з ​​утворенням фрактальних, каркасних, трубчастих і стовпчастих наноструктур. Розробка теорії фізико-хімічної еволюції ультрадисперсних речовин і наноструктур; створення способів запобігання хімічної деградації наноструктур. Отримання нових каталізаторів для хімічної та нафтохімічної промисловості; вивчення механізму каталітичних реакцій на нанокристалах. Вивчення механізмів нанокрісталлізаціі в пористих середовищах в акустичних полях; синтез наноструктур в біологічних тканинах; розробка способів лікування хвороб шляхом формування наноструктур в тканинах з патологією. Дослідження явища самоорганізації в колективах нанокристалів; пошук нових способів пролонгування стабілізації наноструктур хімічними модифікаторами.

1.3   Мета та завдання досліджень нанохімії

   Основною проблемою, що стоїть перед новою наукою, можна назвати встановлення впливу розміру частинок (або, іншими словами, числа складових їх атомів) на їх хімічну активність. Перехід від вивчення звичних для хіміків молекул або компактних тіл до дослідження нанооб'єктів змушує їх багато в чому переглядати вже звичні теоретичні уявлення про властивості речовин, а також винаходити нові синтетичні методики. [1.288] Вони дозволять забезпечити  отримання нових каталізаторів  для хімічної промисловості та лабораторної практики; оксидно − рідкоземельних і ванадієвих нанокаталізаторів з широким спектром дії. Методологію запобігання хімічної деградації технічних наноструктур; методики прогнозу хімічної деградації. Наноліків для терапії і хірургії; препаратів  на основі гідроксиапатиту для стоматології. Спосіб лікування онкологічних захворювань шляхом проведення внутрішньопухлинної нанокристалізації і накладення акустичного поля. Нові хімічні сенсори з ультрадисперсних з активною фазою; методи збільшення чутливості сенсорів хімічним модифікуванням.

   Одним з пріоритетних завдань нанохімії − є встановлення зв'язку між розміром наночастинки і її властивостями.

Висновки до першого розділу

    У першому розділі дано визначення поняття нанохімії як розділу хімії,  який досліджує властивості, і особливості хімічних перетворень наночастинок. Розкрито напрями досліджень в нанохімії, зазначивши, що основними є розробка нових методів отримання наноматеріалів.

 Наголошено, що основною проблемою, що стоїть перед новою наукою, є встановлення впливу розміру частинок (або, іншими словами, числа складових їх атомів) на їх хімічну активність. Перехід від вивчення звичних для хіміків молекул або компактних тіл до дослідження нанооб'єктів змушує їх багато в чому переглядати вже звичні теоретичні уявлення про властивості речовин, а також винаходити нові синтетичні методики.

 Таким чином, одним з пріоритетних завдань нанохімії − є встановлення зв'язку між розміром наночастинки і її властивостями.

РОЗДІЛ 2. АКТУАЛЬНІ ПРОБЛЕМИ РОЗВИТКУ СУЧАСНОЇ НАУКИ:   НАНОХІМІЯ

   Хіміки завжди знали і добре розуміли значення атомів і молекул як основних "цеглинок" величезного хімічного фундаменту. В той же час розвиток нових методів дослідження, таких як електронна мікроскопія, високоселективна мас-спектроскопія, у поєднанні із спеціальними методами приготування зразків дозволило отримувати інформацію про частинки, що містять невелику кiлькiсть, менше сотні, атомів.

   У подібних частинок розміром близько 1 нм (10^-9 м − це усього лише міліметр, поділений на мільйон) виявлені незвичайні, важкопередбачуванi хімічні властивості. Виявилось, що такі наночастинки, як кластери, мають високу активність, і з ними в широкому інтервалі температур можливе здійснення реакцій, які не йдуть з частинками макроскопічного розміру. Вивченням хімічних властивостей таких частинок і займається нанохімія.

   Таким чином, нанохімія  − це наука, яка займається вивченням властивостей різних наноструктур, а також розробкою нових способів їх отримання, вивчення і модифікації.

2.1. Розділи нанохімії

      Об'єктами дослідження нанохімії є тіла з такою масою, що їх еквівалентний розмір (діаметр сфери, об'єм якої дорівнює об'єму тіла) залишається в межах наноінтервалу (0,1 - 100 нм). Умовно нанохімію можна розділити на теоретичну, експериментальну і прикладну.

    Теоретична нанохімія розробляє методи розрахунку поведінки нанотіл, враховуючи такі параметри стану частинок, як просторові координати і швидкiсть, масу, характеристики складу, форми і структури кожної наночастинки.

    Експериментальна нанохімія розвивається в трьох напрямах.

    У рамках першого розробляються і використовуються надчутливі спектральні методи, що дають можливість судити про структуру молекул, що включають десятки і сотні атомів.

    Другий напрям досліджує явища при локальних (місцевих) електричних, магнітних або механічних діях на нанотіла, що реалізуються за допомогою нанозондів і спеціальних маніпуляторів. При цьому переслідується мета вивчити взаємодію окремих молекул газу з нанотілами і нанотіл один з одним, виявити можливість внутрішньомолекулярних перегрупувань без руйнування молекул і з їх розпадом.

    Цей напрям також цікавить можливість "атомарної зборки" нанотіла потрібного габітуса (зовнішнього вигляду) при переміщенні атомів по поверхні підкладки (основного матеріалу, поверхня якого піддається різним видам обробки, внаслідок чого утворюються шари з новими властивостями або нарощується плівка іншого матеріалу).

    У рамках третього напряму визначаються макрокінетичні характеристики колективів нанотіл і функцій їх розподілу за параметрами стану.

   Прикладна нанохімія включає:

- розробку теоретичних основ застосування наносистем в техніці і нанотехнології, методів пророцтва розвитку конкретних наносистем в умовах їх використання, а також пошук оптимальних способів експлуатації (технічна нанохімія);

- створення теоретичних моделей поведінки наносистем при синтезі наноматеріалів і пошук оптимальних умов їх отримання (синтетична нанохімія);

- вивчення біологічних наносистем і створення методів використання наносистем з лікувальною метою (медична нанохімія);

- розробку теоретичних моделей утворення і міграції наночастинок в довкіллі та методів очищення природних вод або повітря від наночасток (екологічна нанохімія).

      Нанотехнологія дозволяє вирішувати цілий ряд практичних завдань, на основі її досягнень розвиваються медицина, біотехнологія, хімія, захист довкілля, матеріалознавство (синтезуються нові полімери, кераміка, металокераміка).

     З'явилася можливість, маніпулюючи атомами, управляти властивостями матеріалів, надаючи їм специфічні властивості: виготовлення композитів на основі полімерів, кераміки, вуглецевих нанотрубок, кремнієвих нановолокон для електроніки, лікарських препаратів із запрограмованою цілеспрямованою дією, наночастинок для уловлювання слідових кількостей домішок у воді і багато що інше. Слід також відмітити, що хімічні нанотехнології є безвідходними, і це робить їх особливо цінними в сучасних умовах.

     Окрім фундаментальних досліджень існує безліч прикладних напрямів, об'єм яких вже сьогодні вражає. Це електронна, косметична, текстильна промисловість, фармацевтика, захист довкілля.

   Нанотехнологічні розробки використовують для отримання нелиняючих барвників, прозорих сонцезахисних покриттів на основі оксиду цинку, стійких до подряпин автомобільних фарб, напівпровідників підвищеної потужності, при створенні "екологічно чистих" джерел енергії, недорогих високоактивних каталізаторів, паливних елементів, в процесах газифікації вугілля, у виробництві матеріалів для протезування (iмплантанти на основі нанокристалічного гiдроксиапатиту − аналогу кісткової тканини) та ін.

      Все коло проблем, пов'язаних з розвитком нанотехнологій, ділиться фахівцями на три категорії відповідно до термінів, необхідних для отримання відчутних результатів.

    Короткострокові (1 − 5 років) : розробка нанокомпозитів, наномембран і фільтрів, каталізаторів нового покоління (з вмістом металів на порядок менше, нiж в нині використовуваних), хімічних і біологічних сенсорів, медичних діагностичних приладів, акумулюючих батарей зі збільшеним терміном служби.

   Середньострокові (5 − 10 років) : цілеспрямована лікарська терапія, точна медична діагностика, отримання мезо- і мiкромезопористих матеріалів, високоефективних недорогих сонячних батарей, паливних елементів, високоефективна технологія отримання водню з води.

   Довгострокові (більше 20 років) : молекулярна електроніка, введення ліків крізь оболонку клітини, оптичні засоби передачі інформації.

   Помітний розвиток набули дослідження в області нанотехнологій після 2000 року. Згідно з аналітичними даними Американського національного наукового фонду (NSF), уряди і промислові кола розвинених країн очікують в найближчі 10 – 15 років бурхливого зростання об'ємів ринку нанотехнологічних матеріалів, приладів і іншої продукції з виходом на такі обсяги: наноструктурні матеріали і технологічне обладнання – 340 мільярдів дол./ рік; наноелектроніка – більш 300 мільярдів дол./ рік; фармацевтичні нанопрепарати – більш 180 мільярдів дол./ рік; хімічна продукція на основі нанотехнологій – 100 мільярдів дол./ рік; наноматеріали для аерокосмічної промисловості – 70 мільярдів дол./ рік. Таким чином, світовий ринок цієї продукції може досягти 1 трильйона доларів до 2015 р. В Національній академії наук України також протягом багатьох років виконуються фундаментальні і прикладні дослідження, що мають безпосереднє відношення до сьогоднішніх розробок в галузі нанотехнологій. Це роботи в галузі мікроелектроніки, фізики і хімії поверхні, тонкоплівкових і порошкових технологій, атомних і молекулярних моношарів, з’єднання і зварювання елементів конструкцій, каталізу, фізики і хімії колоїдів і атомних кластерів, сорбентів різноманітного призначення, фізики металів і сплавів з нанорозмірною структурою і т.д. З метою координації і цілеспрямованої підтримки цих робіт  Президією НАН України в 2003 р. було започатковано Комплексну програму фундаментальних досліджень "Наноструктурні системи, наноматеріали, нанотехнології". На даний момент у її виконанні беруть участь більше 30 інститутів НАНУ. Дослідження проводяться по 14 найважливіших напрямах теоретичного і експериментального вивчення наносистем, а також розробки методів та технологій їх створення [3].

    Нанохімія досліджує отримання і властивості різних наносистем. Наносистеми є безліччю тіл, оточених газовим або рідким середовищем. Такими тілами можуть бути багатоатомні кластери і молекули, нанокраплі і нанокристали. Це проміжні форми між атомами і макроскопічними тілами. Розмір систем залишається в межах 0,1− 100 нм.

    Межі наноінтервалу в хімії умовні. Властивості тіла в різній мірі чутливі до його розміру. Деякі з властивостей втрачають специфіку при розмірі більше 10 нм, інші − більше 100 нм. Тому, щоб менше властивостей виключалося з розгляду, верхню межу наноінтервалу приймають рівною    100 нм.

2.2. Об'єкти нанохімії

    Об'єктами нанохімії є тіла, що знаходяться в межах наноінтервалу (0,1 − 100 нм). У цьому інтервалі будь-яка властивість специфічно залежить від його маси і об'єму. Тому об'єктом нанохімії можна вважати тіла, у яких взаємодії кожного атома з усіма іншими атомами є значимими. До таких відносяться: ультрадисперсні речовини, отримані конденсацією пари і осадженням з розчинів; аерозолі і колоїдні розчини, природні речовини, що складаються з багатоатомних молекул; продукти полімеризації, тонкого помелу твердих речовин або інтенсивного, що розпиляло рідини; блокові тверді тіла, в яких межі блоків так виражені, що самі блоки можна розглядати як квазічастинки; глини і морські суспензії, донні відкладення і так далі.

    Класифікацію об'єктів нанохімії можна проводити за різними ознаками. Наприклад, по фазовому стану або за геометричною ознакою нанооб'єкти можна класифікувати по-різному.

   Класифікація нанооб'єктів за їх мірною ознакою важлива не лише з формальної точки зору. Геометрія істотно впливає на їх фізико-хімічні властивості. Коло об'єктів, досліджуваних нанохімією, безперервно розширюється. Хіміки прагнуть зрозуміти, в чому полягають особливості тіл нанометрових розмірів. Це привело до бурхливого розвитку колоїдної і макромолекулярної хімії.

     У 80-90-х рр. XX століття, завдяки методам електронної, атомно-силової і тунельної мікроскопії, стало можливим спостереження за поведінкою нанокристалів металів і неорганічних солей, білкових молекул, фуллеренiв і нанотрубок, а останніми роками такі спостереження стали масовими.

  Наночастинки з атомів інертних газів є найпростішими нанооб'єктами. Атоми інертних газів з повністю заповненими електронними оболонками слабо взаємодіють між собою за допомогою сил Ван-дер-Ваальса. При описуваннi таких частинок застосовується модель твердих куль. Енергія зв'язку, тобто енергія, що витрачається на відрив окремого атома від наночастинки, дуже мала, тому частинки існують при температурах не вище 10⁰-100⁰К.

    У металевих кластерах з декількох атомів може бути реалізований як ковалентний, так і металевий тип зв'язку. Наночастинки металів мають велику реакційну здатність і часто використовуються як каталізатори. Наночастинки металів зазвичай набувають правильної форми − октаедра, ікосаедра, тетрадекаедра.

   Особливе місце серед фуллеренiв займає частинка з 60 атомів вуглецю – C₆₀, що нагадує мікроскопічний футбольний м'яч.

    Фуллерени знаходять широке застосування: в створенні нових мастил і антифракційних покриттів, нових типів палива, алмазоподiбних сполук надвисокої твердості, датчиків і фарб. [1, 194]

   Нанотрубки − це порожнисті усередині молекули, що складаються приблизно з 1 000 000 атомів вуглецю одношарові трубки, що є, діаметром близько нанометра і завдовжки в декілька десятків мікрон. На поверхні нанотрубки атоми вуглецю розташовані у вершинах правильних шестикутників.

   Нанотрубки мають ряд найунікальніших властивостей, завдяки яким знаходять широке застосування переважно в створенні нових матеріалів, електроніці і скануючій мікроскопії.

    Унікальні властивості нанотрубок: висока питома поверхня, електропровідність, міцність − дозволяють створювати на їх основі ефективні носії каталізаторів для різних процесів. Наприклад, з нанотрубок роблять нові джерела енергії − паливні осередки, здатні працювати в 3 рази довше, ніж прості батареї аналогічного розміру. При використанні подібного осередку в стільниковому телефоні він зможе знаходитися в режимі очікування близько двох тижнів − замість 4 днів, як нинішнє покоління телефонів.

     Дивовижні властивості нанотрубок допомагають їм накопичувати і зберігати водень в молекулярному виді у внутрішніх порожнинах - екологічне паливо автомобілів майбутнього. Наприклад, нанотрубки з наночастинками паладію можуть компактно зберігати водень в тисячі разів більше свого об'єму, тобто зроблять автомобілі потужнішими, дешевшими і екологічними. Подальший розвиток технології паливних осередків дозволить зберігати в них в сотні і тисячі разів більше енергії, ніж в сучасних батареях. [1, 195]

     Іонні кластери є класичною картиною, характерною для іонного зв'язку в кристалічній решітці хлориду натрію. Якщо іонна наночастинка досить велика, то її структура близька до структури об'ємного кристала. Іонні утворення знаходять застосування в створенні фотоплівок з високим розділенням, молекулярних фотодетекторів, в різних областях мікроелектроніки і електрооптики.

   Фрактальні кластери − це об'єкти з розгалуженою структурою: сажа, колоїди, різні аерозолі і аерогелі. Фрактал − це такий об'єкт, в якому при зростаючому збільшенні можна побачити, як одна і та ж структура повторюється в нім на усіх рівнях і у будь-якому масштабі.

   Молекулярні кластери − кластери складаються з молекул. Більшість кластерів є молекулярними. Їх число і різноманітність величезне. Зокрема, до молекулярних кластерів відносяться багато біологічних макромолекул. Деякi наночастинки мають унікальні властивості. Наприклад: властивості у наночастинок срібла насправді унікальні. По-перше, вони мають феноменальну бактерицидну і антивірусну активність. Встановлено, що наночастинки срібла в тисячі разів ефективніше борються з бактеріями і вірусами, нiж іони срібла. Як показав експеримент, мізерні концентрації наночастинок срібла знищували усі відомі мікроорганізми (у тому числі і вірус СНІДу), не витрачаючись при цьому.

  Крім того, на відміну від антибіотиків, що вбивають не лише шкідливі віруси, але і уражені ними клітини, дія наночастинок дуже вибіркова: вони діють тільки на віруси, клітина при цьому не ушкоджується! Нині проводяться дослідження можливостей використання наночастинок срібла у фармацевтичних препаратах. Але вже й зараз вони знаходять досить широке застосування.

   Так, наприклад, нині випускаються зубні пасти з наночастинками срібла, які не лише очищають зуби, але і ефективно захищають від різних інфекцій. Також невеликі концентрації наночастинок срібла додають в деякі креми з серії "елітної" косметики для запобігання її псуванню під час використовування. Добавки на основі срібних наночастинок застосовуються в якості антиалергенного консерванта в кремах, шампунях, косметичних засобах для макіяжу і так далі. При їх використанні спостерігається також протизапальний і загоювальний ефект. Текстильні тканини, що містять наночастинки срібла, мають самодезинфiкуючi властивості. Такі тканини незамінні для медичних халатів, постільної білизни і так далі.

   Наночастки здатні довго зберігати бактерицидні властивості після нанесення на твердi поверхнi (скло, дерево, папір, кераміку, оксиди металів та ін.). Це дозволяє створити високоефективні дезинфікуючі аерозолі тривалого терміну дії для побутового застосування. На відміну від хлорки, карболової кислоти і інших хімічних засобів знезараження, аерозолі на основі наночастинок не токсичні і не шкодять здоров'ю людей і тварин.

    Якщо додати в лакофарбні матеріали, що покривають стіни будівель, наночастинки срібла, то на пофарбованих такими фарбами стінах і стелях не можуть жити більшість патогенних мікроорганізмів. Добавка у вугільні фільтри для води наночастинок срібла істотно збільшує термін служби таких фільтрів, а якість очищення води при цьому зростає на порядок.

    Окрім знезаражувальних властивостей, наночастинки срібла мають також високу електропровідність, що дозволяє створювати різні клеї. Такий клей може бути використаний, наприклад, в мікроелектроніці для з'єднання найдрібніших електронних деталей.

   Таким чином, крихітні, непомітні, екологічно чисті срібні наночастинки можуть застосовуватися скрізь, де необхідно забезпечити чистоту і гігієну : від косметичних засобів до знезараження хірургічних інструментів або приміщень.

    Наночастинки оксиду цинку високої чистоти, призначені для використання в електроніці, каталізаторах, медичних продуктах, продуктах особистої гігієни.

    Наночастинки оксиду цинку також мають ряд унікальних властивостей (у тому числі і бактерицидних), серед яких особливий інтерес викликає здатність поглинати широкий спектр електромагнітного випромінювання, включаючи ультрафіолетове, інфрачервоне, мікрохвильове і радіочастотне.

    Такі частинки можуть служити, наприклад, для захисту проти УФ-променiв, надаючи нові функції склу, пластмасам, фарбам, синтетичним волокнам і так далі. Ці частинки також можна використовувати для приготування сонцезахисних кремів, мазей і інших препаратів, оскільки вони безпечні для людини і не подразнюють шкіру.

    Здатність наночастинок оксиду цинку до розсіювання електромагнітних хвиль може використовуватися в тканинах одягу для надання їй властивостей невидимості в інфрачервоному діапазоні за рахунок поглинання випромінюваного людським тілом тепла. Це дозволяє виготовляти камуфляжі, невидимі в широкому діапазоні частот, − від радіо до ультрафіолету. Такий одяг просто незамінний у військових або антитерористичних операціях, оскільки дозволяє впритул підійти до супротивника без ризику бути поміченим приладами нічного бачення.

    Наночастинки діоксиду кремнію (SiO₂) мають дивовижну властивість: якщо їх нанести на який-небудь матеріал, то вони приєднуються до його молекул і дозволяють поверхні відторгати бруд і воду. Нанопокриття, що самоочищаються, на основі цих часток захищають скло, плитку, дерево, камінь і так далі. Частинки бруду не можуть прилипнути або проникнути в поверхню, що захищається, а вода легко стікає з неї, відносячи будь-які забруднення. Тканина після нанесення покриття вільно пропускає повітря, але не пропускає вологу. Можна забути про важковивiднi плями від кави, жиру, бруду і ін. Покриття стійке до тертя, гнучке, не псується від сонячного світла, температури і прання.

2.3  Способи отримання наночастинок

   Оскільки наночастинки за своїми розмірами займають проміжне положення між молекулами і мікроскопічними частинками, їх синтез можна вести двома різними способами. Перший заснований на об'єднанні атомів, молекул або кластерів в нанооб’єкти. Цей підхід синтезу може бути названий синтезом «знизу-вгору». Другий, синтез «зверху-вниз» заснований на подрібненні яким-небудь способом великих частинок речовини або дезінтеграції об'ємної структури без механічного руйнування. [1.288]

   У нанохімії надзвичайно велика роль квантових розмірних ефектів, що викликають зміну властивостей речовини залежно від розміру частинок і кількості в них атомів або молекул. Роль розмірних ефектів настільки велика, що робляться спроби створити таблиці залежності властивостей кластерів і наночастинок від їх розміру і геометрії на кшталт Періодичної таблиці хімічних елементів Д.I.Менделєєва. Квантові розмірні ефекти визначають такі властивості речовини, як теплоємність, електропровідність, деякі оптичні властивості і тому подібне.

     Нині розроблена велика кількість методів отримання частинок різного розміру. Принципово усі методи синтезу наночастинок, як фізичні так і хімічні, можна розділити на дві великі групи: диспергацiйнi методи, або методи отримання наночастинок шляхом подрібнення звичайного макрозразка; та конденсаційні методи, або методи "вирощування" наночастинок з окремих атомів.

   Але, більшість наносистем, що отримуються диспергацiйними методами, нестабільна, і якщо не створити необхідних умов для їх консервації, вони прагнутимуть повернутися у свій компактний стан.

  Як же тоді пояснити стабільність деяких наночастинок, наприклад фуллеренiв і нанотрубок? Адже, незважаючи на свої нанометрові розміри, вони чудово існують і "поодинці", зовсім не прагнучи об'єднуватися з собі подібними.

  Зважаючи на цю унікальну особливість, фуллерени, нанотрубки і деякі інші наночастинки були названі "магічними", а числа атомів, що входять в них, − "магічними числами". Наприклад, для лужних металів магічні числа − 8, 20 і 40, для благородних металів  − 13, 55, 137 і 255, для вуглецевих кластерів − 60, 70, 90 і так далі.

     Існують і більш екзотичні способи отримання наночастинок. Американські вчені в 2003 році зібрали з листя фігового дерева мікроорганізми Rhodococcus − і помістили їх в золотовмісний розчин. Бактерії діяли як хімічний відновник, збираючи з іонів срібла акуратні наночастинки діаметром близько 10 нм. Будуючи наночастинки, бактерії почували себе нормально і продовжували розмножуватися.

     Найширше використовується метод хімічного відновлення при отриманні і стабілізації монодисперсних наночастинок металів в рідкій фазі, у водних і неводних середовищах. В якості сполук металів зазвичай використовують їх солі, в якості відновників −  алюмогiдриди, борогідриди, гiпофосфiти, формальдегід, солі щавлевої і винної кислот. Поширення методу пов'язане з його простотою і доступністю. Цим методом отримані наночастинки срібла розміром 3,3−4,8 нм, платини (1−2 нм), кобальту (2−4 нм), нікелю (2−4 нм) і інших металів.

    Для отримання наночастинок найширше застосовують органічні розчинники. Вони виконують функції стабілізаторів. Такі розчинники мають ключове значення в синтезі наночастинок.

    Зусилля дослідників також спрямовані на отримання частинок різної форми. Здійснений синтез з контрольованою формою наночастинок діоксидів титану TiO₂, кобальту CoO₂, нікелю NiO₂, теллуридiв кадмію і цинку CdTe, ZnTe.

      Для отримання наночастинок металів і їх сполук використовують мiцели, емульсії і дендримери, які можна розглядати як своєрідні нанореактори, що дозволяють синтезувати частинки певних розмірів. Як початкові матеріали в цьому методі використовують металовмiснi сполуки.

    З використанням радіолізу розроблені і методи синтезу біметалічних і триметалiчних наночастинок металів із структурою ядро-оболонка. Наночастинки, що складаються з двох або більшого числа різних металів, є інтересом для створення матеріалів з новими властивостями.

    Фотохімічний синтез наносистем також пов'язаний з утворенням високоактивних сильних відновників типу електронів, радикалів, збуджених частинок. Метод дозволяє отримувати наночастинки, що мають високу чистоту, крім того синтезувати їх в твердих середовищах і при низьких температурах. Фотохімічне відновлення в розчинах найчастіше застосовують для синтезу частинок благородних металів.

      Нині інтереси багатьох дослідників зосереджені на розробці нових методів отримання наночастинок металів. Атоми металів мають високу хімічну активність, яка зберігається в димерах, що утворюються з атомів, тримерах, кластерах і наночастинках з великим числом атомів. Дослідження подібних активних частинок можливе при використанні різних стабілізаторів.

2.4. Перспективи використання наноматеріалів

    Виключно важливим для майбутнього нашої планети є те, що перехід до наноматеріалів дозволить зняти багато екологічних проблем.

     Основні досягнення і, особливо, перспективи використання нанопорошків пов'язані з відпрацюванням технології отримання порошків з особливими властивостями такими як: низькі температури спікання (t<100°С), висока хімічна активність, наявність надмірної енергії.

     На основі наноструктурованих ультрадисперсних металевих порошків створюються принципово нові високоміцні і тугоплавкі матеріали.

     Особливий інтерес до нанопорошків пов'язаний з їх застосуванням в якості початкової сировини при виробництві керамічних, магнітних і композиційних матеріалів, надпровідників, сонячних батарей, фільтрів, присадок до мастильних матеріалів, компонентів низькотемпературних високоміцних припоїв та інше. Істотно розширюється використання нанопорошків в промисловості (технології дифузійного зварювання, створення захисних і антифрикційних покриттів, відновлення зношених деталей механізмів).

   Електронiка, оптика і оброблювальна промисловість споживають більше 70% світового виробництва нанопорошків. З кожним роком збільшується інтенсивність використання нанопорошків в сільському господарстві і природоохоронній галузі (включаючи видобуток корисних копалин і їх обробку, отримання електроенергії і водоочистку), а також медицині і косметології.

    Нанопористий вуглець використовується для отримання нового покоління неорганічних мембран, а також вiн є перспективним електродним матеріалом для нових типів суперконденсаторів. Цей матеріал можна використати в якості холодних катодів для дисплеїв, рентгенівських трубок.

    Інтерес до молекулярних нанокомпозитів надзвичайно великий. Нині ведуться роботи за різними напрямами: підбору сумішей, пошуку сополімерів, створенню матеріалів на основі аморфних і рідкокристалічних полімерів.

       Інтенсивно розробляються нанокомпозитні матеріали з полімерною основою для застосування в електронній техніці, наприклад, в тонкоплівкових конденсаторах інтегральних схем, твердих полімерних електролітах для гальванічних елементах, оптичних мікрокомутаторах, інтелектуальних нанорозмірних комутаторах, а також датчиках.

    Розвиток нанохімії веде до поширення так званих "розумних" наноматеріалів. Вони активно реагують на зміни довкілля і змінюють свої властивості залежно від умов.

    Нині ведуться роботи із створення бiомiметичних наноматеріалів (бiомiметикiв) − матеріалів, що наслідують біологічні тканини.

    Основу усіх бiомiметикiв складають штучні білки. Подібно до природних білкiв, вони також складаються з амінокислот, але синтезуються не рибосомою, а людиною. Потім ці білкові блоки можна сполучати між собою, "чіпляти" до них інші молекули − барвники, фотоактивні, електроактивні, люмiнесцентнi і так далі, − всякий раз отримуючи матеріали з новими унікальними властивостями.

    Штучні бiомiметики, схожі за своїми якостями з природними білками, також проявляють "розумність" у відповідь на слабкі зовнішні подразники: опромінення, тепло, електрострум, шкідливі речовини. На їх основі вже сконструйовані оптичні сенсорні матеріали для нанопристроїв, що прводяють екологічний моніторинг.

     Особливий інтерес представляють біодеградовані наноматеріали. Серед них унікальний пакувальний біоматеріал, здатний швидко розкладатися на природні компоненти після закінчення певного часу (наприклад, терміну зберігання продукту), не забруднюючи довкілля, як це роблять металеві і пластикові упаковки.

   Висновки до другого розділу

  Таким чином, у другому розділі розкрито актуальнi проблеми розвитку сучасної науки: нанохімія. Яку умовно можна розділити на теоретичну, експериментальну і прикладну.

  Нанохімія досліджує отримання і властивості різних наносистем.

  Об'єктом нанохімії можна вважати тіла, у яких взаємодії кожного атома з усіма іншими атомами є значимими. До таких відносяться: ультрадисперсні речовини, отримані конденсацією пари і осадженням з розчинів; аерозолі і колоїдні розчини, природні речовини, що складаються з багатоатомних молекул; продукти полімеризації, тонкого помелу твердих речовин або інтенсивного, що розпиляло рідини; блокові тверді тіла, в яких межі блоків так виражені, що самі блоки можна розглядати як квазічастинки; глини і морські суспензії, донні відкладення і так далі.

   Оскільки наночастинки за своїми розмірами займають проміжне положення між молекулами і мікроскопічними частинками, їх синтез можна вести двома різними способами. Перший заснований на об'єднанні атомів, молекул або кластерів в нанооб’єкти. Цей підхід синтезу може бути названий синтезом «знизу-вгору». Другий, синтез «зверху-вниз» заснований на подрібненні яким-небудь способом великих частинок речовини або дезінтеграції об'ємної структури без механічного руйнування. [1.288]

    Виключно важливим для майбутнього нашої планети є те, що перехід до наноматеріалів дозволить зняти багато екологічних проблем.

    Розвиток нанохімії веде до поширення так званих "розумних" наноматеріалів. Вони активно реагують на зміни довкілля і змінюють свої властивості залежно від умов.

    Нині ведуться роботи із створення бiомiметичних наноматеріалів (бiомiметикiв) − матеріалів, що наслідують біологічні тканини.

     Особливий інтерес представляють біодеградовані наноматеріали. Серед них унікальний пакувальний біоматеріал, здатний швидко розкладатися на природні компоненти після закінчення певного часу (наприклад, терміну зберігання продукту), не забруднюючи довкілля, як це роблять металеві і пластикові упаковки.

   Таким чином, нанохімія  − це наука, яка займається вивченням властивостей різних наноструктур, а також розробкою нових способів їх отримання, вивчення і модифікації та практичного використання.

ВИСНОВКИ

    У сучасний час вплив досягнень нанохімії на розробку нанотехнологій, встановлення зв’язку між розміром наночастинок та їх властивостями має величезне наукове значення. Наноречовини знаходять широке застосування в створенні нових мастил, антифракційних покриттів, нових типів палива, тощо; дозволять розв’язати енергетичну проблему; проблему ефективного лікування ракових пухлин, СНIДу, не вражаючи клітин, а діючи тільки на віруси та злоякісні новоутворення.  Виключно важливим для майбутнього  нашої  планети є те, що перехід до наноматеріалів дозволить зняти  багато екологічних проблем.

         Тому метою даної роботи було теоретичне дослідження теми «Актуальнi проблеми розвитку сучасної науки: нанохімія» та висвітлення окремих питань.

  В ході роботи було  використано теоретичні відомості наукової літератури з проблеми, а також

-         вивчено  стан проблеми в науковій літературі;

-         дано визначення нанохімії;

-         розглянути розділи нанохімії: теоретичний, експериментальний та прикладний;

-         описано способи отримання наночастинок;

-         розкрито перспективи використання наноматеріалів.

    Таким чином, нанохімія  − це наука, яка займається вивченням властивостей різних наноструктур, а також розробкою нових способів їх отримання, вивчення і модифікації та практичного використання.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Сергеев Г.Б. Нанохимия / Г.Б. Сергеев // Москва: Изд-во МГУ, 2003. –  С.194-195, 288

2. Сергєєв Г. Б. Нанохімія - Навчальний посібник. - М .: КДУ, 2009. - 336 с. - ISBN 978-5-98227-621-6.

3. Таланчук П.,  Малишев В. Становлення й розвиток нанотехнологій у світі і в Україні: використання інтелектуального капіталу, тенденції розвитку /  П.Таланчук, В. Малишев // Газета «Університет «Україна» № 5-6, 2008р., №10-11 2009р.

4. Еремин В.В., Дроздов А.А., Нанохимия и нанотехнологии, элективный курс для учащихся 10 – 11 классов, М., Дрофа, 2009

5. «Нанотехнологии. Азбука для всех». Сборник статей под редакцией

Ю. Третьякова, М., Физматлит, 2007.

6. Собіщанська М. Актуальнi проблеми розвитку сучасної науки: нанохімія/  М.Собіщанська // Збірник наукових праць ХІV Міжвузівської науково- практичної конференції. Випуск 8. Частина  2. К.: Європейського університету, 2011. С.111-120

7. http://ru.wikipedia.org/wiki/Нанохимия

 

 

РЕАКЦІЇ В РІДКОМУ СТАНІ. РОЗЧИНИ

Роботу  виконала:  Андрійчук   Аліна    Сергіївна,  учениця    9класу 
Науковий керівник: Собіщанська В.І., вчитель-методист

                                                    

Зміст

ВСТУП

РОЗДІЛ1. СУЧАСНІ УЯВЛЕННЯ ПРО БУДОВУ І СТРУКТУРУ РІДИН.   РІВНОВАГА          “РІДИНА - ПАР”    ТА НАСИЧЕНОГО ПАРУ НАД РОЗЧИННИКОМ

            1.1   Класифікація рідин

                     1.2   Статистична теорія

                     1.3   Кластерна теорія

Висновки до першого розділу

РОЗДІЛ 2. ТЕОРІЯ РОЗЧИНІВ Д. І. МЕНДЕЛЄЄВА ТА ЇЇ РОЗВИТОК НА СУЧАСНОМУ ЕТАПІ

2.1. Кріоскопічні та ебуліоскопічні методи дослідження розчинів

2.2. Хімічні реакції в розчинах

Висновки до другого розділу

ВИСНОВКИ

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

ВСТУП

Рідина – конденсований агрегатний стан речовини, проміжний між твердим та газоподібним. Фізичне тіло, якому притаманна:

а) текучість на відміну від твердого тіла;

б) достатньо мала зміна об’єму (при зміні тиску й температури), на відміну від газу.

Збереження об’єму, густина, показник заломлення, теплота плавлення, в’язкість – властивості, які зближують рідини з твердими тілами, а незбереження форми – з газами. Для рідин характерний ближній порядок розташування молекул (відносна впорядкованість у розташуванні молекул найближчого оточення довільної молекули, подібна до порядку в кристалічних тілах, але на відстані кількох атомних діаметрів ця впорядкованість порушується). Взаємодія між молекулами рідини здійснюється Ван-дер-Ваальсовими і водневими зв’язками. Рідини, крім розсолів та зріджених металів, погані провідники електричного струму.

Текучість рідин пов’язана з періодичним “перестрибуванням” її молекул з одного рівноважного положення в інше. Більшу частину часу окрема молекула рідини перебуває в тимчасовій асоціації з сусідніми молекулами (близька впорядкованість), де вона здійснює теплові коливання. Інколи рідиною в широкому розумінні цього слова називають і газ, при цьому рідину у вузькому розумінні слова, яка задовольняє попереднім двом умовам, називають крапельною рідиною.

Форма, яку приймає рідина, визначається формою ємності, в якій вона перебуває. Частинки рідини (зазвичай молекули або групи молекул) можуть вільно переміщуватися по всьому її об'єму, але сила взаємного притягання не дозволяє частинкам залишати цей об'єм. Об'єм рідини залежить від температури і тиску і є постійним за даних умов.

Якщо об'єм рідини менший за об'єм ємності, в якій вона міститься, то можна спостерігати поверхню рідини. Поверхня має якості еластичної мембрани з поверхневим натягом, що дозволяє формуватися краплям та бульбашкам. Ще одним наслідком дії поверхневого натягу є капілярність. Зазвичай рідини не піддаються стисканню: наприклад, щоб помітно стиснути воду, необхідний тиск порядку гігапаскаля.

Рідини в гравітаційному полі створюють тиск, як на стінки і дно ємкості, так і на будь-які тіла всередині самої рідини. Цей тиск діє у всіх напрямках (Закон Паскаля) і зростає з глибиною.

У наш час є ще багато проблем, пов'язаних з вивчен­ням реакцій в рідкому стані, процесів взаємодії розчинника й розчиненої речо­вини. Потребують дальшого розвитку теоретичні уяв­лення про неводні розчини. Немає єдиного погляду на основи та кислоти в загальному плані, хоч сучасна ін­терпретація кислотних і основних властивостей речовин у водному розчині є однозначною. Отже, ще чимало пи­тань, пов'язаних з розчинами, чекають на своє розв'я­зання, тому і є актуальними.

Метою даної роботи є теоретичне  дослідження теми “Реакції в рідкому стані. Розчини” та висвітлення окремих питань.

Основним завданням роботи є:

-  описати сучасні уявлення про будову і структуру рідин; рівновагу“ рідина –пар ” та насиченого пару над розчинником;

- ознайомити з теорією розчинів Д. І. Менделєєва, кріоскопічнними та ебуліоскопічними методами  дослідження розчинів;

        - дати характеристику гомогенним  та гетерогенним реакціям в розчинах;

        - розкрити суть процесу: гідроліз солей;

- охарактеризувати дисперсні системи, колоїдні розчини, будову колоїдних частинок і міцел. Дати поняття коагуляції, пептизації, седиментації. Розкрити кінетичну  стійкість золів.

У процесі роботи було використано теоретичні відомості наукової літератури з проблеми.

 Робота складається з вступу, двох розділів, списку використаних джерел.

РОЗДІЛ 1

СУЧАСНІ УЯВЛЕННЯ ПРО БУДОВУТА СТРУКТУРУ РІДИН.

РІВНОВАГА   "РІДИНА - ПАР"  ТА НАСИЧЕНОГО ПАРУ НАД РОЗЧИННИКОМ

Рідина - одне з агрегатних станів речовини. Основною властивістю рідини, що відрізняє її від інших агрегатних станів, є здатність необмежено змінювати форму під дією дотичних механічних напруг, навіть як завгодно малих, практично зберігаючи при цьому об’єм.

Рідкий стан зазвичай вважають проміжним між твердим тілом і газом: газ не зберігає ні об’єму, ні форми, а тверде тіло зберігає і те, й інше.

Мабуть, найбільш характерною властивістю рідин, що відрізняє їх від твердих тіл, є низька в'язкість (висока текучість). Завдяки їй вони приймають форму посудини, в якій налиті. На молекулярному рівні висока текучість означає відносно велику свободу частинок рідини. Цим рідини нагадують гази, хоча сили міжмолекулярної взаємодії рідин більша, молекули розташовані тісніше і більше обмежені у своєму русі.

Форма рідких тіл може повністю або частково визначатися тим, що їх поверхня веде себе як пружна мембрана. Так, вода може збиратися в краплі. Але рідина здатна текти навіть під своєю нерухомою поверхнею, і це теж означає незбереження форми (внутрішніх частин рідкого тіла).

Молекули рідини не мають певного положення, але в той же час їм недоступна повна свобода переміщень. Між ними існує тяжіння, достатньо сильне, щоб утримати їх на близькій відстані. [1]

Речовина в рідкому стані існує в певному інтервалі температур, нижче якого переходить в твердий стан (відбувається кристалізація або перетворення в твердотільне аморфний стан - скло), вище - в газоподібний (відбувається випаровування). Межі цього інтервалу залежить від тиску.

Як правило, речовина в рідкому стані має тільки одну модифікацію. (Найбільш важливі винятки - це квантові рідини і рідкі кристали.) Тому в більшості випадків рідина є не тільки агрегатним станом, але і термодинамічною фазою (рідка фаза).

Всі рідини прийнято ділити на чисті рідини і суміші. Деякі суміші рідин мають велике значення для життя: кров, морська вода і ін. Рідини можуть виконувати функцію розчинників. [2]

1.1       Класифікація рідин

Структура та фізичні властивості рідини залежать від хімічної індивідуальності складових їх часток і від характеру і величини взаємодії між ними. Можна виділити кілька груп рідин у порядку зростання складності.

1. Атомарні рідини або рідини з атомів або сферичних молекул, пов'язаних центральними ван-дер-ваальсівськими силами (рідкий аргон, рідкий метан).

2. Рідини з двоатомних молекул, що складаються з однакових атомів (рідкий водень, рідкий азот). Такі молекули володіють квадрупольним моментом.

3. Рідкі неперехідні метали (натрій, ртуть), в яких частки (іони) пов'язані дальнодіючими кулонівськими силами.

4. Рідини, що складаються з полярних молекул, пов'язаних диполь-дипольною взаємодією (рідкий бромоводень).

5. Асоційовані рідини, або рідини з водневими зв'язками (вода, гліцерин).

6. Рідини, що складаються з великих молекул, для яких істотні внутрішні ступені свободи.

Рідини перших двох груп (іноді трьох) зазвичай називають простими. Прості рідини вивчені краще за інших, із непростих рідин найбільш добре вивчена вода. У цю класифікацію не входять квантові рідини і рідкі кристали, які представляють собою особливі випадки і повинні розглядатися окремо. [3]

1.2                     Статистична теорія

Сучасні молекулярні теорії рідин засновані на експериментально встановленій наявності статистичної впорядкованості взаємного розташування найближчих один до одного молекул - так званого ближнього порядку. Положення та орієнтації двох або більше молекул, розташованих далеко одна від одної, виявляються статистично незалежними, тобто дальній порядок в рідині відсутній. Приклад двовимірного дальнього порядку представлений на мал.1.2.1, а. В рідині та склі дальній порядок відсутній. Це, однак, не означає, що вони взагалі не впорядковані. Для рідини характерна картина, подібна домал.1.2.1, б. Число найближчих сусідів у всіх атомах практично однакове, але розташування атомів в міру їхнього віддалення від будь-якої виділеної позиції стає все більш і більш хаотичним. Таким чином, впорядкованість існує лише на малих відстанях, звідси і назва: ближній порядок. Характер теплового руху молекул та їхніх складових атомів, а також структура ближнього порядку, координаційного числа та інші характеристики досліджуються в основному дифракційними методами - рентгенівським структурним аналізом, нейтронографією, а також методами акустичної та діелектричної спектроскопії, ЯМР, ЕПР та ін.

1.3                     Кластерна теорія

Однією з сучасних теорій служить «Кластерна теорія». В її основі укладена ідея, що рідина представляється як поєднання твердого тіла і газу. При цьому частинки твердої фази (кристали, що рухаються на короткі відстані) розташовуються в хмарі газу, утворюючи кластерну структуру. Енергія частинок відповідає розподілу Больцмана, середня енергія системи при цьому залишається постійною (за умови її ізольованості). Повільні частинки стикаються з кластерами і стають їх частиною. Так безперервно змінюється конфігурація кластерів, система знаходиться в стані динамічної рівноваги. При створенні зовнішнього впливу система буде вести себе згідно з принципом Ле Шательє. Таким чином, легко пояснити фазові перетворення:

при нагріванні система поступово перетвориться на газ (кипіння);

при охолодженні система поступово перетвориться на тверде тіло (замерзання). [5]

  Рідина, газ і міжмолекулярні сили. Оскільки діаметр самих молекул газу всього лише кілька ангстрем, логічно припустити, що взаємодією між молекулами газу можна знехтувати завжди, крім моментів їхніх зіткнень. Таким чином, ми приходимо до моделі газу, в якій молекули представляються рухомими незалежно один від одного кульками, стикаються один з одним і зі стінками посудини, в який газ укладений.  При температурі 0  С °швидкість молекул становить кілька сотень метрів на секунду, і їх зіткнення зі стінками посудини створюють відчутний тиск. Більш детальний розгляд зазначеної моделі дає співвідношення між тиском P, об'ємом V і термодинамічною температурою T (T =  С° + 273)

(1)   PV / T = const (для даної кількості газу).

Це співвідношення - так зване рівняння стану ідеального газу - являє собою узагальнений запис законів Бойля - Маріотта, Гей-Люссака і Шарля, і поведінка більшості газів описується ним з хорошою точністю. Рівняння (1) виконувалося б завжди, якщо б газ залишався газом незалежно від зниження температури або підвищення тиску. Однак добре відомо, що всі гази можна перевести в рідкий стан, якщо достатньо сильно стиснути їх або охолодити. Для кожного газу є так звана критична температура Tc, нижче за яку він завжди може бути зрідженим шляхом підвищення тиску; вище Tc газ не може бути зрідженим ні за яких умов. Це означає, що модель незалежно рухомих молекул в умовах, коли температура вище Tc, є лише наближеною, а нижче Tc при високих тисках і щільності вона взагалі неправильна. Існування рідкого стану нижче Tc наводить на думку, що між молекулами діють сили тяжіння, оскільки інакше взагалі не можна зрозуміти, чому вони залишаються поблизу один від одного. Однак крім тяжіння молекули зазнають і взаємне відштовхування - ми переконуємося в цьому, коли намагаємося зменшити об'єм рідини (або твердого тіла). Сили тяжіння діють на більших відстанях, ніж сили відштовхування, але і ті й інші мають електростатичну природу. [6]

Якщо ввести в модель ідеального газу поправки на зчеплення молекул і їх обсяг, то виходить рівняння, взагалі кажучи, відмінне від (1). Одне з таких рівнянь, виведене Я.Ван-дер-Ваальсом, має вигляд

(2)   (P + a/V2) (V  b)/T = const.

Тут a і b - константи, характерні для даного газу. Це рівняння також передбачає існування критичної температури Tc і якісно описує спостережуваний перехід між газоподібною і рідкою фазами.

Розглянемо деякі практичні наслідки з рівняння (2). На мал. 1.3.1 представлений графік залежності тиску газу від об'єму. Нехай деяка кількість газу займає об'єм V₁при температурі T₁ і тиску P₁. При зменшенні об’єму тиск зростає і стан газу змінюється: з точки A він переходить в точку B. Тут газ починає конденсуватися, причому подальше зменшення обсягу вже не призводить до зміни тиску. При русі вздовж прямої BC кількість рідини зростає до тих пір, поки в точці C газ не буде зріджений повністю. Постійний тиск, відповідний цьому процесу, називається тиском насиченої пари при даній температурі T₁. У всіх точках відрізка BC між рідиною і газом існує рівновага (термодинамічна). Це означає, що число молекул, яке випаровуються з поверхні рідини в 1с, у точності дорівнює числу молекул, що конденсується з пари в рідину. Для подальшого зменшення обсягу необхідно створити дуже високий тиск, щоб подолати сили взаємного відштовхування молекул рідини. Цій  ситуації відповідає вертикальна пряма CD. Крива ABCD називається ізотермою, оскільки всім її точкам відповідає одна і та ж температура. Якщо такий же дослід проводити при більш високій температурі, то відповідно до рівняння Ван-дер-Ваальса ми отримаємо ізотерми з таким же ходом, лише відрізок BC стане коротшим. І нарешті, при критичній температурі Tc цей відрізок взагалі зійде в точку з координатами Tc і Pc. У цій точці рідина і газ не чіткі. При температурах, що перевищують Tc, рівняння Ван-дер-Ваальса (2) переходить в рівняння (1) (крива, відповідна температурі T₂ на мал. 1.3.1) наведені в наступній таблиці:

Таблиця 1.3. 1

 Значення критичних температур і відповідних їм тисків

Газ	He	H2	N2	O2	H2O
Tc, K	5,30	33,29	126,07	154,38	647
Pc, МПа	0,226	1,280	3,35	5,08	21,75

Висновки до першого розділу

Розглянувши сучасні уявлення про будову і структуру рідин можна зазначити, що властивості рідин залежать від хімічної індивідуальності складових і від характеру і величини взаємодії між ними. Найбільш поширеними є дві теорії:

-         статистична, згідно з якою встановлено наявність статистичної впорядкованості взаємного розташування найближчих один до одного молекул - так званого ближнього порядку. Таким чином, впорядкованість існує лише на малих відстанях, звідси і назва: ближній порядок;

-         кластерна - в її основі укладена ідея, що рідина представляється як поєднання твердого тіла і газу.

Дослідивши рівновагу «рідина-пар» та насиченого пару над розчином можна зазначити, що  число молекул, які випаровуються з поверхні рідини в 1с, у точності дорівнює числу молекул, що конденсується з пари в рідину.

РОЗДІЛ 2

ТЕОРІЯ РОЗЧИНІВ Д. І. МЕНДЕЛЄЄВА ТА ЇЇ РОЗВИТОК НА СУЧАСНОМУ ЕТАПІ

У 1905 році Д. І. Менделєєв скаже: «Всього більш ніж чотири предмети склали моє ім'я, періодичний закон, дослідження пружності газів, розуміння розчинів як асоціації та" Основи хімії ". Тут моє багатство. Воно не відняте укого-небудь, а виконано мною...». [8]

Протягом усього свого наукового життя Д. І. Менделєєва не слабшав його інтерес до «розчинної» тематики. Найбільш значні його дослідження в цій області відносяться до середини 1860-х, а найважливіші - до 1880-х років. Тим не менше, публікації вченого показують, що і в інші періоди своєї наукової творчості він не припиняв пошуків, що сприяли створенню основам його вчення про розчини. Концепція Д. І. Менделєєва еволюціонувала від вельми суперечливих і недосконалих первісних уявлень про природу цього явища в нерозривному зв'язку з розвитком його ідей в інших напрямках, в першу чергу ― з вченням про хімічні сполуки.

Д. І. Менделєєв показав, що правильне розуміння розчинів неможливе без урахування їх хімізму, ставлення їх до певних  сполук (відсутності межі між такими і розчинами) і складної хімічної рівноваги в розчинах - у розробці цих трьох нерозривно пов'язаних аспектів полягає основне його значення. Однак сам Д. І. Менделєєв ніколи не називав свої наукові положення в області розчинів теорією - не сам він, а його опоненти і послідовники так іменували те, що він називав «розумінням» і «поданням», а праці цього напряму - «спробою висвітлити гіпотетичним поглядом всю сукупність даних про розчини», - «...до теорії розчинів ще далеко»; основну перешкоду у її формуванні вчений бачив «з боку теорії рідкого стану речовини». [9]

Незайвим буде відзначити, що, розвиваючи цей напрямок, Д. І. Мен-делєєв, спочатку апріорно висунувши ідею про температуру, при якій висота меніска буде нульовою, в травні 1860 року провів серію дослідів. При певній температурі, яку експериментатор назвав «абсолютною температурою кипіння», нагрітий у парафіні та ванні в запаяному об’ємі рідкий хлорид кремнію (SiCl₄) «зникає», перейшовши в пару. У статті, присвяченій дослідженню, Д. І. Менделєєв повідомляє, що при абсолютній температурі кипіння, повний перехід рідини в пару супроводжується зменшенням поверхневого натягу та теплоти випаровування до нуля. Ця робота - перше велике досягнення вченого.

Важливий також той факт, що теорія розчинів електролітів придбала задовільну спрямованість, тільки сприйнявши ідеї Д. І. Менделєєва, коли відбувся синтез гіпотези про існування іонів в розчинах електролітів з Менделеєвським вченням про розчини.

Розчинам і гідратам Д. І. Менделєєвим присвячено 44 праці. [10]

2.1. Кріоскопічні та ебуліоскопічні методи дослідження розчинів

Кріоскопічні та ебуліоскопічні методи дослідження розчинів.Розчином називається однофазна система, утворена не менше ніж двома компонентами і здатна у відомих межах до безперервної зміни складу. При цьому деякі властивості розчину змінюються, причому зміни залежать не від природи розчиненої речовини, а від концентрації розчиненої речовини незалежно від її хімічної будови. Це свідчить, що розчинена речовина не реагує з розчинником. Такі властивості розчину носять назву коллігатівних (слово "коллігатівний" ("collig" - колеги) означає "пов'язаний один з одним") і залежать від числа розчинених частинок. До них відносять: 1) зниження тиску пари; 2) підвищення температури кипіння - ебуліоскопія; 3) зниження температури замерзання - кріоскопія; 4) осмос. Основним з них є зниження тиску насиченої пари, а три іншівластивості витікають з нього як наслідку. Так як коллігатівні властивості розчинів залежать від числа розчинених частинок, то це дозволяє визначати з їх допомогою молярні маси речовин, найбільш точним з яких є кріоскопічний метод. Кріоскопічним методом називається метод визначення молярної маси речовини зі зниженням температури замерзання його розбавленого розчину по відношенню до чистого розчинника.

Точність і простота методу кріоскопіі дають можливість застосовувати його і в клінічній практиці. [11]

Відповідно до закону Рауля пружність пари розчинника над розчином Р₁ при будь-якій температурі Т дорівнює пружності пари чистого розчинника Р₁°, помноженої на мольну частку розчинника в розчині, тобто: Р₁ = Р₁° • Х₁. Так як в розчині Х₁<1, то Р₁<Р₁ °.

Звідси випливають ряд важливих наслідків:

Перший наслідок. Температура замерзання розчину твердої речовини завжди нижча за температуру замерзання чистого розчинника за умови, що замерзання супроводжується виділенням з розчину чистого твердого розчинника:

(3)                      Тзам°-Тзам=ΔТзам,
де: ΔТзам - це зниження температури замерзання розчину.

Мал. 2.1.1 Діаграма стану води та розчинів з концентраціями С1 і С2 (кріоскопія), T0, T1, T2 - температура замерзання

Мал. 2.1.2 Діаграма стану води та розчинів з концентрацією С1 і С2 (ебулліскопія) T0, T1, T2 - температури кипіння

Чим концентрованіше розчин, тим більше буде зниження пружності пари над розчином, тим більше має бути і ΔТзам. Тому

(4) ΔТзам = K•m,

де: К - Кріоскопічна постійна,

m - концентрація розчину в моль/1000г розчинника (моляльная концентрація).

Чистий розчинник і розчин через труднощі початку кристалізації схильні до переохолодження, яке може становити 1-2 °С в порівнянні з істинною Тзам. При енергійному перемішуванні переохолодженарідина починає кристалізувати розчинник і температура її підвищується за рахунок виділення теплоти кристалізації. Максимальні значення температури, які спостерігаються при кристалізації чистого розчинника та розчинника з розчину, приймають за температуру замерзання чистого розчинника і розчину відповідно.

Коефіцієнт К для кожного розчинника представляє величину постійну і називається молярним пониженням температури замерзання або кріоскопічною постійною. Чисельне значення Кдорівнює Δt, коли m дорівнює 1 моль на 1000 г розчинника (1 моляльний розчин). Нижче наведені кріоскопічні постійні для деяких розчинників (Довідник хіміка. М.-Л., 1964, т. III):

Бензол                            5,10
         Вода                              1,84

Фенол                             7,30
Нафталін             6,90

Камфора               4,00

Оцтова кислота              3,90

Другий наслідок. Температура кипіння розчину твердої речовини завжди вища за температуру кипіння чистого розчинника при одному і тому ж тиску.

Ебуліоскопія - збільшення температури кипіння розчину, в порівнянні з чистим розчинником (див.мал. 2. 1.1, 2.1.2):

(5) ΔТкип.= Тр-ну - Тр-ка = Е • m,

де: m - концентрація розчину в моль/1000 р. розчинника (моляльная концентрація),

Е - ебуліоскопічна постійна.

Третій наслідок. Осмос - явище одностороннього переходу молекул розчинника в розчин через пористу напівпроникну перегородку. Процес осмосу триває до тих пір, поки тиск стовпа рідини не вирівняється з осмотичним тиском.

(6) π = k • З,

де: С - концентрація розчину в моль/1000г розчинника (моляльна концентрація),

k - коефіцієнт пропорційності.

Осмотичний тиск можна розрахувати за допомогою закону Вант-Гоффа:

(7) π = См • R • Т,

де: См - концентрація розчину в моль / л розчину (молярна концентрація),

R - універсальна газова постійна,

T - температура, K.

Для біологічних рідин С виражає осмотичну концентрацію розчину, яка представляє собою сумарну концентрацію молекул, іонів, колоїдних частинок і її практично можна визначити кріоскопічно за законом Рауля:

(8) 

Таким чином, формула Вант-Гоффа при визначенні осмотичного тиску розчинів методом кріоскопіі може бути представлена в наступному вигляді:

(9)

Всі розглянуті вище залежності застосовні тільки до розведених розчинів неелектролітів. [12]

Зазвичай розмірність при ебуліоскопічній і кріоскопічній постійних не вказують. Яка їхня розмірність?

Ебуліоскопічна постійна є підвищення температури кипіння одномольного водного розчину неелектролітів. Кріоскопічна постійна є зниження температури замерзання одномольного водного розчину неелектролітів. Цей висновок правильний тільки в тому випадку, якщо розчин ідеальний. Однак розчин з концентрацією розчиненої речовини 1 моль/л не є ідеальним розчином, і ебуліоскопічні і кріоскопічні методи дослідження розчинів застосовують при концентраціях розчиненого речовини не вище 0,01 моль/л (правильніше: 0,01 моль/1000 г розчинника).

Оскільки зниження температури замерзання і підвищення температури кипіння розчину змінюються пропорційно концентрації, а один моль речовини містить однакове число частинок (молекул), то зниження температури замерзання і підвищення температури кипіння розчину залежить від числа частинок розчиненої речовини. Це наслідок закону Рауля: підвищення температури кипіння і зниження температури замерзання розчину пропорційно числу частинок розчиненої речовини. З цього випливає, що методами кріоскопії і ебуліоскопії можна визначати мольні маси неелектролітів, ступінь дисоціації електролітів і ступінь асоціації (з'єднання, об'єднання) молекул розчинених речовин.

Таблиця 2.1.1

Значення температур кипіння, замерзання та постійних кріоскопічних і ебуліоскопічних деяких розчинів

Розчинена речовина	tкип, °С	tкип, °С	tкип/E	tзам, °С	tзам, °С	tзам /K
–	100 (вода)	0	–	0 (вода)	–	–
Cахароза	100, 52	0,52	1	–1,86	1,86	1
NaCl	101,04	1,04	2	–3,72	3,72	2
СаCl2	101,56	1,56	3	–5,58	5,58	3
AlCl3	102,08	2,08	4	–7,44	7,44	4
Al2(SО4)3	102,60	2,60	5	–9,30	9,30	5

Ебуліоскопічна постійна води дуже мала, тому частіше вивчають розчини кріоскопічним методом (визначення температур замерзання).

Кріоскопічний і ебуліоскопічний методи вивчення речовин у розчиненому стані дозволяють визначати мольні маси розчинених речовин. Суть визначення надзвичайно проста: необхідно знайти таку концентрацію розчиненої речовини, виражену в г / л розчину, при якій зниження температури замерзання або підвищення температури кипіння дорівнювали б відповідно кріоскопічній або ебуліоскопічній постійним.

У цьому випадку в 1 л розчину міститиметься 1 моль розчиненої речовини, і число грамів цієї речовини буде дорівнювати її мольній масі. Це відноситься до неелектролітів. У разі розчину електроліту кріоскопічний і ебуліоскопічний методи дозволяють визначити ступінь його дисоціації. [13]

2.2. Хімічні реакції в розчинах

Гомогенні реакції в розчинах. Хімічні реакції класифікуються за фазовим складом реагуючої системи на наступні типи. 

Гомогенні гомофазні реакції. У реакціях такого типу реакційна суміш є гомогенною, а реагенти і продукти належать одній і тій же фазі. Прикладом таких реакцій можуть служити реакції іонного обміну, наприклад, нейтралізація кислоти та лугу в розчині:

NaOH (р.) + HCl (р.) → NaCl (р.) + H₂O

Гетерогенні гетерофазні реакції.У цьому випадку реагенти перебувають у різному фазовому стані, продукти реакції також можуть перебувати в будь-якому фазовому стані. Реакційний процес протікає на межі розділу фаз. Прикладом може служити реакція солей вугільної кислоти (карбонатів) з кислотами Бренстеда:

CaCO₃ (т.) + 2HCl (р.) → CaCl₂ (р.) + CO₂ (г.) + H₂O (р.)

Гетерогенні гомофазні реакції.  Такі реакції протікають в межах однієї фази, проте реакційна суміш є гетерогенною. Наприклад, реакція утворення хлориду амонію з газоподібних хлороводню і аміаку:

NH₃ (г.) + HCl (г.) → NH₄Cl (т.)

Гомогенні гетерофазніреакції.  Реагенти та продукти в такій реакції існують в межах однієї фази, проте реакція протікає на поверхні розділу фаз. Прикладом таких реакцій є деякі гетерогенно-каталітичні реакції, наприклад, реакція синтезу аміаку з водню і азоту:

N₂ (р.) + 3H₂ (м.) → 2NH₃ (р.) (кат.Pt)

У ході гомогенної реакції хімічні взаємодії відбуваються по всьому об'єму системи. Швидкість гомогенної реакції визначається числом взаємодій в одиницю часу в одиниці об'єму і вимірюється зміною концентрації одного з реагуючих речовин за одиницю часу. Так як концентрація вихідних речовин зменшується (dC <0), а продуктів реакції - зростає (dC> 0), перед дробом ставлять знак «+» або «-» так, щоб швидкість завжди була позитивною (13).

(13)

Одиниця виміру швидкості реакції-моль/л*с. [24]

Механізми гомогенного каталізу. Каталітичні реакції протікають за циклічним маршрутом, тобто за маршрутом, що складається з декількох послідовних або послідовно-паралельних стадій, в результаті яких один із компонентів - каталізатор, витрачуваний в першій стадії, знову регенерується в останній стадії. Решта компонентів вихідній суміші - субстрати каталітичної реакції - в результаті цього циклічного маршруту перетворюються в продукти реакції.

В якості прикладу можна навести реакцію хлорангідрідов карбонових кислот з ароматичними амінами. Вона може бути істотно прискорена додаванням діметіламінопірідіна. Це прискорення пов'язане з виникненням циклічного маршруту, що приводить до перетворення
субстратів в продукт реакції - амід - і до регенерації діметіламінопірідіна
Спільним у наведених прикладах є те, що в першій частині маршруту один з
субстратів реагує з каталізатором Е з утворенням продукту перетворення каталізатора Е, а в другій частині маршруту продукт перетворення каталізатора
взаємодіє з другим субстратом, перетворюючи його в продукт реакції, з одночасною регенерацією каталізатора.

Такий механізм каталізу часто зустрічається в окислювально-відновних реакціях, і роль каталізатора в цьому випадку зводиться до створення нового, більш ефективного шляху переносу електрона від відновника до окислювача.
Найбільш виразно це видно на прикладі каталізу реакцій переносу електронів між іонами. Наприклад, реакція йде дуже повільно, тому що вимагає одночасної участі трьох іонів. Реакція з діметіламінпірідіном представляє собою нуклеофільне заміщення при карбонільному атомі С. У даному випадку більш сильний, ніж ароматичний амін, нуклеофіл - диметиламінопіридин - забезпечує швидке перетворення хлорангідриду в ацилдиметиламіно-піридиній-катіон, який завдяки наявності позитивного заряду
має високу електрофільність і легко атакується аміном. Такий тип каталізу відомий як нуклеофільний каталіз.

Другий, найбільш поширений механізм дії каталізаторів включає в
якості першої стадії оборотне взаємодія одного або декількох субстратів з
каталізатором з утворенням комплексу каталізатор - субстрат. Так протікає каталіз хімічних перетворень іонами металів та їх координаційними сполуками та каталіз ферментами. До цього ж типу можна віднести каталіз кислотами, оскільки він включає, як правило, приєднання протона до одного з субстратів, що можна розглядати як утворення комплексу протон-субстрат. [25]

При гетерогенному каталізі каталізатор і реагуючі речовини знаходяться в різних фазах, найчастіше каталізатором є тверде тіло, а реагуючі речовини знаходяться в рідкому або газоподібному стані і реакція протікає на поверхні розділу двох фаз, тобто на поверхні каталізатора. Тому гетерогенні каталітичні процеси часто називають контактними, а тверді каталізатори - контактними речовинами.

Досвід показує, що при гетерогенному каталізі велике значення мають структура, хімічний склад і величина поверхні каталізатора. Так, гладка платинова пластинка, опущена в розчин пероксиду водню, практично не викликає розкладання останнього. Якщо ж поверхня цієї пластинки шорстка, розкладання пероксиду водню протікає помітно. Ще більше збільшується швидкість розкладання, якщо в якості каталізатора використовувати платину у вигляді порошку. І, нарешті, якщо до розчину пероксиду водню додати ще більш роздроблену платину у вигляді її колоїдного розчину, то розкладання Н₂О₂ відбудеться практично миттєво - у вигляді вибуху.

Як правило всі гетерогенні каталітичні реакції (навіть відносно прості з них) протікають у кілька стадій: 1) зближення молекул реагуючих речовин, 2) орієнтація молекул на активних центрах каталізатора, 3) адсорбція молекул реагуючих речовин, що супроводжується деформацією зв'язків у молекулах, 4) хімічне перетворення адсорбованих (і активованих) молекул,  5) десорбція продуктів реакції, 6) видалення цих продуктів з поверхні каталізатора. [26]

Швидкість хімічної реакції визначають як зменшення кількості реагуючої речовини так і  збільшення кількості за одиницю часу, наприклад за секунду. Для реакцій, протікаючих при постійному об’ємі, як наприклад у закритій посудині або в розчині, швидкість виражають через зменшення концентрації реагуючої речовини або збільшення концентрації продукту, віднесених до одиниці часу.

Швидкість представляє першу похідну від концентрації за часом. Графічно швидкість зображується величиною тангенса кута нахилу дотичної, проведеної до прямої, що показує залежність концентрації від часу. З вищенаведеного випливає, що розмірність швидкості хімічної реакції дорівнює: хімічна маса ·об’єм^-1· час^-1. [27]

Гідроліз солей. Сутність гідролізу та типи гідролізу солей. У загальному випадку під гідролізом розуміють реакцію розкладання речовини водою (від грец. «Гідро» - вода, «лізис» - розкладання). Гідролізу можуть піддаватися білки, жири, вуглеводи, ефіри й інші речовини. У неорганічній хімії найчастіше зустрічаються з гідролізом солей. Гідролізом солі називається взаємодія іонів солі з іонами води, що приводить до утворення слабких електролітів. У результаті гідролізу солей їх водні розчини показують кислу, лужну або нейтральну реакцію середовища. Як відомо, реакція середовища залежить від концентрації іонів водню Н⁺ або гідроксид-іонів ОН^-.

Вода є слабким електролітом і дисоціює за рівнянням

Н₂О = Н⁺ + ОН^-.

Поява надлишку іонів Н⁺ або ОН^-в розчині пояснюється тим, що іони солі реагують з іонами води. Ріновага дисоціації води зміщується вправо, так як при гідролізі солей утворюються слабкі електроліти:

NH₄C1 ->NH₄⁺ + С1^-CH₃COONa -> СН₃СОО^~ + Na⁺

NH₄⁺ + H₂O = NH₄OH + H⁺                       СН₃СОО^~ + H₂O = CH₃COOH + OH^-

Залежно від природи солі в розчині накопичуються або іони Н⁺, або ОН^-, які й визначають реакцію середовища.

Гідроліз солі - це реакція, зворотна реакції нейтралізації. Тому кожну сіль можна уявити собі як поєднання, утворене основою і кислотою. Кислоти і основи бувають сильними або слабкими електролітами. Залежно від сили вихідної кислоти та вихідноїоснови розрізняють чотири типи солей:

• утворені сильною основою і слабкою кислотою;

• утворені слабкою основою і сильною кислотою;

• утворені слабкою основою і слабкою кислотою;

• утворені сильною основою і сильною кислотою. [28]

Солі, утворені сильною основою і слабкою кислотою. У водному розчині ціаніду калію сіль повністю розпадає на іони калію К⁺ і ціанід-іони CN^-. Іони калію К⁺ і гідроксид-іони ОН^-можуть знаходитися в розчині одночасно в значних кількостях. Іони водню Н⁺ та ціанід-іони CN^-взаємодіють між собою з утворенням ціановодневої кислоти. Цей процес схематично може бути представлений таким чином:

KCN -> К⁺ + CN^-

Н₂О + CN^-= ОН^-+ НCN

У результаті гідролізу такої солі в розчині знаходяться повністю продисоційований луг і слабо дисоційована кислота. Ця кислота частково дисоціє на іони і повертає в розчин частина іонів Н⁺ і CN^-. Виникає зворотна реакція і встановлюється динамічна хімічна рівновага:

К⁺ + CN^- + Н₂О = К⁺ + ОН^- + HCN.

Отже, реакція між ціанідом калію і водою є оборотною і проходить не повністю. Таке явище називається оборотним гідролізом.

У результаті того, що в розчині утворюється сильний електроліт гідроксид калію, концентрація гідроксид-іонів ОН^-буде значно більше концентрації іонів водню Н⁺. У розчині солі виникає лужне середовище, тобто рН> 7. Дійсно, експеримент показує, що 0,1 М розчин цієї солі має рН 11,1. Гідроліз ціаніду калію у скороченій іонній формі можна представити рівнянням

CN^- + Н₂О = ОН^- + HCN.

Подібно розчину KCN, розчин ацетату натрію також має лужне середовище, що видно з молекулярного і скороченого іонних рівнянь гідролізу:

CH₃COONa + Н₂О = СН₃СООН + NaOH;

СН₃СОО^- + Н₂О = СН₃СООН + ОН^-.

Скорочене іонне рівняння показує, що гідроліз солі, утвореної сильним основою і слабкою кислотою, йде по аніону слабкої кислоти і реакція середовища стає лужною. [29]

Солі, утворені слабкою основою і сильною кислотою. Прикладом такої солі є йодид амонію NH₄I. При розчиненні цієї солі у воді катіон амонію зв'язується гідроксид-іон ОН^- води, а іони водню накопичуються в розчині:

NH₄I + Н₂О = NH₄OH + HI;

NH₄⁺ + Н₂О = NH₄OH + H⁺.

У результаті гідролізу даної солі в розчині, утворюються слабка основа NH₄OH і сильна кислота HI. Йодоводнева кислота є сильним електролітом і у водному розчині повністю розпадається на іони. Концентрація іонів водню стає значно більша, ніж концентрація гідроксид-іонів, і розчин солі має кисле середовище, тобто рН = 7.

Такий же процес відбувається і у випадку розчинення хлориду амонію NH₄C1 у воді:

NH₄C1 + Н₂О = NH₄OH + HC1 або NH₄⁺ + Н₂О = NH₄OH + H⁺.

Таким чином, гідроліз солі, утвореної слабкою основою і сильною кислотою, йде по катіону слабкої основи і реакція середовища стає кислим. [29]

Солі, утворені слабкою основою і слабкою кислотою. У разі гідролізу солей, утворених слабкою основою і слабкою кислотою, обидва іона ОН^- і Н⁺ води зв'язуються. Утворюються слабка кислота і слабка основа.

CH₃COONH₄ -> СН₃СОО^- + NH₄⁺

СН₃СОО^- + NH₄⁺ +H₂O = CH₃COOH + СН₃СОО^- + NH₄⁺

Гідроліз солі йде одночасно і за катіоном, і за аніоном. Залежно від константи дисоціації продуктів гідролізу (кислоти і основи) реакція середовища розчинів таких солей може бути слабокислою, слаболужною або нейтральною. Наприклад, реакція середовища у разі гідролізу ацетату амонію CH₃COONH₄ - нейтральна, оскільки константи дисоціації СН₃СООН і NH₄OH рівні. У випадку ж гідролізу солі ціаніду амонію NH₄CN реакція середовища слаболужна.
Таким чином, гідроліз солі, утвореної слабкою основою і слабкою кислотою, йде одночасно і за катіоном, і за аніоном. Реакція середовища залежить від констант дисоціації продуктів гідролізу. [29]

Солі, утворені сильною основою і сильною кислотою.Солі цього типу гідролізу не піддаються, тому що катіони і аніони цих солей не зв'язуються з іонами Н⁺ і ОН^- води і в розчині не утворюються молекули слабких електролітів. Оскільки зв'язування іонів води не відбувається, реакція середовища розчинів цих солей залишається нейтральною. Розглянемце на прикладі розчину хлориду натрію. Взаємодію цієї солі з водою можна представити рівняннями

NaCl + Н₂О = NaOH + HC1 абоNa⁺+ С1^- + Н₂О = Na⁺ + ОН^- + Н⁺ + С1^-.
Проводячи скорочення в іонному рівнянні, отримуємо Н₂О = Н⁺ + ОН^-. Звідси видно, що іони солі не беруть участі в реакції і середовище залишається нейтральним.

Отже, солі, утворені сильною кислотою і сильною основою, при розчиненні у воді гідролізу не піддаються, а реакція середовища залишається нейтральною. [29]

Ступінчастий гідроліз.  Раніше ми розглянули гідроліз солей, утворе-них одноосновними кислотами і однокислотними основами. Продуктами гідролізу таких солей є кислоти і основи.

Якщо сіль утворена слабкою багатоосновною кислотою або слабкою багатокислотною основою, то гідроліз даної солі може протікати ступінчасто. Число ступенів гідролізу залежить від основності слабкої кислоти і кислотності слабкої основи.

Розглянемо гідроліз солі, утвореної слабкою багатоосновною кислотою і сильною основою. У водному розчині цих солей на першій ступені гідролізу утворюється кисла сіль замість кислоти і сильна основа. Ступінчасто гідролізуються солі K₂SiО₃, Na₂SO₃, Na₂S, Na₃PO₄ та ін Наприклад, гідроліз Na₂CO₃ може бути зображений у вигляді рівнянь.

Перша ступінь:

Na₂CO₃ + Н₂О = NaHCO₃ + NaOH; СО₃^2- + Н₂О = HCO₃^- + ОН^-

Продуктами першого ступеня гідролізу є кисла сіль гідрокарбонат натрію NaHCO₃ і гідроксид натрію NaOH.

Друга ступінь: NaHCO₃ + Н₂О = Н₂СО₃ + NaOH;

HCO₃^- + Н₂О = Н₂СО₃ + ОН^-.

Продуктами другого ступеня гідролізу карбонату натрія Na₂CO₃ є гідроксид натрію і слабка вугільна кислота Н₂СО₃. Гідроліз по другому ступені протікає в значно меншій мірі, ніж по першій ступені. Середовище розчину солі карбонату натрію Na₂CO₃ - лужне (рН> 7), так як у розчині збільшується концентрація гідроксид-іонів ОН^-. [29]

Необоротний, або повний, гідроліз.  Гідроліз солей, в результаті якого утворюються малорозчинні або газоподібні продукти, що видаляються зі сфери реакції, є незворотнім. Наприклад, при гідролізі сульфіду алюмінію A1₂S₃ виділяється газ H₂S і утворюється осад А1(ОН)₃. У результаті сіль A1₂S₃ у водних розчинах існувати не може:

A1₂S₃ + 6Н₂О = 2А1(ОН)₃ + 3H₂S[29]

Процес гідролізу застосовують для одержання цінних речовин з деревини, жирів, ефірів. Особливо важливу роль гідроліз відіграє в життєдіяльності організмів. При гідролізі аденозинтрифосфату (АТФ) вивільняється енергія, необхідна для життєдіяльності організмів.

Без ферментативного гідролізу не могли б засвоюватися білки, жири, полісахариди, так як всмоктуватися в кишечнику здатні відносно невеликі молекули. Наприклад, засвоєння дисахаридів і полісахаридів стає можливим лише після їх повного гідролізу ферментами до моносахаридів.[30]

Висновки до другого розділу

Таким чином, Д. І. Менделєєв показав, що правильне розуміння розчинів неможливе без урахування їх хімізму, ставлення їх до певних  сполук (відсутності межі між такими і розчинами) і складної хімічної рівноваги в розчинах - у розробці цих трьох нерозривно пов'язаних аспектів полягає основне його значення.

Важливий також той факт, що теорія розчинів електролітів придбала задовільну спрямованість, тільки сприйнявши ідеї Д. І. Менделєєва, коли відбувся синтез гіпотези про існування іонів в розчинах електролітів з Менделеєвським вченням про розчини.

Кріоскопічний і ебуліоскопічний методи вивчення речовин у розчиненому стані дозволяють визначати мольні маси розчинених речовин.

Досліджено хімічні реакції в розчинах: гомогенні та гетерогенні, гідроліз солей.

ВИСНОВКИ

Розчинами є всі найважливіші фізіологічні рідини (кров, лімфа і т.д.) Нарешті, всі виробництва, в основі яких лежать хімічні процеси, пов'язані в тій чи іншій мірі з використанням різних розчинів. Відомо, що водний розчин сульфатної кислоти застосовується для отримання водню в лабораторії, а також для заливки автомобільних акумуляторів. Розчини оцтової кислоти широко застосовуються в побуті та харчовій промисловості. Використовуються і водні розчини твердих речовин. Всі добре знають на смак розчини чистої кухонної солі та цукру, лимонної кислоти, користуються розчинами мила. Багато лікарських речовини використовуються в медицині у вигляді розчинів. Багато отрутохімікатів, які використовуються для захисту рослин від шкідників, застосовуються у вигляді розчинів.

Крім води в якості розчинників використовують також інші рідини. Так, наприклад, жири розчиняються не у воді, а в бензині, чотири хлористому вуглеці ССl₄ та інших органічних розчинниках. На цьому засновано видалення жирових плям на тканинах, вилучення масел з насіння і т.д. Для розчинення різних лаків і фарб застосовуються спирт і ацетон.

Як видно зі змісту роботи, розчини та реакції в рідкому стані цікавили вчених давно, адже вони посідають дуже важливе місце у життєдіяльності людини. Тому метою даної роботи було теоретичне  дослідження теми «Реакції в рідкому стані. Розчини» та висвітлення окремих питань.

В ході роботи над проблемою було вивчено та  описано сучасні уявлення про будову і структуру рідин. Зокрема зазначено, що структура та фізичні властивості рідини залежать від хімічної індивідуальності складових їх часток і від характеру і величини взаємодії між ними. Відмічено поділ рідин на групи:  атомарні рідини або рідини з атомів; рідини з двоатомних молекул; рідкі неперехідні метали; рідини, що складаються з полярних молекул, пов'язаних диполь-дипольною взаємодією.

Рідини перших двох груп (іноді трьох) зазвичай називають простими. Прості рідини вивчені краще за інших, із непростих рідин найбільш добре вивчена вода.

Сучасні молекулярні теорії рідин засновані на експериментально встановленій наявності статистичної впорядкованості взаємного розташування найближчих один до одного молекул - так званого ближнього порядку.

Однією з сучасних теорій служить «Кластерна теорія». В її основі укладена ідея, що рідина представляється як поєднання твердого тіла і газу. При цьому частинки твердої фази (кристали, що рухаються на короткі відстані) розташовуються в хмарі газу, утворюючи кластерну структуру. Теорія пояснює процеси кипіння і замерзання

Описано рівновагу “ рідина –пар ” та насиченого пару над розчинником.

Розглядаючи теорією розчинів Д. І. Менделєєва, варто зазначити, що правильне розуміння розчинів неможливе без урахування їх хімізму, ставлення їх до певних  сполук (відсутності межі між такими і розчинами) і складної хімічної рівноваги в розчинах що саме у розробці цих трьох нерозривно пов'язаних аспектів полягає основне його значення; крім того    Д. І. Менделєєв повідомляє, що при абсолютній температурі кипіння, повний перехід рідини в пару супроводжується зменшенням поверхневого натягу та теплоти випаровування до нуля. Ця робота - перше велике досягнення вченого.

Розкриваючи кріоскопічні та ебуліоскопічні методи  дослідження розчинів відмічено, що їх доцільно застосовувати при концентраціях   розчиненої речовини     не     вище 0,01моль/л  (точніше: 0,01 моль/1000 г розчинника); цими методами можна визначати:

       а)   мольні маси неелектролітів: необхідно знайти таку концентрацію розчиненої речовини, виражену в г / л розчину, при якій зниження температури замерзання або підвищення температури кипіння дорівнювали б відповідно кріоскопічній або ебуліоскопічній постійним;

       б)  ступінь дисоціації електролітів;

       в)  ступінь асоціації (з'єднання, об'єднання) молекул розчинених речовин.

        Дано характеристику гомогенним  та гетерогенним реакціям в розчинах. У ході гомогенної реакції хімічні взаємодії відбуваються по всьому об'єму системи. Швидкість гомогенної реакції визначається числом взаємодій в одиницю часу в одиниці об'єму і вимірюється зміною концентрації одного з реагуючих речовин за одиницю часу  

   У ході  гетерогенної реакції реагуючі речовини знаходяться в різних фазах, твердому, в рідкому або газоподібному стані і реакція протікає на поверхні розділу двох фаз.

Швидкість хімічної реакції визначають як зменшення кількості реагуючої речовини так і  збільшення кількості за одиницю часу, наприклад за секунду. Для реакцій, протікаюих при постійному об’ємі, як наприклад у закритій посудині або в розчині, швидкість виражають через зменшення концентрації реагуючої речовини або збільшення концентрації продукту, віднесених до одиниці часу.

Швидкість представляє першу похідну від концентрації за часом. Графічно швидкість зображується величиною тангенса кута нахилу дотичної, проведеної до прямої, що показує залежність концентрації від часу. З вищенаведеного випливає, що розмірність швидкості хімічної реакції дорівнює: хімічна маса ·об’єм^-1·час^-1.

   Розкрито суть процесу: гідроліз солей, як реакцію розкладання речовини водою. Гідролізом солі називається взаємодія іонів солі з іонами води, що приводить до утворення слабких електролітів. У результаті гідролізу солей їх водні розчини показують кислу, лужну або нейтральну реакцію середовища. Як відомо, реакція середовища залежить від концентрації іонів водню Н⁺ або гідроксид-іонів ОН^-. Якщо сіль утворена

слабкою багатоосновною кислотою або слабкою багатокислотною основою, то гідроліз даної солі може протікати ступінчасто. Число ступенів гідролізу залежить від основності слабкої кислоти і кислотності слабкої основи. Гідроліз солей, в результаті якого утворюються малорозчинні або газоподібні продукти, що видаляються зі сфери реакції, є незворотнім.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ  ДЖЕРЕЛ

1.     BornM., GreenH. S., Ageneralkinetictheoryofliquids / M. Born.,              S.H. GreenCamb., 1949.  -с. 78-80.

 2. Корнфельд М.,Упругость и прочность гидкостей/М.Корнфельд, М.-Л.,         1951.- с. 192.

1.      Крокстон К., Физика жидкого состояния, пер. с англ./К. Крокстон, М., 1978. - с. 19.

2.     Фишер И. 3., Статистическая теория жидкостей / И.З.Фишер, М., 1961.         – с. 57, 59.

3.     Боголюбов Н. Н., Проблемы динамической теории в статистической физике, Избр. труды, т. 2 / Н. Н. Боголюбов, К., 1970.  – с. 134.

4.     Балеску Р., Равновесная и неравновесная статистическая механика, пер. с англ., т. 1-2 / Р. Балеску, М., 1978. – с. 78.

5.     Резибуа П., де Ленер М., Классическая кинетическая теория жидкостей и газов, пер. с англ. / П. Резибуа ,   М. де Ленер .,  М., 1980. – с. 99-105.

6.     Летопись жизни и деятельности Д. И. Менделеева. Ответственный редактор А. В. Сторонкин. / А. В. Сторонкин, издательство «Наука»,  Ленинград, 1984. http://ru.wikipedia.org/wiki/

7.     Л. А. Чугаев. Дмитрий Иванович Менделеев. Биография русского гения. / Экология и жизнь, № 1, 2009.http://ru.wikipedia.org/wiki/

8.     Манолов К. Великие химики. В 2-х томах. Т. II, 3-е изд., / К. Манолов, издательство « Мир», 1985.  http://scilib.narod.ru /Physics /Manoloff /index2.html

9.     Глінка М.Л.  «Загальна хімія» / М.Л. Глінка,видавництво «Вища школа», Київ, 1982. – с. 216

10.         Воробьёв Н. К., Гольцшмидт В. А., Карапетьянц М. Х.  «Практикум по физической химии», / Н. К. Воробьёв, В. А. Гольцшмидт, М. Х. Кара-петьянц,  Государственное научно-техническое издательство химической литературы,  М., 1950. – с. 114-126.

11.         Бродский А.И.  «Физическая химия», Т.2 / А.И. Бродский, издательство «Росхимиздат», Ленинград, 1948. – с. 78.

12.         Ребиндер П. А., Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия, Избр. труды / П. А. Ребиндер,   М., 1978. с. -  45, 96-97.

13.         Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. / Ю. Г. Фролов,  издательство «Химия», М. 1982. – с.56-76, 256-270.

14.         Щукин Е. Д., Перцов А. В., Амелина Е. А., Коллоидная химия /                 Е. Д. Щукин, А. В. Перцов, Е. Амелина, М., 1982. – с. 78-82.

15.         Пасынский А. Г., Коллоидная химия, 3 изд. / А. Г. Пасынский,   М., 1968. – с. 178-181.

16.         Писаренко А. Г., Поспелова К. А., Яковлев А. Г., Курс коллоидной химии, 3 изд. / А. Г. Писаренко, К. А. Поспелова,  М. Яковлев, М. 1969. –      с. 79, 103-109.

17.         Сведберг Т., Коллоидная химия, пер. с англ., 2 изд. / Т. Сведберг, М., [1930]. – с. 90, 108.

18.         Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. / Д. А. Фридрихсберг, издательство «Химия», Л. 1984. – с. 200-230.

19.         Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. / С. С. Воюцкий,  издательство «Химия», М. 1975. – с. 169-219.

20.         Зимон А.Д., Лещенко Н.Ф. Коллоидная химия. /А. Д. Зимон, Н. Ф.Лещен-  ко, издательство «Химия», М. 1995. – с. 115 – 127.

21.         Карбаинова С.Н., Пикула Н.П., Анисимова Л.С., Катюхин В.Е., Романенко С.В. Поверхностные явления и дисперсные системы. /             С. Н. Карбаинова, Н. П. Пикула, Л. С. Анисимова, В. Е. Катюхин             С.  В.  Романенко, Изд.ТПУ, Томск  2000.  – с. 65-81.

22.          Робинсон П.,  Холбрук К., Мономолекулярные реакции / П. Робинсон,   К. Холбрук,  издательство  «Мир», М. 1975. – с. 34, 37-42.

23.          Семиохин, И. А. Страхов Б. В.  Осипов И., Кинетика гомогенных химических реакций /   И. А. Семиохин, Б. В. Страхов,  И. Осипов, изда -тельство Московского университета, М. 1995.  - с.  83-87.

24.          Эммануэль Н М.,  Кнорре Д. Г., Курс химической кинетики /  Н.М. Эмануэль, Д.Г. Кнорре, издательство «Высшая школа», М., 1984. . –           с. 152-167.

25.          Еремин Е. Н., Основы химической кинетики, / Е.Н. Еремин, издательство «Высшая школа», М. 1976. . – с. 45, 57-60

26.         Фримантл М. Химия в действии, 2 ч. / М. Фримантл,  издательство «Мир», М. 1991. – с. 86-90.

27.         Жарких Н.А. Химия для экономических колледжей. / А. Н. Жарких, издательство  «Феникс»,  Ростов-на-Дону, 2004. – с. 254.

28.          Панченков Г. М.,  Лебедев В. П., Химическая кинетика и катализ /       Г.М. Панченков, В.П. Лебедев, издательство «Химия», М. 1985.  – с. 341, 425-428

29.          Денисов Е. Т.,  Саркисов О. М.,  Лихтенштейн Г. И., Химическая кинети-ка, / Е.Т. Денисов, О.М. Саркисов, Г.И. Лихтенштейн, издательство «Хи-мия»,  М. 2000. – с. 78, 92.

30.          Эйринг Г.,  Лин С. Г.,  Лин С. М., Основы химической кинетики / Г. Эй-ринг  С.Г. Лин,  С.М. Лин,  издательство «Мир», М. 1983.  – с. 256

31.          Томилина Л.И., Собищанская М.И., Дроздов А.М., Реакции в жидком состоянии. Растворы./ Л.И.Томилина, М.И.Собищанская, А.М.Дроздов, Вісник Міжнародного дослідного центру «Людина: мова, культура, пізнання» : Щоквартальний науковий журнал: Кривий Ріг 2010. Том 26(3). – с.108 – 110.