Лекция №1

03.09.2011г.

Предмет и основные разделы курса физ.химии

Название «физическая химия» говорит о том, что эта наука изучает вопросы, находящиеся на границе физики и химии.

Химические процессы тесно связаны с физическими. Наприме, физ.нагревание,смешивания и др. Вызывают хим. Процессы изменения состава и свойств веществ. И наоборот, в результате химических реакций возникают процессы физические (излучение света, выделение тепла, электрической энергии и т.п.)

Кроме того, как известно все физические свойства тел зависят от их химического состава.

Гафний (поглотить электронов, для гашения ядерной реакции) Цирконий же наоборот, задерживает ядерную реакцию. Хотя по периодической системе они очень похожи друг на друга.

Возникла физ.химия в середине 18 века как ответвление химии, тесно связанной физикой и широко исользующее математику. Годом рождения физ.химии можно считать 1752г. Когда Ломоносов впервые прочёл слушателям Академии наук созданный им курис фих.химии. Однако, выделение физ.химии в самостоятельную науку произошло позднее, после ряда открытий и оброщений.

Предмет физ.химии- изучение влияния физических воздействий на химические процессы и влияние химического состава вещества на их физический свойства.

«Физ.химия изучает взаимосвязь и взаимный переход химической и физической форм движения материи».

Физ.химия основное внимание уделяет исследованию законов протекания хим.процессов во времени и законов хим.равновесия.

Две главные задачи, которые рассматриваются физ.химией:

1. Изучение свойств и строения вещества в зависимости от их химического соствава и условий существования;

2. Изучение взаимодействий между веществами в зависимости от их состава, строения и внешних условий.

Курс физ.химии состоит из следующих основных разделов:

1. Строение вещества

2. Химическая термодинамика

3. Химическое равновесие

4. Фазовое равновесие

5. Учение о растворах

6. Электрохимия

7. Химическая кинетика

8. Адсорбция и катализ

Строение вещества- раздел, изучающий строение атомов, молекул, агрегатное состояние вещества, устанавливающих связь между строением атомов и молекул и их физ. И хим. Свойствами. В этом разделе рассматривается геометрия молекул, силы действующие между атомами в молекуле и т.п. Сведение о строение молекул очень важны для понимания сущности хим.реакций, для расчётов термодинамических свойств.

Химическая термодинамика- на основе законов общей термодинамики изучает тепловые балансы химических процессов в различных условиях; указывает возможность и направление процессов; формирует законы химического и фазового равновесия; изучает влияние равновесия различных факторов ( например Т,Р,С).

Термодинамический метод- один из самых сильных методов физ.химии. Он даёт точные соотношения между энергией и свойствами системы, не требуя сведения о строение молекул или механизме процессоа. Термодинамика применяется к системам, находящимся в равновесии, и рассматривает только начальные и конечные состояния системы.

Химическое равновесие- раздел химической термодинамики, где систематизированы известные закономерности установления, существования и изменения состояния равновесия при протекании химических реакций, а также способы расчёта ( принцип Ле-Шателье, уравнение изотермы Вант-Гоффа, метод Тёмкина-Шварцмана).

Фазовое равновесие- часть хим.термодинамики, в которой изучаются фазовые превращения и состояния равновесие (правило фаз Гиббса, уравнение Клапейрона-Клаузиуса, диаграммы состояния одно-, двух- и трехкомпонентных систем, правило рычага).

Учение о растворах- рассматривает природу, структуру и важнейшие свойства растворов. В этом разделе изучается зависимость свойств растворов от концентрации и химических свойств веществ, образующих раствор, а также особенности реакций, протекающих в растворах. (законы Коновалова и др.)

Электрохимия- изучает процессы взаимного превращения химической и электрохимической форм движения материи, рассматривает строение и свойства растворов электролитов, процессы электролиза, электропроводность растворов, работу гальванических элементов и т.д.

Хим.кинетика- изучает скорость и молекулярный механизм хим.реакций, зависимость скорости от различных факторов; рассматривает сложные, гетерогенные реакции (принцип независимости и стационарного состояния, теории активных соударений и активного комплекса, влияние растворителя на скорость реакций).

Адсорбция и катализ- разделы, связанные СС поверхностным явлениями и их влиянием на скорость и механизм протекания хим.реакций (физическая и химическая адсорбция, теория адсорбции Ленгмюра, особенности кислотно-основного катализа, теория мультиплетного комплекса, закон действующих поверхностей).

Методы физической химией

В физ.химии, как и в других накуках, в основе изучения явлений лежит эксперимент, обобщение результатов которого позволяет делать теоретические выводы. При этом в физ.химии используется 4 условных метода:

1. Статистический

2. Термодинамический

3. Квантово-механический

4. Экспериментальный

Статистический метод связан с теорией вероятности и необходим когда есть задача рассмотрения совокупности тел как часть чего то сложного. Законы поведения атомов или молекул объединяя их законом вероятности. Применяется- в кинетики, равновесия, агрегатного состояния и др. Позволяет связать свойства тела в целом со свойствами отдельных молекул.

Термодинамический метод основан на законах, являющихся обобщением огромного опытного материала в области взаимосвязи и взаимопревращений различных форм энергии. Такой метод позволяет предвидеть возможность процесса, его направление и предел, до которого он протекает. Применение термодинамического метода не зависит от сведений о молекулярном механизме процесса, поэтому с помощью этого метода многие процессы реализованы в технологии раньше, чем стал известен их молекулярный механизм.

Квантово-механический метод – лежит корпускулярно – волновое представление о материи, дискретность энергий и состояний. Хим.явления этот метод рассматривает как внутриатомные и внутримолекулярные движения, которые являются областью изучения квантовой механики. Этот метод используется при изучении строения атомов и молекул, хим.связи и реакционной способности вещесвт.

Экспериментальный. Теоретические методы физ.химии неразрывно связаны с методами экспериментальными (химическими и физическими). В настоящее время в физ.химии широко используются такие специфические методы исследования как рентгенография, масс-спектроскопия, изотопные индикаторы и др.

Значение физ.химии

Значение физ.химии совершенно необходимо, т.к. эта наука позволяет определить оптимальные условия технологических процессов, производить расчёты максимально возможного выхода продукта, проектировать хим.аппаратуру, понимать и сознательно направлять хим.процессы. Особое значение имеет физ.химия в развитие атомной промышленности. Здесь с помощью физико-химических методов изучается влияние излучений на свойства материалов, использование радиоактивных излучений, изучаются свойства плазмы и многое другое.

Успехи физ.химии.

1. Разделение веществ (изотопов, продуктов ядерного деления и пр.), которое имеет особое значение в атомной промышленности;

2. Получение новых веществ с заранее заданными свойствами (легких, прочных, жаростойких сплавов для самолетостроения, ракетной техники, освоения космоса и пр.) (высоко эластичных, саморассасывающихся материалов для медицины);

1 Закон термодинамики

Тот фак, что полный дифференциал не зависит от пусти перехода из 1го состояние в другое, представляют в виде: интеграл по замкнутому контуру dU=0;

-Смысл этого выражения чисто математический.

Различные формулировки 1 закона термодинамики:

1)Различные виды энергии переходят в друг другв в эквивалентных количествах

2) В изолированной системе общий запас внутренней энергии постоянен

3) Вечный двигатель первого рода невозможен( т.е. невозможно получить работу, не затрачивая на это соответствующего количества энергии)

-Для химиков более приемлема формулировка из закона сохранения внутренней энергии: поглащаемое системой тепло расходуется на увеличение внутренней энергии системы и совершение внешней работы- работы расширения.

-Это даёт возможность рассчитывать тепловой эффект процессов.

2 Закон термодинамики

В изолированной системе всякое хим. взаимодействие между веществами идёт в направлении увеличения энтропии.

Следствие из 2го закона термодинамики:

1) Самопроизвольный процесс в изолированной системе возможен, если энтропия возрастает.

2) Процесс идёт до тех пор, пока энтропия не достигнет максимального значения.

Виды термодинамических процессов

Термодинамический процесс называют самопроизвольным, если он протекает без вмешательства извне.

Несамопроизвольный процесс происходит под воздействием факторов окружающей среды.

Термодинамически необратимым называют процесс, после которого систему можно привести в исходное состояние только по наличии энергетических изменения в окружающей среде. Термодинамически обратимый - процесс, котороый можно осуществить в прямом и обратном направлении без каких-либо изменений в окружающей среде.

Основные признаки термодинамически обратимого процесса

-Это двусторонний процесс: он может протекать в прямом и обратном направлении;

-Его скорость бесконечно мала;

-Работа термодинамически обратимого процесса имеет максимальное значение

А(обр)=А(макс)>А(необр)

Термодинамически обратимый процесс часто называют равновесным.

Математическое выражение 2го закона термодинамики

dS>=dQ/T-дифференциальная форма

dS>=Q/T-интегральная форма

[S]=Дж/(моль*град)

1 И 2 закон термодинамики

Объединённый первый и второй закон термодинамики: TdS>=dU+dA

3 Третий закон термодинамики ( постулат Планка)

Энтропия индивидуального крисллического вещества при абсолбтном нуле равна нулю

S0=0

Область применения 3его закона термодинамики- определение абсолютных значений энтропий хим.соединений.

План лекции №2: Термохимия. Закон Гесса

-Тепловой эффект реакции, энтальпия

-Закон Гесса с выводом

-Три следствия из закона Гесса

-Закон Кирхгофа

Термохимия

Химические уравнения, в которых указан тепловой эффект реакции называют термохимическими.

Pb+S(ромб)=PbS-химическое уравнение

Pb(тв)+S(ромб)=PbS(тв)+22.4 ккал- термохимическое уравнение

Теплоту реакции ещё называют энтальпией реакции и обозначают /\H, /\H=U+p/\V;

1 ккал=4,18Дж

Тепловой эффект реакции- это теплота, которая выделяется или поглащается в процессе при соблюдении 3х условий:

1) Все стадии процесса идут при постоянном давлении или при постоянном объёме;

2) Единственным принимаемым во внимание видом работы должна быть работа расщирения;

3) Температуры исходных веществ и продуктов реакции должны быть одинаковы;

Реакции идущие с выделение тепла называются экзотермическими. Для них /\H<0

C(алмаз)+О2=СО2+395,0 кДж; /\H=-395 кДж

Реакции, идущие с поглащением тепла называют эндотермическими. Для них /\H>0

С(графит)+Н2=С2Н2-226,5 кДж; /\H=+226,5 кДж