ФИЗИЧЕСКА ХИМИЯ

§ 1. Предмет физикохимия. Неговото значение

Изучава връзката на химичните и физичните явления физическа химия.Този клон на химията е границата между химията и физиката. Използвайки теоретичните и експериментални методи на двете науки, както и собствените си методи, физическата химия се занимава с многостранно изследване на химичните реакции и придружаващите ги физични процеси. Тъй като обаче дори едно многостранно изследване никога не е пълно и не обхваща изчерпателно явлението, законите и законите на физичната химия, както и тези на другите природни науки, винаги опростяват явлението и не го отразяват напълно.

Бързото развитие и нарастващото значение на физическата химия са свързани с нейното гранично положение между физика и химия. Основната обща задача на физичната химия е прогнозирането на хода на процеса и крайния резултат (равновесно състояние) при различни условия въз основа на данни за структурата и свойствата на веществата, които съставляват изследваната система.

§ 2. Кратко изложение на историята на развитието на физичната химия

Терминът "физическа химия" и определението на тази наука са дадени за първи път от М. В. Ломоносов, който през 1752-1754 г. прочете курс по физическа химия на студентите от Академията на науките и остави ръкописа на този курс "Въведение в истинската физическа химия" (1752). Ломоносов извършва много изследвания, чиито теми съответстват на съставения от него "План за курса по физическа химия" (1752) и програмата за експериментална работа "Опит по физическа химия" (1754). Под негово ръководство се проведе и ученическа работилница по физическа химия.

Ломоносов дава следната дефиниция на физичната химия: „Физическата химия е наука, която обяснява, въз основа на разпоредбите и експериментите на физиката, какво се случва в смесени тела по време на химически операции“. Това определение е близко до съвременното.

За развитието на физическата химия, откриването на два закона на термодинамиката в средата на 19 век (С. Карно, Ю. Р. Майер, Г. Хелмхолц, Д. П. Джоул, Р. Клаузиус, В. Томсън) е от голямо значение. важност.

Броят и разнообразието на изследванията, лежащи в областта, която граничи между физика и химия, непрекъснато нараства през 19 век. Разработена е термодинамичната теория на химичното равновесие (K.M. Guldberg, P. Waage, D.W. Gibbs). Изследванията на Л. Ф. Вилхелми положиха основата на изучаването на скоростта на химичните реакции (химическа кинетика). Изучава се преносът на електричество в разтвори (I.V. Gittorf, F.V.G. Kolrausch), изследвани са законите на равновесието на разтворите с пара (D.P. Konovalov) и е разработена теорията на разтворите (D.I. Mendeleev).

Признаването на физическата химия като самостоятелна наука и академична дисциплина се изразява в създаването в университета в Лайпциг (Германия) през 1887 г. на първата катедра по физическа химия, ръководена от В. Оствалд и в основаването на първото научно списание по физика химия там. В края на 19 век Лайпцигският университет е център за развитие на физическата химия, а водещите физикохимици са В. Оствалд, Й. Х. Вант Хоф, С. Арениус и В. Нернст. По това време са определени три основни раздела на физичната химия - химична термодинамика, химическа кинетика и електрохимия.

Най-важните области на науката, чието развитие е необходимо условие за техническия прогрес, включват изучаването на химичните процеси; физическата химия играе водеща роля в развитието на този проблем.

§ 3. Раздели по физическа химия. Изследователски методи

Химическа термодинамика. В този раздел, въз основа на законите на общата термодинамика, се излагат законите на химическото равновесие и учението за фазовите равновесия.

Учението за разтворите има за цел да обясни и предскаже свойствата на разтворите (хомогенни смеси от няколко вещества) въз основа на свойствата на веществата, които съставляват разтвора.

Учението за повърхностните явления. Изследват се различни свойства на повърхностните слоеве на твърди вещества и течности (между фазите); едно от основните изследвани явления в повърхностните слоеве е адсорбция(натрупване на материя в повърхностния слой).

В системи, където интерфейсите между течна, твърда и газообразна фаза са силно развити (емулсии, мъгли, дим и др.), свойствата на повърхностните слоеве стават от първостепенно значение и определят много от уникалните свойства на цялата система като цяла. Такава разпръснато (микрохетероген)системи се изучават колоидна химия,което е основен независим клон на физическата химия.

Горният списък на основните раздели на физическата химия не обхваща някои области и по-малки раздели от тази наука, които могат да се разглеждат като части от по-големи раздели или като самостоятелни раздели на физическата химия. Трябва още веднъж да се подчертае тясната взаимовръзка между различните клонове на физичната химия. При изучаването на всяко явление трябва да се използва арсенал от идеи, теории и методи за изучаване на много клонове на химията (а често и други науки). Само при първоначално запознаване с физикохимията е възможно с образователна цел материалът да се разпредели в посочените раздели.

Методи на физични и химични изследвания. Основните методи на физическата химия са естествено методите на физиката и химията. Това е преди всичко експериментален метод - изследване на зависимостта на свойствата на веществата от външни условия, експериментално изследване на законите на протичането на различни процеси и законите на химическото равновесие.

Теоретичното разбиране на експерименталните данни и създаването на последователна система от знания се основава на методите на теоретичната физика.

Термодинамичният метод, който е един от тях, дава възможност да се свържат количествено различни свойства на веществото („макроскопични“ свойства) и да се изчислят някои от тези свойства въз основа на експерименталните стойности на други свойства.

ГЛАВА I
ПЪРВИЯТ ЗАКОН НА ТЕРМОДИНАМИКАТА

§ 1. Енергия. Законът за запазване и преобразуване на енергията

Неразделно свойство (атрибут) на материята е движението; тя е неразрушима, като самата материя. Движението на материята се проявява в различни форми, които могат да преминават една в друга. Мярката за движение на материята е енергия.Количествено енергията се изразява по определен начин чрез параметрите, характерни за всяка конкретна форма на движение, и в единици, специфични за тази форма.

В системата от единици SI единицата за енергия (топлота и работа) е джаул ( J),равно на работата на силата в 1 Хпо пътя към 1 м. 1 J = 1 Nm.

Широко използваната единица за енергия (топлина), калориите, в момента е извънсистемна единица, която е разрешена за употреба. Използваната в момента калория по дефиниция се равнява на определен брой джаули: 1 изпражненияе равно на 4,1868 джаула. Това устройство се използва в топлотехниката и може да се нарече термична калория.В химическата термодинамика се използва малко по-различна единица, приравнена на 4,1840 джаула и наречена термохимична калория.Целесъобразността на неговото приложение е свързана с удобството при използване на обширния експериментален термохимичен материал, събран в справочниците и изразен в тези единици.

Когато една форма на движение се трансформира в друга, енергиите на изчезналото и появилото се движение, изразени в различни единици, са еквивалентни една на друга, т.е. енергията на изчезналото движение е в постоянна количествена връзка с енергията на движението. който е възникнал (законът за еквивалентните трансформации на енергията).Това съотношение не зависи от енергиите на двете форми на движение и от специфичните условия, при които е осъществен преходът от една форма на движение към друга. И така, когато енергията на електрически ток се преобразува в енергията на хаотично молекулярно движение, един джаул електрическа енергия винаги се превръща в 0,239 изпражненияенергия на молекулярното движение.

Така енергията като мярка за движение на материята винаги се проявява в качествено оригинална форма, съответстваща на дадена форма на движение, и се изразява в съответните мерни единици. От друга страна, той отразява количествено единството на всички форми на движение, тяхната взаимна конвертируемост и неразрушимостта на движението.

Горният закон за еквивалентни трансформации на енергията е физически експериментален закон. Законът за еквивалентните енергийни трансформацииможе да се изрази по различен начин, а именно във формата законът за запазване и преобразуване на енергията:енергията нито се създава, нито се унищожава; при всички процеси и явления общата енергия на всички части на изолирана материална система, участващи в този процес, не се увеличава или намалява, оставайки постоянна.

Законът за запазване и преобразуване на енергията е универсален в смисъл, че е приложим за явления, възникващи в произволно големи тела, представляващи съвкупност от огромен брой молекули, и за явления, протичащи с участието на една или няколко молекули.

За различните форми на механично движение законът за запазване на енергията отдавна се изразява в качествена форма (Декарт - 1640) и количествена форма (Лайбниц - 1697).

За взаимните трансформации на топлина и работа (виж по-долу) законът за запазване на енергията е доказан като естествен научен закон от изследванията на Ю. Р. Майер, Г. Хелмхолц и Д. П. Джоул, извършени през четиридесетте години на XX век. XIX век.

Използвайки закона за еквивалентните трансформации, е възможно да се изразят енергиите на различни форми на движение в единици, характерни за един вид енергия (една форма на движение), и след това да се извършат операции по събиране, изваждане и т.н.

§ 2. Предмет, метод и граници на термодинамиката

Термодинамиката е един от основните клонове на теоретичната физика. Термодинамиката изучава законите на взаимните трансформации на различни видове енергия, свързани с преноса на енергия между телата под формата на топлина и работа.Фокусирайки вниманието си върху топлината и работата като форми на пренос на енергия в различни процеси, термодинамиката включва множество енергийни връзки и зависимости между различни свойства на вещество в кръга на разглеждане и дава много широко приложими обобщения, наречени законите на термодинамиката.

Когато се установяват основните термодинамични закони, енергийните трансформации (често много сложни), които се случват вътре в тялото, обикновено не са подробни. Видовете енергия, присъщи на тялото в даденото му състояние, също не са диференцирани; съвкупността от всички тези видове енергия се разглежда като единна вътрешна енергия на системата .

Предметът на термодинамиката, описан по-горе, определя метода и границите на тази наука. Разграничението между топлина и работа, взето като отправна точка от термодинамиката, и противопоставянето на топлина и работа има смисъл само за тела, състоящи се от много молекули, тъй като за една молекула или за набор от малък брой молекули, концепциите за топлината и работата губят смисъл. Следователно термодинамиката разглежда само тела, състоящи се от голям брой молекули, т.нар. макроскопски системиосвен това, термодинамиката в нейната класическа форма не отчита поведението и свойствата на отделните молекули.

Термодинамичният метод се характеризира и с това, че обект на изследване е тяло или група тела, изолирани от материалния свят в термодинамична система (наричани по-долу просто система).

Системата има определени граници, които я отделят от външния свят (средата).

Системата е хомогенна , ако всеки негов параметър има една и съща стойност във всички части на системата или непрекъснато се променя от точка до точка.

Системата е хетерогенен , ако се състои от няколко макроскопични (състоящи се на свой ред от много молекули) части, разделени една от друга чрез видими интерфейси. На тези повърхности някои параметри се променят рязко. Такава например е системата „твърда сол – наситен воден солен разтвор – наситена водна пара”. Тук, на границите сол - разтвор и разтвор - пара, съставът и плътността се променят рязко.

Наричат ​​се хомогенни части на системата, отделени от другите части чрез видими интерфейси фази . В този случай наборът от отделни хомогенни части на системата, които имат еднакви физически и термодинамични свойства, се счита за една фаза (например набор от кристали от едно вещество или набор от течни капчици, суспендирани в газ и образуващи мъгла). Всяка фаза на системата се характеризира със собствено уравнение на състоянието.

Нарича се система, която не може да обменя материя и енергия с околната среда (под формата на топлина или работа). изолиран .

Нарича се система, която може да обменя материя и енергия с околната среда (под формата на топлина или работа). отворен.

Нарича се система, която не може да обменя материя с околната среда, но може да обменя енергия (под формата на топлина или работа). затворен .

Термодинамиката изучава връзката между такива измерими свойства на материалната система като цяло и нейните макроскопични части (фази), като температура, налягане, маса, плътност и химичен състав на фазите, включени в системата, както и някои други свойства, като връзката между промените в тези свойства.

Съвкупността от свойства, изследвани от термодинамиката (т.нар термодинамични параметри на системата) дефинира термодинамично състояние на системата.Промяната във всички термодинамични свойства (дори и само едно) води до промяна в термодинамичното състояние на системата.

Всички процеси, протичащи в природата, могат да бъдат разделени на спонтанни (естествени) и неспонтанни.

Спонтанни процесиТова са процеси, които не изискват външна енергия. Например преносът на топлина от тяло с по-висока температура към тяло с по-ниска температура, разтварянето на солта във вода и т.н., протичат от само себе си.

Неспонтанни процесиизискват енергия отвън за тяхното протичане, например, разделянето на въздуха на азот и кислород.

Термодинамиката разглежда главно такива състояния на система, при които нейните параметри (температура, налягане, електростатичен потенциал и др.) не се променят спонтанно с времето и имат една и съща стойност във всички точки от обема на отделните фази. Такива състояния се наричат балансиран.

Един от основните постулати на термодинамиката е твърдението, че ходът на всеки спонтанен процес в крайна сметка довежда изолираната система до равновесно състояние, когато нейните свойства вече няма да се променят, т.е. в системата ще се установи равновесие.

Състояния, характеризиращи се с неравномерно и вариращо във времето разпределение на температурата, налягането и състава във фазите са неравновесност. Те се разглеждат от термодинамиката на неравновесните (необратими) процеси, при които освен основните термодинамични закони се използват и допълнителни допускания.

Термодинамиката, изградена въз основа на основните закони на термодинамиката, които се разглеждат като обобщение на опита, често се нарича класическиили феноменологична термодинамика.Термодинамиката осигурява теоретичните основи на теорията на топлинните двигатели; този раздел се нарича техническа термодинамика.Занимава се с изследване на химичните процеси от термодинамична гледна точка химическа термодинамика,което е един от основните клонове на физическата химия.

§ 3. Топлина и работа

Промените във формите на движение при преминаването му от едно тяло в друго и съответните трансформации на енергията са много разнообразни. Формите на прехода на самото движение и свързаните с него преходи на енергия могат да се разделят на две групи.

Първата група включва само една форма на преход на движение чрез хаотични сблъсъци на молекули на две съседни тела, т.е. чрез проводимост (и в същото време чрез излъчване). Мярката на предаденото по този начин движение е топлина .

Втората група включва различни форми на преход на движение, обща черта на които е движението на макроскопични маси под действието на всякакви външни сили, които имат насочен характер. Такива са издигането на тела в гравитационно поле, преминаването на определено количество електричество от по-голям електростатичен потенциал към по-малък, разширяването на газ под налягане и т.н. Общата мярка за движение, предавано по този начин е работа .

Топлината и работата характеризират качествено и количествено две различни форми на предаване на движение от една част на материалния свят в друга.

Предаването на движение е вид сложно движение на материята, чиито две основни форми разграничаваме. Топлината и работата са мерки за тези две сложни форми на движение на материята и трябва да се разглеждат като видове енергия.

Общото свойство на топлината и работата е, че те имат значение само през интервалите от време, в които протичат тези процеси. В хода на такива процеси при някои тела движението под една или друга форма намалява и съответната енергия намалява, докато при други тела движението в същата или друга форма се увеличава и съответните видове енергия се увеличават.

Не говорим за запас от топлина или работа в което и да е тяло, а само за топлината и работата на известен процес. След приключването му не е необходимо да се говори за наличие на топлина или работа в телата.

§ 4. Еквивалентност на топлина и работа

Постоянно еквивалентно съотношение между топлина и работа по време на техните взаимни преходи е установено в класическите експерименти на D.P. Joule (1842-1867). Типичен експеримент на Джаул е както следва.

Джаулово устройство за определяне на механичния еквивалент на топлина.

Тежестите, падащи от известна височина, въртят бъркалка, потопена във вода в калориметър (тежест и калориметър с вода представляват термодинамична система.) Въртенето на лопатките на бъркалката във вода причинява нагряване на водата в калориметъра; съответното повишаване на температурата се определя количествено.

След като посоченият процес приключи, системата трябва да бъде приведена в първоначалното си състояние. Това може да стане чрез умствен опит. Тежестите се издигат до първоначалната си височина, докато се изразходва външна работа, което увеличава енергията на системата. Освен това топлината се отстранява от калориметъра (прехвърля се в околната среда) чрез охлаждането му до първоначалната температура. Тези операции връщат системата в първоначалното й състояние, т.е. всички измерими свойства на системата придобиват същите стойности, които са имали в първоначалното състояние. Процесът, по време на който свойствата на системата се променят и в края на който тя се връща в първоначалното си състояние, се нарича кръгов (цикличен) процес или цикъл .

Единственият резултат от описания цикъл е отстраняването на работа от околната среда, заобикаляща системата, и пренасянето в тази среда на топлината, взета от калориметъра.

Сравнението на тези две величини, измерени в съответните единици, показва постоянна връзка между тях, независимо от размера на товара, размера на калориметъра и специфичните количества топлина и работа в различни експерименти.

Препоръчително е топлината и работата да се записват в цикличен процес като сума (интеграл) от безкрайно малки (елементарни) нагрявания  Ви безкрайно малки (елементарни) работни места  У, а началната и крайната граница на интегриране съвпадат (цикъл).

Тогава еквивалентността на топлината и работата в цикличен процес може да се запише по следния начин:

(I, 1)

В уравнение (I, 1) знакът означава интегриране по цикъл. Постоянство на коефициента к отразява еквивалентността на топлина и работа ( ке механичният еквивалент на топлина). Уравнение (I, 1) изразява закона за запазване на енергията за конкретен, много важен случай на преобразуване на работа в топлина.

В изследванията на Джоул, Роуланд (1880), Микулеску (1892) и др. са използвани методите на триене в метали, удар, директно преобразуване на работата на електрически ток в топлина, разтягане на твърди тела и др. к винаги постоянно в рамките на експерименталната грешка.

В това, което следва, винаги се приема, че работят и топлина, с помощта на кое кизразено в едни и същи единици (без значение какви) и коефициентът кслиза.

§ 5. Вътрешна енергия

За некръгов процес равенството (I, 1) не се спазва, тъй като системата не се връща в първоначалното си състояние. Вместо това, равенствата за некръгов процес могат да бъдат записани (пропускайки коефициента к):

≠

Тъй като границите на интегриране обикновено са произволни, тогава за елементарни величини  У И  В:

В   У,

следователно:

В – У  0

Означете разликата  В –  Уза всеки елементарен термодинамичен процес чрез dU:

dU   В – У (I, 2)

или за крайния процес:

– (I, 2а)

Връщайки се към кръговия процес, получаваме (от уравнение I, 1):

=
–
= 0 (I, 3)

По този начин стойността dU е общият диференциал на някаква функция на състоянието на системата. Когато системата се върне в първоначалното си състояние (след циклична промяна), стойността на тази функция придобива първоначалната си стойност.

Функция за състоянието на систематаУ , дефиниран от равенствата (аз, 2) или (аз, 2а) се наричавътрешна енергия системи .

Очевидно изразът (I, 2a) може да се запише по следния начин:

= У 2 – У 1 = ∆ У = – (I, 2b)

У 2 – У 1 = ∆U = Q – W

Това разсъждение обосновава емпирично наличието на определена функция на състоянието на системата, която има значението на общата мярка на всички движения, които системата има.

С други думи, вътрешната енергия включва транслационната и ротационна енергия на молекулите, вибрационната енергия на атомите и групите атоми в молекула, енергията на движение на електрони, вътрешноядрена и други видове енергия, т.е. съвкупността от всички видове енергия на частиците в системата, с изключение на потенциалната и кинетичната енергия на самата система.

Да приемем, че цикличният процес е осъществен по такъв начин, че след връщането на системата в първоначалното си състояние вътрешната енергия на системата не приема първоначалната стойност, а се увеличава. В този случай повторението на кръгови процеси би предизвикало натрупване на енергия в системата. Би било възможно тази енергия да се преобразува в работа и да се получи работа по този начин не за сметка на топлина, а „от нищо“, тъй като при кръгов процес работата и топлината са еквивалентни една на друга, което се доказва от директни експерименти .

Невъзможност за завършване на посочения цикъл на изграждане perpetuum mobile (perpetuum mobile) от първи вид,което дава работа, без да се изразходва еквивалентно количество друг вид енергия, се доказва от отрицателния резултат от хиляди години човешки опит. Този резултат води до същото заключение, което получихме в определена, но по-строга форма, анализирайки експериментите на Джоул.

Нека още веднъж формулираме получения резултат. Общата енергия на системата (нейната вътрешна енергия) в резултат на цикличен процес се връща към първоначалната си стойност, т.е. вътрешната енергия на системата в дадено състояние има една определена стойност и не зависи от това какви промени е претърпяла системата преди да дойде в това състояние.

С други думи, вътрешната енергия на системата е еднозначна, непрекъсната и крайна функция на състоянието на системата.

Изменението на вътрешната енергия на системата се определя от израз (I, 2b); изразът (I, 3) е валиден за кръгов процес. При безкрайно малка промяна в някои свойства (параметри) на системата, вътрешната енергия на системата също се променя безкрайно малко. Това е свойство на непрекъсната функция.

В рамките на термодинамиката не е необходимо да се използва обща дефиниция на понятието вътрешна енергия. Формално количествено определение чрез изрази (I, 2) или (I, 2a) е достатъчно за всички по-нататъшни термодинамични разсъждения и заключения.

Тъй като вътрешната енергия на системата е функция от нейното състояние, то, както вече беше споменато, увеличаването на вътрешната енергия с безкрайно малки промени в параметрите на състоянията на системата е общият диференциал на функцията на състоянието. Разбиване на интеграла в уравнение (I, 3) на два интеграла по участъците от пътя от състоянието 1 до държавата 2 (път "а") (виж фиг. I) и обратно - от държавата 2

курс за напреднали физически химия 6-ти изпит Преди овладяване на дисциплината „Напред физически химия„трябва да бъде... от физически химия. / Под редакцията на В.В. Буданова, Н.К. Воробьов. – Л.: Химия, 1986. - 352 с. Практическа работа по физически химия ...

1. Физикохимия: цел, задачи, методи на изследване. Основни понятия по физическа химия.

физ. химия - науката за законите на химичните процеси и хим. явления.

Предмет на физикохимичното обяснение на хим. явления, базирани на по-общи закони на физиката. Физическата химия разглежда две основни групи въпроси:

1. Изучаване на структурата и свойствата на веществото и съставните му частици;

2. Изучаване на процесите на взаимодействие на веществата.

Физическата химия има за цел да изучава връзката между m/y химически и физически явления. Познаването на такива взаимоотношения е необходимо, за да се изучават по-задълбочено химичните реакции, които протичат в природата и се използват в технологиите. процеси, контролират дълбочината и посоката на реакцията. Основната цел на дисциплината Физическа химия е изучаването на общите взаимоотношения и закономерности на химичното вещество. процеси, базирани на основните принципи на физиката. Физическата химия прилага физическа. теории и методи за химични явления.

Обяснява ЗАЩО и КАК се случват трансформациите на веществата: хим. реакции и фазови преходи. ЗАЩО - химическа термодинамика. AS - химическа кинетика.

Основни понятия по физическа химия

Основният обект на хим. термодинамиката е термодинамична система. Термодинамика система - всяко тяло или съвкупност от тела, способни да обменят енергия и материя със себе си и с други тела. Системите се делят на отворени, затворени и изолирани. отворен и аз - термодинамичната система обменя с външната среда както ин-ция, така и енергия. Затворен и аз - система, в която няма обмен на материя с околната среда, но може да обменя енергия с нея. изолиран и аз -обемът на системата остава постоянен и е лишен от възможността за обмен с околната среда и енергия и ин-ция.

Системата може да бъде хомогенен (хомогенен) или хетерогенен (хетерогенен ). Фаза - това е част от системата, която при липса на външно силово поле има еднакъв състав във всичките си точки и еднаква термодинамика. Св. ви и отделени от другите части на системата от интерфейса. Фазата винаги е хомогенна, т.е. хомогенна, така че еднофазна система се нарича хомогенна. Система, състояща се от няколко фази, се нарича хетерогенна.

Свойствата на системата са разделени на две групи: екстензивна и интензивна.

В термодинамиката се използват понятията за равновесни и обратими процеси. равновесие е процес, който преминава през непрекъсната серия от равновесни състояния. Обратим термодинамичен процес е процес, който може да се извърши в обратна посока, без да оставя никакви промени в системата и средата.

2. I-ти закон на термодинамиката. Вътрешна енергия, топлина, работа.

Първият закон на термодинамикатапряко свързани със закона за запазване на енергията. Въз основа на този закон следва, че във всяка изолирана система захранването с енергия остава постоянно. Друга формулировка на първия закон на термодинамиката следва от закона за запазване на енергията – невъзможността да се създаде вечен двигател (perpetuum mobile) от първи вид, който да произвежда работа, без да изразходва енергия за нея. Формулата, особено важна за химическата термодинамика,

Първият принцип е нейното изразяване чрез концепцията за вътрешна енергия: вътрешната енергия е функция на състоянието, т.е. промяната му не зависи от пътя на процеса, а зависи само от началното и крайното състояние на системата. Промяна на вътрешната енергия на системата  Уможе да се случи чрез топлообмен Ви работа Ус околната среда. Тогава от закона за запазване на енергията следва, че топлината Q, получена от системата отвън, се изразходва за увеличаване на вътрешната енергия ΔU и работата W, извършена от системата, т.е. Q=Δ U+W. Дадено вподравняването е

математически израз на първия закон на термодинамиката.

азначалото на термодинамикатанеговата формулировка:

във всяка изолирана система захранването с енергия остава постоянно;

различните форми на енергия преминават една в друга в строго еквивалентни количества;

вечен двигател (perpetuum Подвижен) от първия вид е невъзможно;

вътрешната енергия е функция на състоянието, т.е. промяната му не зависи от пътя на процеса, а зависи само от началното и крайното състояние на системата.

аналитичен израз: В = д У + У ; за безкрайно малка промяна в количествата д В = dU + д У .

Първият закон на термодинамиката определя съотношението. m / y топлина Q, работа A и промяна на вн. енергия на системата ΔU. Промяна на вн. Енергията на системата е равна на количеството топлина, предадено на системата, минус количеството работа, извършена от системата срещу външни сили.

Уравнение (I.1) - математическа нотация на 1-ви закон на термодинамиката, уравнение (I.2) - за безкрайно малка промяна в комп. системи.

Int. функция енергийно състояние; това означава, че промяната-e ext. енергията ΔU не зависи от пътя на прехода на системата от състояние 1 към състояние 2 и е равна на разликата между стойностите на ext. енергии U2 и U1 в тези състояния: (I.3)

Int. Енергията на една система е сумата от потенциалната енергия на взаимодействието. всички частици на тялото m / y и кинетичната енергия на тяхното движение (без да се вземат предвид кинетичната и потенциалната енергия на системата като цяло). Int. енергията на системата зависи от естеството на острова, неговата маса и от параметрите на състоянието на системата. Тя е на възраст. с увеличаване на масата на системата, тъй като това е екстензивно свойство на системата. Int. енергията се обозначава с буквата U и се изразява в джаули (J). В общия случай за система с количество 1 mol. Int. енергия, като всяка термодинамична. св. в системата, yavl-Xia функция комп. Директно в експеримента, само промени във вътрешността енергия. Ето защо при изчисленията те винаги оперират с неговата промяна U2 –U1 = U.

Всички промени във вътрешните енергиите са разделени на две групи. 1-ва група включва само 1-ва форма на преход на движение чрез хаотични сблъсъци на молекулите на две съседни тела, т.е. чрез проводимост (и в същото време чрез излъчване). Мярката на движението, предавано по този начин, е топлина. концепция топлинасвързани с поведението на огромен брой частици - атоми, молекули, йони. Те са в постоянно хаотично (термично) движение. Топлината е форма на пренос на енергия. Вторият начин за обмен на енергия е работа.Този обмен на енергия се дължи на действието, извършвано от системата, или действието, извършено върху нея. Обикновено работата се обозначава със символа У. Работата, подобно на топлината, не е функция от състоянието на системата, така че стойността, съответстваща на безкрайно малката работа, се обозначава със символа за частична производна - У.

Науката, която обяснява химическите явления и установява техните закономерности въз основа на общите принципи на физиката. Името на науката Физическа химия е въведено от М. В. Ломоносов, който за първи път (1752 1753) формулира нейния предмет и задачи и установява една ... ... Голям енциклопедичен речник

ФИЗИЧЕСКА ХИМИЯ- ФИЗИЧЕСКА ХИМИЯ, „наука, която обяснява, въз основа на разпоредби и експерименти, физическата причина за това, което се случва чрез хим. операции в сложни органи. Това определение й е дадено от първия физикохимик М. В. Ломоносов в курс, прочетен от ... Голяма медицинска енциклопедия

ФИЗИЧЕСКА ХИМИЯ, науката, която изучава физическите промени, свързани с ХИМИЧНИ РЕАКЦИИ, както и връзката между физичните свойства и химичния състав. Основните раздели на физическата химия ТЕРМОДИНАМИКА, занимаващи се с промените в енергията в ... ... Научно-технически енциклопедичен речник

Физическа химия- - раздел на химията, в който химичните свойства на веществата се изучават въз основа на физичните свойства на съставните им атоми и молекули. Съвременната физическа химия е широка интердисциплинарна област, граничеща с различни клонове на физиката... Енциклопедия на термини, дефиниции и обяснения на строителни материали

ФИЗИЧЕСКА ХИМИЯ, обяснява химичните явления и установява техните закони въз основа на общите принципи на физиката. Включва химическа термодинамика, химическа кинетика, доктрината за катализа и др. Терминът физическа химия е въведен от M.V. Ломоносов през 1753 г. Съвременна енциклопедия

Физическа химия- ФИЗИЧЕСКА ХИМИЯ, обяснява химичните явления и установява техните закономерности въз основа на общите принципи на физиката. Тя включва химическа термодинамика, химическа кинетика, доктрината за катализа и др. Терминът „физическа химия” е въведен от M.V. Ломоносов в ... ... Илюстриран енциклопедичен речник

ФИЗИЧЕСКА ХИМИЯ- раздел на хим. наука, изучаване на химия. явления, базирани на принципите на физиката (виж (1)) и физ. експериментални методи. F. x (като химията) включва учението за структурата на материята, хим. термодинамика и химия. кинетика, електрохимия и колоидна химия, преподаване ... ... Голяма политехническа енциклопедия

Съществуват., брой синоними: 1 физически (1) Речник на синонимите на ASIS. В.Н. Тришин. 2013 ... Синонимен речник

физическа химия- — EN физическа химия Наука, занимаваща се с ефектите на физичните явления върху химичните свойства. (Източник: LEE) … … Наръчник за технически преводач

физическа химия- - наука, която обяснява химичните явления и установява техните модели въз основа на физични принципи. Речник по аналитична химия... Химически термини

Книги

• Физическа химия, А. В. Артемов. Учебникът е създаден в съответствие с Федералния държавен образователен стандарт в областите на обучение на бакалаври, предвиждащ изучаването на дисциплината „Физична химия“.…
• Физическа химия, Ю. Я. Харитонов. Учебникът очертава основите на физичната химия в съответствие с ориентировъчната програма за дисциплината „Физична и колоидна химия” за специалност 060301 „Фармация”. Публикацията е предназначена...

Началото на физическата химия е поставено в средата на 18 век. Терминът "физическа химия", в съвременното разбиране на методологията на науката и въпросите на теорията на познанието, принадлежи на М. В. Ломоносов, който за първи път прочете "Курса по истинска физическа химия" на студенти от Санкт Петербургския университет . В преамбюла на тези лекции той дава следното определение: „Физическата химия е наука, която трябва, въз основа на разпоредбите и експериментите на учените-физици, да обясни причината за това, което се случва чрез химически операции в сложни тела.“ Ученият в трудовете на своята корпускулярно-кинетична теория на топлината се занимава с въпроси, които напълно отговарят на горните задачи и методи. Именно такъв е характерът на експерименталните действия, които служат за потвърждаване на отделни хипотези и положения на тази концепция. М. В. Ломоносов следва тези принципи в много области на своите изследвания: при разработването и практическото прилагане на основаната от него „наука за стъклото“, в различни експерименти, посветени на потвърждаване на закона за запазване на материята и силата (движението); - в произведения и експерименти, свързани с учението за решенията - той разработи обширна програма за изследване на този физичен и химичен феномен, който е в процес на развитие и до днес.

Това е последвано от прекъсване от повече от сто години и едно от първите физикохимични изследвания в Русия в края на 1850-те е започнато от Д. И. Менделеев.

Следващият курс по физическа химия е преподаван от Н. Н. Бекетов в Харковския университет през 1865 г.

Първата катедра по физическа химия в Русия е открита през 1914 г. във Физико-математическия факултет на Санкт Петербургския университет, през есента студентът на Д. П. Коновалов, М. С. Вревски, започва да чете задължителния курс и практически занятия по физическа химия .

Първото научно списание, предназначено да публикува статии по физическа химия, е основано през 1887 г. от У. Оствалд и Дж. ван'т Хоф.

Предмет на физическа химия

Физическата химия е основната теоретична основа на съвременната химия, използваща теоретичните методи на такива важни раздели на физиката като квантова механика, статистическа физика и термодинамика, нелинейна динамика, теория на полето и др. Тя включва учението за структурата на материята, включително: структурата на молекулите, химическата термодинамика, химическата кинетика и катализа. Като отделни раздели по физична химия се обособяват също електрохимия, фотохимия, физикохимия на повърхностните явления (включително адсорбция), радиационна химия, теория на металната корозия, физикохимия на макромолекулните съединения (виж физика на полимерите) и др. Много близко съседни са и др. към физическата химия и понякога се разглеждат като негови независими раздели от колоидна химия, физико-химичен анализ и квантова химия. Повечето раздели на физическата химия имат доста ясни граници по отношение на обекти и методи на изследване, методологични особености и използвания апарат.

Разликата между физическа химия и химическа физика

Съдържанието на статията

ХИМИЯ ФИЗИЧЕСКА,клон на химията, който изучава химичните свойства на веществата въз основа на физичните свойства на съставните им атоми и молекули. Съвременната физическа химия е широка интердисциплинарна област, граничеща с различни клонове на физиката, биофизиката и молекулярната биология. Той има много допирни точки с такива клонове на химическата наука като органичната и неорганичната химия.

Отличителна черта на химическия подход (за разлика от физическия и биологичния) е, че наред с описанието на макроскопичните явления, тяхната природа се обяснява на базата на свойствата на отделните молекули и взаимодействията между тях.

Нови инструментални и методически разработки в областта на физичната химия се използват в други клонове на химията и сродни науки, като фармакология и медицина. Примерите включват електрохимични методи, инфрачервена (IR) и ултравиолетова (UV) спектроскопия, лазерни и магнитни резонансни техники, които се използват широко в терапията и за диагностика на различни заболявания.

Основните раздели на физичната химия традиционно се разглеждат: 1) химична термодинамика; 2) кинетична теория и статистическа термодинамика; 3) въпроси за структурата на молекулите и спектроскопията; 4) химическа кинетика.

Химическа термодинамика.

Химическата термодинамика е пряко свързана с приложението на термодинамиката - науката за топлината и нейните трансформации - към проблема за химическото равновесие. Същността на проблема е формулирана по следния начин: ако има смес от реагенти (система) и са известни физическите условия, в които се намира (температура, налягане, обем), тогава какви спонтанни химични и физични процеси могат да доведат до тази система до равновесие? Първият закон на термодинамиката гласи, че топлината е форма на енергия и че общата енергия на системата (заедно с околната среда) остава непроменена. По този начин този закон е една от формите на закона за запазване на енергията. Според втория закон спонтанно възникващ процес води до увеличаване на общата ентропия на системата и нейната среда. Ентропията е мярка за количеството енергия, което системата не може да използва, за да извърши полезна работа. Вторият закон указва посоката, в която ще върви реакцията без никакви външни влияния. За да промените естеството на реакцията (например нейната посока), трябва да изразходвате енергия под една или друга форма. По този начин той налага строги ограничения върху количеството работа, която може да бъде извършена в резултат на преобразуване на топлинна или химическа енергия, освободена в обратим процес.

Дължим важни постижения в химическата термодинамика на Дж. Гибс, който положи теоретичната основа на тази наука, което направи възможно обединяването на резултатите, получени от много изследователи от предишното поколение, в едно цяло. Подходът, разработен от Гибс, не прави никакви предположения за микроскопичната структура на материята, а разглежда равновесните свойства на системите на макро ниво. Ето защо може да се мисли, че първият и вторият закон на термодинамиката са универсални и ще останат валидни дори когато научим много повече за свойствата на молекулите и атомите.

Кинетична теория и статистическа термодинамика.

Статистическата термодинамика (както и квантовата механика) позволява да се предвиди положението на равновесие за някои реакции в газовата фаза. С помощта на квантовомеханичния подход е възможно да се опише поведението на сложни молекули на редица вещества, които са в течно и твърдо състояние. Има обаче реакции, чиито скорости не могат да бъдат изчислени нито в рамките на кинетичната теория, нито с помощта на статистическата термодинамика.

Истинска революция в класическата статистическа термодинамика се извършва през 70-те години на миналия век. Нови концепции като универсалност (схващането, че членовете на някои широки класове съединения имат едни и същи свойства) и принципа на сходството (оценка на неизвестни количества въз основа на известни критерии) доведоха до по-добро разбиране на поведението на течностите в близост до критичните точка, когато разликата между течност и газ. С помощта на компютър бяха симулирани свойствата на прости (течен аргон) и сложни (вода и алкохол) течности в критично състояние. Съвсем наскоро свойствата на течности като течен хелий (чието поведение е перфектно описано в рамките на квантовата механика) и свободните електрони в молекулярните течности бяха изчерпателно изследвани с помощта на компютърни симулации (СВЪРХПРВОМОДНОСТ). Това позволи по-добро разбиране на свойствата на обикновените течности. Компютърните методи, съчетани с най-новите теоретични разработки, се използват интензивно за изследване на поведението на разтвори, полимери, мицели (специфични колоидни частици), протеини и йонни разтвори. За решаване на проблеми на физическата химия, по-специално за описване на някои свойства на системи в критично състояние и за изследване на въпросите на физиката на високите енергии, все по-често се използва математическият метод на групата за пренормиране.

Структурата на молекулите и спектроскопията.

Органични химици от 19 век. разработи прости правила за определяне на валентността (способността за комбиниране) на много химични елементи. Например, те открили, че валентността на въглерода е 4 (един въглероден атом може да прикачи четири водородни атома, за да образува молекула на метан CH 4), кислород - 2, водород - 1. Въз основа на емпирични идеи, базирани на експериментални данни, бяха направени предположения относно пространственото подреждане на атомите в молекулите (например, молекулата на метана има тетраедрична структура, докато въглеродният атом е в центъра на триъгълната пирамида, а водородът е в четирите й върха). Този подход обаче не позволи да се разкрие механизмът на образуване на химични връзки и следователно да се оцени размерът на молекулите, да се определи точното разстояние между атомите.

С помощта на спектроскопски методи, разработени през 20-ти век, беше определена структурата на водните молекули (H 2 O), етана (C 2 H 6), а след това и на много по-сложни молекули, като протеини. Методите на микровълнова спектроскопия (EPR, NMR) и дифракция на електрони дават възможност да се установят дължините на връзките, ъглите между тях (валентни ъгли) и взаимното подреждане на атомите в прости молекули, и рентгенов дифракционен анализ - подобни параметри за по-големи молекули, които образуват молекулярни кристали. Съставянето на каталози на молекулярните структури и използването на прости понятия за валентност положиха основите на структурната химия (Л. Полинг беше неин пионер) и направи възможно използването на молекулярни модели за обяснение на сложни явления на молекулярно ниво. Ако молекулите нямат определена структура или ако параметрите на връзките C–C и C–H в хромозомите са много различни от тези в молекулите на метан или етан, тогава с помощта на прости геометрични модели, Дж. Уотсън и Ф. Крик не биха могли да създадат в началото на 50-те години на миналия век неговия известен модел с двойна спирала на дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК). Чрез изучаване на вибрациите на атомите в молекулите с помощта на IR и UV спектроскопия беше възможно да се установи естеството на силите, които държат атомите в състава на молекулите, което от своя страна доведе до идеята за наличието на вътрешномолекулно движение и направи възможно изследването на термодинамичните свойства на молекулите ( виж по-горе). Това беше първата стъпка към определяне на скоростта на химичните реакции. Освен това, спектроскопските изследвания в UV областта помогнаха да се установи механизмът на образуване на химична връзка на електронно ниво, което направи възможно описването на химични реакции въз основа на идеята за прехода на реагентите във възбудено състояние (често под действието видима или UV светлина). Имаше дори цяла научна област - фотохимия. Ядрено-магнитен резонанс (ЯМР) спектроскопията дава възможност на химиците да изучават отделни етапи на сложни химични процеси и да идентифицират активни центрове в ензимните молекули. Този метод също така позволи да се получат триизмерни изображения на непокътнати клетки и отделни органи. ФОТОХИМИЯ.

Теория на валентността.

Използвайки емпиричните правила за валентност, разработени от органичните химици, периодичната система от елементи и планетарния модел на атома на Ръдърфорд, Г. Люис открива, че ключът към разбирането на химическата връзка е електронната структура на материята. Люис стига до извода, че ковалентна връзка се образува в резултат на социализацията на електрони, принадлежащи на различни атоми; при това той изхожда от идеята, че свързващите електрони са разположени върху строго определени електронни обвивки. Квантовата теория дава възможност да се предскаже структурата на молекулите и естеството на образуваните ковалентни връзки в най-общия случай.

Нашите представи за структурата на материята, които се формират благодарение на успехите на квантовата физика през първата четвърт на 20-ти век, могат да се обобщят по следния начин. Структурата на атома се определя от баланса на електрическите сили на отблъскване (между електроните) и привличане (между електрони и положително заредено ядро). Почти цялата маса на атома е концентрирана в ядрото и неговият размер се определя от количеството пространство, заето от електроните, които се въртят около ядрата. Молекулите се състоят от относително стабилни ядра, държани заедно от бързо движещи се електрони, така че всички химични свойства на веществата могат да бъдат обяснени от гледна точка на електрическото взаимодействие на елементарните частици, които изграждат атоми и молекули. По този начин основните положения на квантовата механика, отнасящи се до структурата на молекулите и образуването на химични връзки, създават основата за емпирично описание на електронната структура на материята, естеството на химичната връзка и реактивността на атомите и молекулите.

С появата на високоскоростните компютри беше възможно да се изчислят (с ниска, но достатъчна точност) силите, действащи между атомите в малките многоатомни молекули. Теорията на валентността, базирана на компютърна симулация, в момента е работещ инструмент за изследване на структурите, природата на химичните сили и реакциите в случаите, когато експериментите са трудни или отнемат време. Това се отнася до изследването на свободните радикали, присъстващи в атмосферата и пламъците или образувани като междинни продукти на реакцията. Има надежда, че някой ден теория, базирана на компютърни изчисления, ще може да отговори на въпроса: как химическите структури „изчисляват“ своето най-стабилно състояние за време от порядъка на пикосекунди, като същевременно получават съответните оценки, поне в някакво приближение , изисква огромно количество машинно време.

Химическа кинетика

се занимава с изследване на механизма на химичните реакции и определяне на скоростта им. На макроскопско ниво реакцията може да бъде представена като последователни трансформации, по време на които от едно вещество се образуват други. Например, привидно проста трансформация

H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O

всъщност се състои от няколко последователни етапа:

H + O 2 → OH + O

O + H 2 → HO + H

H + O 2 → HO 2

HO 2 + H 2 → H 2 O + OH

и всеки от тях се характеризира със собствена скоростна константа к. S. Arrhenius предполага, че абсолютната температура ти константа на скоростта на реакцията ксвързани чрез съотношението к = Аопит (- Едействай)/ RT, където НО– предекспоненциален фактор (т.нар. честотен фактор), Еакт - активираща енергия, Ре газовата константа. За измерване кИ тнеобходими са инструменти за проследяване на събития, които се случват за време от около 10–13 s, от една страна, и в продължение на десетилетия (и дори хилядолетия), от друга (геоложки процеси); също така е необходимо да може да се измерват незначителни концентрации на изключително нестабилни реагенти. Задачата на химическата кинетика включва и прогнозиране на химични процеси, протичащи в сложни системи (говорим за биологични, геоложки, атмосферни процеси, горене и химичен синтез).

За изследване на газофазните реакции "в чист вид" се използва методът на молекулярните лъчи; в този случай молекули със строго определени квантови състояния реагират с образуването на продукти, които също са в определени квантови състояния. Такива експерименти дават информация за силите, които предизвикват възникването на определени реакции. Например, при настройка на молекулярния лъч, дори такива малки молекули като CH 3 I могат да бъдат ориентирани по даден начин и скоростта на сблъсък в две „различни“ реакции могат да бъдат измерени:

K + ICH 3 → KI + CH 3

K + CH 3 I → KI + CH 3

където CH3 групата е ориентирана различно по отношение на приближаващия се калиев атом.

Един от въпросите, с които се занимава физическата химия (както и химическата физика), е изчисляването на константите на скоростта на реакцията. Тук широко се използва теорията на преходното състояние, разработена през 30-те години на миналия век, която използва термодинамични и структурни параметри. Тази теория, съчетана с методите на класическата физика и квантовата механика, дава възможност да се симулира хода на реакцията, сякаш се случва в условията на експеримент с молекулярни лъчи. Провеждат се експерименти по лазерно възбуждане на определени химични връзки, които позволяват да се провери правилността на статистическите теории за разрушаването на молекулите. Разработват се теории, които обобщават съвременните физични и математически концепции за хаотичните процеси (например турбулентност). Не сме толкова далеч от пълното разбиране на природата както на вътрешно-, така и на междумолекулните взаимодействия, разкриване на механизма на реакциите, протичащи върху повърхности с желани свойства, и установяване на структурата на каталитичните центрове на ензими и комплекси от преходни метали. На микроскопично ниво могат да се отбележат работи по кинетиката на образуване на такива сложни структури като снежинки или дендрити (кристали с дървовидна структура), които стимулират развитието на компютърни симулации, базирани на прости модели на теорията на нелинейната динамика; това открива перспективи за създаване на нови подходи за описание на структурата и развитието на сложни системи.