FİZİKSEL KİMYA

§ 1. Fiziksel kimyanın konusu. Anlamı

Kimyasal ve fiziksel fenomen çalışmaları arasındaki ilişki fiziksel kimya. Bu kimya dalı, kimya ve fizik arasındaki sınırdır. Fiziksel kimya, her iki bilimin teorik ve deneysel yöntemlerinin yanı sıra kendi yöntemlerini kullanarak, kimyasal reaksiyonların ve bunlara eşlik eden fiziksel süreçlerin çok yönlü bir çalışmasına girer. Bununla birlikte, çok yönlü bir çalışma bile hiçbir zaman tamamlanmadığından ve fenomeni kapsamlı bir şekilde kapsamadığından, diğer doğa bilimlerininki gibi fiziksel kimya yasaları ve yasaları her zaman fenomeni basitleştirir ve tam olarak yansıtmaz.

Fiziksel kimyanın hızlı gelişimi ve artan önemi, fizik ve kimya arasındaki sınır konumu ile ilişkilidir. Fizikokimyanın ana genel görevi, incelenen sistemi oluşturan maddelerin yapısı ve özelliklerine ilişkin verilere dayalı olarak, çeşitli koşullar altında sürecin zaman sürecini ve nihai sonucu (denge durumu) tahmin etmektir.

§ 2. Fiziksel kimyanın gelişim tarihinin kısa özeti

"Fiziksel kimya" terimi ve bu bilimin tanımı ilk olarak 1752-1754'te M.V. Lomonosov tarafından verildi. Bilimler Akademisi öğrencilerine bir fizikokimya dersi okudu ve bu dersin "Gerçek Fiziksel Kimyaya Giriş" (1752) elyazmasını bıraktı. Lomonosov, konuları onun tarafından derlenen "Fiziksel Kimya Ders Planı" (1752) ve "Fiziksel Kimyada Deneyim" (1754) deneysel çalışma programına karşılık gelen birçok çalışma yaptı. Liderliği altında, fiziksel kimyada bir öğrenci çalıştayı da düzenlendi.

Lomonosov, aşağıdaki fiziksel kimya tanımını verdi: "Fiziksel kimya, fiziğin hükümlerine ve deneylerine dayanarak, kimyasal işlemler sırasında karışık cisimlerde neler olduğunu açıklayan bir bilimdir." Bu tanım moderne yakındır.

Fiziksel kimyanın gelişimi için, 19. yüzyılın ortalarında termodinamiğin iki yasasının (S. Carnot, Yu.R. Mayer, G. Helmholtz, DP Joule, R. Clausius, W. Thomson) keşfi çok önemliydi. önem.

Fizik ve kimya arasındaki sınırda yer alan araştırmaların sayısı ve çeşitliliği 19. yüzyılda sürekli arttı. Kimyasal dengenin termodinamik teorisi geliştirildi (K.M. Guldberg, P. Waage, D.W. Gibbs). L.F. Wilhelmi'nin çalışmaları, kimyasal reaksiyon oranlarının (kimyasal kinetik) incelenmesinin temelini attı. Çözeltilerde elektriğin transferi incelendi (I.V. Gittorf, F.V.G. Kolrausch), çözeltilerin buharla denge yasaları incelendi (D.P. Konovalov) ve çözümler teorisi geliştirildi (D.I. Mendeleev).

Fiziksel kimyanın bağımsız bir bilim ve akademik disiplin olarak tanınması, 1887'de Leipzig Üniversitesi'nde (Almanya) W. Ostwald başkanlığındaki ilk fiziksel kimya bölümünün kuruluşunda ve fiziksel üzerine ilk bilimsel derginin kuruluşunda ifade edildi. kimya var. 19. yüzyılın sonunda, Leipzig Üniversitesi fiziksel kimyanın gelişiminin merkeziydi ve önde gelen fiziksel kimyacılar W. Ostwald, J. H. Van't Hoff, S. Arrhenius ve W. Nernst idi. Bu zamana kadar, fiziksel kimyanın üç ana bölümü tanımlandı - kimyasal termodinamik, kimyasal kinetik ve elektrokimya.

Gelişimi teknik ilerleme için gerekli bir koşul olan bilimin en önemli alanları arasında kimyasal süreçlerin incelenmesi; fiziksel kimya bu sorunun gelişmesinde öncü bir rol oynamaktadır.

§ 3. Fiziksel kimyanın bölümleri. Araştırma Yöntemleri

Kimyasal termodinamik. Bu bölümde, genel termodinamik yasaları temelinde, kimyasal denge yasaları ve faz dengesi doktrini açıklanmıştır.

Çözümler doktrini, çözeltiyi oluşturan maddelerin özelliklerine dayanarak çözeltilerin özelliklerini (birkaç maddenin homojen karışımları) açıklamayı ve tahmin etmeyi amaçlar.

Yüzey fenomenleri doktrini. Katıların ve sıvıların (fazlar arasındaki arayüzler) yüzey katmanlarının çeşitli özellikleri incelenir; Yüzey katmanlarında üzerinde çalışılan başlıca olaylardan biri, adsorpsiyon(yüzey tabakasında madde birikimi).

Sıvı, katı ve gaz fazları arasındaki arayüzeylerin oldukça gelişmiş olduğu sistemlerde (emülsiyonlar, sisler, dumanlar, vb.), yüzey katmanlarının özellikleri birincil öneme sahiptir ve tüm sistemin benzersiz özelliklerinin birçoğunu bir bütün olarak belirler. tüm. Çok dağınık, dağılmış (mikroheterojen) sistemler inceleniyor kolloid kimyası, fiziksel kimyanın önemli bir bağımsız dalıdır.

Fiziksel kimyanın ana bölümlerinin yukarıdaki listesi, bu bilimin daha büyük bölümlerin veya fiziksel kimyanın bağımsız bölümleri olarak kabul edilebilecek bazı alanlarını ve daha küçük bölümlerini kapsamaz. Fiziksel kimyanın çeşitli dalları arasındaki yakın ilişki bir kez daha vurgulanmalıdır. Herhangi bir fenomeni incelerken, kimyanın birçok dalını (ve genellikle diğer bilimleri) incelemek için bir fikir, teori ve yöntem cephanesi kullanmak gerekir. Eğitim amaçlı olarak materyali belirtilen bölümlere dağıtmak yalnızca fiziksel kimya ile ilk tanışma ile mümkündür.

Fiziksel ve kimyasal araştırma yöntemleri. Fiziksel kimyanın temel yöntemleri, doğal olarak fizik ve kimya yöntemleridir. Bu, her şeyden önce, deneysel bir yöntemdir - maddelerin özelliklerinin dış koşullara bağımlılığının incelenmesi, çeşitli süreçlerin akış yasalarının deneysel çalışması ve kimyasal denge yasaları.

Deneysel verilerin teorik olarak anlaşılması ve tutarlı bir bilgi sisteminin oluşturulması, teorik fizik yöntemlerine dayanmaktadır.

Bunlardan biri olan termodinamik yöntem, bir maddenin çeşitli özelliklerini (“makroskopik” özellikler) nicel olarak ilişkilendirmeyi ve diğer özelliklerin deneysel değerlerine dayanarak bu özelliklerden bazılarını hesaplamayı mümkün kılar.

BÖLÜM I
TERMODİNAMİĞİN BİRİNCİ YASASI

§ 1. Enerji. Enerjinin korunumu ve dönüşümü yasası

Maddenin ayrılmaz bir özelliği (niteliği) harekettir; maddenin kendisi gibi yok edilemez. Maddenin hareketi, birbirinden geçebilen farklı biçimlerde kendini gösterir. Maddenin hareket ölçüsü, enerji. Kantitatif olarak, enerji belirli bir şekilde her bir hareket biçiminin karakteristik parametreleri aracılığıyla ve bu forma özgü birimlerle ifade edilir.

SI birim sisteminde, enerjinin (ısı ve iş) birimi joule'dür ( J), kuvvetin işine eşit 1 H 1 yolunda m. 1 J = 1 Nm.

Yaygın olarak kullanılan enerji (ısı) birimi olan kalori, şu anda kullanımına izin verilen sistem dışı bir birimdir. Halihazırda kullanılan kalori, tanım gereği, belirli bir joule sayısına eşittir: 1 dışkı 4.1868 joule eşittir. Bu birim ısı mühendisliğinde kullanılır ve şu şekilde adlandırılabilir: termal kalori Kimyasal termodinamikte, biraz farklı bir birim kullanılır, 4.1840 joule eşittir ve termokimyasal kalori. Uygulamasının uygunluğu, referans kitaplarında toplanan ve bu birimlerde ifade edilen kapsamlı deneysel termokimyasal materyali kullanmanın rahatlığı ile bağlantılıdır.

Bir hareket biçimi diğerine dönüştürüldüğünde, farklı birimlerde ifade edilen kaybolan ve görünen hareketin enerjileri birbirine eşittir, yani kaybolan hareketin enerjisi, hareketin enerjisiyle sabit bir nicel ilişki içindedir. ortaya çıkan (enerjinin eşdeğer dönüşümleri yasası). Bu oran, iki hareket biçiminin enerjilerine ve bir hareket biçiminden diğerine geçişin gerçekleştiği özel koşullara bağlı değildir. Böylece, bir elektrik akımının enerjisi kaotik moleküler hareketin enerjisine dönüştürüldüğünde, bir joule elektrik enerjisi her zaman 0.239'a dönüşür. dışkı moleküler hareket enerjisi.

Böylece, maddenin hareketinin bir ölçüsü olarak enerji, her zaman belirli bir hareket biçimine karşılık gelen niteliksel olarak orijinal bir biçimde kendini gösterir ve uygun ölçü birimlerinde ifade edilir. Öte yandan, tüm hareket biçimlerinin birliğini, karşılıklı dönüştürülebilirliğini ve hareketin yok edilemezliğini nicel olarak yansıtır.

Yukarıdaki eşdeğer enerji dönüşümleri yasası, fiziksel bir deneysel yasadır. Eşdeğer enerji dönüşümleri yasasışeklinde, yani farklı şekilde ifade edilebilir. enerjinin korunumu ve dönüşümü yasası: enerji ne yaratılır ne de yok edilir; tüm süreçlerde ve olaylarda, bu sürece katılan yalıtılmış bir malzeme sisteminin tüm parçalarının toplam enerjisi sabit kalırken artmaz veya azalmaz.

Enerjinin korunumu ve dönüşümü yasası, çok sayıda molekülün bir toplamını temsil eden keyfi olarak büyük cisimlerde meydana gelen olaylara ve bir veya birkaç molekülün katılımıyla meydana gelen olaylara uygulanabilir olması anlamında evrenseldir.

Çeşitli mekanik hareket biçimleri için, enerjinin korunumu yasası uzun zamandır nitel bir biçimde (Descartes - 1640) ve nicel bir biçimde (Leibniz - 1697) ifade edilmiştir.

Isı ve işin karşılıklı dönüşümleri için (aşağıya bakınız), enerjinin korunumu yasasının, kırklı yıllarda gerçekleştirilen Yu. R. Mayer, G. Helmholtz ve DP Joule'nin çalışmaları ile bir doğa bilimi yasası olduğu kanıtlanmıştır. XIX yüzyıl.

Eşdeğer dönüşümler yasasını kullanarak, çeşitli hareket biçimlerinin enerjilerini, bir tür enerjinin (bir hareket biçimi) karakteristik birimlerinde ifade etmek ve ardından toplama, çıkarma vb. işlemleri gerçekleştirmek mümkündür.

§ 2. Termodinamiğin konusu, yöntemi ve sınırları

Termodinamik, teorik fiziğin ana dallarından biridir. Termodinamik, cisimler arasında ısı ve iş şeklinde enerji aktarımıyla ilişkili çeşitli enerji türlerinin karşılıklı dönüşüm yasalarını inceler. Dikkatini çeşitli süreçlerde enerji transfer biçimleri olarak ısı ve işe odaklayan termodinamik, çok sayıda enerji bağlantısını ve bir maddenin kendi değerlendirme döngüsündeki çeşitli özellikleri arasındaki bağımlılıkları içerir ve çok geniş çapta uygulanabilir genellemeler verir. termodinamik yasaları.

Temel termodinamik yasaları oluştururken, vücutta meydana gelen enerji dönüşümleri (genellikle çok karmaşık) genellikle ayrıntılı değildir. Belirli bir durumda bedende bulunan enerji türleri de farklılaşmaz; tüm bu enerji türlerinin toplamı tek bir enerji olarak kabul edilir. sistemin iç enerjisi .

Yukarıda özetlenen termodinamiğin konusu, bu bilimin yöntemini ve sınırlarını tanımlar. Termodinamiğin başlangıç ​​noktası olarak alınan ısı ve iş arasındaki ayrım ve ısının işe karşıtlığı, yalnızca birçok molekülden oluşan cisimler için anlamlıdır, çünkü bir molekül veya az sayıda molekül kümesi için şu kavramlar geçerlidir: ısı ve iş anlamını yitirir. Bu nedenle, termodinamik yalnızca çok sayıda molekülden oluşan cisimleri dikkate alır. makroskopik sistemler dahası, klasik biçimindeki termodinamik, tek tek moleküllerin davranışını ve özelliklerini hesaba katmaz.

Termodinamik yöntem ayrıca, çalışma nesnesinin maddi dünyadan izole edilmiş bir cisim veya bir grup cisim olduğu gerçeğiyle de karakterize edilir. termodinamik sistem (bundan böyle kısaca anılacaktır) sistem).

Sistemi dış dünyadan (çevreden) ayıran belirli sınırları vardır.

sistem homojen , parametrelerinin her biri sistemin tüm bölümlerinde aynı değere sahipse veya noktadan noktaya sürekli değişiyorsa.

sistem heterojen , Görünür arayüzlerle birbirinden ayrılmış birkaç makroskopik (sırasıyla birçok molekülden oluşan) parçalardan oluşuyorsa. Bu yüzeylerde bazı parametreler aniden değişir. Örneğin, "katı tuz - doymuş sulu tuz çözeltisi - doymuş su buharı" sistemidir. Burada, tuz - çözelti ve çözelti - buhar sınırlarında, bileşim ve yoğunluk aniden değişir.

Görünür arayüzlerle diğer parçalardan ayrılan sistemin homojen bölümlerine denir. aşamalar . Bu durumda, sistemin aynı fiziksel ve termodinamik özelliklere sahip olan tek tek homojen parçalarının seti tek faz olarak kabul edilir (örneğin, bir maddenin kristalleri seti veya bir gaz içinde asılı duran ve şekil veren sıvı damlacıkları seti). sis). Sistemin her aşaması, kendi durum denklemi ile karakterize edilir.

Çevre ile madde ve enerji alışverişi yapamayan (ısı veya iş şeklinde) sisteme denir. yalıtılmış .

Çevre ile madde ve enerji alışverişi yapabilen (ısı veya iş şeklinde) sisteme denir. açık.

Çevre ile madde alışverişi yapamayan, ancak enerji alışverişi yapabilen (ısı veya iş şeklinde) sisteme denir. kapalı .

Termodinamik, bir bütün olarak bir malzeme sisteminin bu tür ölçülebilir özellikleri ile sistemdeki sıcaklık, basınç, kütle, yoğunluk ve kimyasal bileşim gibi makroskopik parçaları (fazlar) arasındaki ilişkiyi ve sistemdeki diğer bazı özellikleri inceler. Bu özelliklerdeki değişiklikler arasındaki ilişki olarak.

Termodinamik tarafından incelenen özellikler kümesi (sözde sistemin termodinamik parametreleri) tanımlar sistemin termodinamik durumu. Herhangi bir termodinamik özellikteki bir değişiklik (sadece bir tane bile olsa), sistemin termodinamik durumunda bir değişikliğe yol açar.

Doğada meydana gelen tüm süreçler kendiliğinden (doğal) ve kendiliğinden olmayan olarak ayrılabilir.

spontan süreçler Bunlar harici enerji girdisi gerektirmeyen süreçlerdir. Örneğin, sıcaklığı yüksek bir cisimden daha düşük sıcaklıktaki bir cisme ısı transferi, tuzun suda çözünmesi vb. kendiliğinden gerçekleşir.

Kendiliğinden olmayan süreçler akışları için dışarıdan enerji gerektirir, örneğin havanın nitrojen ve oksijene ayrılması.

Termodinamik esas olarak, parametrelerinin (sıcaklık, basınç, elektrostatik potansiyel vb.) zamanla kendiliğinden değişmediği ve tek tek fazların hacmindeki tüm noktalarda aynı değere sahip olduğu bir sistemin bu tür durumlarını dikkate alır. Bu tür devletler denir dengeli.

Termodinamiğin temel varsayımlarından biri şudur: Herhangi bir kendiliğinden sürecin gidişatı, nihai olarak, izole edilmiş sistemi, özellikleri artık değişmeyeceği, yani sistemde denge kurulacağı zaman bir denge durumuna getirir.

Fazlar içinde sıcaklık, basınç ve bileşimin düzensiz ve zamanla değişen dağılımları ile karakterize edilen durumlar şunlardır: dengesizlik. Temel termodinamik yasalara ek olarak ek varsayımların kullanıldığı denge dışı (tersinir olmayan) süreçlerin termodinamiği tarafından değerlendirilirler.

Deneyimin bir genellemesi olarak kabul edilen termodinamiğin temel yasaları temelinde inşa edilen termodinamik, çoğu zaman olarak adlandırılır. klasik veya fenomenolojik termodinamik. Termodinamik, ısı makineleri teorisinin teorik temellerini sağlar; bu bölüm denir teknik termodinamik. Kimyasal süreçlerin termodinamik bir bakış açısıyla incelenmesi, kimyasal termodinamik, fiziksel kimyanın ana dallarından biridir.

§ 3. Isı ve iş

Bir bedenden diğerine geçişi sırasında hareket formlarındaki değişiklikler ve buna karşılık gelen enerji dönüşümleri çok çeşitlidir. Hareketin kendisinin geçiş biçimleri ve onunla bağlantılı enerji geçişleri iki gruba ayrılabilir.

Birinci grup, iki bitişik cismin moleküllerinin kaotik çarpışmaları ile hareket geçişinin yalnızca bir biçimini içerir, yani. iletimle (ve aynı zamanda radyasyonla). Bu şekilde iletilen hareketin ölçüsü, sıcaklık .

İkinci grup, ortak bir özelliği, yönlendirilmiş bir karaktere sahip herhangi bir dış kuvvetlerin etkisi altında makroskopik kütlelerin hareketi olan çeşitli hareket geçişi biçimlerini içerir. Yerçekimi alanındaki cisimlerin yükselişi, belirli bir miktarda elektriğin daha büyük bir elektrostatik potansiyelden daha küçük bir potansiyele geçişi, bir gazın basınç altında genişlemesi vb. Bu tür araçlarla iletilen hareketin genel ölçüsü, İş .

Isı ve iş, maddi dünyanın bir bölümünden diğerine hareketin iki farklı iletim biçimini niteliksel ve niceliksel olarak karakterize eder.

Hareketin iletimi, iki ana biçimini ayırt ettiğimiz, maddenin bir tür karmaşık hareketidir. Isı ve iş, maddenin bu iki karmaşık hareket biçiminin ölçüleridir ve bunlar enerji türleri olarak düşünülmelidir.

Isı ve işin ortak özelliği, yalnızca bu işlemlerin gerçekleştiği zaman aralıklarında önemli olmalarıdır. Bu tür süreçler sırasında, bazı cisimlerde şu veya bu biçimdeki hareket azalır ve buna karşılık gelen enerji azalır, diğer cisimlerde aynı veya başka biçimlerdeki hareket artar ve karşılık gelen enerji türleri artar.

Herhangi bir cisimdeki ısı veya iş stokundan bahsetmiyoruz, sadece bilinen bir işlemin ısısı ve çalışmasından bahsediyoruz. Tamamlandıktan sonra vücutlarda ısı veya iş varlığından bahsetmeye gerek yoktur.

§ 4. Isı ve işin denkliği

D.P. Joule'nin (1842-1867) klasik deneylerinde, karşılıklı geçişleri sırasında ısı ve iş arasında sabit bir eşdeğer oran oluşturulmuştur. Tipik bir Joule deneyi aşağıdaki gibidir.

Isının mekanik eşdeğerini belirlemek için Joule cihazı.

Bilinen bir yükseklikten düşen ağırlıklar, bir kalorimetre içinde suya daldırılmış bir karıştırıcıyı döndürür (bir ağırlık ve bir su ile bir kalorimetre bir termodinamik sistem oluşturur.) Karıştırıcı kanatlarının su içinde dönmesi, kalorimetre içindeki suyun ısınmasına neden olur; karşılık gelen sıcaklıktaki artış nicelleştirilir.

Belirtilen işlem tamamlandıktan sonra sistem orijinal haline getirilmelidir. Bu zihinsel deneyim yoluyla yapılabilir. Ağırlıklar orijinal yüksekliklerine yükselirken, sistemin enerjisini artıran harici iş harcanır. Ayrıca kalorimetreden ısı uzaklaştırılarak (ortama aktarılır) başlangıç ​​sıcaklığına soğutulur. Bu işlemler, sistemi orijinal durumuna döndürür, yani sistemin tüm ölçülebilir özellikleri, ilk durumda sahip oldukları değerlerin aynısını alır. Sistemin özelliklerinin değiştiği ve sonunda eski haline döndüğü sürece ne ad verilir? dairesel (döngüsel) süreç veya Çevrim .

Tarif edilen çevrimin tek sonucu, sistemi çevreleyen ortamdan işin çıkarılması ve kalorimetreden alınan ısının bu ortama aktarılmasıdır.

Karşılık gelen birimlerde ölçülen bu iki niceliğin karşılaştırılması, yükün boyutundan, kalorimetrenin boyutundan ve farklı deneylerdeki belirli ısı ve iş miktarlarından bağımsız olarak aralarında sabit bir ilişki olduğunu gösterir.

Isıyı ve çalışmayı sonsuz küçük (temel) ısıların toplamı (integrali) olarak döngüsel bir süreçte yazmanız tavsiye edilir  Q ve sonsuz küçük (temel) işler  W, ve entegrasyonun ilk ve son limitleri çakışır (döngü).

Daha sonra döngüsel bir süreçte ısı ve işin denkliği aşağıdaki gibi yazılabilir:

(ben, 1)

(I, 1) denkleminde, işaret bir döngü üzerinden entegrasyonu ifade eder. katsayı sabitliği k ısı ve işin denkliğini yansıtır ( kısının mekanik eşdeğeridir). Denklem (I, 1), işin ısıya dönüşümünün özel, çok önemli bir durumu için enerjinin korunumu yasasını ifade eder.

Joule, Rowland (1880), Miculescu (1892) ve diğerlerinin çalışmalarında metallerde sürtünme, çarpma, elektrik akımının çalışmasının doğrudan ısıya dönüştürülmesi, katıların gerilmesi vb. Yöntemler kullanıldı. k deneysel hata içinde daima sabittir.

Aşağıda, katsayı yardımıyla her zaman iş ve ısının olduğu varsayılır. k aynı birimlerde (ne olursa olsun) ifade edilir ve katsayı k iner.

§ 5. İç enerji

Dairesel olmayan bir süreç için, sistem orijinal durumuna dönmediğinden eşitlik (I, 1) gözlenmez. Bunun yerine, dairesel olmayan bir süreç için eşitlikler yazılabilir (katsayı atlanarak). k):

≠

İntegrasyon sınırları genellikle keyfi olduğundan, temel nicelikler için  W Ve  Q:

Q   W,

Sonuç olarak:

Q – W  0

Farkı belirtin  Q –  W aracılığıyla herhangi bir temel termodinamik süreç için dU:

dU   Q – W (I, 2)

veya son işlem için:

– (I, 2a)

Döngüsel sürece dönersek, şunu elde ederiz (Denklem I, 1'den):

=
–
= 0 (I, 3)

Böylece, değer dU bazı sistem durumu işlevlerinin toplam diferansiyeli. Sistem orijinal durumuna döndüğünde (döngüsel bir değişiklikten sonra), bu fonksiyonun değeri orijinal değerini alır.

Sistem durumu işlevisen , eşitliklerle tanımlanır (i, 2) veya (i, 2a) deniriçsel enerji sistemler .

Açıkçası, (I, 2a) ifadesi aşağıdaki gibi yazılabilir:

= sen 2 – sen 1 = ∆ sen = – (ben, 2b)

sen 2 – sen 1 = ∆U = Q – W

Bu akıl yürütme, sistemin sahip olduğu tüm hareketlerin toplam ölçüsü anlamına gelen sistemin durumunun belirli bir işlevinin varlığını ampirik olarak doğrular.

Başka bir deyişle, iç enerji, moleküllerin öteleme ve dönme enerjisini, bir moleküldeki atomların ve atom gruplarının titreşim enerjisini, elektron hareketinin enerjisini, çekirdek içi ve diğer enerji türlerini, yani her tür parçacık enerjisinin toplamını içerir. sistemin kendisinin potansiyel ve kinetik enerjisi hariç, sistemde .

Döngüsel sürecin, sistem ilk durumuna döndükten sonra sistemin iç enerjisinin başlangıç ​​değerini almadığı, ancak arttığı şekilde gerçekleştirildiğini varsayalım. Bu durumda dairesel süreçlerin tekrarı sistemde enerji birikmesine neden olacaktır. Bu enerjiyi işe dönüştürmek ve bu şekilde ısı pahasına değil, “hiç yoktan” iş elde etmek mümkün olacaktır, çünkü dairesel bir süreçte iş ve ısı doğrudan deneylerle gösterildiği gibi birbirine eşittir. .

Belirtilen yapı döngüsünü tamamlayamama birinci türden perpetuum mobile (perpetuum mobile), eşdeğer miktarda başka bir enerji harcamadan iş verdiği, binlerce yıllık insan deneyiminin olumsuz sonucuyla kanıtlanmıştır. Bu sonuç, Joule'ün deneylerini analiz ederek belirli ama daha kesin bir biçimde elde ettiğimiz sonuca götürür.

Elde edilen sonucu bir kez daha formüle edelim. Döngüsel bir sürecin sonucu olarak sistemin toplam enerjisi (iç enerjisi) orijinal değerine döner, yani belirli bir durumdaki bir sistemin iç enerjisi belirli bir değere sahiptir ve sistemin hangi değişikliklerden geçtiğine bağlı değildir. bu duruma gelmeden önce.

Başka bir deyişle, sistemin iç enerjisi sistemin durumunun tek değerli, sürekli ve sonlu bir fonksiyonudur.

Sistemin iç enerjisindeki değişim (I, 2b) ifadesiyle belirlenir; (I, 3) ifadesi dairesel bir işlem için geçerlidir. Sistemin bazı özelliklerinde (parametrelerinde) sonsuz küçük bir değişiklikle, sistemin iç enerjisi de sonsuz derecede değişir. Bu, sürekli bir fonksiyonun bir özelliğidir.

Termodinamik içinde, iç enerji kavramının genel bir tanımını kullanmaya gerek yoktur. (I, 2) veya (I, 2a) ifadeleri aracılığıyla resmi bir nicel tanım, tüm diğer termodinamik muhakeme ve sonuçlar için yeterlidir.

Sistemin iç enerjisi, durumunun bir fonksiyonu olduğundan, daha önce de belirtildiği gibi, sistem durumlarının parametrelerinde sonsuz küçük değişikliklerle iç enerjideki artış, durum fonksiyonunun toplam diferansiyeli olur. (I, 3) denklemindeki integrali, durumdan yolun bölümleri üzerinde iki integrale bölme 1 devlete kadar 2 (yol "a") (bkz. Şekil I) ve tam tersi - durumdan 2

ileri düzey kurs fiziksel Kimya 6. sınav "İleri Düzey" disiplininde ustalaşmadan önce fiziksel Kimya"olmalı... tarafından fiziksel Kimya. / Düzenleyen V.V. Budanova, N.K. Vorobyov. – L.: Kimya, 1986. - 352 s. pratik çalışma fiziksel Kimya ...

1. Fiziksel kimya: amaç, görevler, araştırma yöntemleri. Fiziksel kimyanın temel kavramları.

Fizik Kimya - kimyasal süreçler ve kimyasal yasaların bilimi. fenomenler.

Fizikokimyanın konusu kimyanın açıklanması. daha genel fizik yasalarına dayanan fenomenler. Fiziksel kimya iki ana konu grubunu ele alır:

1. Bir maddenin ve onu oluşturan parçacıkların yapısının ve özelliklerinin incelenmesi;

2. Maddelerin etkileşim süreçlerinin incelenmesi.

Fiziksel kimya, m / y kimyasal ve fiziksel olaylar arasındaki ilişkiyi incelemeyi amaçlar. Doğada meydana gelen ve teknolojide kullanılan kimyasal reaksiyonları daha derinlemesine incelemek için bu tür ilişkilerin bilgisi gereklidir. prosesler, reaksiyonun derinliğini ve yönünü kontrol eder. Fiziksel Kimya disiplininin temel amacı, kimyasalların genel ilişkileri ve kalıplarının incelenmesidir. Fiziğin temel ilkelerine dayanan süreçler. Fiziksel kimya fiziksel uygular. kimyasal olaylar için teoriler ve yöntemler.

Maddelerin dönüşümlerinin NEDEN ve NASIL gerçekleştiğini açıklar: kimya. reaksiyonlar ve faz geçişleri. NEDEN - kimyasal termodinamik. AS - kimyasal kinetik.

Fiziksel kimyanın temel kavramları

Kimyanın ana amacı. termodinamik bir termodinamik sistemdir. termodinamik sistem - kendisi ve diğer cisimlerle enerji ve madde alışverişi yapabilen herhangi bir cisim veya cisimler grubu. Sistemler açık, kapalı ve izole olarak ayrılmıştır. açık ve ben - termodinamik sistem dış çevre ile hem iç hem de enerji alışverişinde bulunur. Kapalı ve ben - çevre ile madde alışverişinin olmadığı, ancak çevre ile enerji alışverişi yapabilen bir sistem. yalıtılmış ve ben -Sistem hacmi sabit kalır ve çevre ile enerji ve iç ile alışveriş imkanından mahrum kalır.

sistem olabilir homojen (homojen) veya heterojen (heterojen ). Faz - bu, bir dış kuvvet alanının yokluğunda, tüm noktalarında aynı bileşime ve aynı termodinamiğe sahip olan sistemin bir parçasıdır. St. siz ve sistemin diğer bölümlerinden arayüz ile ayrılır. Faz her zaman homojendir, yani. homojendir, bu nedenle tek fazlı bir sisteme homojen denir. Birkaç aşamadan oluşan bir sisteme heterojen denir.

Sistem özellikleri iki gruba ayrılır: kapsamlı ve yoğun.

Termodinamikte denge ve tersinir süreçler kavramları kullanılır. denge sürekli bir dizi denge durumundan geçen bir süreçtir. Tersinir termodinamik süreç sistemde ve ortamda herhangi bir değişiklik bırakmadan tersten de gerçekleştirilebilen bir işlemdir.

2. Termodinamiğin I. yasası. İç enerji, ısı, iş.

termodinamiğin birinci yasası doğrudan enerjinin korunumu yasasıyla ilgilidir. Bu yasaya dayanarak, herhangi bir yalıtılmış sistemde enerji kaynağının sabit kaldığı sonucu çıkar. Termodinamiğin birinci yasasının bir başka formülasyonu, enerjinin korunumu yasasından gelir - buna enerji harcamadan iş üretecek birinci tür bir sürekli hareket makinesi (perpetuum mobile) yaratmanın imkansızlığı. Formülasyon, özellikle kimyasal termodinamik için önemlidir,

İlk ilke, iç enerji kavramı aracılığıyla ifadesidir: iç enerji bir durum işlevidir, yani. değişimi sürecin yoluna bağlı değildir, sadece sistemin ilk ve son durumuna bağlıdır. Sistemin iç enerjisindeki değişim  senısı alışverişi yoluyla gerçekleşebilir Q ve iş Wçevre ile. O zaman, enerjinin korunumu yasasından, sistem tarafından dışarıdan alınan ısı Q'nun, iç enerjinin ΔU artışına ve sistem tarafından yapılan W çalışmasına harcandığı, yani. S=Δ U+W. verilen de hizalama

termodinamiğin birinci yasasının matematiksel ifadesi.

itermodinamiğin başlangıcı onun ifadesi:

herhangi bir izole sistemde, enerji kaynağı sabit kalır;

farklı enerji biçimleri birbirine kesinlikle eşdeğer miktarlarda geçer;

Sürekli hareketli makine (süreklilik mobil) birinci türden imkansızdır;

iç enerji bir durum fonksiyonudur, yani. değişimi sürecin yoluna bağlı değildir, sadece sistemin ilk ve son durumuna bağlıdır..

analitik ifade: Q = D sen + W ; miktarlarda sonsuz küçük bir değişiklik için D Q = dU + D W .

Termodinamiğin 1. yasası oranı belirler. m / y ısı Q, iş A ve int'yi değiştirin. sistem enerjisi ΔU. İnt. Sistemin enerjisi, sisteme iletilen ısı miktarı eksi sistemin dış kuvvetlere karşı yaptığı iş miktarına eşittir.

Denklem (I.1) - termodinamiğin 1. yasasının matematiksel gösterimi, denklem (I.2) - kompanzasyonda sonsuz küçük bir değişiklik için. sistemler.

Int. enerji-durum fonksiyonu; bu, change-e ext. enerji ΔU, sistemin durum 1'den durum 2'ye geçiş yoluna bağlı değildir ve ext değerleri arasındaki farka eşittir. şu durumlarda U2 ve U1 enerjileri: (I.3)

Int. Bir sistemin enerjisi, etkileşimin potansiyel enerjisinin toplamıdır. vücudun tüm parçacıkları m / y ve hareketlerinin kinetik enerjisi (bir bütün olarak sistemin kinetik ve potansiyel enerjilerini hesaba katmadan). Int. sistemin enerjisi adanın doğasına, kütlesine ve sistemin durumunun parametrelerine bağlıdır. Yaşında. Sistemin kapsamlı bir özelliği olduğu için sistemin kütlesinde bir artış ile. Int. enerji U harfi ile gösterilir ve joule (J) olarak ifade edilir. Genel durumda, miktarı 1 mol olan bir sistem için. Int. enerji, herhangi bir termodinamik gibi. Sistemde St., yavl-Xia fonksiyon komp. Doğrudan deneyde, yalnızca dahili değişiklikler enerji. Bu nedenle hesaplamalarda her zaman U2 –U1 = U değişimi ile çalışırlar.

Tüm değişiklikler dahili enerjiler ikiye ayrılır. 1. grup, iki bitişik cismin moleküllerinin kaotik çarpışmalarıyla hareket geçişinin yalnızca 1. formunu içerir, yani. iletimle (ve aynı zamanda radyasyonla). Bu şekilde iletilen hareketin ölçüsü ısıdır. kavram sıcaklıkçok sayıda parçacığın davranışı ile ilişkili - atomlar, moleküller, iyonlar. Sürekli kaotik (termal) hareket halindedirler. Isı bir enerji transferi şeklidir. Enerji alışverişinin ikinci yolu, İş. Bu enerji alışverişi, sistem tarafından gerçekleştirilen eylemden veya sistem üzerinde gerçekleştirilen eylemden kaynaklanmaktadır. Tipik olarak, iş sembolü ile gösterilir. W. İş, ısı gibi, sistemin durumunun bir fonksiyonu değildir, bu nedenle sonsuz küçük işe karşılık gelen değer, kısmi türev sembolü ile gösterilir - W.

Kimyasal olayları açıklayan ve fiziğin genel ilkelerine dayalı kalıplarını oluşturan bilim. Bilimin adı Fizikokimya İlk kez (1752 1753) konusunu ve görevlerini formüle eden ve bir tane oluşturan M.V. Lomonosov tarafından tanıtıldı ... ... Büyük Ansiklopedik Sözlük

FİZİKSEL KİMYA- FİZİKSEL KİMYA, “kimya yoluyla meydana gelen şeylerin fiziksel nedenini hükümler ve deneyler temelinde açıklayan bir bilim. karmaşık cisimlerdeki işlemler. Bu tanım ona ilk fizikokimyacı M.V. Lomonosov tarafından okunan bir derste verildi ... Büyük Tıp Ansiklopedisi

FİZİKSEL KİMYA, KİMYASAL TEPKİMELER ile ilişkili fiziksel değişiklikleri ve ayrıca fiziksel özellikler ile kimyasal bileşim arasındaki ilişkiyi inceleyen bilimdir. Fiziksel kimyanın ana bölümleri TERMODİNAMİK, enerjideki değişimlerle ilgilenen ... ... Bilimsel ve teknik ansiklopedik sözlük

Fiziksel kimya- - maddelerin kimyasal özelliklerinin, kendilerini oluşturan atomların ve moleküllerin fiziksel özellikleri temelinde incelendiği bir kimya dalı. Modern fiziksel kimya, fiziğin çeşitli dallarını sınırlayan geniş bir disiplinler arası alandır… Yapı malzemelerinin terimleri, tanımları ve açıklamaları ansiklopedisi

FİZİKSEL KİMYA, kimyasal olayları açıklar ve yasalarını fiziğin genel ilkeleri temelinde kurar. Kimyasal termodinamik, kimyasal kinetik, kataliz doktrini vb. İçerir. Fiziksel kimya terimi M.V. 1753'te Lomonosov ... Modern Ansiklopedi

Fiziksel kimya- FİZİKSEL KİMYA, kimyasal olayları açıklar ve fiziğin genel ilkelerine dayalı kalıplarını kurar. Kimyasal termodinamik, kimyasal kinetik, kataliz doktrini vb. İçerir. “Fiziksel kimya” terimi M.V. Lomonosov'da ... ... Resimli Ansiklopedik Sözlük

FİZİKSEL KİMYA- kimya bölümü. bilim, kimya okumak. fizik ilkelerine dayanan fenomenler (bkz. (1)) ve fiziksel. deneysel yöntemler. F.x. (kimya gibi) maddenin yapısı doktrinini, kimyayı içerir. termodinamik ve kimya. kinetik, elektrokimya ve kolloidal kimya, öğretim ... ... Büyük Politeknik Ansiklopedisi

Var., eşanlamlı sayısı: 1 fiziksel (1) ASIS eşanlamlıları sözlüğü. V.N. Trişin. 2013... eşanlamlı sözlük

fiziksel kimya- — TR fiziksel kimya Fiziksel olayların kimyasal özellikler üzerindeki etkileriyle ilgilenen bir bilim. (Kaynak: LEE) … … Teknik Çevirmenin El Kitabı

fiziksel kimya- - kimyasal olayları açıklayan ve fiziksel ilkelere dayalı kalıplarını oluşturan bir bilim. Analitik Kimya Sözlüğü ... kimyasal terimler

Kitabın

• Fiziksel Kimya, A.V. Artemov. Ders kitabı, "Fiziksel Kimya" disiplininin çalışmasını sağlayan, lisans eğitimi alanlarında Federal Devlet Eğitim Standardına uygun olarak oluşturulmuştur.
• Fiziksel Kimya, Yu. Ya. Kharitonov. Ders kitabı, 060301 "Eczacılık" uzmanlığı için "Fiziksel ve kolloidal kimya" disiplini için yaklaşık programa uygun olarak fiziksel kimyanın temellerini özetlemektedir. Yayın hedefleniyor…

Fiziksel kimyanın başlangıcı 18. yüzyılın ortalarında atıldı. "Fiziksel kimya" terimi, bilim metodolojisinin modern anlayışında ve bilgi teorisi sorularında, ilk kez St. Petersburg Üniversitesi öğrencilerine "Gerçek Fiziksel Kimya Kursu" nu okuyan MV Lomonosov'a aittir. . Bu derslerin önsözünde şu tanımı veriyor: "Fiziksel kimya, fizik bilimcilerin hükümlerine ve deneylerine dayanarak, karmaşık cisimlerdeki kimyasal işlemler yoluyla olanların nedenini açıklaması gereken bir bilimdir." Parçacık-kinetik ısı teorisinin çalışmalarında bilim adamı, yukarıdaki görevleri ve yöntemleri tam olarak karşılayan konularla ilgilenir. Bu, bu kavramın bireysel hipotezlerini ve hükümlerini doğrulamaya hizmet eden deneysel eylemlerin doğasıdır. M. V. Lomonosov, araştırmasının birçok alanında bu ilkeleri izledi: kendisi tarafından kurulan “cam biliminin” geliştirilmesinde ve pratik uygulamasında, maddenin ve kuvvetin (hareket) korunumu yasasını doğrulamaya yönelik çeşitli deneylerde; - çözüm doktrini ile ilgili çalışmalarda ve deneylerde - günümüze kadar gelişme sürecinde olan bu fiziksel ve kimyasal fenomen hakkında kapsamlı bir araştırma programı geliştirdi.

Bunu yüz yıldan fazla bir ara takip etti ve 1850'lerin sonlarında Rusya'daki ilk fizikokimyasal çalışmalardan biri D. I. Mendeleev tarafından başlatıldı.

Fiziksel kimyadaki bir sonraki ders, 1865'te Kharkov Üniversitesi'nde N. N. Beketov tarafından verildi.

Rusya'daki ilk fizikokimya bölümü 1914'te St. Petersburg Üniversitesi Fizik ve Matematik Fakültesi'nde açıldı, sonbaharda DP Konovalov'un bir öğrencisi olan MS Vrevsky, fiziksel kimyada zorunlu ders ve pratik dersleri okumaya başladı. .

Fiziksel kimya üzerine makaleler yayınlamayı amaçlayan ilk bilimsel dergi 1887'de W. Ostwald ve J. van't Hoff tarafından kuruldu.

Fizikokimyanın konusu

Fizikokimya, kuantum mekaniği, istatistiksel fizik ve termodinamik, doğrusal olmayan dinamikler, alan teorisi vb. gibi fiziğin önemli bölümlerinin teorik yöntemlerini kullanan modern kimyanın ana teorik temelidir. Aşağıdakiler dahil, maddenin yapısı doktrinini içerir: moleküllerin yapısı, kimyasal termodinamik, kimyasal kinetik ve kataliz. Fiziksel kimyada ayrı bölümler olarak, elektrokimya, fotokimya, yüzey olaylarının fiziksel kimyası (adsorpsiyon dahil), radyasyon kimyası, metal korozyon teorisi, makromoleküler bileşiklerin fiziksel kimyası (polimer fiziğine bakınız), vb. fiziksel kimyaya bağlıdır ve bazen kolloid kimyası, fiziko-kimyasal analiz ve kuantum kimyasının bağımsız bölümleri olarak kabul edilir. Fiziksel kimyanın çoğu bölümü, nesneler ve araştırma yöntemleri, metodolojik özellikler ve kullanılan aygıt açısından oldukça net sınırlara sahiptir.

Fiziksel kimya ve kimyasal fizik arasındaki fark

makalenin içeriği

KİMYA FİZİKSEL, Maddelerin kimyasal özelliklerini, kendilerini oluşturan atom ve moleküllerin fiziksel özelliklerine dayalı olarak inceleyen kimya dalı. Modern fiziksel kimya, fizik, biyofizik ve moleküler biyolojinin çeşitli dalları ile sınır komşusu olan geniş bir disiplinler arası alandır. Organik ve inorganik kimya gibi kimya biliminin bu tür dallarıyla birçok temas noktasına sahiptir.

Kimyasal yaklaşımın (fiziksel ve biyolojik olanın aksine) ayırt edici bir özelliği, makroskopik fenomenlerin tanımıyla birlikte, bunların doğasının tek tek moleküllerin özelliklerine ve aralarındaki etkileşimlere dayalı olarak açıklanmasıdır.

Fiziksel kimya alanındaki yeni araçsal ve metodolojik gelişmeler, kimyanın diğer dallarında ve farmakoloji ve tıp gibi ilgili bilimlerde kullanılmaktadır. Örnekler, terapide ve çeşitli hastalıkların teşhisinde yaygın olarak kullanılan elektrokimyasal yöntemler, kızılötesi (IR) ve ultraviyole (UV) spektroskopisi, lazer ve manyetik rezonans teknikleridir.

Fiziksel kimyanın ana bölümleri geleneksel olarak kabul edilir: 1) kimyasal termodinamik; 2) kinetik teori ve istatistiksel termodinamik; 3) moleküllerin yapısı ve spektroskopi soruları; 4) kimyasal kinetik.

Kimyasal termodinamik.

Kimyasal termodinamik, termodinamiğin - ısı bilimi ve dönüşümleri - kimyasal denge sorununa uygulanmasıyla doğrudan ilgilidir. Problemin özü şu şekilde formüle edilmiştir: Bir reaktifler (sistem) karışımı varsa ve bulunduğu fiziksel koşullar (sıcaklık, basınç, hacim) biliniyorsa, o zaman bu sistemi hangi kendiliğinden kimyasal ve fiziksel süreçler getirebilir? dengeye? Termodinamiğin birinci yasası, ısının bir enerji biçimi olduğunu ve bir sistemin (çevresiyle birlikte) toplam enerjisinin değişmeden kaldığını belirtir. Dolayısıyla, bu yasa, enerjinin korunumu yasasının biçimlerinden biridir. İkinci yasaya göre, kendiliğinden meydana gelen bir süreç, sistemin ve çevresinin toplam entropisinde bir artışa yol açar. Entropi, bir sistemin faydalı işler yapmak için kullanamadığı enerji miktarının bir ölçüsüdür. İkinci yasa, reaksiyonun herhangi bir dış etki olmaksızın gideceği yönü gösterir. Reaksiyonun doğasını (örneğin yönünü) değiştirmek için, bir biçimde veya başka bir şekilde enerji harcamanız gerekir. Bu nedenle, tersinir bir süreçte açığa çıkan ısı veya kimyasal enerjinin dönüştürülmesi sonucunda yapılabilecek iş miktarına katı sınırlar getirir.

Kimyasal termodinamikteki önemli başarıları, önceki neslin birçok araştırmacısının elde ettiği sonuçları tek bir bütün halinde birleştirmeyi mümkün kılan bu bilimin teorik temelini atan J. Gibbs'e borçluyuz. Gibbs tarafından geliştirilen yaklaşım, maddenin mikroskobik yapısı hakkında herhangi bir varsayımda bulunmaz, ancak sistemlerin denge özelliklerini makro düzeyde dikkate alır. Bu nedenle termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarının evrensel olduğu ve moleküllerin ve atomların özellikleri hakkında çok daha fazla şey öğrendiğimizde bile geçerli kalacağı düşünülebilir.

Kinetik teori ve istatistiksel termodinamik.

İstatistiksel termodinamik (aynı zamanda kuantum mekaniği), gaz fazındaki bazı reaksiyonlar için denge konumunun tahmin edilmesini sağlar. Kuantum mekaniği yaklaşımının yardımıyla, sıvı ve katı halde bulunan bir dizi maddenin karmaşık moleküllerinin davranışını tanımlamak mümkündür. Ancak, ne kinetik teori çerçevesinde ne de istatistiksel termodinamik yardımıyla hızları hesaplanamayan reaksiyonlar vardır.

Klasik istatistiksel termodinamikte gerçek bir devrim 1970'lerde gerçekleşti. Evrensellik (bazı geniş bileşik sınıflarının üyelerinin aynı özelliklere sahip olduğu fikri) ve benzerlik ilkesi (bilinen kriterlere dayalı olarak bilinmeyen miktarların tahmini) gibi yeni kavramlar, sıvıların kritik değere yakın davranışlarının daha iyi anlaşılmasına yol açmıştır. nokta, sıvı ve gaz arasındaki ayrım. Bir bilgisayar kullanılarak, kritik durumdaki basit (sıvı argon) ve karmaşık (su ve alkol) sıvıların özellikleri simüle edildi. Daha yakın zamanlarda, sıvı helyum (davranışı kuantum mekaniği çerçevesinde mükemmel bir şekilde tanımlanmıştır) ve moleküler sıvılardaki serbest elektronlar gibi sıvıların özellikleri, bilgisayar simülasyonları (SÜPERİLETKENLİK) kullanılarak kapsamlı bir şekilde araştırılmıştır. Bu, sıradan sıvıların özelliklerinin daha iyi anlaşılmasını sağladı. En son teorik gelişmelerle birleştirilen bilgisayar yöntemleri, çözeltilerin, polimerlerin, misellerin (spesifik kolloidal parçacıklar), proteinlerin ve iyonik çözeltilerin davranışlarını incelemek için yoğun bir şekilde kullanılmaktadır. Fiziksel kimya problemlerini çözmek, özellikle kritik durumdaki sistemlerin bazı özelliklerini tanımlamak ve yüksek enerji fiziği konularını incelemek için, renormalizasyon grubunun matematiksel yöntemi giderek daha fazla kullanılmaktadır.

Moleküllerin yapısı ve spektroskopi.

19. yüzyılın organik kimyagerleri. birçok kimyasal elementin değerliliğini (birleşme yeteneği) belirlemek için basit kurallar geliştirdi. Örneğin, karbonun değerinin 4 (bir karbon atomu, bir metan molekülü CH 4 oluşturmak için dört hidrojen atomu bağlayabilir), oksijen - 2, hidrojen - 1 olduğunu buldular. Deneysel verilere dayanan ampirik fikirlere dayanarak, varsayımlar yapıldı. moleküllerdeki atomların uzaysal düzenlemesi hakkında (örneğin, metan molekülü tetrahedral bir yapıya sahipken, karbon atomu üçgen piramidin merkezinde ve hidrojen dört köşesindedir). Ancak bu yaklaşım, kimyasal bağların oluşum mekanizmasının ortaya çıkarılmasına ve dolayısıyla moleküllerin boyutunun tahmin edilmesine, atomlar arasındaki tam mesafenin belirlenmesine izin vermedi.

20. yüzyılda geliştirilen spektroskopik yöntemler kullanılarak su moleküllerinin (H 2 O), etanın (C 2 H 6) ve ardından proteinler gibi çok daha karmaşık moleküllerin yapısı belirlendi. Mikrodalga spektroskopisi (EPR, NMR) ve elektron kırınımı yöntemleri, bağ uzunluklarını, aralarındaki açıları (değerlik açıları) ve basit moleküllerdeki atomların karşılıklı düzenini ve X-ışını kırınım analizini - benzer parametreler için - oluşturmayı mümkün kıldı. moleküler kristaller oluşturan daha büyük moleküller. Moleküler yapıların kataloglarının derlenmesi ve basit değerlik kavramlarının kullanılması, yapısal kimyanın temellerini attı (L. Pauling öncüydü) ve moleküler düzeyde karmaşık olayları açıklamak için moleküler modellerin kullanılmasını mümkün kıldı. Moleküllerin belirli bir yapısı yoksa veya kromozomlardaki C–C ve C–H bağlarının parametreleri metan veya etan moleküllerindekinden çok farklıysa, o zaman basit geometrik modellerin yardımıyla, J. Watson ve F. Crick 1950'lerin başında ünlü çift sarmal deoksiribonükleik asit (DNA) modelini inşa edemezdi. IR ve UV spektroskopisi kullanarak moleküllerdeki atomların titreşimlerini inceleyerek, moleküllerin bileşiminde atomları tutan kuvvetlerin doğasını belirlemek mümkün oldu ve bu da molekül içi hareketin varlığı fikrine yol açtı. ve moleküllerin termodinamik özelliklerini incelemeyi mümkün kıldı ( yukarıyı görmek). Bu, kimyasal reaksiyonların hızlarını belirlemeye yönelik ilk adımdı. Ayrıca, UV bölgesindeki spektroskopik çalışmalar, elektronik düzeyde kimyasal bağ oluşum mekanizmasının kurulmasına yardımcı oldu ve bu, reaktanların uyarılmış bir duruma geçişi fikrine dayanan kimyasal reaksiyonları tanımlamayı mümkün kıldı (genellikle eylem altında). görünür veya UV ışığı). Bütün bir bilimsel alan bile vardı - fotokimya. Nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi, kimyagerlerin karmaşık kimyasal süreçlerin bireysel aşamalarını incelemesini ve enzim moleküllerindeki aktif merkezleri tanımlamasını mümkün kılmıştır. Bu yöntem aynı zamanda sağlam hücrelerin ve tek tek organların üç boyutlu görüntülerini elde etmeyi mümkün kıldı. FOTOKİMYA.

Değerlik teorisi.

Organik kimyacılar tarafından geliştirilen deneysel değerlik kurallarını, periyodik element sistemini ve Rutherford'un atomun gezegensel modelini kullanan G. Lewis, kimyasal bağı anlamanın anahtarının maddenin elektronik yapısı olduğunu buldu. Lewis, farklı atomlara ait elektronların sosyalleşmesi sonucunda bir kovalent bağ oluştuğu sonucuna varmıştır; Bunu yaparken, bağlayıcı elektronların kesin olarak tanımlanmış elektron kabukları üzerinde bulunduğu fikrinden yola çıktı. Kuantum teorisi, en genel durumda moleküllerin yapısını ve oluşan kovalent bağların doğasını tahmin etmeyi mümkün kılar.

Kuantum fiziğinin 20. yüzyılın ilk çeyreğinde elde ettiği başarılarla şekillenen maddenin yapısı hakkındaki fikirlerimiz şu şekilde özetlenebilir. Bir atomun yapısı, itme (elektronlar arasındaki) ve çekim (elektronlar ve pozitif yüklü bir çekirdek arasındaki) elektrik kuvvetlerinin dengesi ile belirlenir. Bir atomun kütlesinin neredeyse tamamı çekirdekte yoğunlaşmıştır ve boyutu, çekirdeğin etrafında dönen elektronların kapladığı alan miktarına göre belirlenir. Moleküller, hızlı hareket eden elektronlar tarafından bir arada tutulan nispeten kararlı çekirdeklerden oluşur, böylece maddelerin tüm kimyasal özellikleri, atomları ve molekülleri oluşturan temel parçacıkların elektriksel etkileşimi açısından açıklanabilir. Böylece, moleküllerin yapısı ve kimyasal bağların oluşumu ile ilgili kuantum mekaniğinin ana hükümleri, maddenin elektronik yapısının, kimyasal bağın doğasının ve atomların ve moleküllerin reaktivitesinin ampirik bir açıklaması için temel oluşturur.

Yüksek hızlı bilgisayarların ortaya çıkmasıyla, küçük çok atomlu moleküllerdeki atomlar arasında etki eden kuvvetleri (düşük ama yeterli bir doğrulukla) hesaplamak mümkün oldu. Bilgisayar simülasyonuna dayanan değerlik teorisi, şu anda deneylerin zor veya zaman alıcı olduğu durumlarda yapıları, kimyasal kuvvetlerin doğasını ve reaksiyonları incelemek için çalışan bir araçtır. Bu, atmosferde ve alevlerde bulunan veya reaksiyon ara ürünleri olarak oluşan serbest radikallerin incelenmesini ifade eder. Bir gün, bilgisayar hesaplamalarına dayanan bir teorinin şu soruyu cevaplayabileceğine dair umut var: kimyasal yapılar, en azından bir yaklaşık olarak, karşılık gelen tahminleri elde ederken, pikosaniye mertebesinde bir zamanda en kararlı durumlarını nasıl "hesaplıyor"? , büyük miktarda makine zamanı gerektirir.

Kimyasal kinetik

kimyasal reaksiyonların mekanizmasının incelenmesi ve hızlarının belirlenmesi ile ilgilenir. Makroskopik düzeyde, reaksiyon, diğerlerinin bir maddeden oluştuğu ardışık dönüşümler olarak temsil edilebilir. Örneğin, görünüşte basit dönüşüm

H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O

aslında birkaç ardışık aşamadan oluşur:

H + O 2 → OH + O

O + H 2 → H O + H

H + O 2 → H O 2

HO 2 + H 2 → H 2 O + OH

ve her biri kendi hız sabiti ile karakterize edilir. k. S. Arrhenius mutlak sıcaklığı önerdi T ve reaksiyon hızı sabiti k oran ile ilgili k = A tecrübe(- E Davranmak)/ RT, nerede FAKAT– üstel faktör (sözde frekans faktörü), E hareket - aktivasyon enerjisi, r gaz sabitidir. ölçmek için k Ve T bir yanda yaklaşık 10-13 saniyelik bir zaman içinde ve diğer yanda on yıllar (hatta bin yıl) boyunca (jeolojik süreçler) meydana gelen olayları izlemek için araçlara ihtiyaç vardır; ayrıca aşırı derecede kararsız reaktiflerin ihmal edilebilir konsantrasyonlarını ölçebilmek de gereklidir. Kimyasal kinetiğin görevi, karmaşık sistemlerde meydana gelen kimyasal süreçlerin tahminini de içerir (biyolojik, jeolojik, atmosferik süreçler, yanma ve kimyasal sentezden bahsediyoruz).

Gaz fazı reaksiyonlarını "saf biçimde" incelemek için moleküler ışınlar yöntemi kullanılır; bu durumda, kesin olarak tanımlanmış kuantum durumlarına sahip moleküller, yine belirli kuantum durumlarında olan ürünlerin oluşumuyla reaksiyona girer. Bu tür deneyler, belirli reaksiyonların meydana gelmesine neden olan kuvvetler hakkında bilgi sağlar. Örneğin, bir moleküler demet düzeneğinde, CH3I gibi küçük moleküller bile belirli bir şekilde yönlendirilebilir ve iki “farklı” reaksiyondaki çarpışma oranları ölçülebilir:

K + ICH 3 → KI + CH 3

K + CH 3 I → KI + CH 3

burada CH3 grubu, yaklaşan potasyum atomuna göre farklı şekilde yönlendirilir.

Fiziksel kimyanın (kimyasal fiziğin yanı sıra) ilgilendiği konulardan biri de reaksiyon hızı sabitlerinin hesaplanmasıdır. Burada 1930'larda geliştirilen, termodinamik ve yapısal parametreleri kullanan geçiş durumu teorisi yaygın olarak kullanılmaktadır. Klasik fizik ve kuantum mekaniği yöntemleriyle birleştirilen bu teori, bir reaksiyonun seyrini, moleküler ışınlarla bir deney koşulları altında meydana geliyormuş gibi simüle etmeyi mümkün kılar. Moleküllerin yok edilmesine ilişkin istatistiksel teorilerin doğruluğunu test etmeyi mümkün kılan belirli kimyasal bağların lazerle uyarılması üzerinde deneyler yapılmaktadır. Kaotik süreçlerin (örneğin türbülans) modern fiziksel ve matematiksel kavramlarını genelleştiren teoriler geliştirilmektedir. Hem molekül içi hem de moleküller arası etkileşimlerin doğasını tam olarak anlamaktan, istenen özelliklere sahip yüzeylerde meydana gelen reaksiyonların mekanizmasını ortaya çıkarmaktan ve katalitik enzim merkezlerinin ve geçiş metal komplekslerinin yapısını oluşturmaktan çok uzak değiliz. Mikroskobik düzeyde, kar taneleri veya dendritler (ağaç yapılı kristaller) gibi karmaşık yapıların oluşum kinetiği üzerinde yapılan çalışmalar not edilebilir, bu da doğrusal olmayan dinamik teorisinin basit modellerine dayanan bilgisayar simülasyonlarının gelişimini teşvik eder; bu, karmaşık sistemlerin yapısını ve gelişimini tanımlamaya yönelik yeni yaklaşımlar yaratmak için umutlar açar.