Физико-химические основы ОПИ

1.    Термодинамический анализ процессов растворения и выщелачивания минералов.
Ответ:  При изучении процессов растворения и выщелачивания  метод позволяет получить сведения о числе, равновесном составе фаз и компонентов раствора, механизме протекания исследуемых реакций, взаимном влиянии компонентов раствора и твердых фаз, термодинамических характеристиках индивидуальных веществ и физико-химических параметрах среды (температура, давление) по известной эмпирической информации путем решения обратной задачи, поставленной как обратная задача математического программирования.        
Кинетика и механизм процессов растворения и выщелачивания определяются структурой и составом растворяемого минерала, характером химических связей в его кристалле, а также целым комплексом физико-химических свойств растворителя. Растворение минералов состоит из стадий подвода частиц растворителя к поверхности минерала, собственно взаимодействия растворителя и минерала и отвода продуктов реакции от поверхности раздела фаз. По характеру взаимодействия минерала и растворителя процессы растворения и выщелачивания грубо классифицируют 1) процессы так называемого простого или физического растворения и 2) процессы химического растворения, обусловленные химическим взаимодействием между растворяемым веществом и растворителем при протекании реакций а) обмена, б) окисления — восстановления, в) нейтрализации, г) комплексообразова-ния. Эта классификация довольно условна, так как процессы растворения и выщелачивания представляют собой сложные явления.

2. Основные пути получения активных твердых тел

Ответ: Многочисленные и разнообразные сведения о методах синтеза сорбентов и катализаторов при их сопоставлении приводят к выводу, что существуют следующие основные общие пути получения активных твердых тел: 
1)  соединение структурных единиц с образованием прочного остова строения в процессах полимеризации и поликонденсации; 
2)  извлечение из сложного соединения его остова в процессе выщелачивания, обжига, частичного окисления. 
Независимо от того, получено ли данное активное твердое тело (ката-
лизаторы, сорбенты и т.д.) путем соединения или химического извлечения, в 
его  строении  всегда  можно  выделить  остов  и  облекающие  остов  атомы  и группы атомов. 

3. Метод слоя конечной толщины. Термодинамика поверхностных явлений Гиббса
Ответ: Принимается, что слой конечной толщины  представляет собой самостоятельную фазу, свободная энергия которой на величину s превышает свободную энергию жидкости того же объема V s s   . В этом случае рассчитывают полные значения энергии, энтропии, массы и других термодинамических функций «поверхностной фазы» объемом Vs и включают их в рассмотрение при анализе термодинамического поведения системы в целом. Основная проблема – неопределенность величины .
Реальная переходная зона между жидкостью и паром названа Гиббсом физической поверхностью разрыва. Вместо реальной межфазной границы Гиббс ввел разделяющую поверхность, к которой относятся поверхностные характеристики. Важно: физическая поверхность разрыва представляет собой переходную зону жидкость/пар и имеет конечную толщину, разделяющая поверхность – чисто геометрическое понятие и толщины не имеет. Принимается, что разделяющая поверхность раздела (напр., жидкость/пар) является чисто геометрической, так что полный объем системы V равен сумме объемов двух фаз V Vl Vv , (5) где Vl - объем жидкости, Vv - объем пара. Важно: разделяющая поверхность выбирается специальным образом.
Свободная поверхностная энергия Гиббса Gs . Общая энергия системы G — сумма поверхностной энергии Гиббса Gs и энергии Гиббса объемной фазы Gv: G = Gs + Gv Пусть имеется гомогенная фаза с площадью поверхности А, тогда: Gs = A h σ – TAsσ , где h σ и s σ — энтальпия и энтропия единицы поверхности, а Ahσ и Asσ — энтальпия (Hs) и энтропия (Ss) поверхности. Общая энергия Гиббса системы: G = Hv – TSv + Hs – TSs , где Hs и Ss — избыточные значения термодинамических величин, обусловленные наличием поверхностных слоев. Поверхностная энтальпия Hs = Gs + TSs . Если энтропийный фактор незначителен, то Hs = Gs .

4 Смачивание и краевые углы. Теория смачивания

Ответ:  Включение в теорию смачивания, кроме молекулярных и электростатических сил, также и структурной составляющей расклинивающего давления позволяет количественно объяснить экспериментальные зависимости краевых углов водных пленок на кварце от pH, концентрации растворов электролита и температуры. Причиной изменения условий смачивания является, кроме изменений электростатических сил, уменьшение дальнодействия структурных сил при повышении концентрации электролита, гидрофобизации подложки и повышении температуры.
Проведенный обзор состояния теории смачивания водой твердых поверхностей, достаточно гидрофильных для того, чтобы краевые углы не превышали бы 30—40°, показывает, что использование изотерм расклинивающего давления П(й) открывает новые возможности теоретических оценок условий смачивания и управления смачиванием. Задачей дальнейших исследований является получение экспериментальных изотерм расклинивающего давления смачивающих пленок на различных подложках.
Многие задачи теории смачивания удается решить, вводя в рассмотрение переходную область между плоской пленкой и объемной жидкостью, в которой одновременно проявляется действие как поверхностных, так и капиллярных сил. В состоянии равновесия профиль переходной зоны может быть найден из условия постоянства химического потенциала в слое жидкости переменной толщины h.
5 Теория Гельмгольца, Гуи-Чепмена, Штерна

Ответ:  Первые представления о двойном электрическом слое были развиты Гельмгольцем, который считал, что и в электролите формируется тонкий слой ионов, заряд которых противоположен заряду поверхности твердого тела и полностью компенсирует его. Эти два слоя формируют конденсатор, с атомарным расстоянием между обкладками. Гуи и Чепмен показали, что тепловое движение ионов «размывает» слой ионов, формирующийся в электролите, и он простирается достаточно далеко вглубь электролита. Теория Гуи-Чепмена Типы ионов – потенциалопределяющие и индифферентные ионы. Потенциалопределяющими называют ионы, введение которых в электролит приводит к изменению заряда и потенциала поверхности. Индифферентными называют ионы (электролиты), не изменяющие потенциал поверхности. Примером потенциалопределяющих ионов могут служить, например ионы серебра  Ag или йода  I по отношению к поверхности кристалла Ag I . Эти ионы способны встраиваться в поверхность кристалла. В результате в растворе KI поверхность кристалла заряжается отрицательно за счет адсорбции (достраивания кристаллической решётки) ионов  I , а в растворе AgNO3 - положительно за счет адсорбции ионов  Ag .
Изотерма адсорбции ионов (изотерма Штерна) показала, что адсорбция ионов определяется не только знаком, но и природой ионов. В связи с этим вводят понятие о специфической адсорбции, связанной с неэлектростатическим взаимодействием ионов с поверхностью. Менее часто используется термин неспецифическая адсорбция, величина которой определяется только знаком, но не типом ионов. Важно: ионы в растворе обычно окружены гидратной оболочкой, которая может разрушаться, разрушаться частично или не разрушаться при адсорбции. Важно: в случае адсорбции ионов невозможной считается полислойная адсорбция. То есть фактически речь может идти только о заполнении первого монослоя. Таким образом, изотерма адсорбции ионов должна быть схожей с изотермой адсорбции Ленгмюра. Такая изотерма была получена Штерном.