FIZIČKA KEMIJA

§ 1. Predmet fizikalne kemije. Njegovo značenje

Odnos proučavanja kemijskih i fizikalnih pojava fizička kemija. Ova grana kemije je granica između kemije i fizike. Koristeći se teorijskim i eksperimentalnim metodama obiju znanosti, kao i vlastitim metodama, fizikalna se kemija bavi višestrukim proučavanjem kemijskih reakcija i fizikalnih procesa koji ih prate. Budući da, međutim, ni višeznačna studija nikada nije potpuna i ne pokriva fenomen na iscrpan način, zakoni i zakoni fizikalne kemije, kao i oni drugih prirodnih znanosti, uvijek pojednostavljuju pojavu i ne odražavaju je u potpunosti.

Brzi razvoj i rastuća važnost fizičke kemije povezani su s njezinim graničnim položajem između fizike i kemije. Glavni opći zadatak fizikalne kemije je predviđanje vremenskog tijeka procesa i konačnog rezultata (ravnotežnog stanja) u različitim uvjetima na temelju podataka o strukturi i svojstvima tvari koje čine proučavani sustav.

§ 2. Kratak prikaz povijesti razvoja fizikalne kemije

Pojam "fizikalna kemija" i definiciju ove znanosti prvi je dao M.V. Lomonosov, koji je 1752.-1754. pročitao kolegij fizikalne kemije studentima Akademije znanosti i ostavio rukopis ovog kolegija "Uvod u pravu fizikalnu kemiju" (1752). Lomonosov je proveo mnoga istraživanja, čije teme odgovaraju "Planu tečaja fizikalne kemije" koji je sastavio (1752.) i programu eksperimentalnog rada "Iskustvo u fizikalnoj kemiji" (1754.). Pod njegovim vodstvom održana je i učenička radionica fizikalne kemije.

Lomonosov je dao sljedeću definiciju fizikalne kemije: "Fizikalna kemija je znanost koja objašnjava, na temelju odredbi i eksperimenata fizike, što se događa u mješovitim tijelima tijekom kemijskih operacija." Ova je definicija bliska modernoj.

Za razvoj fizikalne kemije od velike je važnosti otkriće dvaju zakona termodinamike sredinom 19. stoljeća (S. Carnot, Yu.R. Mayer, G. Helmholtz, DP Joule, R. Clausius, W. Thomson). važnost.

Broj i raznovrsnost istraživanja, koja se nalaze na području koje graniči između fizike i kemije, stalno se povećavala u 19. stoljeću. Razvijena je termodinamička teorija kemijske ravnoteže (K.M. Guldberg, P. Waage, D.W. Gibbs). Studije L.F. Wilhelmija postavile su temelje za proučavanje brzina kemijskih reakcija (kemijska kinetika). Proučavan je prijenos električne energije u otopinama (I.V. Gittorf, F.V.G. Kolrausch), proučavani su zakoni ravnoteže otopina s parom (D.P. Konovalov) i razvijana teorija otopina (D.I. Mendelejev).

Priznanje fizičke kemije kao samostalne znanosti i akademske discipline izraženo je osnivanjem na Sveučilištu u Leipzigu (Njemačka) 1887. godine prvog odjela za fizikalnu kemiju pod vodstvom W. Ostwalda i osnivanjem prvog znanstvenog časopisa o fizikalnoj kemiji. kemija tamo. Krajem 19. stoljeća Sveučilište u Leipzigu bilo je središte razvoja fizikalne kemije, a vodeći fizikalni kemičari bili su W. Ostwald, J. H. Van't Hoff, S. Arrhenius i W. Nernst. Do tada su definirana tri glavna dijela fizikalne kemije - kemijska termodinamika, kemijska kinetika i elektrokemija.

Najvažnija područja znanosti, čiji je razvoj nužan uvjet za tehnički napredak, uključuju proučavanje kemijskih procesa; fizikalna kemija igra vodeću ulogu u razvoju ovog problema.

§ 3. Sekcije fizikalne kemije. Metode istraživanja

Kemijska termodinamika. U ovom dijelu, na temelju zakona opće termodinamike, izlažu se zakoni kemijske ravnoteže i doktrina fazne ravnoteže.

Nauk o otopinama ima za cilj objasniti i predvidjeti svojstva otopina (homogene smjese više tvari) na temelju svojstava tvari koje čine otopinu.

Nauk o površinskim pojavama. Proučavaju se različita svojstva površinskih slojeva krutih tvari i tekućina (međufaza); jedna od glavnih proučavanih pojava u površinskim slojevima je adsorpcija(nakupljanje tvari u površinskom sloju).

U sustavima gdje su međusklopovi između tekuće, čvrste i plinovite faze jako razvijeni (emulzije, magle, dimovi, itd.), svojstva površinskih slojeva postaju od primarne važnosti i određuju mnoga jedinstvena svojstva cijelog sustava kao cijeli. Takav raspršena (mikroheterogena) sustavi se proučavaju koloidna kemija,što je glavna samostalna grana fizikalne kemije.

Gornji popis glavnih odjeljaka fizikalne kemije ne pokriva neka područja i manje dijelove ove znanosti, koji se mogu smatrati dijelovima većih odjeljaka ili kao samostalni dijelovi fizikalne kemije. Treba još jednom naglasiti blisku međusobnu povezanost različitih grana fizikalne kemije. U proučavanju bilo kojeg fenomena potrebno je koristiti arsenal ideja, teorija i metoda za proučavanje mnogih grana kemije (a često i drugih znanosti). Tek uz početno upoznavanje fizikalne kemije moguće je u obrazovne svrhe rasporediti gradivo u naznačene odjeljke.

Metode fizikalnih i kemijskih istraživanja. Osnovne metode fizikalne kemije su naravno metode fizike i kemije. To je, prije svega, eksperimentalna metoda - proučavanje ovisnosti svojstava tvari o vanjskim uvjetima, eksperimentalno proučavanje zakona tijeka različitih procesa i zakona kemijske ravnoteže.

Teorijsko razumijevanje eksperimentalnih podataka i stvaranje koherentnog sustava znanja temelji se na metodama teorijske fizike.

Termodinamička metoda, koja je jedna od njih, omogućuje kvantitativno povezivanje različitih svojstava tvari ("makroskopska" svojstva) i izračunavanje nekih od tih svojstava na temelju eksperimentalnih vrijednosti drugih svojstava.

POGLAVLJE I
PRVI ZAKON TERMODINAMIJE

§ 1. Energija. Zakon održanja i transformacije energije

Sastavni svojstvo (atribut) materije je kretanje; neuništiv je, kao i sama materija. Gibanje materije se očituje u različitim oblicima, koji mogu prelaziti jedan u drugi. Mjera kretanja materije je energije. Kvantitativno, energija se na određeni način izražava kroz parametre karakteristične za svaki pojedini oblik kretanja, te u jedinicama specifičnim za taj oblik.

U SI sustavu jedinica jedinica za energiju (toplina i rad) je džul ( J), jednak radu sile u 1 H na putu do 1 m. 1 J = 1 Nm.

Široko korištena jedinica energije (topline), kalorija, trenutno je izvansustavna jedinica koja je dopuštena za korištenje. Trenutno korištena kalorija, po definiciji, jednaka je određenom broju džula: 1 izmet jednako 4,1868 džula. Ova jedinica se koristi u toplinskoj tehnici i može se nazvati toplinska kalorija. U kemijskoj termodinamici koristi se nešto drugačija jedinica, izjednačena s 4,1840 džula i nazvana termokemijska kalorija. Svrsishodnost njegove primjene povezana je s praktičnošću korištenja opsežnog eksperimentalnog termokemijskog materijala prikupljenog u referentnim knjigama i izraženog u tim jedinicama.

Kada se jedan oblik gibanja transformira u drugi, energije nestalog i nastalog kretanja, izražene u različitim jedinicama, međusobno su ekvivalentne, tj. energija nestalog kretanja u stalnom je kvantitativnom odnosu prema energiji gibanja. koji je nastao (zakon ekvivalentnih transformacija energije). Taj omjer ne ovisi o energijama dvaju oblika gibanja i o specifičnim uvjetima pod kojima se dogodio prijelaz iz jednog oblika gibanja u drugi. Dakle, kada se energija električne struje pretvori u energiju kaotičnog molekularnog gibanja, jedan džul električne energije uvijek se pretvara u 0,239 izmet energija molekularnog kretanja.

Dakle, energija se kao mjera gibanja materije uvijek očituje u kvalitativno izvornom obliku, koji odgovara danom obliku gibanja, i izražava se u odgovarajućim mjernim jedinicama. S druge strane, kvantitativno odražava jedinstvo svih oblika kretanja, njihovu međusobnu konvertibilnost i neuništivost kretanja.

Gornji zakon ekvivalentnih transformacija energije je fizikalni eksperimentalni zakon. Zakon ekvivalentnih energetskih transformacija može se izraziti drugačije, naime u obliku zakon održanja i transformacije energije: energija se ne stvara niti uništava; u svim procesima i pojavama, ukupna energija svih dijelova izoliranog materijalnog sustava koji sudjeluju u tom procesu ne raste niti se smanjuje, ostajući konstantna.

Zakon održanja i transformacije energije je univerzalan u smislu da je primjenjiv na pojave koje se javljaju u proizvoljno velikim tijelima, koja predstavljaju agregat ogromnog broja molekula, te na pojave koje se događaju uz sudjelovanje jedne ili nekoliko molekula.

Za različite oblike mehaničkog gibanja, zakon održanja energije dugo se izražavao u kvalitativnom obliku (Descartes - 1640) i kvantitativnom obliku (Leibniz - 1697).

Za međusobne transformacije topline i rada (vidi dolje), zakon održanja energije dokazan je kao prirodoslovni zakon studijama Yu. R. Mayera, G. Helmholtza i DP Joulea, provedenim četrdesetih godina prošlog stoljeća. XIX stoljeća.

Koristeći zakon ekvivalentnih transformacija moguće je izraziti energije različitih oblika gibanja u jedinicama karakterističnim za jednu vrstu energije (jedan oblik gibanja), a zatim izvršiti operacije zbrajanja, oduzimanja itd.

§ 2. Predmet, metoda i granice termodinamike

Termodinamika je jedna od glavnih grana teorijske fizike. Termodinamika proučava zakone međusobnih transformacija različitih vrsta energije povezanih s prijenosom energije između tijela u obliku topline i rada. Usmjeravajući svoju pozornost na toplinu i rad kao oblike prijenosa energije u raznim procesima, termodinamika uključuje brojne energetske veze i ovisnosti između različitih svojstava tvari u svom krugu razmatranja i daje vrlo široko primjenjive generalizacije tzv. zakone termodinamike.

Prilikom uspostavljanja osnovnih termodinamičkih zakona, energetske transformacije (često vrlo složene) koje se događaju unutar tijela obično nisu detaljne. Vrste energije svojstvene tijelu u njegovom danom stanju također se ne razlikuju; ukupnost svih ovih vrsta energije smatra se jedinstvenom unutarnja energija sustava .

Gore navedeni predmet termodinamike definira metodu i granice ove znanosti. Razlika između topline i rada, koju termodinamika uzima kao početnu točku, i suprotstavljanja topline radu ima smisla samo za tijela koja se sastoje od mnogo molekula, budući da za jednu molekulu ili za skup od malog broja molekula, koncepti toplina i rad gube smisao. Stoga termodinamika razmatra samo tijela koja se sastoje od velikog broja molekula, tzv. makroskopski sustavištoviše, termodinamika u svom klasičnom obliku ne uzima u obzir ponašanje i svojstva pojedinih molekula.

Termodinamičku metodu karakterizira i činjenica da je predmet proučavanja tijelo ili skupina tijela izolirana od materijalnog svijeta u termodinamički sustav (u daljnjem tekstu jednostavno sustav).

Sustav ima određene granice koje ga odvajaju od vanjskog svijeta (okoliša).

Sustav je homogena , ako svaki njegov parametar ima istu vrijednost u svim dijelovima sustava ili se kontinuirano mijenja od točke do točke.

Sustav je heterogena , ako se sastoji od nekoliko makroskopskih (sastoje se naizmjence od mnogo molekula) dijelova, međusobno odvojenih vidljivim sučeljima. Na tim površinama neki se parametri naglo mijenjaju. Takav je, na primjer, sustav "čvrsta sol - zasićena vodena otopina soli - zasićena vodena para". Ovdje, na granicama sol - otopina i otopina - para, sastav i gustoća se naglo mijenjaju.

Homogeni dijelovi sustava, odvojeni od ostalih dijelova vidljivim sučeljima, nazivaju se fazama . U ovom slučaju, skup pojedinačnih homogenih dijelova sustava koji imaju ista fizikalna i termodinamička svojstva smatra se jednom fazom (na primjer, skup kristala jedne tvari ili skup kapljica tekućine suspendiranih u plinu i tvoreći magla). Svaku fazu sustava karakterizira vlastita jednadžba stanja.

Sustav koji ne može izmjenjivati ​​materiju i energiju s okolinom (u obliku topline ili rada) naziva se izolirani .

Sustav koji može izmjenjivati ​​materiju i energiju s okolinom (u obliku topline ili rada) tzv otvorena.

Sustav koji ne može izmjenjivati ​​materiju s okolinom, ali može izmjenjivati ​​energiju (u obliku topline ili rada) naziva se zatvoreno .

Termodinamika proučava odnos između ovakvih mjerljivih svojstava materijalnog sustava kao cjeline i njegovih makroskopskih dijelova (faza), kao što su temperatura, tlak, masa, gustoća i kemijski sastav faza uključenih u sustav, te nekih drugih svojstava, kao i kao odnos između promjena tih svojstava.

Skup svojstava koja proučava termodinamika (tzv termodinamičkih parametara sustava) definira termodinamičko stanje sustava. Promjena bilo kojeg termodinamičkog svojstva (čak i samo jednog) dovodi do promjene termodinamičkog stanja sustava.

Svi procesi koji se događaju u prirodi mogu se podijeliti na spontane (prirodne) i nespontane.

Spontani procesi To su procesi koji ne zahtijevaju vanjski unos energije. Na primjer, prijenos topline s tijela s višom temperaturom na tijelo s nižom temperaturom, otapanje soli u vodi i sl. odvijaju se sami od sebe.

Nespontani procesi zahtijevaju energiju izvana za njihov protok, na primjer, razdvajanje zraka na dušik i kisik.

Termodinamika uglavnom razmatra takva stanja sustava u kojima se njegovi parametri (temperatura, tlak, elektrostatički potencijal itd.) ne mijenjaju spontano s vremenom i imaju istu vrijednost u svim točkama volumena pojedinih faza. Takva stanja se nazivaju uravnotežen.

Jedan od osnovnih postulata termodinamike je tvrdnja da tijek bilo kojeg spontanog procesa u konačnici dovodi izolirani sustav u stanje ravnoteže, kada se njegova svojstva više neće mijenjati, tj. uspostavit će se ravnoteža u sustavu.

Stanja karakterizirana neravnomjernim i vremenski promjenjivim raspodjelama temperature, tlaka i sastava unutar faza su neravnoteža. Njih razmatra termodinamika neravnotežnih (ireverzibilnih) procesa, u kojima se, osim osnovnih termodinamičkih zakona, koriste i dodatne pretpostavke.

Termodinamika, izgrađena na temelju osnovnih zakona termodinamike, koji se smatraju generalizacijom iskustva, često se naziva klasična ili fenomenološka termodinamika. Termodinamika daje teorijske temelje za teoriju toplinskih motora; ovaj odjeljak se zove tehnička termodinamika. Bavi se proučavanjem kemijskih procesa s termodinamičkog stajališta kemijska termodinamika,što je jedna od glavnih grana fizikalne kemije.

§ 3. Toplina i rad

Promjene oblika gibanja tijekom njegovog prijelaza s jednog tijela na drugo i odgovarajuće transformacije energije vrlo su raznolike. Oblici samog prijelaza gibanja i s njim povezani prijelazi energije mogu se podijeliti u dvije skupine.

Prva skupina uključuje samo jedan oblik prijelaza gibanja kaotičnim sudarima molekula dvaju susjednih tijela, t.j. provođenjem (i u isto vrijeme zračenjem). Mjera kretanja koja se prenosi na ovaj način je toplina .

Druga skupina uključuje različite oblike prijelaza kretanja, čija je zajednička značajka kretanje makroskopskih masa pod djelovanjem bilo kakvih vanjskih sila koje imaju usmjereni karakter. Takvi su dizanje tijela u gravitacijskom polju, prijelaz određene količine električne energije iz većeg elektrostatičkog potencijala u manji, širenje plina pod tlakom itd. Opća mjera kretanja koja se prenosi takvim sredstvima je Posao .

Toplina i rad karakteriziraju kvalitativno i kvantitativno dva različita oblika prijenosa kretanja iz jednog dijela materijalnog svijeta u drugi.

Prijenos kretanja je vrsta složenog kretanja materije, čija dva glavna oblika razlikujemo. Toplina i rad mjere su ova dva složena oblika gibanja materije i treba ih smatrati vrstama energije.

Zajedničko svojstvo topline i rada je da su bitni samo tijekom vremenskih intervala u kojima se ti procesi odvijaju. Tijekom takvih procesa u nekim tijelima gibanje u jednom ili drugom obliku opada i odgovarajuća energija se smanjuje, dok se u drugim tijelima povećava gibanje u istim ili drugim oblicima i povećavaju odgovarajuće vrste energije.

Ne govorimo o zalihama topline ili radu u bilo kojem tijelu, već samo o toplini i radu poznatog procesa. Nakon njegovog završetka ne treba govoriti o prisutnosti topline ili rada u tijelima.

§ 4. Ekvivalencija topline i rada

Konstantni ekvivalentni omjer između topline i rada tijekom njihovih međusobnih prijelaza utvrđen je u klasičnim eksperimentima D.P. Joulea (1842-1867). Tipičan Jouleov eksperiment je sljedeći.

Joule uređaj za određivanje mehaničkog ekvivalenta topline.

Utezi koji padaju s poznate visine zakreću mješalicu uronjenu u vodu u kalorimetru (uteg i kalorimetar s vodom čine termodinamički sustav.) Rotacija lopatica mješalice u vodi uzrokuje zagrijavanje vode u kalorimetru; kvantificira se odgovarajući porast temperature.

Nakon što je navedeni proces dovršen, sustav se mora dovesti u prvobitno stanje. To se može učiniti kroz mentalno iskustvo. Utezi se dižu do svoje izvorne visine, dok se vanjski rad troši, što povećava energiju sustava. Osim toga, toplina se odvodi iz kalorimetra (prenosi u okolinu) hlađenjem na početnu temperaturu. Ove operacije vraćaju sustav u prvobitno stanje, tj. sva mjerljiva svojstva sustava dobivaju iste vrijednosti koje su imala u početnom stanju. Proces tijekom kojeg su se promijenila svojstva sustava i na kraju kojeg se vratio u prvobitno stanje naziva se kružni (ciklički) proces ili ciklus .

Jedini rezultat opisanog ciklusa je uklanjanje rada iz okoline koja okružuje sustav, te prijenos topline uzete iz kalorimetra u tu okolinu.

Usporedba ovih dviju veličina, mjerenih u odgovarajućim jedinicama, pokazuje stalan odnos između njih, neovisno o veličini tereta, veličini kalorimetra te specifičnim količinama topline i rada u različitim pokusima.

Preporučljivo je zapisati toplinu i rad u cikličkom procesu kao zbroj (integral) beskonačno malih (elementarnih) toplina  P i beskonačno male (elementarne) poslove  W, a početna i konačna granica integracije se poklapaju (ciklus).

Tada se ekvivalencija topline i rada u cikličkom procesu može zapisati na sljedeći način:

(ja, 1)

U jednadžbi (I, 1) znak označava integraciju kroz ciklus. Konstantnost koeficijenta k odražava jednakost topline i rada ( k je mehanički ekvivalent topline). Jednadžba (I, 1) izražava zakon održanja energije za određeni, vrlo važan slučaj pretvorbe rada u toplinu.

U studijama Joulea, Rowlanda (1880.), Miculescua (1892.) i drugih korištene su metode trenja u metalima, udarca, izravnog pretvaranja rada električne struje u toplinu, rastezanja čvrstih tijela itd. k uvijek konstantan unutar eksperimentalne pogreške.

U nastavku se uvijek pretpostavlja da rad i toplina, uz pomoć koeficijenta k izraženo u istim jedinicama (bez obzira na sve) i koef k ide dolje.

§ 5. Unutarnja energija

Za ne-kružni proces, jednakost (I, 1) se ne poštuje, budući da se sustav ne vraća u prvobitno stanje. Umjesto toga, mogu se napisati jednakosti za ne-kružni proces (izostavljajući koeficijent k):

≠

Budući da su granice integracije općenito proizvoljne, onda za elementarne veličine  W I  P:

P   W,

posljedično:

P – W  0

Označite razliku  P –  W za bilo koji elementarni termodinamički proces kroz dU:

dU   P – W (I, 2)

ili za završni postupak:

– (I, 2a)

Vraćajući se na kružni proces, dobivamo (iz jednadžbe I, 1):

=
–
= 0 (I, 3)

Dakle, vrijednost dU je ukupni diferencijal neke funkcije stanja sustava. Kada se sustav vrati u prvobitno stanje (nakon cikličke promjene), vrijednost ove funkcije dobiva svoju izvornu vrijednost.

Funkcija stanja sustavaU , definirano jednakostima (ja, 2) ili (ja, 2a) zove seunutarnja energija sustava .

Očito se izraz (I, 2a) može zapisati na sljedeći način:

= U 2 – U 1 = ∆ U = – (I, 2b)

U 2 – U 1 = ∆U = Q – W

Ovo obrazloženje empirijski potkrepljuje prisutnost određene funkcije stanja sustava, koja ima značenje ukupne mjere svih kretanja koje sustav ima.

Drugim riječima, unutarnja energija uključuje translacijsku i rotacijsku energiju molekula, energiju vibracija atoma i skupina atoma u molekuli, energiju gibanja elektrona, intranuklearnu i druge vrste energije, odnosno ukupnost svih vrsta energije čestica. u sustavu, s izuzetkom potencijalne i kinetičke energije samog sustava.

Pretpostavimo da se ciklički proces odvijao na način da nakon što se sustav vratio u početno stanje, unutarnja energija sustava nije poprimila početnu vrijednost, već se povećala. U tom slučaju bi ponavljanje kružnih procesa uzrokovalo nakupljanje energije u sustavu. Ovu energiju bilo bi moguće pretvoriti u rad i na taj način dobiti rad ne na račun topline, već „ni iz čega“, budući da su u kružnom procesu rad i toplina međusobno ekvivalentni, što pokazuju izravni eksperimenti. .

Nemogućnost dovršetka navedenog ciklusa izgradnje perpetuum mobile (perpetuum mobile) prve vrste, koji daje rad bez trošenja ekvivalentne količine druge vrste energije, dokazuje se negativnim rezultatom tisuća godina ljudskog iskustva. Ovaj rezultat dovodi do istog zaključka koji smo dobili u posebnom, ali rigoroznijem obliku analizom Jouleovih eksperimenata.

Formulirajmo dobiveni rezultat još jednom. Ukupna energija sustava (njegova unutarnja energija) kao rezultat cikličkog procesa vraća se na svoju izvornu vrijednost, tj. unutarnja energija sustava u danom stanju ima jednu određenu vrijednost i ne ovisi o promjenama koje je sustav prošao. prije dolaska u ovo stanje.

Drugim riječima, unutarnja energija sustava je jednovrijedna, kontinuirana i konačna funkcija stanja sustava.

Promjena unutarnje energije sustava određena je izrazom (I, 2b); izraz (I, 3) vrijedi za kružni proces. Uz beskonačno malu promjenu nekih svojstava (parametara) sustava, beskonačno se mijenja i unutarnja energija sustava. Ovo je svojstvo kontinuirane funkcije.

Unutar termodinamike nema potrebe koristiti opću definiciju pojma unutarnje energije. Formalna kvantitativna definicija kroz izraze (I, 2) ili (I, 2a) dovoljna je za sva daljnja termodinamička razmišljanja i zaključke.

Budući da je unutarnja energija sustava funkcija njegovog stanja, tada je, kao što je već spomenuto, povećanje unutarnje energije s beskonačno malim promjenama parametara stanja sustava ukupni diferencijal funkcije stanja. Rastavljanje integrala u jednadžbi (I, 3) na dva integrala po dijelovima puta od stanja 1 do države 2 (put "a") (vidi sl. I) i obrnuto - iz države 2

napredni tečaj fizički kemija 6. ispit Prije savladavanja discipline „Napredni fizički kemija"trebalo bi biti... do fizički kemija. / Uredio V.V. Budanova, N.K. Vorobyov. – L.: Kemija, 1986. - 352 str. Praktični rad na fizički kemija ...

1. Fizikalna kemija: svrha, zadaci, metode istraživanja. Osnovni pojmovi fizikalne kemije.

fiz. kemija - znanost o zakonitostima kemijskih procesa i kem. pojavama.

Predmet fizikalne kemije objašnjenje kem. fenomeni temeljeni na općenitijim zakonima fizike. Fizikalna kemija razmatra dvije glavne skupine pitanja:

1. Proučavanje strukture i svojstava tvari i njezinih sastavnih čestica;

2. Proučavanje procesa međudjelovanja tvari.

Fizikalna kemija ima za cilj proučavanje odnosa između m/y kemijskih i fizikalnih pojava. Poznavanje takvih odnosa potrebno je za dublje proučavanje kemijskih reakcija koje se događaju u prirodi i koje se koriste u tehnologiji. procesa, kontroliraju dubinu i smjer reakcije. Glavni cilj discipline Fizikalna kemija je proučavanje općih odnosa i obrazaca kemije. procesi temeljeni na temeljnim principima fizike. Fizikalna kemija primjenjuje fizičku. teorije i metode za kemijske pojave.

Objašnjava ZAŠTO i KAKO dolazi do transformacija tvari: kem. reakcije i fazni prijelazi. ZAŠTO - kemijska termodinamika. AS - kemijska kinetika.

Osnovni pojmovi fizikalne kemije

Glavni predmet kem. termodinamika je termodinamički sustav. Termodinamički sustav - svako tijelo ili skup tijela sposoban razmjenjivati ​​energiju i materiju sa sobom i s drugim tijelima. Sustavi se dijele na otvorene, zatvorene i izolirane. otvorena i ja - termodinamički sustav izmjenjuje s vanjskim okruženjem i in-ciju i energiju. Zatvoreno i ja - sustav u kojem nema razmjene tvari s okolinom, ali s njom može izmjenjivati ​​energiju. izolirani i ja -volumen sustava ostaje konstantan i lišen je mogućnosti razmjene s okolinom i energijom i in-cijom.

Sustav može biti homogena (homogena) ili heterogena (heterogena ). Faza - ovo je dio sustava koji u odsustvu vanjskog polja sila ima isti sastav u svim svojim točkama i istu termodinamiku. St. vas i odvojen od ostalih dijelova sustava sučeljem. Faza je uvijek homogena, t.j. homogen, pa se jednofazni sustav naziva homogenim. Sustav koji se sastoji od nekoliko faza naziva se heterogen.

Svojstva sustava podijeljena su u dvije grupe: opsežna i intenzivna.

U termodinamici se koriste koncepti ravnotežnih i reverzibilnih procesa. ravnoteža je proces koji prolazi kroz kontinuirani niz ravnotežnih stanja. Reverzibilni termodinamički proces je proces koji se može izvesti u obrnutom smjeru bez ostavljanja ikakvih promjena u sustavu i okruženju.

2. I-ti zakon termodinamike. Unutarnja energija, toplina, rad.

Prvi zakon termodinamike izravno povezana sa zakonom održanja energije. Na temelju ovog zakona slijedi da u svakom izoliranom sustavu opskrba energijom ostaje konstantna. Druga formulacija prvog zakona termodinamike proizlazi iz zakona održanja energije – nemogućnosti stvaranja perpetuum mobile-a prve vrste, koji bi proizvodio rad bez trošenja energije na njega. Formulacija, posebno važna za kemijsku termodinamiku,

Prvi princip je njezin izraz kroz koncept unutarnje energije: unutarnja energija je funkcija stanja, t.j. njegova promjena ne ovisi o putu procesa, već ovisi samo o početnom i konačnom stanju sustava. Promjena unutarnje energije sustava  U može nastati izmjenom topline P i posao W s okolinom. Tada iz zakona održanja energije slijedi da se toplina Q koju sustav primi izvana troši na prirast unutarnje energije ΔU i rad W koji sustav izvrši, t.j. Q=Δ U+W. S obzirom na to na poravnanje je

matematički izraz prvog zakona termodinamike.

japočetak termodinamike njegov tekst:

u bilo kojem izoliranom sustavu, opskrba energijom ostaje konstantna;

različiti oblici energije prelaze jedan u drugi u strogo jednakim količinama;

vječni motor (perpetuum mobilni) prve vrste je nemoguće;

unutarnja energija je funkcija stanja, t.j. njegova promjena ne ovisi o putu procesa, već ovisi samo o početnom i konačnom stanju sustava.

analitički izraz: P = D U + W ; za beskonačno malu promjenu količina d P = dU + d W .

Prvi zakon termodinamike postavlja omjer. m / y toplina Q, rad A i promjena int. energija sustava ΔU. Promjena int. Energija sustava jednaka je količini topline prenesene sustavu umanjenoj za količinu rada koji sustav izvrši protiv vanjskih sila.

Jednadžba (I.1) - matematički zapis 1. zakona termodinamike, jednadžba (I.2) - za beskonačno malu promjenu komp. sustavima.

Int. funkcija energetskog stanja; to znači da promjena-e ext. energija ΔU ne ovisi o putu prijelaza sustava iz stanja 1 u stanje 2 i jednaka je razlici između vrijednosti ekst. energije U2 i U1 u ovim stanjima: (I.3)

Int. Energija sustava je zbroj potencijalne energije interakcije. sve čestice tijela m / y i kinetičku energiju njihova kretanja (bez uzimanja u obzir kinetičke i potencijalne energije sustava u cjelini). Int. energija sustava ovisi o prirodi otoka, njegovoj masi i o parametrima stanja sustava. Ona je u godinama. s povećanjem mase sustava, budući da je to ekstenzivno svojstvo sustava. Int. energija se označava slovom U i izražava u džulima (J). U općem slučaju, za sustav s količinom od 1 mol. Int. energije, kao i svaka termodinamička. St. u sustavu, yavl-Xia funkcija komp. Izravno u eksperimentu, samo promjene u unutarnjem energije. Zato se u proračunima uvijek operira s njegovom promjenom U2 –U1 = U.

Sve promjene unutarnjeg energije se dijele u dvije skupine. U 1. skupinu spada samo 1. oblik prijelaza gibanja kaotičnim sudarima molekula dvaju susjednih tijela, t.j. provođenjem (i u isto vrijeme zračenjem). Mjera kretanja koja se prenosi na ovaj način je toplina. koncept toplina povezana s ponašanjem ogromnog broja čestica - atoma, molekula, iona. Oni su u stalnom kaotičnom (toplinskom) kretanju. Toplina je oblik prijenosa energije. Drugi način razmjene energije je Posao. Ova izmjena energije je posljedica djelovanja sustava ili djelovanja koje se na njemu vrši. Obično se rad označava simbolom W. Rad, kao i toplina, nije funkcija stanja sustava, pa se vrijednost koja odgovara beskonačno malom radu označava simbolom djelomične derivacije - W.

Znanost koja objašnjava kemijske pojave i utvrđuje njihove obrasce na temelju općih principa fizike. Naziv znanosti fizička kemija uveo je M. V. Lomonosov, koji je prvi put (1752. 1753.) formulirao njezin predmet i zadatke i ustanovio jedan ... ... Veliki enciklopedijski rječnik

FIZIČKA KEMIJA- FIZIČKA KEMIJA, “znanost koja objašnjava, na temelju odredbi i eksperimenata, fizički uzrok onoga što se događa kroz kem. operacije u složenim tijelima. Ovu definiciju dao joj je prvi fizikokemičar M.V. Lomonosov u tečaju koji je pročitao ... Velika medicinska enciklopedija

FIZIČKA KEMIJA, znanost koja proučava fizičke promjene povezane s KEMIJSKIM REAKCIJAMA, kao i odnos između fizikalnih svojstava i kemijskog sastava. Glavni dijelovi fizičke kemije TERMODINAMIKA, koji se bave promjenama energije u ... ... Znanstveno-tehnički enciklopedijski rječnik

Fizička kemija- - grana kemije u kojoj se proučavaju kemijska svojstva tvari na temelju fizikalnih svojstava njihovih sastavnih atoma i molekula. Moderna fizikalna kemija je široko interdisciplinarno područje koje graniči s različitim granama fizike... Enciklopedija pojmova, definicija i objašnjenja građevinskih materijala

FIZIČKA KEMIJA, objašnjava kemijske pojave i utvrđuje njihove zakonitosti na temelju općih principa fizike. Uključuje kemijsku termodinamiku, kemijsku kinetiku, doktrinu katalize, itd. Termin fizikalna kemija uveo je M.V. Lomonosov 1753. Moderna enciklopedija

Fizička kemija- FIZIČKA KEMIJA, objašnjava kemijske pojave i utvrđuje njihove obrasce na temelju općih principa fizike. Obuhvaća kemijsku termodinamiku, kemijsku kinetiku, doktrinu katalize itd. Termin “fizikalna kemija” uveo je M.V. Lomonosov u ... ... Ilustrirani enciklopedijski rječnik

FIZIČKA KEMIJA- odjeljak kem. znanosti, studiranje kemije. fenomeni temeljeni na principima fizike (vidi (1)) i fizikalnih. eksperimentalne metode. F. x. (poput kemije) uključuje nauk o strukturi materije, kem. termodinamika i kemija. kinetika, elektrokemija i koloidna kemija, nastava ... ... Velika politehnička enciklopedija

Postoji., broj sinonima: 1 fizički (1) Rječnik sinonima ASIS-a. V.N. Trishin. 2013 ... Rječnik sinonima

fizička kemija- — EN fizikalna kemija Znanost koja se bavi učincima fizikalnih pojava na kemijska svojstva. (Izvor: LEE) … … Priručnik tehničkog prevoditelja

fizička kemija- - znanost koja objašnjava kemijske pojave i uspostavlja njihove obrasce na temelju fizikalnih principa. Rječnik analitičke kemije... Kemijski pojmovi

knjige

• Fizička kemija, A. V. Artemov. Udžbenik je izrađen u skladu sa Federalnim državnim obrazovnim standardom za područja izobrazbe prvostupnika, koji predviđa izučavanje discipline `Fizikalna kemija`.
• Fizička kemija, Yu. Ya. Kharitonov. U udžbeniku su iznesene osnove fizikalne kemije u skladu s okvirnim programom za disciplinu "Fizikalna i koloidna kemija" za specijalnost 060301 "Farmacija". Publikacija je namijenjena…

Početak fizikalne kemije položen je sredinom 18. stoljeća. Pojam "Fizička kemija", u suvremenom shvaćanju metodologije znanosti i pitanja teorije znanja, pripada MV Lomonosovu, koji je prvi put pročitao "Tečaj prave fizičke kemije" studentima Sveučilišta St. . U preambuli ovih predavanja daje sljedeću definiciju: "Fizikalna kemija je znanost koja mora, na temelju odredbi i eksperimenata fizikalnih znanstvenika, objasniti razlog onoga što se događa kroz kemijske operacije u složenim tijelima." Znanstvenik se u djelima svoje korpuskularno-kinetičke teorije topline bavi pitanjima koja u potpunosti zadovoljavaju navedene zadaće i metode. Upravo je to priroda eksperimentalnih radnji koje služe za potvrđivanje pojedinih hipoteza i odredbi ovog koncepta. M. V. Lomonosov slijedio je ta načela u mnogim područjima svojih istraživanja: u razvoju i praktičnoj provedbi “znanosti o staklu” koju je on utemeljio, u raznim eksperimentima posvećenim potvrđivanju zakona održanja tvari i sile (gibanja); - u radovima i eksperimentima vezanim uz nauk o rješenjima - razvio je opsežan program istraživanja ovog fizikalno-kemijskog fenomena koji je u procesu razvoja do danas.

Potom je uslijedio prekid od više od sto godina, a jednu od prvih fizikalno-kemijskih studija u Rusiji krajem 1850-ih započeo je D. I. Mendeljejev.

Sljedeći tečaj fizičke kemije predavao je N. N. Beketov na Harkovskom sveučilištu 1865. godine.

Prvi odsjek fizičke kemije u Rusiji otvoren je 1914. godine na Fakultetu fizike i matematike Sveučilišta u Sankt Peterburgu, a u jesen je student DP Konovalova, MS Vrevsky, počeo čitati obvezni kolegij i praktičnu nastavu fizičke kemije. .

Prvi znanstveni časopis namijenjen objavljivanju članaka o fizikalnoj kemiji osnovali su 1887. W. Ostwald i J. van't Hoff.

Predmet fizičke kemije

Fizikalna kemija je glavni teorijski temelj moderne kemije, koristeći teorijske metode tako važnih dijelova fizike kao što su kvantna mehanika, statistička fizika i termodinamika, nelinearna dinamika, teorija polja itd. Uključuje doktrinu o strukturi materije, uključujući: struktura molekula, kemijska termodinamika, kemijska kinetika i kataliza. Kao zasebne sekcije u fizikalnoj kemiji izdvajaju se i elektrokemija, fotokemija, fizikalna kemija površinskih pojava (uključujući adsorpciju), kemija zračenja, teorija korozije metala, fizikalna kemija makromolekularnih spojeva (vidi fizika polimera) itd. Vrlo usko susjedni. fizikalnoj kemiji i ponekad se smatraju njezinim neovisnim dijelovima koloidne kemije, fizikalno-kemijske analize i kvantne kemije. Većina odjeljaka fizikalne kemije ima prilično jasne granice u pogledu predmeta i istraživačkih metoda, metodoloških značajki i korištenih aparata.

Razlika između fizikalne kemije i kemijske fizike

Sadržaj članka

KEMIJA FIZIKALNA, grana kemije koja proučava kemijska svojstva tvari na temelju fizikalnih svojstava njihovih sastavnih atoma i molekula. Moderna fizikalna kemija je široko interdisciplinarno područje koje graniči s različitim granama fizike, biofizike i molekularne biologije. Ima mnogo dodirnih točaka s takvim granama kemijske znanosti kao što su organska i anorganska kemija.

Posebnost kemijskog pristupa (za razliku od fizikalnog i biološkog) je da se, uz opis makroskopskih pojava, njihova priroda objašnjava na temelju svojstava pojedinih molekula i međudjelovanja među njima.

Novi instrumentalni i metodološki razvoji u području fizikalne kemije koriste se u drugim granama kemije i srodnim znanostima, poput farmakologije i medicine. Primjeri uključuju elektrokemijske metode, infracrvenu (IR) i ultraljubičastu (UV) spektroskopiju, tehnike lasera i magnetske rezonancije, koje se široko koriste u terapiji i dijagnostici raznih bolesti.

Tradicionalno se smatraju glavnim dijelovima fizikalne kemije: 1) kemijska termodinamika; 2) kinetička teorija i statistička termodinamika; 3) pitanja strukture molekula i spektroskopije; 4) kemijska kinetika.

Kemijska termodinamika.

Kemijska termodinamika izravno je povezana s primjenom termodinamike - znanosti o toplini i njezinim transformacijama - na problem kemijske ravnoteže. Bit problema formulira se na sljedeći način: ako postoji mješavina reagensa (sustav) i poznati su fizički uvjeti u kojima se nalazi (temperatura, tlak, volumen), onda koji spontani kemijski i fizikalni procesi mogu dovesti do toga sustava do ravnoteže? Prvi zakon termodinamike kaže da je toplina oblik energije i da ukupna energija sustava (zajedno s okolinom) ostaje nepromijenjena. Dakle, ovaj zakon je jedan od oblika zakona održanja energije. Prema drugom zakonu, spontano nastali proces dovodi do povećanja ukupne entropije sustava i njegove okoline. Entropija je mjera količine energije koju sustav ne može upotrijebiti za obavljanje korisnog rada. Drugi zakon označava smjer u kojem će reakcija ići bez ikakvih vanjskih utjecaja. Da biste promijenili prirodu reakcije (na primjer, njezin smjer), morate potrošiti energiju u jednom ili drugom obliku. Dakle, nameće stroga ograničenja količine rada koji se može obaviti kao rezultat pretvorbe toplinske ili kemijske energije oslobođene u reverzibilnom procesu.

Važna dostignuća u kemijskoj termodinamici dugujemo J. Gibbsu, koji je postavio teorijske temelje ove znanosti, što je omogućilo spajanje rezultata mnogih istraživača prethodne generacije u jedinstvenu cjelinu. Pristup koji je razvio Gibbs ne daje nikakve pretpostavke o mikroskopskoj strukturi materije, već razmatra ravnotežna svojstva sustava na makrorazini. Zato se može misliti da su prvi i drugi zakon termodinamike univerzalni i da će ostati na snazi ​​čak i kada naučimo puno više o svojstvima molekula i atoma.

Kinetička teorija i statistička termodinamika.

Statistička termodinamika (kao i kvantna mehanika) omogućuje predviđanje ravnotežnog položaja za određene reakcije u plinskoj fazi. Uz pomoć kvantnomehaničkog pristupa moguće je opisati ponašanje složenih molekula niza tvari koje se nalaze u tekućem i čvrstom agregatnom stanju. Međutim, postoje reakcije čije se brzine ne mogu izračunati ni u okviru kinetičke teorije ni uz pomoć statističke termodinamike.

Prava revolucija u klasičnoj statističkoj termodinamici dogodila se 1970-ih. Novi koncepti kao što su univerzalnost (pojam da članovi nekih širokih klasa spojeva imaju ista svojstva) i načelo sličnosti (procjena nepoznatih veličina na temelju poznatih kriterija) doveli su do boljeg razumijevanja ponašanja tekućina u blizini kritične vrijednosti. točka, kada je razlika između tekućine i plina. Pomoću računala simulirana su svojstva jednostavnih (tekući argon) i složenih (voda i alkohol) tekućina u kritičnom stanju. U novije vrijeme, svojstva tekućina poput tekućeg helija (čije je ponašanje savršeno opisano u okviru kvantne mehanike) i slobodnih elektrona u molekularnim tekućinama sveobuhvatno su istražena pomoću računalnih simulacija (SUPERVODLJIVOST). To je omogućilo bolje razumijevanje svojstava običnih tekućina. Računalne metode u kombinaciji s najnovijim teorijskim dostignućima intenzivno se koriste za proučavanje ponašanja otopina, polimera, micela (specifičnih koloidnih čestica), proteina i ionskih otopina. Za rješavanje problema fizikalne kemije, posebice za opisivanje nekih svojstava sustava u kritičnom stanju i za proučavanje pitanja fizike visokih energija, sve se više koristi matematička metoda renormalizacijske skupine.

Struktura molekula i spektroskopija.

Organski kemičari 19. stoljeća. razvila jednostavna pravila za određivanje valencije (sposobnosti kombiniranja) mnogih kemijskih elemenata. Na primjer, otkrili su da je valencija ugljika 4 (jedan atom ugljika može spojiti četiri atoma vodika kako bi formirao molekulu metana CH 4), kisika - 2, vodika - 1. Na temelju empirijskih ideja temeljenih na eksperimentalnim podacima, napravljene su pretpostavke o prostornom rasporedu atoma u molekulama (na primjer, molekula metana ima tetraedarsku strukturu, dok je atom ugljika u središtu trokutaste piramide, a vodik u njena četiri vrha). Međutim, ovaj pristup nije omogućio otkrivanje mehanizma stvaranja kemijskih veza, pa stoga i procjenu veličine molekula, određivanje točne udaljenosti između atoma.

Spektroskopskim metodama razvijenim u 20. stoljeću utvrđena je struktura molekula vode (H 2 O), etana (C 2 H 6), a potom i mnogo složenijih molekula, poput proteina. Metode mikrovalne spektroskopije (EPR, NMR) i difrakcije elektrona omogućile su utvrđivanje duljina veza, kutova između njih (valentnih kutova) i međusobnog rasporeda atoma u jednostavnim molekulama, te rendgenske difrakcijske analize - sličnih parametara za veće molekule koje tvore molekularne kristale. Sastavljanje kataloga molekularnih struktura i korištenje jednostavnih koncepata valencije postavili su temelje strukturne kemije (L. Pauling je bio njezin pionir) i omogućili korištenje molekularnih modela za objašnjenje složenih fenomena na molekularnoj razini. Ako molekule nisu imale određenu strukturu, ili ako su parametri C–C i C–H veza u kromosomima bili vrlo različiti od onih u molekulama metana ili etana, onda bi uz pomoć jednostavnih geometrijskih modela J. Watson i F. Crick početkom 1950-ih nisu mogli izraditi njegov poznati model dvostruke spirale deoksiribonukleinske kiseline (DNK). Proučavajući vibracije atoma u molekulama pomoću IR i UV spektroskopije, bilo je moguće utvrditi prirodu sila koje drže atome u sastavu molekula, što je zauzvrat dovelo do ideje o prisutnosti unutarmolekulskog kretanja. i omogućio je proučavanje termodinamičkih svojstava molekula ( vidi gore). Ovo je bio prvi korak prema određivanju brzina kemijskih reakcija. Nadalje, spektroskopske studije u UV području pomogle su uspostaviti mehanizam stvaranja kemijskih veza na elektronskoj razini, što je omogućilo opisivanje kemijskih reakcija na temelju ideje prijelaza reaktanata u pobuđeno stanje (često pod djelovanjem vidljivog ili UV svjetla). Postojalo je čak i cijelo znanstveno polje - fotokemija. Spektroskopija nuklearne magnetske rezonancije (NMR) omogućila je kemičarima proučavanje pojedinih faza složenih kemijskih procesa i identifikaciju aktivnih centara u molekulama enzima. Ova metoda također je omogućila dobivanje trodimenzionalnih slika netaknutih stanica i pojedinih organa. FOTOKEMIJA.

Teorija valencije.

Koristeći empirijska pravila valencije koje su razvili organski kemičari, periodični sustav elemenata i Rutherfordov planetarni model atoma, G. Lewis je otkrio da je ključ za razumijevanje kemijske veze elektronska struktura materije. Lewis je došao do zaključka da kovalentna veza nastaje kao rezultat socijalizacije elektrona koji pripadaju različitim atomima; pritom je polazio od ideje da se vezni elektroni nalaze na strogo definiranim elektronskim ljuskama. Kvantna teorija omogućuje predviđanje strukture molekula i prirode kovalentnih veza koje nastaju u najopćenitijem slučaju.

Naše ideje o strukturi materije, koje su nastale zahvaljujući uspjesima kvantne fizike u prvoj četvrtini 20. stoljeća, mogu se sažeti na sljedeći način. Struktura atoma određena je ravnotežom električnih sila odbijanja (između elektrona) i privlačenja (između elektrona i pozitivno nabijene jezgre). Gotovo sva masa atoma koncentrirana je u jezgri, a njezina veličina određena je količinom prostora koji zauzimaju elektroni koji kruže oko jezgri. Molekule se sastoje od relativno stabilnih jezgri koje zajedno drže elektroni koji se brzo kreću, tako da se sva kemijska svojstva tvari mogu objasniti u smislu električne interakcije elementarnih čestica koje čine atome i molekule. Dakle, glavne odredbe kvantne mehanike, koje se tiču ​​strukture molekula i stvaranja kemijskih veza, stvaraju osnovu za empirijski opis elektronske strukture tvari, prirode kemijske veze i reaktivnosti atoma i molekula.

Pojavom brzih računala bilo je moguće izračunati (s malom, ali dovoljnom točnošću) sile koje djeluju između atoma u malim poliatomskim molekulama. Teorija valencije, utemeljena na računalnim simulacijama, trenutno je radni alat za proučavanje strukture, prirode kemijskih sila i reakcija u slučajevima kada su eksperimenti teški ili dugotrajni. To se odnosi na proučavanje slobodnih radikala prisutnih u atmosferi i plamenu ili nastalih kao međuprodukti reakcije. Postoji nada da će jednog dana teorija utemeljena na računalnim izračunima moći odgovoriti na pitanje: kako kemijske strukture "izračunavaju" svoje najstabilnije stanje u vremenu reda pikosekundi, dok će dobiti odgovarajuće procjene, barem u nekoj aproksimaciji , zahtijeva veliku količinu strojnog vremena.

Kemijska kinetika

bavi se proučavanjem mehanizma kemijskih reakcija i određivanjem njihovih brzina. Na makroskopskoj razini, reakcija se može predstaviti kao uzastopne transformacije, tijekom kojih iz jedne tvari nastaju druge. Na primjer, naizgled jednostavna transformacija

H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O

zapravo se sastoji od nekoliko uzastopnih faza:

H + O 2 → OH + O

O + H 2 → HO + H

H + O 2 → HO 2

HO 2 + H 2 → H 2 O + OH

a svaki od njih karakterizira vlastita konstanta brzine k. S. Arrhenius je sugerirao da apsolutna temperatura T i konstanta brzine reakcije k povezane omjerom k = A exp(- E Zakon)/ RT, gdje ALI– predeksponencijalni faktor (tzv. faktor frekvencije), E akt - aktivacijska energija, R je plinska konstanta. Za mjerenje k I T instrumenti su potrebni za praćenje događaja koji se događaju u vremenu od oko 10-13 s, s jedne strane, i tijekom desetljeća (pa čak i tisućljećima), s druge strane (geološki procesi); također je potrebno znati mjeriti zanemarive koncentracije izrazito nestabilnih reagensa. Zadaća kemijske kinetike također uključuje predviđanje kemijskih procesa koji se odvijaju u složenim sustavima (riječ je o biološkim, geološkim, atmosferskim procesima, izgaranju i kemijskoj sintezi).

Za proučavanje reakcija u plinskoj fazi "u čistom obliku" koristi se metoda molekularnih zraka; u ovom slučaju molekule sa strogo definiranim kvantnim stanjima reagiraju stvaranjem proizvoda koji su također u određenim kvantnim stanjima. Takvi pokusi daju informacije o silama koje uzrokuju određene reakcije. Na primjer, u postavljanju molekularne zrake, čak i tako male molekule kao što je CH 3 I mogu se orijentirati na zadani način i mogu se mjeriti stope sudara u dvije „različite“ reakcije:

K + ICH 3 → KI + CH 3

K + CH 3 I → KI + CH 3

gdje je CH 3 skupina drugačije orijentirana u odnosu na atom kalija koji se približava.

Jedno od pitanja kojima se fizikalna kemija (kao i kemijska fizika) bavi je izračun konstanti brzine reakcije. Ovdje se široko koristi teorija prijelaznog stanja razvijena 1930-ih, koja koristi termodinamičke i strukturne parametre. Ova teorija, u kombinaciji s metodama klasične fizike i kvantne mehanike, omogućuje simulaciju tijeka reakcije kao da se događa u uvjetima eksperimenta s molekularnim zrakama. Izvode se eksperimenti na laserskom pobuđivanju određenih kemijskih veza, koji omogućuju provjeru ispravnosti statističkih teorija razaranja molekula. Razvijaju se teorije koje generaliziraju suvremene fizikalne i matematičke koncepte kaotičnih procesa (primjerice, turbulencije). Nismo tako daleko od potpunog razumijevanja prirode i intra- i intermolekularnih interakcija, otkrivanja mehanizma reakcija koje se odvijaju na površinama sa željenim svojstvima i uspostavljanja strukture katalitičkih centara enzima i kompleksa prijelaznih metala. Na mikroskopskoj razini mogu se uočiti radovi na kinetici formiranja tako složenih struktura kao što su snježne pahulje ili dendriti (kristali sa strukturom stabla), što je potaknulo razvoj računalnih simulacija temeljenih na jednostavnim modelima teorije nelinearne dinamike; to otvara izglede za stvaranje novih pristupa opisivanju strukture i razvoja složenih sustava.