CHEMIA FIZYCZNA

§ 1. Przedmiot chemii fizycznej. Znaczenie tego

Związek badań zjawisk chemicznych i fizycznych Chemia fizyczna. Ta gałąź chemii to granica między chemią a fizyką. Wykorzystując teoretyczne i doświadczalne metody obu nauk, a także własne metody, chemia fizyczna zajmuje się wieloaspektowym badaniem reakcji chemicznych i towarzyszących im procesów fizycznych. Ponieważ jednak nawet wieloaspektowe badanie nigdy nie jest kompletne i nie obejmuje zjawiska w sposób wyczerpujący, prawa i prawa chemii fizycznej, podobnie jak inne nauki przyrodnicze, zawsze upraszczają zjawisko i nie odzwierciedlają go w pełni.

Szybki rozwój i rosnące znaczenie chemii fizycznej wiąże się z jej położeniem granicznym między fizyką a chemią. Głównym zadaniem ogólnym chemii fizycznej jest przewidywanie przebiegu czasowego procesu i wyniku końcowego (stanu równowagi) w różnych warunkach na podstawie danych o strukturze i właściwościach substancji tworzących badany układ.

§ 2. Krótki zarys historii rozwoju chemii fizycznej

Termin „chemia fizyczna” i definicja tej nauki po raz pierwszy podał M.V. Łomonosow, który w latach 1752-1754. przeczytał kurs chemii fizycznej studentom Akademii Nauk i pozostawił rękopis tego kursu „Wprowadzenie do prawdziwej chemii fizycznej” (1752). Łomonosow przeprowadził wiele badań, których tematyka odpowiada opracowanemu przez niego „Planowi kursu chemii fizycznej” (1752) oraz programowi prac eksperymentalnych „Doświadczenie w chemii fizycznej” (1754). Pod jego kierownictwem odbyły się również warsztaty studenckie z chemii fizycznej.

Łomonosow podał następującą definicję chemii fizycznej: „Chemia fizyczna jest nauką, która na podstawie przepisów i eksperymentów fizycznych wyjaśnia, co dzieje się w ciałach mieszanych podczas operacji chemicznych”. Ta definicja jest bliska nowoczesności.

Dla rozwoju chemii fizycznej odkrycie dwóch praw termodynamiki w połowie XIX wieku (S. Carnot, Yu.R. Mayer, G. Helmholtz, DP Joule, R. Clausius, W. Thomson) było bardzo ważne znaczenie.

W XIX wieku stale rosła liczba i różnorodność badań z dziedziny z pogranicza fizyki i chemii. Opracowano termodynamiczną teorię równowagi chemicznej (K.M. Guldberg, P. Waage, DW Gibbs). Badania L.F. Wilhelmiego położyły podwaliny pod badanie szybkości reakcji chemicznych (kinetyki chemicznej). Zbadano transfer energii elektrycznej w roztworach (I.V. Gittorf, F.V.G. Kolrausch), zbadano prawa równowagi roztworów z parą (D.P. Konovalov) i opracowano teorię rozwiązań (D.I. Mendelejew).

Uznanie chemii fizycznej za samodzielną naukę i dyscyplinę akademicką zostało wyrażone w utworzeniu na Uniwersytecie w Lipsku (Niemcy) w 1887 roku pierwszego wydziału chemii fizycznej kierowanego przez W. Ostwalda oraz w założeniu pierwszego czasopisma naukowego o tematyce fizycznej chemia tam. Pod koniec XIX wieku Uniwersytet w Lipsku był centrum rozwoju chemii fizycznej, a czołowymi fizykochemikami byli W. Ostwald, JH Van't Hoff, S. Arrhenius i W. Nernst. Do tego czasu zostały zdefiniowane trzy główne działy chemii fizycznej - termodynamika chemiczna, kinetyka chemiczna i elektrochemia.

Do najważniejszych dziedzin nauki, których rozwój jest niezbędnym warunkiem postępu technicznego, należą badanie procesów chemicznych; chemia fizyczna odgrywa wiodącą rolę w rozwoju tego problemu.

§ 3. Działy chemii fizycznej. Metody badawcze

Termodynamika chemiczna. W tej części, na podstawie praw termodynamiki ogólnej, wyjaśnione są prawa równowagi chemicznej i doktryna równowag fazowych.

Doktryna rozwiązań ma na celu wyjaśnienie i przewidywanie właściwości roztworów (jednorodnych mieszanin kilku substancji) na podstawie właściwości substancji tworzących roztwór.

Doktryna zjawisk powierzchniowych. Badane są różne właściwości warstw powierzchniowych ciał stałych i cieczy (pomiędzy fazami); jednym z głównych badanych zjawisk w warstwach powierzchniowych jest adsorpcja(nagromadzenie materii w warstwie powierzchniowej).

W systemach, w których interfejsy między fazami ciekłą, stałą i gazową są bardzo rozwinięte (emulsje, mgiełki, dymy itp.), właściwości warstw powierzchniowych stają się pierwszorzędne i decydują o wielu unikalnych właściwościach całego systemu jako cały. Taki rozproszony (mikroheterogeniczny) systemy są badane chemia koloidów, która jest główną niezależną gałęzią chemii fizycznej.

Powyższa lista głównych działów chemii fizycznej nie obejmuje niektórych obszarów i mniejszych działów tej nauki, które można uznać za części większych działów lub jako niezależne działy chemii fizycznej. Należy jeszcze raz podkreślić ścisłe powiązania między różnymi gałęziami chemii fizycznej. W badaniu dowolnego zjawiska trzeba korzystać z arsenału idei, teorii i metod badania wielu gałęzi chemii (a często i innych nauk). Dopiero po wstępnej znajomości chemii fizycznej możliwe jest w celach edukacyjnych rozprowadzenie materiału we wskazanych sekcjach.

Metody badań fizycznych i chemicznych. Podstawowymi metodami chemii fizycznej są oczywiście metody fizyki i chemii. Jest to przede wszystkim metoda eksperymentalna - badanie zależności właściwości substancji od warunków zewnętrznych, eksperymentalne badanie praw przepływu różnych procesów i praw równowagi chemicznej.

Teoretyczne rozumienie danych doświadczalnych i tworzenie spójnego systemu wiedzy opiera się na metodach fizyki teoretycznej.

Metoda termodynamiczna, która jest jedną z nich, umożliwia ilościowe powiązanie różnych właściwości substancji (właściwości „makroskopowych”) i obliczenie niektórych z tych właściwości na podstawie eksperymentalnych wartości innych właściwości.

ROZDZIAŁ I
PIERWSZE PRAWO TERMODYNAMIKI

§ 1. Energia. Prawo zachowania i przemiany energii

Integralną własnością (atrybutem) materii jest ruch; jest niezniszczalny, jak sama materia. Ruch materii przejawia się w różnych formach, które mogą przechodzić jedna w drugą. Miarą ruchu materii jest energia. Ilościowo energia wyraża się w określony sposób poprzez parametry charakterystyczne dla każdej konkretnej formy ruchu oraz w jednostkach charakterystycznych dla tej formy.

W układzie miar SI jednostką energii (ciepło i praca) jest dżul ( J), równa pracy siły w 1 h w drodze do 1 m. 1 J = 1 Nm.

Szeroko stosowana jednostka energii (ciepło), kaloria, jest obecnie dozwoloną jednostką poza systemem. Obecnie stosowana kaloria z definicji odpowiada pewnej liczbie dżuli: 1 kał równa się 4,1868 dżuli. Ta jednostka jest stosowana w ciepłownictwie i może być nazywana kalorie termiczne. W termodynamice chemicznej stosuje się nieco inną jednostkę, równą 4,1840 dżuli i nazywaną kaloria termochemiczna. Celowość jego stosowania wiąże się z wygodą korzystania z obszernego doświadczalnego materiału termochemicznego zebranego w księgach referencyjnych i wyrażonego w tych jednostkach.

Kiedy jedna forma ruchu jest przekształcana w inną, energie ruchu zaniku i ruchu, wyrażone w różnych jednostkach, są sobie równoważne, tzn. energia ruchu zaniku pozostaje w stałej ilościowej relacji do energii ruchu które powstało (prawo równoważnych przemian energii). Stosunek ten nie zależy od energii obu form ruchu i od specyficznych warunków, w jakich zachodziło przejście od jednej formy ruchu do drugiej. Tak więc, gdy energia prądu elektrycznego zostanie zamieniona na energię chaotycznego ruchu molekularnego, jeden dżul energii elektrycznej zawsze zamienia się w 0,239 kał energia ruchu molekularnego.

Zatem energia jako miara ruchu materii zawsze przejawia się w postaci jakościowo oryginalnej, odpowiadającej danej postaci ruchu i wyrażana jest w odpowiednich jednostkach miary. Z drugiej strony ilościowo odzwierciedla jedność wszystkich form ruchu, ich wzajemną wymienialność i niezniszczalność ruchu.

Powyższe prawo równoważnych przemian energii jest fizycznym prawem doświadczalnym. Prawo równoważnych przemian energii można wyrazić inaczej, mianowicie w formie prawo zachowania i przemiany energii: energia nie jest tworzona ani niszczona; we wszystkich procesach i zjawiskach całkowita energia wszystkich części izolowanego systemu materialnego biorących udział w tym procesie nie wzrasta ani nie maleje, pozostając na stałym poziomie.

Prawo zachowania i przemiany energii jest uniwersalne w tym sensie, że ma zastosowanie do zjawisk zachodzących w dowolnie dużych ciałach, stanowiących agregat ogromnej liczby cząsteczek, oraz do zjawisk zachodzących z udziałem jednej lub kilku cząsteczek.

W przypadku różnych form ruchu mechanicznego prawo zachowania energii od dawna wyrażane jest w formie jakościowej (Descartes - 1640) i ilościowej (Leibniz - 1697).

W przypadku wzajemnych przemian ciepła i pracy (patrz niżej) prawo zachowania energii zostało udowodnione jako prawo przyrodnicze w badaniach Yu.R. Mayera, G. Helmholtza i DP Joule'a, przeprowadzonych w latach czterdziestych XX wieku. XIX wiek.

Wykorzystując prawo przekształceń równoważnych można wyrazić energie różnych form ruchu w jednostkach charakterystycznych dla jednego rodzaju energii (jednej formy ruchu), a następnie wykonać operacje dodawania, odejmowania itp.

§ 2. Przedmiot, metoda i granice termodynamiki

Termodynamika jest jedną z głównych gałęzi fizyki teoretycznej. Termodynamika bada prawa wzajemnych przemian różnych rodzajów energii związanych z przenoszeniem energii między ciałami w postaci ciepła i pracy. Koncentrując swoją uwagę na cieple i pracy jako formach przenoszenia energii w różnych procesach, termodynamika obejmuje liczne powiązania energetyczne i zależności między różnymi właściwościami substancji w jej kręgu rozważań i daje bardzo szeroko stosowane uogólnienia zwane prawa termodynamiki.

Przy ustalaniu podstawowych praw termodynamicznych przemiany energetyczne (często bardzo złożone) zachodzące wewnątrz ciała zwykle nie są szczegółowo określane. Rodzaje energii tkwiące w ciele w danym stanie również nie są zróżnicowane; całość wszystkich tych rodzajów energii jest traktowana jako pojedyncza energia wewnętrzna układu .

Zarysowana powyżej tematyka termodynamiki określa metodę i granice tej nauki. Rozróżnienie między ciepłem a pracą, przyjmowanym jako punkt wyjścia przez termodynamikę, oraz przeciwstawieniem ciepła i pracy, ma sens tylko dla ciał składających się z wielu cząsteczek, ponieważ dla jednej cząsteczki lub zestawu małej liczby cząsteczek, koncepcje ciepło i praca tracą sens. Dlatego termodynamika uwzględnia tylko ciała składające się z dużej liczby cząsteczek, tzw systemy makroskopowe ponadto termodynamika w swojej klasycznej postaci nie uwzględnia zachowania i właściwości poszczególnych cząsteczek.

Metoda termodynamiczna charakteryzuje się również tym, że przedmiotem badań jest ciało lub zespół ciał wyizolowanych ze świata materialnego na układ termodynamiczny (zwane dalej po prostu system).

System posiada pewne granice oddzielające go od świata zewnętrznego (środowiska).

System jest jednorodny , czy każdy z jego parametrów ma taką samą wartość we wszystkich częściach systemu lub zmienia się w sposób ciągły od punktu do punktu.

System jest heterogeniczny , jeśli składa się z kilku makroskopowych (składających się z kolei z wielu cząsteczek) części, oddzielonych od siebie widocznymi interfejsami. Na tych powierzchniach niektóre parametry zmieniają się gwałtownie. Taki jest na przykład system „sól stała – wodny roztwór soli nasycony – para wodna nasycona”. Tutaj, na granicach soli - roztworu i roztworu - pary, skład i gęstość zmieniają się gwałtownie.

Jednorodne części systemu, oddzielone od innych części widocznymi interfejsami, nazywane są fazy . W tym przypadku za jedną fazę uważa się zbiór poszczególnych jednorodnych części układu, które mają te same właściwości fizyczne i termodynamiczne (np. zbiór kryształów jednej substancji lub zbiór kropel cieczy zawieszonych w gazie i tworzących mgła). Każda faza systemu charakteryzuje się własnym równaniem stanu.

System, który nie może wymieniać materii i energii z otoczeniem (w postaci ciepła lub pracy) nazywa się odosobniony .

System, który może wymieniać materię i energię z otoczeniem (w postaci ciepła lub pracy) nazywa się otwarty.

System, który nie może wymieniać materii z otoczeniem, ale może wymieniać energię (w postaci ciepła lub pracy) nazywa się Zamknięte .

Termodynamika bada zależność między takimi mierzalnymi właściwościami układu materiałowego jako całości a jego makroskopowymi częściami (fazami), takimi jak temperatura, ciśnienie, masa, gęstość i skład chemiczny faz wchodzących w skład układu, a także niektórymi innymi właściwościami jako związek między zmianami tych właściwości.

Zbiór właściwości badanych przez termodynamikę (tzw parametry termodynamiczne układu) definiuje stan termodynamiczny układu. Zmiana dowolnych właściwości termodynamicznych (nawet tylko jednej) prowadzi do zmiany stanu termodynamicznego układu.

Wszystkie procesy zachodzące w przyrodzie można podzielić na spontaniczne (naturalne) i niespontaniczne.

Procesy spontaniczne Są to procesy, które nie wymagają zewnętrznego wkładu energii. Na przykład przenoszenie ciepła z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze, rozpuszczanie soli w wodzie itp. zachodzą samoistnie.

Procesy niespontaniczne wymagają energii z zewnątrz do ich przepływu, np. rozdziału powietrza na azot i tlen.

Termodynamika dotyczy głównie takich stanów układu, w których jego parametry (temperatura, ciśnienie, potencjał elektrostatyczny itp.) nie zmieniają się samoistnie w czasie i mają jednakową wartość we wszystkich punktach objętości poszczególnych faz. Takie stany nazywają się zrównoważony.

Jednym z podstawowych postulatów termodynamiki jest stwierdzenie, że: przebieg dowolnego spontanicznego procesu ostatecznie doprowadza izolowany układ do stanu równowagi, kiedy jego właściwości nie ulegną już zmianie, tj. równowaga zostanie ustanowiona w układzie.

Stany charakteryzujące się nierównomiernym i zmiennym w czasie rozkładem temperatury, ciśnienia i składu w fazach są brak równowagi. Rozpatruje je termodynamika procesów nierównowagowych (nieodwracalnych), w których oprócz podstawowych praw termodynamicznych stosuje się dodatkowe założenia.

Termodynamika, zbudowana w oparciu o podstawowe prawa termodynamiki, które uważane są za uogólnienie doświadczenia, jest często nazywana klasyczny lub termodynamika fenomenologiczna. Termodynamika zapewnia teoretyczne podstawy teorii silników cieplnych; ta sekcja nazywa się termodynamika techniczna. Zajmuje się badaniem procesów chemicznych z termodynamicznego punktu widzenia termodynamika chemiczna, która jest jedną z głównych gałęzi chemii fizycznej.

§ 3. Ciepło i praca

Zmiany form ruchu podczas jego przejścia z jednego ciała do drugiego i odpowiadające im przemiany energii są bardzo zróżnicowane. Formy samego przejścia ruchu i związanych z nim przejść energii można podzielić na dwie grupy.

Pierwsza grupa obejmuje tylko jedną formę przejścia ruchu przez chaotyczne zderzenia cząsteczek dwóch sąsiednich ciał, tj. przez przewodzenie (i jednocześnie przez promieniowanie). Miarą ruchu przekazywanego w ten sposób jest ciepło .

Druga grupa obejmuje różne formy przejść ruchowych, których wspólną cechą jest ruch mas makroskopowych pod działaniem wszelkich sił zewnętrznych o charakterze ukierunkowanym. Takie są unoszenie się ciał w polu grawitacyjnym, przejście pewnej ilości elektryczności z większego potencjału elektrostatycznego na mniejszy, rozszerzanie się gazu pod ciśnieniem itp. Ogólną miarą ruchu przekazywanego przez takie środki jest: Stanowisko .

Ciepło i praca charakteryzują jakościowo i ilościowo dwie różne formy przekazywania ruchu z jednej części świata materialnego do drugiej.

Przekazywanie ruchu to rodzaj złożonego ruchu materii, którego dwie główne formy wyróżniamy. Ciepło i praca są miarami tych dwóch złożonych form ruchu materii i należy je traktować jako rodzaje energii.

Wspólną właściwością ciepła i pracy jest to, że mają one znaczenie tylko w przedziałach czasowych, w których te procesy zachodzą. W trakcie tych procesów w niektórych ciałach ruch w takiej czy innej formie zmniejsza się i odpowiednia energia maleje, podczas gdy w innych ciałach ruch w tej lub innej formie wzrasta, a odpowiednie rodzaje energii wzrastają.

Nie mówimy tu o zapasie ciepła lub pracy w jakimkolwiek ciele, ale tylko o cieple i pracy znanego procesu. Po jego zakończeniu nie ma potrzeby mówić o obecności ciepła czy pracy w ciałach.

§ 4. Równoważność ciepła i pracy

Stały stosunek równoważnikowy ciepła i pracy podczas ich wzajemnych przejść został ustalony w klasycznych eksperymentach D.P. Joule'a (1842-1867). Typowy eksperyment Joule'a jest następujący.

Urządzenie Joule do określania mechanicznego równoważnika ciepła.

Odważniki spadające ze znanej wysokości obracają mieszadło zanurzone w wodzie w kalorymetrze (odważnik i kalorymetr z wodą stanowią układ termodynamiczny). Obrót łopatek mieszadła w wodzie powoduje nagrzewanie się wody w kalorymetrze; odpowiedni wzrost temperatury jest określany ilościowo.

Po zakończeniu określonego procesu system musi zostać doprowadzony do pierwotnego stanu. Można to zrobić poprzez doświadczenie mentalne. Ciężarki podnoszą się do swojej pierwotnej wysokości, podczas gdy praca zewnętrzna jest wydatkowana, co zwiększa energię systemu. Dodatkowo ciepło jest usuwane z kalorymetru (oddawane do otoczenia) poprzez schłodzenie go do temperatury początkowej. Operacje te przywracają system do stanu pierwotnego, tj. wszystkie mierzalne właściwości systemu uzyskują te same wartości, które miały w stanie początkowym. Proces, podczas którego zmieniły się właściwości systemu i na końcu powrócił on do stanu pierwotnego, nazywa się cykliczny (cykliczny) proces lub cykl .

Jedynym skutkiem opisanego cyklu jest usunięcie pracy z otoczenia układu i przekazanie do tego środowiska ciepła pobranego z kalorymetru.

Porównanie tych dwóch wielkości, mierzonych w odpowiednich jednostkach, pokazuje stałą zależność między nimi, niezależnie od wielkości ładunku, wielkości kalorymetru oraz określonych ilości ciepła i pracy w różnych eksperymentach.

Wskazane jest zapisywanie ciepła i pracy w procesie cyklicznym jako sumę (całkę) nieskończenie małych (elementarnych) ciepła  Q i nieskończenie małe (podstawowe) prace  W, a początkowe i końcowe granice integracji pokrywają się (cykl).

Wówczas równoważność ciepła i pracy w procesie cyklicznym można zapisać w następujący sposób:

(I, 1)

W równaniu (I, 1) znak oznacza integrację w cyklu. Stałość współczynnika k odzwierciedla równoważność ciepła i pracy ( k jest mechanicznym odpowiednikiem ciepła). Równanie (I, 1) wyraża prawo zachowania energii dla szczególnego, bardzo ważnego przypadku przemiany pracy w ciepło.

W badaniach Joule'a, Rowlanda (1880), Miculescu (1892) i innych stosowano metody tarcia w metalach, uderzenia, bezpośredniej konwersji pracy prądu elektrycznego na ciepło, rozciągania ciał stałych itp. k zawsze stały w granicach błędu eksperymentalnego.

W dalszej części zawsze zakłada się, że praca i ciepło za pomocą współczynnika k wyrażony w tych samych jednostkach (nie ważne co) i współczynnik k idzie w dół.

§ 5. Energia wewnętrzna

W przypadku procesu niekołowego równość (I, 1) nie jest przestrzegana, ponieważ system nie powraca do swojego pierwotnego stanu. Zamiast tego można zapisać równości dla procesu niekołowego (pomijając współczynnik k):

≠

Ponieważ granice całkowania są na ogół arbitralne, to dla wielkości elementarnych  W I  Q:

Q   W,

W konsekwencji:

Q – W  0

Oznacz różnicę  Q –  W dla dowolnego elementarnego procesu termodynamicznego poprzez du:

du   Q – W (I, 2)

lub dla procesu końcowego:

– (I,2a)

Wracając do procesu okrężnego, otrzymujemy (z równania I, 1):

=
–
= 0 (I, 3)

Tak więc wartość du jest całkowitą różniczką pewnej funkcji stanu systemu. Gdy system powraca do swojego pierwotnego stanu (po cyklicznej zmianie), wartość tej funkcji przybiera swoją pierwotną wartość.

Funkcja stanu systemuU , zdefiniowane przez równości (i, 2) lub (i, 2a) nazywa sięenergia wewnętrzna systemy .

Oczywiście wyrażenie (I, 2a) można zapisać w następujący sposób:

= U 2 – U 1 = ∆ U = – (I, 2b)

U 2 – U 1 = ∆U = Q – W

To rozumowanie potwierdza empirycznie obecność pewnej funkcji stanu systemu, która ma znaczenie całkowitej miary wszystkich ruchów, jakie posiada system.

Innymi słowy, energia wewnętrzna obejmuje energię translacyjną i obrotową molekuł, energię drgań atomów i grup atomów w cząsteczce, energię ruchu elektronów, energię wewnątrzjądrową i inne rodzaje, czyli całość wszystkich rodzajów energii cząstek w układzie, z wyjątkiem energii potencjalnej i kinetycznej samego układu.

Załóżmy, że proces cykliczny został przeprowadzony w taki sposób, że po powrocie układu do stanu wyjściowego energia wewnętrzna układu nie przybrała wartości początkowej, lecz wzrosła. W takim przypadku powtarzanie się procesów okrężnych spowodowałoby akumulację energii w układzie. Możliwe byłoby zamienienie tej energii na pracę i uzyskanie w ten sposób pracy nie kosztem ciepła, ale „z niczego”, gdyż w procesie kołowym praca i ciepło są sobie równoważne, co pokazują bezpośrednie eksperymenty .

Niemożność ukończenia określonego cyklu kompilacji perpetuum mobile (perpetuum mobile) pierwszego rodzaju, dający pracę bez wydawania ekwiwalentnej ilości innego rodzaju energii, świadczy o negatywnym wyniku tysięcy lat ludzkiego doświadczenia. Ten wynik prowadzi do tego samego wniosku, który otrzymaliśmy w szczególnej, ale bardziej rygorystycznej formie, analizując eksperymenty Joule'a.

Sformułujmy ponownie uzyskany wynik. Energia całkowita układu (jego energia wewnętrzna) w wyniku procesu cyklicznego powraca do swojej pierwotnej wartości, tzn. energia wewnętrzna układu w danym stanie ma jedną określoną wartość i nie zależy od tego, jakie zmiany przeszedł układ przed dojściem do tego stanu.

Innymi słowy, energia wewnętrzna systemu jest jednowartościową, ciągłą i skończoną funkcją stanu układu.

Zmianę energii wewnętrznej układu określa wyrażenie (I, 2b); wyrażenie (I, 3) obowiązuje dla procesu okrężnego. Przy nieskończenie małej zmianie niektórych właściwości (parametrów) systemu, energia wewnętrzna systemu również zmienia się nieskończenie nieznacznie. Jest to właściwość funkcji ciągłej.

W termodynamice nie ma potrzeby posługiwania się ogólną definicją pojęcia energii wewnętrznej. Formalna definicja ilościowa za pomocą wyrażeń (I, 2) lub (I, 2a) jest wystarczająca dla wszystkich dalszych rozumowań i wniosków termodynamicznych.

Skoro energia wewnętrzna układu jest funkcją jego stanu, to, jak już wspomniano, przyrost energii wewnętrznej przy nieskończenie małych zmianach parametrów stanów układu jest różniczką zupełną funkcji stanu. Rozbicie całki w równaniu (I, 3) na dwie całki po odcinkach ścieżki ze stanu 1 do stanu 2 (ścieżka „a”) (patrz rys. I) i odwrotnie - ze stanu 2

zaawansowany kurs fizyczny chemia 6 egzamin Przed opanowaniem dyscypliny „Zaawansowane fizyczny chemia"powinno być... do fizyczny chemia. / Pod redakcją V.V. Budanova, N.K. Worobiow. – L.: Chemia, 1986. - 352 s. Praktyczna praca nad fizyczny chemia ...

1. Chemia fizyczna: cel, zadania, metody badawcze. Podstawowe pojęcia chemii fizycznej.

Fiz. chemia - nauka o prawach procesów chemicznych i chemicznych. zjawiska.

Przedmiot wyjaśnień fizykochemicznych chemii. zjawiska oparte na bardziej ogólnych prawach fizyki. Chemia fizyczna rozpatruje dwie główne grupy zagadnień:

1. Badanie struktury i właściwości substancji oraz jej cząstek składowych;

2. Badanie procesów interakcji substancji.

Chemia fizyczna ma na celu zbadanie związku między m/y zjawiskami chemicznymi i fizycznymi. Znajomość takich zależności jest niezbędna do głębszego badania reakcji chemicznych zachodzących w przyrodzie i stosowanych w technice. procesy, kontroluj głębokość i kierunek reakcji. Głównym celem dyscypliny Chemia fizyczna jest badanie ogólnych zależności i wzorców chemicznych. procesy oparte na podstawowych zasadach fizyki. Chemia fizyczna dotyczy fizyki. teorie i metody zjawisk chemicznych.

Wyjaśnia DLACZEGO i JAK zachodzą przemiany substancji: chem. reakcje i przemiany fazowe. DLACZEGO - termodynamika chemiczna. AS - kinetyka chemiczna.

Podstawowe pojęcia chemii fizycznej

Główny przedmiot chemii. termodynamika to system termodynamiczny. Termodynamiczny system - dowolne ciało lub zespół ciał zdolnych do wymiany energii i materii ze sobą iz innymi ciałami. Systemy dzielą się na otwarte, zamknięte i izolowane. otwarty i ja - układ termodynamiczny wymienia się ze środowiskiem zewnętrznym zarówno in-tion, jak i energię. Zamknięte i ja - system, w którym nie ma wymiany materii z otoczeniem, ale może wymieniać z nim energię. odosobniony i ja -objętość systemu pozostaje stała i jest pozbawiona możliwości wymiany z otoczeniem oraz energią i in-tion.

System może być jednorodne (homogeniczne) lub niejednorodne (heterogeniczne) ). Faza - jest to część układu, która przy braku zewnętrznego pola siłowego ma ten sam skład we wszystkich swoich punktach i taką samą termodynamikę. St. ty i oddzielone od innych części systemu interfejsem. Faza jest zawsze jednorodna, tj. jednorodny, więc układ jednofazowy nazywa się jednorodnym. System składający się z kilku faz nazywany jest niejednorodnym.

Właściwości systemu dzielą się na dwie grupy: rozległe i intensywne.

W termodynamice stosuje się pojęcia równowagi i procesów odwracalnych. równowaga to proces, który przechodzi przez ciągłą serię stanów równowagi. Odwracalny proces termodynamiczny to proces, który można przeprowadzić w odwrotnej kolejności, nie pozostawiając żadnych zmian w systemie i środowisku.

2. I zasada termodynamiki. Energia wewnętrzna, ciepło, praca.

Pierwsza zasada termodynamiki bezpośrednio związane z prawem zachowania energii. Z tego prawa wynika, że ​​w każdym izolowanym systemie dopływ energii pozostaje stały. Inne sformułowanie pierwszej zasady termodynamiki wynika z prawa zachowania energii - niemożliwości stworzenia perpetuum mobile pierwszego rodzaju, która wykonywałaby pracę bez wydawania na nią energii. Formuła, szczególnie ważna dla termodynamiki chemicznej,

Pierwszą zasadą jest jej wyrażenie poprzez pojęcie energii wewnętrznej: energia wewnętrzna jest funkcją stanu, tj. jego zmiana nie zależy od ścieżki procesu, a jedynie od stanu początkowego i końcowego systemu. Zmiana energii wewnętrznej układu  U może wystąpić poprzez wymianę ciepła Q i praca W ze środowiskiem. Wówczas z prawa zachowania energii wynika, że ​​ciepło Q odebrane przez układ z zewnątrz jest wydatkowane na przyrost energii wewnętrznej ΔU i pracę W wykonaną przez układ, tj. Q=Δ U+W. Dany w wyrównanie jest

matematyczne wyrażenie pierwszej zasady termodynamiki.

ipoczątek termodynamiki jego brzmienie:

w każdym izolowanym systemie dopływ energii pozostaje stały;

różne formy energii przechodzą na siebie w ściśle równoważnych ilościach;

Maszyna ruchu wiecznego (wieczne mobilny) pierwszego rodzaju jest niemożliwe;

energia wewnętrzna jest funkcją stanu, tj. jego zmiana nie zależy od ścieżki procesu, a jedynie od stanu początkowego i końcowego układu.

wyrażenie analityczne: Q = D U + W ; dla nieskończenie małej zmiany ilości D Q = du + D W .

I zasada termodynamiki określa stosunek. m / y ciepło Q, praca A i zmiana int. energia systemu ΔU. Zmień wewn. Energia systemu jest równa ilości ciepła przekazanego do systemu pomniejszonej o ilość pracy wykonanej przez system przeciwko siłom zewnętrznym.

Równanie (I.1) - zapis matematyczny I zasady termodynamiki, równanie (I.2) - dla nieskończenie małej zmiany komp. systemy.

wewn. funkcja stanu energetycznego; oznacza to, że zmiana-e wew. energia ΔU nie zależy od ścieżki przejścia układu ze stanu 1 do stanu 2 i jest równa różnicy między wartościami zewn. energie U2 i U1 w tych stanach: (I.3)

wewn. Energia układu jest sumą energii potencjalnej interakcji. wszystkie cząstki ciała m / y i energia kinetyczna ich ruchu (bez uwzględnienia energii kinetycznej i potencjalnej układu jako całości). wewn. energia układu zależy od charakteru wyspy, jej masy oraz parametrów stanu układu. Ona jest w wieku. wraz ze wzrostem masy systemu, ponieważ jest to rozległa właściwość systemu. wewn. energia jest oznaczona literą U i wyrażona w dżulach (J). W ogólnym przypadku dla układu o ilości 1 mol. wewn. energia, jak każda termodynamika. St. w systemie, funkcja yavl-Xia komp. Bezpośrednio w eksperymencie tylko zmiany wewnętrzne energia. Dlatego w obliczeniach operują zawsze z jej zmianą U2 –U1 = U.

Wszystkie zmiany w wewnętrznym energie są podzielone na dwie grupy. Pierwsza grupa obejmuje tylko pierwszą formę przejścia ruchu przez chaotyczne zderzenia cząsteczek dwóch sąsiednich ciał, tj. przez przewodzenie (i jednocześnie przez promieniowanie). Miarą ruchu przekazywanego w ten sposób jest ciepło. pojęcie ciepło związane z zachowaniem ogromnej liczby cząstek - atomów, cząsteczek, jonów. Są w ciągłym chaotycznym (termicznym) ruchu. Ciepło jest formą transferu energii. Drugim sposobem wymiany energii jest Stanowisko. Ta wymiana energii jest spowodowana działaniem wykonywanym przez system lub działaniem wykonywanym na nim. Zazwyczaj praca jest oznaczona symbolem W. Praca, podobnie jak ciepło, nie jest funkcją stanu układu, więc wartość odpowiadająca nieskończenie małej pracy jest oznaczona symbolem pochodnej cząstkowej - W.

Nauka wyjaśniająca zjawiska chemiczne i ustalająca ich wzorce w oparciu o ogólne zasady fizyki. Nazwę nauki Chemia fizyczna wprowadził M.V. Łomonosow, który po raz pierwszy (1752 1753) sformułował jej przedmiot i zadania oraz ustanowił jeden ... ... Wielki słownik encyklopedyczny

CHEMIA FIZYCZNA- CHEMIA FIZYCZNA, „nauka, która wyjaśnia, na podstawie przepisów i eksperymentów, fizyczną przyczynę tego, co dzieje się za pośrednictwem chemii. operacje w złożonych organach. Tę definicję podał jej pierwszy fizykochemik M.V. Łomonosow w kursie czytanym przez ... Wielka encyklopedia medyczna

CHEMIA FIZYCZNA, nauka badająca zmiany fizyczne związane z REAKCJAMI CHEMICZNYMI, a także związek między właściwościami fizycznymi a składem chemicznym. Główne działy chemii fizycznej TERMODYNAMIKA, zajmujące się zmianami energii w ... ... Naukowy i techniczny słownik encyklopedyczny

Chemia fizyczna- - dział chemii, w którym właściwości chemiczne substancji są badane na podstawie właściwości fizycznych ich składowych atomów i cząsteczek. Współczesna chemia fizyczna to szeroka interdyscyplinarna dziedzina z pogranicza różnych gałęzi fizyki… Encyklopedia terminów, definicji i objaśnień materiałów budowlanych

CHEMIA FIZYCZNA, wyjaśnia zjawiska chemiczne i ustala ich prawa w oparciu o ogólne zasady fizyki. Obejmuje termodynamikę chemiczną, kinetykę chemiczną, doktrynę katalizy itp. Termin chemia fizyczna został wprowadzony przez M.V. Łomonosow w 1753 r. ... Współczesna encyklopedia

Chemia fizyczna- CHEMIA FIZYCZNA, wyjaśnia zjawiska chemiczne i ustala ich wzorce w oparciu o ogólne zasady fizyki. Obejmuje termodynamikę chemiczną, kinetykę chemiczną, doktrynę katalizy itp. Termin „chemia fizyczna” wprowadził M.V. Łomonosow w ... ... Ilustrowany słownik encyklopedyczny

CHEMIA FIZYCZNA- sekcja chem. nauka, studiowanie chemii. zjawiska oparte na zasadach fizyki (patrz (1)) i fizycznych. metody eksperymentalne. F.x. (jak chemia) zawiera doktrynę budowy materii, chem. termodynamika i chemia. kinetyka, elektrochemia i chemia koloidalna, nauczanie ... ... Wielka Encyklopedia Politechniczna

Ist., liczba synonimów: 1 fizyczny (1) Słownik synonimów ASIS. V.N. Triszyn. 2013 ... Słownik synonimów

Chemia fizyczna- — PL chemia fizyczna Nauka zajmująca się wpływem zjawisk fizycznych na właściwości chemiczne. (Źródło: LEE) … … Podręcznik tłumacza technicznego

Chemia fizyczna- - nauka, która wyjaśnia zjawiska chemiczne i ustala ich wzorce w oparciu o zasady fizyczne. Słownik chemii analitycznej ... Terminy chemiczne

Książki

• Chemia fizyczna, A. V. Artemov. Podręcznik został stworzony zgodnie z Federalnym Państwowym Standardem Edukacyjnym w zakresie kształcenia licencjatów, przewidującym studiowanie dyscypliny „Chemia fizyczna”.…
• Chemia fizyczna, Yu Ya Kharitonov. Podręcznik przedstawia podstawy chemii fizycznej zgodnie z orientacyjnym programem dla dyscypliny „Chemia fizyczna i koloidalna” dla specjalności 060301 „Farmacja”. Publikacja jest przeznaczona…

Początki chemii fizycznej założono w połowie XVIII wieku. Termin „chemia fizyczna”, we współczesnym rozumieniu metodologii nauki i zagadnień teorii wiedzy, należy do MV Łomonosowa, który po raz pierwszy przeczytał „Kurs prawdziwej chemii fizycznej” studentom Uniwersytetu w Petersburgu . W preambule do tych wykładów podaje następującą definicję: „Chemia fizyczna jest nauką, która musi, na podstawie przepisów i eksperymentów fizyków, wyjaśnić przyczynę tego, co dzieje się poprzez operacje chemiczne w złożonych ciałach”. Naukowiec w pracach swojej korpuskularno-kinetycznej teorii ciepła zajmuje się zagadnieniami, które w pełni spełniają powyższe zadania i metody. Taki właśnie charakter mają działania eksperymentalne, które służą potwierdzeniu poszczególnych hipotez i zapisów tej koncepcji. M. V. Łomonosow kierował się tymi zasadami w wielu obszarach swoich badań: w rozwoju i praktycznej realizacji założonej przez niego „nauki o szkle”, w różnych eksperymentach poświęconych potwierdzaniu prawa zachowania materii i siły (ruchu); - w pracach i eksperymentach związanych z doktryną rozwiązań - opracował obszerny program badań nad tym zjawiskiem fizycznym i chemicznym, które jest w trakcie rozwoju do dnia dzisiejszego.

Po tym nastąpiła ponad stuletnia przerwa, a jedno z pierwszych badań fizykochemicznych w Rosji pod koniec lat 50. XIX wieku rozpoczął DI Mendelejew.

Kolejny kurs chemii fizycznej prowadził N. N. Beketov na Uniwersytecie w Charkowie w 1865 roku.

Pierwszy wydział chemii fizycznej w Rosji został otwarty w 1914 roku na Wydziale Fizyki i Matematyki Uniwersytetu w Petersburgu, jesienią uczeń DP Konowałowa, MS Vrevsky, zaczął czytać obowiązkowy kurs i zajęcia praktyczne z chemii fizycznej .

Pierwsze czasopismo naukowe, które miało publikować artykuły z chemii fizycznej, zostało założone w 1887 r. przez W. Ostwalda i J. van't Hoffa.

Przedmiot chemii fizycznej

Chemia fizyczna jest główną podstawą teoretyczną współczesnej chemii, wykorzystującą metody teoretyczne tak ważnych działów fizyki, jak mechanika kwantowa, fizyka statystyczna i termodynamika, dynamika nieliniowa, teoria pola itp. Obejmuje doktrynę budowy materii, w tym: budowa cząsteczek, termodynamika chemiczna, kinetyka chemiczna i kataliza. Jako oddzielne działy wyróżnia się również chemię fizyczną, elektrochemię, fotochemię, fizykochemię zjawisk powierzchniowych (w tym adsorpcję), chemię radiacyjną, teorię korozji metali, fizykochemię związków wielkocząsteczkowych (patrz fizyka polimerów) itp. Bardzo ściśle przylegające chemii fizycznej i są czasami uważane za niezależne działy chemii koloidów, analizy fizykochemicznej i chemii kwantowej. Większość działów chemii fizycznej ma dość wyraźne granice pod względem przedmiotów i metod badawczych, cech metodologicznych i używanej aparatury.

Różnica między chemią fizyczną a fizyką chemiczną

Treść artykułu

CHEMIA FIZYCZNA, gałąź chemii, która bada właściwości chemiczne substancji w oparciu o fizyczne właściwości ich składowych atomów i cząsteczek. Współczesna chemia fizyczna to szeroka interdyscyplinarna dziedzina z pogranicza różnych gałęzi fizyki, biofizyki i biologii molekularnej. Ma wiele punktów styku z takimi dziedzinami nauk chemicznych jak chemia organiczna i nieorganiczna.

Charakterystyczną cechą podejścia chemicznego (w przeciwieństwie do fizycznego i biologicznego) jest to, że wraz z opisem zjawisk makroskopowych wyjaśnia się ich naturę na podstawie właściwości poszczególnych cząsteczek i interakcji między nimi.

Nowe osiągnięcia instrumentalne i metodologiczne w dziedzinie chemii fizycznej są wykorzystywane w innych gałęziach chemii i naukach pokrewnych, takich jak farmakologia i medycyna. Przykładami są metody elektrochemiczne, spektroskopia w podczerwieni (IR) i ultrafiolecie (UV), techniki laserowe i rezonansu magnetycznego, które są szeroko stosowane w terapii i diagnostyce różnych chorób.

Tradycyjnie rozważane są główne działy chemii fizycznej: 1) termodynamika chemiczna; 2) teoria kinetyczna i termodynamika statystyczna; 3) pytania dotyczące budowy cząsteczek i spektroskopii; 4) kinetyka chemiczna.

Termodynamika chemiczna.

Termodynamika chemiczna jest bezpośrednio związana z zastosowaniem termodynamiki - nauki o cieple i jego przemianach - do zagadnienia równowagi chemicznej. Istota problemu jest sformułowana w następujący sposób: jeśli istnieje mieszanina odczynników (układ) i znane są warunki fizyczne, w których się znajduje (temperatura, ciśnienie, objętość), to jakie spontaniczne procesy chemiczne i fizyczne mogą przynieść ten układ do równowagi? Pierwsza zasada termodynamiki mówi, że ciepło jest formą energii i że całkowita energia układu (wraz z jego otoczeniem) pozostaje niezmieniona. Zatem to prawo jest jedną z form prawa zachowania energii. Zgodnie z drugim prawem zachodzący spontanicznie proces prowadzi do wzrostu całkowitej entropii układu i jego otoczenia. Entropia jest miarą ilości energii, której system nie może wykorzystać do wykonania użytecznej pracy. Drugie prawo wskazuje kierunek, w którym reakcja będzie przebiegać bez jakichkolwiek wpływów zewnętrznych. Aby zmienić charakter reakcji (na przykład jej kierunek), musisz wydać energię w takiej czy innej formie. Tym samym nakłada ścisłe ograniczenia na ilość pracy, jaką można wykonać w wyniku konwersji energii cieplnej lub chemicznej uwolnionej w procesie odwracalnym.

Ważne osiągnięcia w termodynamice chemicznej zawdzięczamy J. Gibbsowi, który położył teoretyczne podstawy tej nauki, co pozwoliło połączyć w jedną całość wyniki uzyskane przez wielu badaczy poprzedniego pokolenia. Podejście opracowane przez Gibbsa nie zawiera żadnych założeń dotyczących mikroskopowej struktury materii, ale uwzględnia właściwości równowagi układów na poziomie makro. Dlatego można sądzić, że pierwsza i druga zasada termodynamiki jest uniwersalna i pozostanie aktualna nawet wtedy, gdy dowiemy się znacznie więcej o właściwościach cząsteczek i atomów.

Teoria kinetyczna i termodynamika statystyczna.

Termodynamika statystyczna (a także mechanika kwantowa) umożliwia przewidywanie położenia równowagi dla niektórych reakcji w fazie gazowej. Za pomocą podejścia mechaniki kwantowej można opisać zachowanie złożonych cząsteczek szeregu substancji znajdujących się w stanie ciekłym i stałym. Istnieją jednak reakcje, których szybkości nie można obliczyć ani w ramach teorii kinetycznej, ani za pomocą termodynamiki statystycznej.

Prawdziwa rewolucja w klasycznej termodynamice statystycznej miała miejsce w latach siedemdziesiątych. Nowe koncepcje, takie jak uniwersalność (pojęcie, że członkowie niektórych szerokich klas związków mają te same właściwości) i zasada podobieństwa (oszacowanie nieznanych ilości na podstawie znanych kryteriów) doprowadziły do ​​lepszego zrozumienia zachowania cieczy w pobliżu krytycznego punkt, kiedy rozróżnienie między cieczą a gazem. Za pomocą komputera symulowano właściwości cieczy prostych (ciekły argon) i złożonych (woda i alkohol) w stanie krytycznym. Niedawno właściwości cieczy, takich jak ciekły hel (którego zachowanie jest doskonale opisane w ramach mechaniki kwantowej) i swobodnych elektronów w cieczach molekularnych, zostały wszechstronnie zbadane za pomocą symulacji komputerowych (SUPERCONDUCTIVITY). Pozwoliło to na lepsze zrozumienie właściwości zwykłych płynów. Metody komputerowe w połączeniu z najnowszymi osiągnięciami teoretycznymi są intensywnie wykorzystywane do badania zachowania roztworów, polimerów, miceli (specyficznych cząstek koloidalnych), białek i roztworów jonowych. Do rozwiązywania problemów chemii fizycznej, w szczególności do opisu niektórych właściwości układów w stanie krytycznym oraz do badania zagadnień fizyki wysokich energii, coraz częściej stosuje się metodę matematyczną grupy renormalizacji.

Struktura cząsteczek i spektroskopia.

Chemicy organiczni XIX wieku. opracował proste zasady określania wartościowości (zdolności łączenia) wielu pierwiastków chemicznych. Na przykład odkryli, że wartościowość węgla wynosi 4 (jeden atom węgla może dołączyć cztery atomy wodoru, tworząc cząsteczkę metanu CH 4), tlen - 2, wodór - 1. Na podstawie pomysłów empirycznych opartych na danych eksperymentalnych przyjęto założenia o przestrzennym rozmieszczeniu atomów w cząsteczkach (np. cząsteczka metanu ma budowę czworościenną, podczas gdy atom węgla znajduje się w środku trójkątnej piramidy, a wodór w jej czterech wierzchołkach). Podejście to nie pozwoliło jednak na ujawnienie mechanizmu powstawania wiązań chemicznych, a tym samym na oszacowanie wielkości cząsteczek, określenie dokładnej odległości między atomami.

Za pomocą opracowanych w XX wieku metod spektroskopowych określono strukturę cząsteczek wody (H 2 O), etanu (C 2 H 6), a następnie znacznie bardziej złożonych cząsteczek, np. białek. Metody spektroskopii mikrofalowej (EPR, NMR) i dyfrakcji elektronów umożliwiły określenie długości wiązań, kątów między nimi (kątów walencyjnych) i wzajemnego ułożenia atomów w prostych cząsteczkach oraz analizy dyfrakcji rentgenowskiej - podobne parametry dla większe cząsteczki, które tworzą kryształy molekularne. Kompilacja katalogów struktur molekularnych i wykorzystanie prostych pojęć walencji położyło podwaliny pod chemię strukturalną (jej pionierem był L. Pauling) i umożliwiło wykorzystanie modeli molekularnych do wyjaśnienia złożonych zjawisk na poziomie molekularnym. Jeśli cząsteczki nie miały określonej struktury lub jeśli parametry wiązań C–C i C–H w chromosomach bardzo różniły się od tych w cząsteczkach metanu lub etanu, to za pomocą prostych modeli geometrycznych J. Watson i F. Crick nie byli w stanie zbudować na początku lat pięćdziesiątych swojego słynnego modelu podwójnej helisy kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA). Badając drgania atomów w molekułach za pomocą spektroskopii IR i UV, udało się ustalić charakter sił, które trzymają atomy w składzie molekuł, co z kolei doprowadziło do idei obecności ruchu wewnątrzcząsteczkowego i umożliwiły badanie właściwości termodynamicznych cząsteczek ( patrz wyżej). Był to pierwszy krok w kierunku określenia szybkości reakcji chemicznych. Ponadto badania spektroskopowe w obszarze UV ​​pomogły ustalić mechanizm powstawania wiązań chemicznych na poziomie elektronowym, co umożliwiło opisanie reakcji chemicznych w oparciu o ideę przejścia reagentów w stan wzbudzony (często pod wpływem działania światła widzialnego lub UV). Była nawet cała dziedzina naukowa - fotochemia. Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) umożliwiła chemikom badanie poszczególnych etapów złożonych procesów chemicznych oraz identyfikację centrów aktywnych w cząsteczkach enzymu. Metoda ta umożliwiła również uzyskanie trójwymiarowych obrazów nienaruszonych komórek i poszczególnych narządów. FOTOCHEMIA.

Teoria walencji.

Korzystając z empirycznych reguł wartościowości opracowanych przez chemików organicznych, układu okresowego pierwiastków i planetarnego modelu atomu Rutherforda, G. Lewis odkrył, że kluczem do zrozumienia wiązania chemicznego jest elektronowa struktura materii. Lewis doszedł do wniosku, że wiązanie kowalencyjne powstaje w wyniku socjalizacji elektronów należących do różnych atomów; wyszedł przy tym z założenia, że ​​elektrony wiążące znajdują się na ściśle określonych powłokach elektronowych. Teoria kwantów umożliwia przewidywanie budowy cząsteczek i charakteru powstających wiązań kowalencyjnych w najogólniejszym przypadku.

Nasze wyobrażenia o budowie materii, które powstały dzięki sukcesom fizyki kwantowej w pierwszej ćwierci XX wieku, można podsumować następująco. Strukturę atomu określa bilans sił elektrycznych odpychania (między elektronami) i przyciągania (między elektronami a dodatnio naładowanym jądrem). Prawie cała masa atomu jest skoncentrowana w jądrze, a jego rozmiar zależy od ilości miejsca zajmowanego przez elektrony krążące wokół jądra. Cząsteczki składają się ze stosunkowo stabilnych jąder utrzymywanych razem przez szybko poruszające się elektrony, dzięki czemu wszystkie właściwości chemiczne substancji można wyjaśnić w kategoriach elektrycznych interakcji cząstek elementarnych, z których składają się atomy i molekuły. Tak więc główne przepisy mechaniki kwantowej, dotyczące budowy cząsteczek i tworzenia wiązań chemicznych, stanowią podstawę do empirycznego opisu struktury elektronowej materii, natury wiązania chemicznego oraz reaktywności atomów i cząsteczek.

Wraz z pojawieniem się szybkich komputerów można było obliczyć (z małą, ale wystarczającą dokładnością) siły działające między atomami w małych cząsteczkach wieloatomowych. Teoria walencji, oparta na symulacji komputerowej, jest obecnie narzędziem roboczym do badania struktur, charakteru sił chemicznych i reakcji w przypadkach, gdy eksperymenty są trudne lub czasochłonne. Odnosi się to do badania wolnych rodników obecnych w atmosferze i płomieniach lub powstających jako produkty pośrednie reakcji. Jest nadzieja, że ​​kiedyś teoria oparta na obliczeniach komputerowych będzie w stanie odpowiedzieć na pytanie: w jaki sposób struktury chemiczne „obliczają” swój najbardziej stabilny stan w czasie rzędu pikosekund, uzyskując odpowiednie szacunki, przynajmniej w pewnym przybliżeniu? , wymaga ogromnej ilości czasu maszyny.

Kinetyka chemiczna

zajmuje się badaniem mechanizmu reakcji chemicznych oraz wyznaczaniem ich szybkości. Na poziomie makroskopowym reakcję można przedstawić jako kolejne przemiany, podczas których z jednej substancji powstają inne. Na przykład pozornie prosta transformacja

H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O

faktycznie składa się z kilku następujących po sobie etapów:

H + O2 → OH + O

O + H2 → HO + H

H + O 2 → O 2

H2 + H2 → H2O + OH

a każdy z nich charakteryzuje się własną stałą szybkości k. S. Arrhenius zasugerował, że temperatura bezwzględna T i stała szybkości reakcji k powiązane stosunkiem k = A do potęgi(- mi Działać)/ RT, gdzie ALE– współczynnik przedwykładniczy (tzw. współczynnik częstotliwości), mi akt - energia aktywacji, r jest stałą gazową. Do pomiaru k I T potrzebne są instrumenty do śledzenia zdarzeń zachodzących z jednej strony przez około 10–13 s, az drugiej przez dziesięciolecia (a nawet tysiąclecia) (procesy geologiczne); konieczna jest również możliwość pomiaru pomijalnych stężeń skrajnie niestabilnych odczynników. Zadanie kinetyki chemicznej obejmuje również przewidywanie procesów chemicznych zachodzących w układach złożonych (mowa tu o procesach biologicznych, geologicznych, atmosferycznych, spalaniu i syntezie chemicznej).

Do badania reakcji w fazie gazowej „w czystej postaci” stosuje się metodę wiązek molekularnych; w tym przypadku cząsteczki o ściśle określonych stanach kwantowych reagują z powstawaniem produktów, które również znajdują się w określonych stanach kwantowych. Takie eksperymenty dostarczają informacji o siłach powodujących określone reakcje. Na przykład w układzie z wiązką molekularną nawet tak małe cząsteczki jak CH 3 I można zorientować w określony sposób i zmierzyć współczynniki zderzeń w dwóch „różnych” reakcjach:

K + ICH 3 → KI + CH 3

K + CH 3 I → KI + CH 3

gdzie grupa CH3 jest zorientowana inaczej w stosunku do zbliżającego się atomu potasu.

Jednym z zagadnień, którymi zajmuje się chemia fizyczna (a także fizyka chemiczna) jest obliczanie stałych szybkości reakcji. Tutaj szeroko stosowana jest rozwinięta w latach 30. teoria stanów przejściowych, która wykorzystuje parametry termodynamiczne i strukturalne. Teoria ta, w połączeniu z metodami fizyki klasycznej i mechaniki kwantowej, umożliwia symulację przebiegu reakcji tak, jakby zachodziła w warunkach eksperymentu z wiązkami molekularnymi. Prowadzone są eksperymenty na wzbudzaniu laserowym określonych wiązań chemicznych, które umożliwiają testowanie poprawności statystycznych teorii destrukcji molekuł. Powstają teorie, które uogólniają współczesne fizyczne i matematyczne koncepcje procesów chaotycznych (na przykład turbulencja). Nie jesteśmy tak daleko od pełnego zrozumienia natury oddziaływań zarówno wewnątrz-, jak i międzycząsteczkowych, ujawnienia mechanizmu reakcji zachodzących na powierzchniach o pożądanych właściwościach oraz ustalenia struktury centrów katalitycznych enzymów i kompleksów metali przejściowych. Na poziomie mikroskopowym można odnotować prace nad kinetykami powstawania tak złożonych struktur, jak płatki śniegu czy dendryty (kryształy o strukturze drzewiastej), co pobudziło rozwój symulacji komputerowych opartych na prostych modelach teorii dynamiki nieliniowej; otwiera to perspektywy tworzenia nowych podejść do opisu struktury i rozwoju złożonych systemów.