Тема №1 Становление физической химии как научной дисциплины
Вопросы темы
1. Физическая химия как наука. Основные моменты развития физической химии
2. Предмет физической химии
3. Основы химической термодинамики. Ограничения в термодинамике
4. Основные понятия и терминология термодинамики
1. Физическая химия как наука. Основные вехи развития физической химии
Физическая химия – наука, объясняющая химические явления и устанавливающая их закономерности на основе общих принципов физики.
Физическая химия возникла и развивалась в изначально на основе применения физических методов исследования и физических теорий для изучения химических свойств веществ и протекания химических процессов.
Возникновение физической химии как науки относится к середине 18 века.
Первый курс лекций был создан М.В.Ломоносовым. В 1751 году в своем годовом отчете Академии Наук России М.В.Ломоносов указывал: что он ”диктовал студентам первые основания физической химии и читал по ним лекции по 4 часа в неделю”.
В 1752 году им был опубликован труд “Введение в истинную физическую химию”, где автор дал первое объяснение содержания и задач новой дисциплины: “ …физическая химия – наука, объясняющая на основании положений и опытов физических причину того, что происходит через химические операции в сложных телах”.
М.В.Ломоносовым был сформулирован один из основополагающих законов химических превращений, на которых базируется физическая химия-закона постоянства масс при химических превращениях.
В 1748 году в письме к Эйлеру он сформулировал этот закон таким образом (публикация закона в печати – 1756 год):
“Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько же присовокупится к другому. Так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте…. Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своей силой другое, столько же оные у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает”.
К концу 18 века относятся ряд исследований, результаты которых имели большое значение для дальнейшего развития физической химии как самостоятельной науки.
1780 г.-Лавуазье и Лаплас проводят экспериментальное изучение теплоемкостей и тепловых эффектов химических реакций.
1791-1797 – Гальвани публикует работы по электричеству.
1800
г. Вольта
изобретает источник постоянного тока
– Вольтов столб и в последующем публикует
ряд работ по взаимной электризации
металлов.
1801 г. Бертолле публикует результаты исследований химического сродства; вводит понятие о химическом равновесии; устанавливает в количественной форме значения концентраций реагирующих веществ.
В первой половине 19 века в науке широкое распространение получает атомистическое представление о строении вещества. Работами многих ученых (Деви, Фарадей, Берцелиус и др.) было открыто и обосновано значение электрических сил в образовании химических соединений. К этому же периоду относится развитие термохимии.
1840 г. Н.И.Гесс опубликовал основной закон термохимии, который можно рассматривать как одно из выражений открытого позднее 1-го закона термодинамики применительно к химическим процессам.
Существенный вклад в развитие физической химии в середине 19-го века был внесен П. Бертло и Х. Томпсоном их фундаментальными термохимическими исследованиями по установлению связей между теплотами образования и составом вещества.
1869 г. Д.И.Менделеев публикует периодическую систему элементов.
1887 г. – В.Оствальдом организована первая кафедра физической химии в Лейпцигском университете; им же был основан первый физико-химический журнал.
Для развития физической химии во 2-ой половине 19 и начале 20-го веков характерно применение главным образом термодинамических методов, использования представлений классической физики и классической теории химического строения при исследовании связи свойств и строения молекул. Окончательно устанавливается:
уравнение состояния идеальных газов (Д.И.Менделеев-Б.Клайперон);
разрабатываются приложения термодинамики к химическим и фазовым равновесиям (Дж.Гиббс, Я.Вант-Гофф, В.Нернст, А.Ле Шателье, Н.С.Курнаков, Г.Тамман),
разрабатываются основы макроскопической кинетики (К.Гульдберг, П.Вааге, Н.Н.Бекетов, Я.Вант-Гофф);
вводится представление о энергии активации химических реакций (С.Аррениус);
устанавливаются основные законы адсорбции (Дж.Гиббс); развивается термодинамическая теория разбавленных растворов (Ф.Рауль, Я.Вант-Гофф, Д.П.Коновалов);
создается теория электрокинетической диссоциации (С.Аррениус);
вводится понятие электродных потенциалов (В.Нернст) и многое др.
Результаты указанных работ широко используются в промышленности: промышленный синтез химических соединений (аммиак); разработка соляных месторождений; оптимизация металлургических и иных процессов; переработка нефти и многое др.
Главная особенность современного развития физической химии – широкое применение разнообразных физических методов экспериментальных исследований; стремление выяснить детальный молекулярный механизм химических реакций.
Вторая половина 20 века характеризовалась быстрым развитием многих разделов физической химии и зарождением новых направлений, связанных с детальным изучением поведения реагирующих веществ в различных физических и химических процессах, в том числе
при воздействии мощных энергий (гамма излучение, потоков частиц высоких энергий, лазерного излучения, магнитных полей высокой напряженности и т.п.);
успешно изучаются реакции в электрических разрядах, процессы в низкотемпературной плазме,
влияния поверхностных явлений на свойства твердых тел;
развивается физическая химия полимеров, силикатных материалов и многое другое.