Химия в принтмедиаиндустрии
Покупка
Новинка
Основная коллекция
Тематика:
Полиграфия. Фотокинотехника
Издательство:
Инфра-Инженерия
Автор:
Конюхов Валерий Юрьевич
Год издания: 2024
Кол-во страниц: 304
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9729-2110-2
Артикул: 843613.01.99
Изложены основные разделы физической химии и коллоидной химии: химическая термодинамика, фазовые и химические равновесия, электрохимия, химическая кинетика и катализ, физикохимия дисперсных систем и ВМС и т. д. Продемонстрировано значение химии и в первую очередь - физической и коллоидной химии для технологий полиграфического и упаковочного производства. Для студентов средних учебных заведений, бакалавров по профилям подготовки: «Полиграфические и упаковочные материалы и технологии», «Управление качеством в производственно-технологических системах». Может представлять интерес для инженерно-технических работников, преподавателей химии в техникумах и в средней школе.
Тематика:
ББК:
УДК:
- 54: Химия. Кристаллография. Минералогия. Минераловедение
- 655: Полиграфическая промышленность. Полиграфические предприятия. Издательства. Книжная торговля
ОКСО:
- Профессиональная подготовка по профессиям рабочих и по должностям служащих
- 29.01.36: Мастер полиграфического производства
- Среднее профессиональное образование
- 29.02.11: Полиграфическое производство
- ВО - Бакалавриат
- 29.03.03: Технология полиграфического и упаковочного производства
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
ǩȅDZǵǴȅǼǵǩ ǼǯdzǯȆ ǩǶǷǯǴǹdzǬǫǯǧǯǴǫǺǸǹǷǯǯ ǺȞȌȈȔȏȑ dzȕȘȑȉȇǩȕȒȕȊȋȇ ªǯȔțȗȇ-ǯȔȍȌȔȌȗȏȦ« 2024
УДК 541.1:655 ББК 24.1+37.8 К65 Р е ц е н з е н т ы : профессор РХТУ имени Д. И. Менделеева В. В. Щербаков; доцент кафедры физической и коллоидной химии РУДН Т. Ф Шешко Конюхов, В. Ю. К65 Химия в принтмедиаиндустрии : учебник / В. Ю. Конюхов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 304 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-2110-2 Изложены основные разделы физической химии и коллоидной химии: химическая термодинамика, фазовые и химические равновесия, электрохимия, химическая кинетика и катализ, физикохимия дисперсных систем и ВМС и т. д. Продемонстрировано значение химии и в первую очередь – физической и коллоидной химии для технологий полиграфического и упаковочного производства. Для студентов средних учебных заведений, бакалавров по профилям подготовки: «Полиграфические и упаковочные материалы и технологии», «Управление качеством в производственно-технологических системах». Может представлять интерес для инженерно-технических работников, преподавателей химии в техникумах и в средней школе. УДК 541.1:655 ББК 24.1+37.8 ISBN 978-5-9729-2110-2 © Конюхов В. Ю., 2024 © Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 2
ǵǪDzǧǩDzǬǴǯǬ ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................................... 7 Раздел 1. ОБЩИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛИГРАФИЧЕСКИХ И УПАКОВОЧНЫХ ПРОЦЕССАХ .......................................................................................... 11 Глава 1.1. Строение вещества ................................................................................................. 13 1.1.1. Исторический экскурс в развитие представлений о строении материи ............... 13 1.1.2. Строение ядер атомов ............................................................................................... 16 1.1.3. Строение электронных орбиталей атомов .............................................................. 19 1.1.3.1. Корпускулярно-волновой дуализм ................................................................... 19 1.1.3.2. Основы квантовой механики ............................................................................. 20 1.1.3.3. Квантовые числа ................................................................................................. 23 1.1.4. Закономерности заполнения электронных орбиталей атомов .............................. 25 1.1.5. Понятия об энергии ионизации и сродстве к электрону. Относительная электроотрицательность ........................................................................... 29 1.1.6. Природа химической связи ....................................................................................... 33 1.1.6.1. Метод валентных связей .................................................................................... 34 1.1.6.2. Теория молекулярных орбиталей ...................................................................... 38 1.1.6.3. Параметры связи (энергия, длина, полярность и направленность) ............... 43 1.1.7. Квантовые переходы в копировальных процессах ................................................ 48 1.1.8. Электрические свойства молекул ............................................................................ 50 1.1.8.1. Полярность молекул ........................................................................................... 50 1.1.9. Основные агрегатные состояния вещества ............................................................. 52 1.1.9.1. Газообразное состояние ..................................................................................... 54 1.1.9.2. Жидкое состояние ............................................................................................... 55 1.1.9.3. Твердое состояние вещества ............................................................................. 57 1.1.10. Силы межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса) .................. 59 1.1.10.1. Водородная связь .............................................................................................. 61 1.1.10.2. Комплексные соединения ................................................................................ 63 Вопросы для самопроверки ................................................................................................ 65 Глава 1.2. Основы химической термодинамики ................................................................... 67 1.2.1. Основные понятия и определения термодинамики ............................................... 67 1.2.2. Вычисление тепловых эффектов химических реакций ......................................... 69 1.2.3. Направление и предел протекания химических реакций ...................................... 73 1.2.3.1. Энтропия .............................................................................................................. 73 1.2.3.2. Энергии Гиббса и Гельмгольца ......................................................................... 74 1.2.3.3. Химическое равновесие, константа химического равновесия ....................... 75 1.2.3.4. Вычисление изменения энергии Гиббса в ходе химической реакции .......... 78 1.2.3.5. Изохора и изобара химической реакции .......................................................... 79 Вопросы для самопроверки ................................................................................................ 81 Глава 1.3. Химическая кинетика и катализ ........................................................................... 82 1.3.1. Основные понятия и определения химической кинетики ..................................... 82 1.3.2. Кинетика реакций первого порядка ......................................................................... 86 1.3.3. Сложные реакции ...................................................................................................... 88 1.3.3.1. Обратимые (двухсторонние) реакции .............................................................. 88 3
1.3.3.2. Параллельные реакции ....................................................................................... 89 1.3.3.3. Последовательные реакции ............................................................................... 90 1.3.4. Зависимость скорости химических реакций от температуры ............................... 91 1.3.5. Катализ ........................................................................................................................ 97 1.3.5.1. Основные понятия и определения .................................................................... 97 Вопросы для самопроверки .............................................................................................. 100 Глава 1.4. Растворы ............................................................................................................... 101 1.4.1. Общая характеристика растворов .......................................................................... 101 1.4.2. Растворы-электролиты ............................................................................................ 102 1.4.2.1. Общие понятия и определения ........................................................................ 102 1.4.2.2. Буферные растворы .......................................................................................... 107 1.4.2.3. Гидролиз солей ................................................................................................. 109 1.4.2.4. Произведение растворимости .......................................................................... 115 1.4.2.5. Окислительно-восстановительные реакции ................................................... 117 Вопросы для самопроверки .............................................................................................. 122 Раздел 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЕЧАТНЫХ И ОТДЕЛОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ ............................................................................................ 123 Глава 2.1. Поверхностные явления ...................................................................................... 125 2.1.1. Поверхностное натяжение ...................................................................................... 126 2.1.1.1. Основные понятия и определения .................................................................. 126 2.1.1.2. Факторы, влияющие на поверхностное натяжение ....................................... 128 2.1.1.3. Методы определения поверхностного натяжения ........................................ 130 2.1.2. Адсорбция ................................................................................................................ 133 2.1.2.1. Основные понятия и определения .................................................................. 133 2.1.2.2. Адсорбция газов и паров на твердых адсорбентах ....................................... 135 2.1.2.2.1. Основные классификации и характеристики адсорбентов ................... 135 2.1.2.2.2. Изотермы адсорбции на твёрдой поверхности ....................................... 136 2.1.2.3. Адсорбция из жидких растворов на твердых адсорбентах .......................... 140 2.1.2.3.1. Изотерма молекулярной адсорбции из жидких растворов .................... 140 2.1.2.3.2. Основные закономерности адсорбции из жидких растворов на твердых адсорбентах ............................................................................................ 140 2.1.2.3.3. Адсорбция в растворах-электролитах (ионная адсорбция) ................... 143 2.1.2.4. Адсорбция на поверхности раздела фаз: жидкость – газ и жидкость – жидкость .................................................................................................. 146 2.1.2.4.1. Поверхностно-инактивные вещества (ПИВ) .......................................... 147 2.1.2.4.2. Поверхностно-активные вещества (ПАВ) ............................................... 148 2.1.2.4.3. Изотермы поверхностного натяжения и изотермы адсорбции ПАВ на поверхности жидкость – газ................................................................................. 149 2.1.2.5. Хроматография ................................................................................................. 152 2.1.3. Смачивание и адгезия твёрдых поверхностей жидкостями ................................ 154 Вопросы для самопроверки .............................................................................................. 162 Глава 2.2. Основы коллоидной химии ................................................................................. 163 2.2.1. Классификации дисперсных систем ...................................................................... 164 2.2.2. Методы получения и очистки дисперсных систем .............................................. 167 2.2.2.1. Получение дисперсных систем ....................................................................... 167 2.2.2.2. Методы очистки коллоидных систем ............................................................. 169 2.2.3. Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем ................................. 170 2.2.3.1. Броуновское движение ..................................................................................... 171 2.2.3.2. Диффузия в дисперсных системах .................................................................. 172 4
2.2.3.3. Седиментация суспензий ................................................................................. 174 2.2.4. Устойчивость и коагуляция коллоидных систем ................................................. 176 2.2.4.1. Строение двойного электрического слоя, мицеллы ...................................... 176 2.2.4.2. Факторы устойчивости дисперсных систем .................................................. 178 2.2.4.3. Коагуляция лиофобных дисперсных систем ................................................. 180 2.2.5. Оптические свойства коллоидных систем ............................................................ 182 2.2.6. Реологические свойства дисперсных систем ........................................................ 183 2.2.6.1. Основные понятия и определения реологии .................................................. 183 2.2.6.2. Классификация дисперсных систем по реологическим свойствам ............. 185 2.2.6.3. Реологические свойства структурированных систем ................................... 187 2.2.6.4. Измерение вязкости .......................................................................................... 191 2.2.7. Грубодисперсные системы ..................................................................................... 193 2.2.7.1. Эмульсии ........................................................................................................... 193 2.2.7.2. Суспензии .......................................................................................................... 200 2.2.7.3. Аэрозоли ............................................................................................................ 202 2.2.7.4. Пены ................................................................................................................... 203 Вопросы для самопроверки .............................................................................................. 205 Глава 2.3. Основы химии высокомолекулярных соединений (ВМС) .............................. 207 2.3.1. Общие сведения о высокомолекулярных соединениях ....................................... 207 2.3.1.1. Классификации ВМС ....................................................................................... 207 2.3.1.2. Особенности строения и свойств полимеров ................................................. 213 2.3.1.3. Физические состояния аморфного полимера................................................. 213 2.3.1.4. Термомеханический метод исследования ВМС. ........................................... 215 2.3.1.5. Полимеры, нашедшие применение в полиграфии ........................................ 216 2.3.2. Физикохимия растворов полимеров ...................................................................... 222 2.3.2.1. Набухание полимеров ...................................................................................... 222 2.3.2.2. Вязкость растворов полимеров ....................................................................... 228 Вопросы для самопроверки .............................................................................................. 230 Глава 2.4. Физико-химические явления при взаимодействии печатных красок с бумагой ................................................................................................... 232 2.4.1. Красящие вещества ................................................................................................. 232 2.4.2. Связующие ............................................................................................................... 241 2.4.3. Растворители (разбавители).................................................................................... 245 Вопросы для самопроверки .............................................................................................. 246 Глава 2.5. Физико-химические явления в брошюровочно-переплетных процессах (БПП) .................................................................................................................... 247 2.5.1. Общие сведения о склеивании. Механизм процесса склеивания ....................... 247 2.5.2. Клеи ........................................................................................................................... 250 Вопросы для самопроверки .............................................................................................. 251 Раздел 3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАБОРНЫХ И ФОРМНЫХ ПРОЦЕССОВ ................................................................................................... 253 Глава 3.1. Электрохимические процессы ............................................................................ 255 3.1.1. Электрическая проводимость растворов электролитов ....................................... 255 3.1.2. Электрохимические потенциалы ........................................................................... 259 3.1.2.1. Возникновение потенциала на границе раздела фаз ..................................... 259 3.1.2.2. Электродные потенциалы ................................................................................ 261 3.1.2.3. Химические гальванические элементы .......................................................... 263 3.1.2.4. Концентрационные элементы ......................................................................... 264 3.1.2.5. Окислительно-восстановительные электроды ............................................... 265 5
3.1.2.6. Измерение потенциалов электродов ............................................................... 267 3.1.3. Электролиз ............................................................................................................... 269 3.1.3.1. Электролиз расплавов и растворов электролитов ......................................... 269 3.1.3.2. Законы электролиза .......................................................................................... 275 3.1.3.3. Поляризация и перенапряжение при электролизе ......................................... 276 3.1.3.4. Закономерности образования электролитических осадков .......................... 278 Вопросы для самопроверки .............................................................................................. 284 Глава 3.2. Основы фотохимии .............................................................................................. 285 3.2.1. Фотохимические реакции ....................................................................................... 285 3.2.2. Фотоматериалы ........................................................................................................ 287 Вопросы для самопроверки .............................................................................................. 293 Глава 3.3. Физико-химические основы копировальных процессов ................................. 294 3.3.1. Копировальные процессы ....................................................................................... 294 3.3.2. Материалы копировальных слоёв .......................................................................... 294 3.3.2.1. Копировальные слои на основе диазосоединений ........................................ 294 3.3.2.2. Фотополимерные печатные формы ................................................................ 297 Вопросы для самопроверки .............................................................................................. 302 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ......................................................................................................... 303 6
ǩǩǬǫǬǴǯǬ Практически все процессы, происходящие при изготовлении печатной продукции – перенос краски на бумагу, склеивание книжных блоков, образование на поверхности запечатываемого материала красочной плёнки и т. п., суть физико-химические процессы, основанные на явлениях смачивания, адгезии и окислительной полимеризации. Совершенно очевидно, что научные основы полиграфической технологии опираются на методы и подходы, разрабатываемые в рамках физической и коллоидной химии. Так, например, выбор тех или иных фотоинициаторов для рецептуры красок и лаков УФотверждения целиком базируется на законах фотохимии и химической кинетики. Эти законы позволяют понять суть фоторепродукционных процессов, происходящих при изготовлении печатных форм. Знание свойств поверхностно-активных веществ (ПАВ) необходимо для разработки новых клеев, красок, увлажняющих растворов и т. п. Будущий специалист должен ясно представлять природу и закономерности, управляющие полиграфическими процессами. Широкое применение при изготовлении книжной продукции нашли различные полимерные материалы: природные, искусственные и синтетические. Полиграфисту-технологу необходимо иметь представления об их строении и физико-химических свойствах. Всему перечисленному способствует изучение теоретического курса «Физико-химические основы полиграфического производства». Данный учебник полностью соответствует программе курса «Физикохимические основы полиграфического производства». В него включены основные разделы физической и коллоидной химии. В них обсуждаются поверхностные явления, составляющие основу процессов печати и отделки полиграфической продукции, рассматриваются молекулярно-кинетические и оптические свойства коллоидных систем, их устойчивость и коагуляция, структурно-механические свойства. Включены главы, посвященные строению и физико-химическим свойствам полимеров и их растворов, так как именно они большей частью составляют материалы для полиграфической технологии. В учебнике, в согласии с программой курса, помимо вопросов физической и коллоидной химии приведены разделы общей и неорганической химии: гидролиз солей, окислительно-восстановительные реакции, строение и номенклатура комплексных соединений и т. п. В дополнение к программе курса авторы посчитали целесообразным представить в учебнике такие классические разделы физической химии, как химическая кинетика и термодинамика, отсутствующие в программе курса. 7
Знание законов термодинамики позволяется вычислять тепловые эффекты химических реакций, применяемых в полиграфии, например, при изготовлении печатных форм, рассчитывать их константы равновесия. Химическая кинетика позволяет объяснить закономерности протекания указанных реакций во времени. Катализаторы и ингибиторы применяются, например, в производстве красок (сиккативы), клеев и увлажняющих растворов. Без знания кинетики и катализа, например, невозможно объяснить закономерности адсорбционного ингибирования при травлении печатных форм и штампов. Целью изучения курса «Химия в принтмедиаиндустрии» является освоение основных законов химии и в первую очередь физической и коллоидной химии и применение их к совершенствованию технологии принтмедиаиндустрии и упаковочного производства. Освоение дисциплины способствует углублению и обобщению фундаментальных знаний в области основных законов естествознания. Физическая химия составляет теоретическую базу полиграфических, химических и биологических технологий с их чрезвычайно сложными физико-химическими процессами, являясь теоретической основой механизмов физико-химических процессов и прогнозирования направления в интенсификации технологических процессов, выбора оптимальных условий их реализации. Задачи дисциплины: 1. Изучение термодинамики химических систем, химических и адсорбционных равновесий, растворов. 2. Изучение закономерностей формальной кинетики и основополагающих кинетических теорий. 3. Изучение свойств дисперсных систем, методов регулирования их свойств и устойчивости. 4. Изучение свойств высокомолекулярных соединений и их композитов. 5. Приобретение навыков постановки, проведения химического эксперимента и анализа полученных экспериментальных данных. В результате освоения дисциплины обучающийся должен: x Знать: o основы физической химии (основные понятия и законы химической термодинамики, основные понятия и закономерности химической кинетики и катализа, основные понятия и закономерности электрохимии); o основы коллоидной химии (основные понятия и закономерности химии поверхностных явлений и дисперсных систем); o о современном состоянии и перспективах развития физической и коллоидной химии, её месте в системе естественных дисциплин; o современные методы анализа, используемых для идентификации и определения классов молекул. 8
x Уметь: o объяснять и обобщать полученные результаты; o предсказывать поведение истинных растворов и дисперсных систем; o применять на практике теоретические знания. x Владеть: o навыками работы с лабораторной техникой, изучаемым материалом; o методами планирования и проведения измерительных экспериментов, выбора и использования методов обработки экспериментальных данных и оценки результатов эксперимента; o навыками определения физико-химических и физико-механических свойств материалов, техникой проведения экспериментов и статистической обработки экспериментальных данных. 9