موضوع شیمی فیزیک چیست. بخش های شیمی فیزیک

قبل از 

شیمی فیزیک

§ 1. مبحث شیمی فیزیک. معنای آن

رابطه مطالعات پدیده های شیمیایی و فیزیکی شیمی فیزیکاین شاخه از شیمی مرز بین شیمی و فیزیک است. شیمی فیزیک با استفاده از روش های نظری و تجربی هر دو علم و همچنین روش های خاص خود، به مطالعه چند وجهی واکنش های شیمیایی و فرآیندهای فیزیکی همراه با آنها می پردازد. با این حال، از آنجایی که حتی یک مطالعه چند وجهی نیز هرگز کامل نیست و پدیده را به طور جامع پوشش نمی دهد، قوانین و قواعد شیمی فیزیک، مانند سایر علوم طبیعی، همیشه پدیده را ساده می کند و به طور کامل آن را منعکس نمی کند.

توسعه سریع و اهمیت رو به رشد شیمی فیزیک با موقعیت مرزی آن بین فیزیک و شیمی مرتبط است. وظیفه کلی اصلی شیمی فیزیک، پیش‌بینی روند زمانی فرآیند و نتیجه نهایی (وضعیت تعادل) در شرایط مختلف بر اساس داده‌های مربوط به ساختار و خواص مواد تشکیل دهنده سیستم مورد مطالعه است.

§ 2. خلاصه ای از تاریخچه توسعه شیمی فیزیک

اصطلاح شیمی فیزیک و تعریف این علم اولین بار توسط M.V. Lomonosov ارائه شد که در 1752-1754. درس شیمی فیزیک را برای دانشجویان آکادمی علوم خواند و نسخه خطی این درس "مقدمه ای بر شیمی فیزیک واقعی" (1752) را گذاشت. لومونوسوف مطالعات بسیاری را انجام داد که موضوعات آنها با "طرح دوره شیمی فیزیک" که توسط وی (1752) گردآوری شده بود و برنامه آزمایشی "تجربه در شیمی فیزیک" (1754) مطابقت دارد. به سرپرستی ایشان کارگاه دانشجویی شیمی فیزیک نیز برگزار شد.

لومونوسوف تعریف زیر را از شیمی فیزیک ارائه کرد: "شیمی فیزیک علمی است که بر اساس مفاد و آزمایشات فیزیک توضیح می دهد که در اجسام مختلط در طی عملیات شیمیایی چه اتفاقی می افتد." این تعریف به مدرن نزدیک است.

برای توسعه شیمی فیزیک، کشف دو قانون ترمودینامیک در اواسط قرن نوزدهم (S. Carnot، Yu.R. Mayer، G. Helmholtz، D.P. Joule، R. Clausius، W. Thomson) بسیار عالی بود. اهمیت.

تعداد و تنوع تحقیقات در زمینه ای که بین فیزیک و شیمی هم مرز است، در قرن نوزدهم پیوسته افزایش یافت. تئوری ترمودینامیکی تعادل شیمیایی ایجاد شد (K.M. Guldberg, P. Waage, D.W. Gibbs). مطالعات L.F. Wilhelmi پایه و اساس مطالعه سرعت واکنش های شیمیایی (سینتیک شیمیایی) را ایجاد کرد. انتقال برق در محلول ها مورد مطالعه قرار گرفت (I.V. Gittorf، F.V.G. Kolrausch)، قوانین تعادل محلول ها با بخار (D.P. Konovalov) و تئوری محلول ها توسعه یافت (D.I. Mendeleev).

شناخت شیمی فیزیک به عنوان یک علم مستقل و رشته آکادمیک در تأسیس اولین گروه شیمی فیزیک در دانشگاه لایپزیگ (آلمان) در سال 1887 به ریاست W. Ostwald و در پایه گذاری اولین مجله علمی در زمینه فیزیکی بیان شد. شیمی وجود دارد در پایان قرن نوزدهم، دانشگاه لایپزیگ مرکز توسعه شیمی فیزیک بود و شیمی دانان فیزیک پیشرو W. Ostwald، J. H. Van't Hoff، S. Arrhenius و W. Nernst بودند. در این زمان، سه بخش اصلی از شیمی فیزیک تعریف شد - ترمودینامیک شیمیایی، سینتیک شیمیایی و الکتروشیمی.

مهم ترین زمینه های علم که توسعه آن شرط لازم برای پیشرفت فنی است، مطالعه فرآیندهای شیمیایی است. شیمی فیزیک نقش اصلی را در توسعه این مشکل ایفا می کند.

§ 3. بخش های شیمی فیزیک. روش های پژوهش

ترمودینامیک شیمیایی در این بخش، بر اساس قوانین ترمودینامیک عمومی، قوانین تعادل شیمیایی و دکترین تعادل فاز توضیح داده شده است.

هدف دکترین محلول ها توضیح و پیش بینی خواص محلول ها (مخلوط های همگن چند ماده) بر اساس خواص مواد تشکیل دهنده محلول است.

دکترین پدیده های سطحی. خواص مختلف لایه های سطحی جامدات و مایعات (واسط بین فازها) مورد مطالعه قرار می گیرد. یکی از اصلی ترین پدیده های مورد مطالعه در لایه های سطحی می باشد جذب(انباشت ماده در لایه سطحی).

در سیستم هایی که رابط بین فازهای مایع، جامد و گاز بسیار توسعه یافته است (امولسیون ها، مه ها، دودها و غیره)، خواص لایه های سطحی اهمیت اولیه پیدا می کند و بسیاری از خواص منحصر به فرد کل سیستم را تعیین می کند. کل چنین پراکنده شده است (ریزهتروژن)سیستم ها در حال مطالعه هستند شیمی کلوئید،که شاخه مستقل اصلی شیمی فیزیک است.

فهرست فوق از بخش‌های اصلی شیمی فیزیک، برخی از حوزه‌ها و بخش‌های کوچک‌تر این علم را که می‌توان به‌عنوان بخش‌های بزرگ‌تر یا بخش‌های مستقل شیمی فیزیک در نظر گرفت، پوشش نمی‌دهد. باید یک بار دیگر بر رابطه نزدیک بین شاخه های مختلف شیمی فیزیک تأکید کرد. در مطالعه هر پدیده ای باید از زرادخانه ای از ایده ها، نظریه ها و روش ها برای مطالعه بسیاری از شاخه های شیمی (و اغلب علوم دیگر) استفاده کرد. فقط با آشنایی اولیه با شیمی فیزیک می توان برای اهداف آموزشی مطالب را در بخش های مشخص شده توزیع کرد.

روشهای تحقیق فیزیکی و شیمیایی. روش های اساسی شیمی فیزیک طبیعتاً روش های فیزیک و شیمی هستند. این اول از همه یک روش تجربی است - مطالعه وابستگی خواص مواد به شرایط خارجی، مطالعه تجربی قوانین جریان فرآیندهای مختلف و قوانین تعادل شیمیایی.

درک نظری داده های تجربی و ایجاد یک سیستم منسجم از دانش مبتنی بر روش های فیزیک نظری است.

روش ترمودینامیکی که یکی از آنهاست، امکان ارتباط کمی خواص مختلف یک ماده (خواص "ماکروسکوپی") و محاسبه برخی از این خواص را بر اساس مقادیر تجربی سایر خواص فراهم می کند.

فصل اول
قانون اول ترمودینامیک

§ 1. انرژی. قانون بقا و تبدیل انرژی

یک خاصیت (صفت) جدایی ناپذیر ماده حرکت است. مانند خود ماده، نابود ناپذیر است. حرکت ماده به اشکال مختلف ظاهر می شود که می تواند یکی به دیگری منتقل شود. اندازه گیری حرکت ماده است انرژی.از نظر کمی، انرژی به روش خاصی از طریق پارامترهای مشخصه هر شکل خاص حرکت و در واحدهای مخصوص این شکل بیان می شود.

در سیستم واحدهای SI، واحد انرژی (گرما و کار) ژول است ( ج)برابر با کار نیرو در 1 اچدر راه 1 متر 1 J = 1 نیوتن متر.

واحد انرژی (گرما) که به طور گسترده استفاده می شود، کالری، در حال حاضر یک واحد خارج از سیستم است که مجاز به استفاده است. کالری مورد استفاده در حال حاضر، طبق تعریف، برابر است با تعداد معینی ژول: 1 مدفوعبرابر با 4.1868 ژول است. این واحد در مهندسی حرارت کاربرد دارد و می توان نام برد کالری حرارتیدر ترمودینامیک شیمیایی از واحد کمی متفاوت استفاده می شود که معادل 4.1840 ژول است و به نام کالری ترموشیمیاییمصلحت استفاده از آن با راحتی استفاده از مواد ترموشیمی تجربی گسترده جمع آوری شده در کتاب های مرجع و بیان شده در این واحدها مرتبط است.

هنگامی که یک شکل حرکت به شکل دیگر تبدیل می شود، انرژی های حرکت ناپدید شده و ظاهر شده، که در واحدهای مختلف بیان می شوند، با یکدیگر معادل هستند، یعنی انرژی حرکت ناپدید شده در یک رابطه کمی ثابت با انرژی حرکت است. حرکتی که به وجود آمده است (قانون تبدیل انرژی معادل).این نسبت به انرژی های دو شکل حرکت و شرایط خاصی که تحت آن گذار از یک شکل حرکت به شکل دیگر انجام شده است، بستگی ندارد. بنابراین، هنگامی که انرژی یک جریان الکتریکی به انرژی حرکت مولکولی آشفته تبدیل می شود، یک ژول انرژی الکتریکی همیشه به 0.239 تبدیل می شود. مدفوعانرژی حرکت مولکولی

بنابراین، انرژی به عنوان معیار حرکت ماده همیشه به شکل کیفی اصلی، مطابق با شکل معینی از حرکت، ظاهر می شود و در واحدهای اندازه گیری مناسب بیان می شود. از سوی دیگر، از نظر کمی، وحدت همه اشکال حرکت، تبدیل پذیری متقابل آنها و غیرقابل تخریب حرکت را منعکس می کند.

قانون فوق در مورد تبدیل معادل انرژی یک قانون تجربی فیزیکی است. قانون تبدیل انرژی معادلرا می توان متفاوت بیان کرد، یعنی در شکل قانون بقا و تبدیل انرژی:انرژی نه ایجاد می شود و نه از بین می رود. در تمام فرآیندها و پدیده ها، انرژی کل تمام بخش های یک سیستم مادی جدا شده شرکت کننده در این فرآیند افزایش یا کاهش نمی یابد و ثابت می ماند.

قانون بقا و تبدیل انرژی از این نظر جهانی است که برای پدیده‌هایی که در اجسام بزرگ خودسرانه رخ می‌دهند، که مجموعه‌ای از تعداد زیادی مولکول را نشان می‌دهند، و برای پدیده‌هایی که با مشارکت یک یا چند مولکول رخ می‌دهند، قابل استفاده است.

برای اشکال مختلف حرکت مکانیکی، قانون بقای انرژی از دیرباز به شکل کیفی (دکارت - 1640) و شکل کمی (لایبنیتس - 1697) بیان شده است.

برای تبدیل متقابل گرما و کار (نگاه کنید به زیر)، قانون بقای انرژی به عنوان یک قانون علوم طبیعی توسط مطالعات یو آر مایر، جی. هلمهولتز و دی پی ژول در دهه چهل میلادی به اثبات رسید. قرن نوزدهم.

با استفاده از قانون تبدیل های معادل می توان انرژی اشکال مختلف حرکت را در واحدهای مشخصه یک نوع انرژی (یک شکل حرکت) بیان کرد و سپس عملیات جمع، تفریق و غیره را انجام داد.

§ 2. موضوع، روش و حدود ترمودینامیک

ترمودینامیک یکی از شاخه های اصلی فیزیک نظری است. ترمودینامیک قوانین تبدیل متقابل انواع مختلف انرژی مرتبط با انتقال انرژی بین اجسام به شکل گرما و کار را مطالعه می کند.ترمودینامیک با تمرکز بر گرما و کار به عنوان اشکال انتقال انرژی در فرآیندهای مختلف، شامل اتصالات انرژی و وابستگی های متعددی بین خواص مختلف یک ماده در دایره بررسی آن می شود و تعمیم های بسیار کاربردی را به نام می دهد. قوانین ترمودینامیک

هنگام ایجاد قوانین پایه ترمودینامیکی، دگرگونی های انرژی (اغلب بسیار پیچیده) که در داخل بدن اتفاق می افتد معمولاً جزئیات ندارند. انواع انرژی ذاتی بدن در حالت معین آن نیز متمایز نیست. مجموع تمام این انواع انرژی به صورت واحد در نظر گرفته می شود انرژی داخلی سیستم .

موضوع ترمودینامیک که در بالا ذکر شد، روش و مرزهای این علم را مشخص می کند. تمایز بین گرما و کار، که توسط ترمودینامیک به عنوان نقطه شروع در نظر گرفته شده است، و تقابل گرما با کار، تنها برای اجسامی که از مولکول های زیادی تشکیل شده اند، معنا دارد، زیرا برای یک مولکول یا برای مجموعه ای از تعداد کمی از مولکول ها، مفاهیم گرما و کار معنای خود را از دست می دهند. بنابراین ترمودینامیک فقط اجسام متشکل از تعداد زیادی مولکول را در نظر می گیرد که به اصطلاح سیستم های ماکروسکوپیعلاوه بر این، ترمودینامیک در شکل کلاسیک خود رفتار و خواص مولکول‌های منفرد را در نظر نمی‌گیرد.

روش ترمودینامیکی همچنین با این واقعیت مشخص می شود که هدف مطالعه یک جسم یا گروهی از اجسام جدا شده از جهان مادی است. سیستم ترمودینامیکی (از این پس به سادگی اشاره می شود سیستم).

این سیستم دارای مرزهای مشخصی است که آن را از دنیای خارج (محیط) جدا می کند.

سیستم است همگن , اگر هر یک از پارامترهای آن در تمام قسمت های سیستم مقدار یکسانی داشته باشد یا به طور مداوم از نقطه ای به نقطه دیگر تغییر کند.

سیستم است ناهمگون , اگر از چندین بخش ماکروسکوپی (متشکل از چندین مولکول) تشکیل شده باشد که توسط رابط های قابل مشاهده از یکدیگر جدا شده اند. در این سطوح، برخی از پارامترها به طور ناگهانی تغییر می کنند. به عنوان مثال، سیستم "نمک جامد - محلول نمک آبی اشباع شده - بخار آب اشباع" است. در اینجا، در مرزهای نمک - محلول و محلول - بخار، ترکیب و چگالی به طور ناگهانی تغییر می کند.

قسمت های همگن سیستم که توسط رابط های قابل مشاهده از سایر قسمت ها جدا شده اند، نامیده می شوند فاز . در این حالت، مجموعه ای از قطعات همگن منفرد سیستم با خواص فیزیکی و ترمودینامیکی یکسان یک فاز در نظر گرفته می شود (مثلاً مجموعه ای از کریستال های یک ماده یا مجموعه ای از قطرات مایع معلق در یک گاز و تشکیل مه. ). هر مرحله از سیستم با معادله حالت خاص خود مشخص می شود.

سیستمی که نتواند ماده و انرژی را با محیط مبادله کند (به صورت گرما یا کار) نامیده می شود جدا شده .

سیستمی که بتواند ماده و انرژی را با محیط مبادله کند (به صورت گرما یا کار) نامیده می شود باز کن.

سیستمی که نمی تواند ماده را با محیط مبادله کند، اما می تواند انرژی (به صورت گرما یا کار) مبادله کند، نامیده می شود بسته .

ترمودینامیک رابطه بین چنین خواص قابل اندازه گیری یک سیستم مواد به عنوان یک کل و بخش های ماکروسکوپی آن (فازها) مانند دما، فشار، جرم، چگالی و ترکیب شیمیایی فازهای موجود در سیستم و برخی خواص دیگر را مطالعه می کند. به عنوان رابطه بین تغییرات در این ویژگی ها.

مجموعه ای از خواص مورد مطالعه توسط ترمودینامیک (به اصطلاح پارامترهای ترمودینامیکی سیستم) تعریف می کند وضعیت ترمودینامیکی سیستمتغییر در هر خاصیت ترمودینامیکی (حتی اگر فقط یکی باشد) منجر به تغییر در وضعیت ترمودینامیکی سیستم می شود.

تمام فرآیندهایی که در طبیعت رخ می دهند را می توان به خود به خودی (طبیعی) و غیر خود به خودی تقسیم کرد.

فرآیندهای خود به خوداینها فرآیندهایی هستند که نیازی به ورودی انرژی خارجی ندارند. مثلاً انتقال گرما از جسمی با دمای بالاتر به جسمی با دمای کمتر، حل شدن نمک در آب و ... خود به خود انجام می شود.

فرآیندهای غیر خود به خودیبرای جریان خود به انرژی از خارج نیاز دارند، به عنوان مثال، جداسازی هوا به نیتروژن و اکسیژن.

در ترمودینامیک، عمدتاً حالت هایی از یک سیستم در نظر گرفته می شود که در آن پارامترهای آن (دما، فشار، پتانسیل الکترواستاتیک و غیره) به طور خود به خود در زمان تغییر نمی کنند و در تمام نقاط حجم فازهای جداگانه دارای مقدار یکسانی هستند. چنین حالت هایی نامیده می شود متعادل

یکی از اصول اساسی ترمودینامیک این بیانیه است که روند هر فرآیند خود به خودی در نهایت سیستم ایزوله را به حالت تعادل می رساند، زمانی که خواص آن دیگر تغییر نمی کند، یعنی تعادل در سیستم برقرار می شود.

حالت هایی که با توزیع ناهموار و متغیر با زمان دما، فشار و ترکیب در فازها مشخص می شوند عدم تعادل. آنها توسط ترمودینامیک فرآیندهای غیرتعادلی (غیرقابل برگشت) در نظر گرفته می شوند که در آن علاوه بر قوانین پایه ترمودینامیکی، مفروضات اضافی نیز استفاده می شود.

ترمودینامیک، که بر اساس قوانین اساسی ترمودینامیک ساخته شده است، که به عنوان تعمیم تجربه در نظر گرفته می شود، اغلب نامیده می شود. کلاسیکیا ترمودینامیک پدیدارشناسیترمودینامیک مبانی نظری را برای تئوری موتورهای حرارتی فراهم می کند. این بخش نامیده می شود ترمودینامیک فنیمطالعه فرآیندهای شیمیایی از دیدگاه ترمودینامیکی درگیر است ترمودینامیک شیمیایی،که یکی از شاخه های اصلی شیمی فیزیک است.

§ 3. گرما و کار

تغییرات در اشکال حرکت در طول انتقال آن از یک جسم به جسم دیگر و تبدیل انرژی مربوطه بسیار متنوع است. اشکال انتقال خود حرکت و انتقال انرژی مرتبط با آن را می توان به دو گروه تقسیم کرد.

گروه اول شامل تنها یک شکل از انتقال حرکت توسط برخوردهای آشفته مولکول های دو جسم مجاور است، یعنی. توسط هدایت (و در عین حال توسط تابش). میزان حرکتی که از این طریق منتقل می شود حرارت .

گروه دوم شامل اشکال مختلف انتقال حرکت است که ویژگی مشترک آنها حرکت توده های ماکروسکوپیک تحت تأثیر هر نیروی خارجی است که دارای شخصیت جهت دار است. ظهور اجسام در یک میدان گرانشی، انتقال مقدار معینی الکتریسیته از یک پتانسیل الکترواستاتیک بزرگتر به پتانسیل کوچکتر، انبساط گاز تحت فشار و غیره از این قبیل است. معیار کلی حرکت منتقل شده توسط چنین وسایلی است کار .

گرما و کار از نظر کیفی و کمی دو شکل مختلف انتقال حرکت از یک بخش از جهان مادی به بخش دیگر را مشخص می کند.

انتقال حرکت نوعی حرکت پیچیده ماده است که دو شکل اصلی آن را تشخیص می دهیم. گرما و کار معیارهای این دو شکل پیچیده حرکت ماده هستند و باید آنها را از انواع انرژی در نظر گرفت.

خاصیت مشترک گرما و کار این است که آنها فقط در فواصل زمانی که این فرآیندها انجام می شوند اهمیت دارند. در جریان چنین فرآیندهایی، در برخی از اجسام، حرکت به یک شکل کاهش می یابد و انرژی مربوطه کاهش می یابد، در حالی که در اجسام دیگر حرکت به همان شکل یا اشکال دیگر افزایش می یابد و انواع انرژی مربوطه افزایش می یابد.

ما در مورد ذخیره گرما یا کار در هیچ جسمی صحبت نمی کنیم، بلکه فقط در مورد گرما و کار یک فرآیند شناخته شده صحبت می کنیم. پس از اتمام آن، دیگر نیازی به صحبت در مورد وجود گرما یا کار در بدن ها نیست.

§ 4. هم ارزی گرما و کار

یک نسبت معادل ثابت بین گرما و کار در طول انتقال متقابل آنها در آزمایش های کلاسیک D.P. Joule (1842-1867) ایجاد شد. یک آزمایش معمولی ژول به شرح زیر است.

دستگاه ژول برای تعیین معادل مکانیکی گرما.

وزنه‌هایی که از ارتفاع مشخصی سقوط می‌کنند، یک همزن غوطه‌ور در آب را در یک کالری‌متر می‌چرخانند (یک وزن و یک کالری‌سنج با آب یک سیستم ترمودینامیکی را تشکیل می‌دهند.) چرخش تیغه‌های همزن در آب باعث گرم شدن آب در کالری‌سنج می‌شود. افزایش مربوطه در دما کمیت شده است.

پس از تکمیل فرآیند مشخص شده، سیستم باید به حالت اولیه خود آورده شود. این را می توان از طریق تجربه ذهنی انجام داد. وزنه ها تا ارتفاع اصلی خود بالا می روند، در حالی که کار خارجی صرف می شود که باعث افزایش انرژی سیستم می شود. علاوه بر این، گرما از کالری سنج (به محیط منتقل می شود) با سرد کردن آن تا دمای اولیه حذف می شود. این عملیات سیستم را به حالت اولیه خود باز می گرداند، یعنی تمام ویژگی های قابل اندازه گیری سیستم همان مقادیری را که در حالت اولیه داشتند به دست می آورند. فرآیندی که طی آن ویژگی های سیستم تغییر می کند و در پایان آن به حالت اولیه خود باز می گردد، نامیده می شود فرآیند دایره ای (چرخه ای). یا چرخه .

تنها نتیجه چرخه توصیف شده حذف کار از محیط اطراف سیستم و انتقال گرمای گرفته شده از کالری سنج به این محیط است.

مقایسه این دو کمیت که در واحدهای مربوطه اندازه‌گیری می‌شوند، مستقل از اندازه بار، اندازه کالری‌سنج و مقادیر ویژه گرما و کار در آزمایش‌های مختلف، یک رابطه ثابت بین آنها را نشان می‌دهد.

توصیه می شود گرما را بنویسید و در یک فرآیند چرخه ای کار کنید به عنوان مجموع (انتگرال) گرمای بی نهایت کوچک (بنیادی)  سو مشاغل بی نهایت کوچک (ابتدایی). دبلیو، و حدود اولیه و نهایی ادغام همزمان می شوند (چرخه).

سپس معادل حرارت و کار در یک فرآیند چرخه ای را می توان به صورت زیر نوشت:

(من، 1)

در معادله (I, 1) علامت به معنای ادغام در یک چرخه است. ثبات ضریب ک هم ارزی گرما و کار را منعکس می کند ( کمعادل مکانیکی گرما است). معادله (I, 1) قانون بقای انرژی را برای یک مورد خاص و بسیار مهم از تبدیل کار به گرما بیان می کند.

در مطالعات Joule, Rowland (1880) Miculescu (1892) و دیگران از روشهای اصطکاک در فلزات، ضربه، تبدیل مستقیم کار جریان الکتریکی به گرما، کشش جامدات و غیره استفاده شد. ک همیشه در خطای آزمایشی ثابت است.

در ادامه همیشه فرض می شود که کار و گرما با کمک ضریب کدر همان واحدها (مهم نیست که) و ضریب بیان می شود کپایین می رود.

§ 5. انرژی درونی

برای یک فرآیند غیر دایره ای، برابری (I، 1) مشاهده نمی شود، زیرا سیستم به حالت اولیه خود باز نمی گردد. در عوض، برابری های یک فرآیند غیر دایره ای را می توان نوشت (با حذف ضریب). ک):

≠

از آنجایی که محدودیت های ادغام عموما دلخواه هستند، پس برای کمیت های ابتدایی دبلیو و س:

س   دبلیو,

از این رو:

س – دبلیو  0

تفاوت را نشان دهید س – دبلیوبرای هر فرآیند ترمودینامیکی ابتدایی از طریق dU:

dU   س – دبلیو (من، 2)

یا برای فرآیند نهایی:


–
(I, 2a)

با بازگشت به فرآیند دایره ای، (از معادله I، 1) به دست می آوریم:

=
–
= 0 (I, 3)

بنابراین، ارزش dU دیفرانسیل کل برخی از تابع حالت سیستم است. هنگامی که سیستم به حالت اولیه خود باز می گردد (پس از یک تغییر چرخه ای)، مقدار این تابع مقدار اولیه خود را به دست می آورد.

عملکرد وضعیت سیستمU , تعریف شده توسط برابری ها (من، 2) یا (من، 2a) نامیده می شودانرژی درونی سیستم های .

بدیهی است که عبارت (I, 2a) را می توان به صورت زیر نوشت:

= U 2 – U 1 = ∆ U = – (I, 2b)

U 2 – U 1 = ∆U = Q – W

این استدلال به طور تجربی وجود عملکرد معینی از وضعیت سیستم را اثبات می کند که به معنای کل اندازه گیری تمام حرکاتی است که سیستم دارد.

به عبارت دیگر، انرژی درونی شامل انرژی انتقالی و چرخشی مولکول‌ها، انرژی ارتعاشی اتم‌ها و گروه‌های اتم در یک مولکول، انرژی حرکت الکترون، انرژی درون هسته‌ای و سایر انواع انرژی، یعنی مجموع انواع ذرات است. انرژی در سیستم، به استثنای پتانسیل و انرژی جنبشی خود سیستم.

فرض کنید فرآیند چرخه ای به این صورت انجام شده است که پس از بازگشت سیستم به حالت اولیه، انرژی داخلی سیستم مقدار اولیه را نگرفت، بلکه افزایش یافت. در این صورت تکرار فرآیندهای دایره ای باعث تجمع انرژی در سیستم می شود. می توان این انرژی را به کار تبدیل کرد و کار را از این طریق نه به قیمت گرما، بلکه "از هیچ" به دست آورد، زیرا در یک فرآیند دایره ای کار و گرما معادل یکدیگر هستند که با آزمایش های مستقیم نشان داده شده است. .

عدم توانایی در تکمیل چرخه ساخت مشخص شده perpetuum mobile (perpetuum mobile) از نوع اول،که بدون صرف مقداری معادل از نوع دیگری از انرژی کار می کند، نتیجه منفی هزاران سال تجربه بشر ثابت شده است. این نتیجه به همان نتیجه ای منتهی می شود که با تجزیه و تحلیل آزمایش های ژول به شکلی خاص اما دقیق تر به دست آوردیم.

اجازه دهید یک بار دیگر نتیجه به دست آمده را فرموله کنیم. انرژی کل سیستم (انرژی داخلی آن) در نتیجه یک فرآیند چرخه ای به مقدار اولیه خود باز می گردد، یعنی انرژی داخلی یک سیستم در یک حالت معین دارای یک مقدار مشخص است و به تغییرات سیستم بستگی ندارد. قبل از رسیدن به این حالت، تحت.

به عبارت دیگر انرژی درونی سیستم یک تابع تک مقداری، پیوسته و متناهی از وضعیت سیستم است.

تغییر در انرژی داخلی سیستم با بیان (I, 2b) تعیین می شود. عبارت (I, 3) برای یک فرآیند دایره ای معتبر است. با تغییر بی نهایت کوچک در برخی از خصوصیات (پارامترهای) سیستم، انرژی درونی سیستم نیز بی نهایت تغییر می کند. این ویژگی یک تابع پیوسته است.

در ترمودینامیک، نیازی به استفاده از یک تعریف کلی از مفهوم انرژی داخلی نیست. یک تعریف کمی رسمی از طریق عبارات (I, 2) یا (I, 2a) برای همه استدلال‌ها و نتیجه‌گیری‌های ترمودینامیکی بیشتر کافی است.

از آنجایی که انرژی درونی سیستم تابعی از حالت آن است، پس همانطور که قبلا ذکر شد، افزایش انرژی داخلی با تغییرات بی نهایت کوچک در پارامترهای حالت های سیستم، دیفرانسیل کل تابع حالت است. شکستن انتگرال در معادله (I, 3) به دو انتگرال در بخش های مسیر از حالت 1 تا دولت 2 (مسیر "a") (نگاه کنید به شکل I) و بالعکس - از حالت 2

دوره پیشرفته فیزیکی علم شیمیامتحان ششم قبل از تسلط بر رشته «پیشرفته فیزیکی علم شیمی"باید... توسط فیزیکی علم شیمی. / ویرایش شده توسط V.V. بودانوا، N.K. وروبیوف. - L.: علم شیمی، 1986. - 352 ص. کار عملی روی فیزیکی علم شیمی ...

  • برنامه کاری در رشته: "شیمی آلی و فیزیک" برای تخصص 060601 بیوشیمی پزشکی، کد صلاحیت فارغ التحصیل (65 متخصص) فرم آموزش (تمام وقت)

    برنامه کاری

    در منبر در کتابخانه 1 ارگانیک و فیزیکی علم شیمی(ارگانیک. آلی علم شیمی، قسمت اول). V.A. Startseva، L.E. Nikitina، N.P. ... در منبر در کتابخانه 1 ارگانیک و فیزیکی علم شیمی(ارگانیک. آلی علم شیمی، قسمت اول). V.A. Startseva، L.E. Nikitina، N.P. ...

  • امتحان شماره 2 شیمی فیزیک

    سند

    آزمون شماره 2 در فیزیکی علم شیمیگزینه 2 دما چقدر است .... آزمون شماره 2 در فیزیکی علم شیمیگزینه 3 لیست مقادیر فیزیکی و شیمیایی ... آزمون شماره 2 در فیزیکی علم شیمیگزینه 12 الکترودهای تعیین. ...

  • راهنمای روش کار آزمایشگاهی شماره 4 در درس شیمی فیزیک ویژه دانشجویان تمام وقت دانشکده فنی شیمی و دانشکده علوم مواد ساختمانی

    ابزار

    مقادیر ثابت تعادل فیزیکی علم شیمیاغلب یک کار آزمایشگاهی در مورد ... ص. 3. پتروف N.A.، Cherepanov V.A. یرمیشینا یو.آ. کارگاه در فیزیکی علم شیمی. ابزار. یکاترینبورگ: انتشارات ...

  • برنامه کنکور در رشته تخصصی 02. 00. 04 "شیمی فیزیک"

    برنامه

    تعادل // M.: Metallurgy.-1988.-560s. خوب فیزیکی علم شیمی/ من و. گراسیموف، V.P. رانندگی، E.I. ارمین و دیگران: تحت ... .- 1980.- 180s. گورشکوف بی.آی.، کوزنتسوف آی.آ. / مبانی فیزیکی علم شیمی. ویرایش دوم // M.: انتشارات دانشگاه مسکو ...

    • سیستم ترمودینامیکی- بدن یا گروهی از اجسام که از نظر ذهنی یا عملاً از محیط در تعامل هستند.

    سیستم همگن- سیستمی که در آن هیچ سطحی وجود ندارد که بخش هایی از سیستم (فازها) را از هم جدا کند که از نظر خصوصیات متفاوت باشند.

    سیستم ناهمگن- سیستمی که در آن سطوحی وجود دارد که بخش هایی از سیستم را از هم جدا می کند که از نظر خصوصیات متفاوت هستند.

    فاز- مجموعه ای از قسمت های همگن یک سیستم ناهمگن، از نظر خواص فیزیکی و شیمیایی یکسان، که با رابط های قابل مشاهده از سایر قسمت های سیستم جدا شده اند.

    سیستم منزویسیستمی که ماده یا انرژی را با محیط خود مبادله نمی کند.

    سیستم بسته- سیستمی که انرژی را با محیط مبادله می کند، اما ماده را مبادله نمی کند.

    سیستم باز- سیستمی که هم ماده و هم انرژی را با محیط مبادله می کند.

    گزینه های ایالتیمقادیری هستند که برخی از ویژگی های ماکروسکوپی سیستم مورد بررسی را مشخص می کنند.

    فرآیند ترمودینامیکی- هر گونه تغییر در وضعیت ترمودینامیکی سیستم (تغییر در حداقل یک پارامتر حالت).

    فرآیند برگشت پذیر- فرآیندی که به سیستم اجازه می دهد بدون ایجاد تغییر در محیط به حالت اولیه خود بازگردد.

    فرآیند تعادل- فرآیندی که در آن سیستم از یک سری حالت های پیوسته عبور می کند که بی نهایت به حالت تعادل نزدیک هستند. ویژگی های مشخصه فرآیند تعادل:

    1) تفاوت بینهایت کوچک بین نیروهای فعال و مخالف: فکس فین > 0;

    2) عملکرد سیستم در فرآیند مستقیم حداکثر کار | دبلیو| = حداکثر

    3) یک جریان بی‌نهایت آهسته فرآیند همراه با اختلاف بی‌نهایت کوچک در نیروهای عامل و تعداد بی‌نهایت زیاد حالت‌های میانی تی > ?.

    فرآیند خود به خود- فرآیندی که می تواند بدون صرف کار از بیرون پیش برود و در نتیجه می توان به میزانی متناسب با تغییر وضعیت سیستمی که رخ داده است، کار به دست آورد. یک فرآیند خود به خود می تواند اتفاق بیفتد برگشت پذیریا غیر قابل برگشت

    فرآیند غیر خود به خودی- فرآیندی که جریان آن مستلزم هزینه کار از بیرون به میزانی متناسب با تغییر وضعیت سیستم است.

    انرژیمعیاری برای سنجش توانایی سیستم برای انجام کار است. معیار کیفی کلی حرکت و برهم کنش ماده. انرژی یک ویژگی ذاتی ماده است. تمیز دادن انرژی پتانسیلبه دلیل موقعیت بدن در میدان برخی نیروها و انرژی جنبشیناشی از تغییر موقعیت بدن در فضا است.

    انرژی داخلی سیستم U مجموع انرژی جنبشی و پتانسیل تمام ذرات تشکیل دهنده سیستم است. همچنین می توان انرژی داخلی یک سیستم را به عنوان انرژی کل آن منهای انرژی جنبشی و پتانسیل سیستم به عنوان یک کل تعریف کرد. [ U]= جی.

    حرارت س - نوعی انتقال انرژی از طریق حرکت بی نظم مولکول ها، از طریق برخوردهای آشفته مولکول های دو جسم به هم پیوسته، یعنی از طریق هدایت گرما (و در عین حال از طریق تابش). س > 0 اگر سیستم گرما را از محیط دریافت کند. [ س]= جی.

    کار دبلیو - شکلی از انتقال انرژی با حرکت منظم ذرات (توده های ماکروسکوپی) تحت تأثیر هر نیرو. W > 0 اگر محیط روی سیستم کار کند. [W] = J.

    همه کارها به تقسیم می شوند کار مکانیکی انبساط (یا انقباض)و انواع دیگر کارها (کار مفید): ? W = -pdV + ?W?.

    وضعیت استاندارد جامدات و مایعاتحالت پایدار یک ماده خالص در دمای معین تحت فشار است p = 1 اتمسفر

    گاز خالص حالت استاندارد- حالت گاز با رعایت معادله حالت گاز ایده آل در فشار 1 اتمسفر.

    مقادیر استاندارد- کمیت های تعریف شده برای مواد در حالت استاندارد (که با 0 نشان داده می شود).

    1.1. قانون اول ترمودینامیک

    انرژی تخریب ناپذیر و خلق نشده است. فقط می تواند از یک شکل به شکل دیگر در نسبت های معادل تغییر کند.

    قانون اول ترمودینامیک یک اصل است - نمی توان آن را به طور منطقی اثبات کرد یا از هیچ مقررات کلی تری استخراج کرد.

    قانون اول ترمودینامیک رابطه بین گرما را ایجاد می کند س،کار کردن دبلیوو تغییر در انرژی داخلی سیستم؟ U.

    سیستم منزوی

    انرژی داخلی یک سیستم ایزوله ثابت می ماند.

    U= const یا dU= 0

    سیستم بسته

    تغییر در انرژی داخلی یک سیستم بسته به دلیل گرمای وارد شده به سیستم و/یا کار انجام شده روی سیستم رخ می دهد.

    ?U=Q+Wیا dU=؟ Q+؟ دبلیو

    سیستم باز

    تغییر در انرژی داخلی یک سیستم باز به دلیل گرمای وارد شده به سیستم و / یا کار انجام شده روی سیستم و همچنین به دلیل تغییر در جرم سیستم رخ می دهد.

    ?U = Q + W + ?U mیا dU=؟ Q+؟ W+ من?U من dn من

    انرژی داخلی یک تابع حالت است. این بدان معنی است که تغییر در انرژی داخلی؟ Uبه مسیر انتقال سیستم از حالت 1 به حالت 2 بستگی ندارد و برابر است با تفاوت بین مقادیر انرژی داخلی U 2و U 1در این حالات:

    ?U \u003d U 2 - U 1

    برای برخی از فرآیندها:

    ?U = ?(v i U i) npod - ?(v i U i) رفر

    1.2. کاربرد قانون اول ترمودینامیک در سیستم های بسته تک جزئی همگن

     فرآیند همحجم (V = const; ?V = 0)

    در ساده ترین حالت، هیچ کار مفیدی انجام نمی شود.

    dU=؟ Q+؟ W=؟س- پی دی وی dU = ?Q v = C V dT = nC V dT

    تمام مقدار گرمای دریافتی سیستم صرف تغییر انرژی داخلی می شود.

    – ظرفیت گرمایی در حجم ثابت،یعنی مقدار گرمای مورد نیاز برای افزایش دمای سیستم به میزان یک درجه در یک حجم ثابت. [ رزومه] = J / درجه

    رزومهظرفیت گرمایی مولی در حجم ثابت، J/(mol? deg) است. برای گازهای ایده آل:

    C V = 2/3 Rیک گاز تک اتمی است.

    C V = 5/2 Rیک گاز دو اتمی است.

    فرآیند ایزوباریک (ر = Const) dU=؟ Q+؟ W = ?Q – pdV ?Q p = dU + pdV = d(U + pV) = dH

    H \u003d U + pV - آنتالپیتابع حالت سیستم است.

    ?Н = ?(? i U i)پرود - ?(? i U i)مرجع

    ?Q p = dU + pdV = dH = C p dT -اثر حرارتی یک فرآیند ایزوباریک برابر با تغییر در آنتالپی سیستم است.

    – ظرفیت گرمایی در فشار ثابت [با] = J/deg.

    ج صظرفیت گرمایی مولی در فشار ثابت، J/(mol? deg) است.

    برای گازهای ایده آل: C p = C V + R; C p، C V =[J/(mol K)].

    اثر حرارتی (گرما) یک واکنش شیمیایی- مقدار حرارت آزاد شده یا جذب شده در طی واکنش در دمای ثابت.

    Qv = ?UV Qp = ?بالا وابستگی اثر حرارتی واکنش به دما. قانون کیرشهوف

    ضریب دمایی اثر حرارتی یک واکنش شیمیایی برابر با تغییر ظرفیت حرارتی سیستم در طول واکنش است.

    قانون کیرشهوف:

    برای یک فرآیند شیمیایی، تغییر در ظرفیت گرمایی با تغییر در ترکیب سیستم داده می شود:

    ?C p= ?(? i C p,i) prod – ?(? i C p,i) ref یا؟ C V =?(? i C V,i) prod – ?(? i C V,i) رفر

    شکل یکپارچه قانون کیرشهوف:

    ?H T2 \u003d ?H T1 + ?C p (T 2 - T 1) یا؟ U T2 \u003d؟ U Ti +؟ C V (T 2 - T 1)

    1.3. قانون دوم ترمودینامیک. آنتروپی

    1) گرما نمی تواند به طور خود به خود از جسمی با حرارت کمتر به جسم گرمتر منتقل شود.

    2) فرآیندی غیرممکن است که تنها نتیجه آن تبدیل گرما به کار است.

    3) یک تابع حالت سیستم وجود دارد که نامیده می شود آنتروپیکه تغییر آن مربوط به گرمای جذب شده و دمای سیستم به شرح زیر است:

    در یک فرآیند غیرتعادلی

    در یک فرآیند تعادلی

    S آنتروپی است، J / درجه،

    کاهش حرارت است.

    تفسیر آماری آنتروپی

    هر حالت از سیستم اختصاص داده شده است احتمال ترمودینامیکی(تعریف شده به عنوان تعداد ریز حالت هایی که یک کلان حالت معین از سیستم را تشکیل می دهند)، هر چه این حالت بیشتر، بی نظم یا نامشخص تر باشد. آنتروپی یک تابع حالت است که درجه بی نظمی در یک سیستم را توصیف می کند.

    S=kلوگاریتم دبلیوفرمول بولتزمن است.

    سیستم تمایل دارد به طور خود به خود به حالتی با حداکثر احتمال ترمودینامیکی تبدیل شود.

    محاسبه آنتروپی مطلق

    تغییر در آنتروپی در طول یک فرآیند شیمیایی تنها با نوع و حالت مواد اولیه و محصولات واکنش تعیین می شود و به مسیر واکنش بستگی ندارد:

    ?S = ?(? i S i)پرود - ?(?iSi)مرجع

    مقادیر آنتروپی مطلق تحت شرایط استاندارد در ادبیات مرجع آورده شده است.

    1.4. پتانسیل های ترمودینامیکی

    پتانسیلمقداری است که کاهش آن کار انجام شده توسط سیستم را تعیین می کند.

    فقط آن دسته از فرآیندهایی که منجر به کاهش انرژی آزاد سیستم می شوند می توانند خود به خود ادامه دهند. زمانی که انرژی آزاد به حداقل مقدار خود می رسد، سیستم به حالت تعادل می رسد.

    F = U – TS – انرژی آزاد هلمهولتز – پتانسیل ایزوکوریک – همدما(J) - جهت و حد جریان خود به خودی فرآیند را در یک سیستم بسته تحت شرایط ایزوکوریک- همدما تعیین می کند.

    dF = dU – TdSیا؟ F = ?U - T?S

    G = H – TS = U + pV – TS – انرژی آزاد گیبس – پتانسیل همسان باری- همدما(J) - جهت و حد جریان خود به خودی فرآیند را در یک سیستم بسته تحت شرایط ایزوباریک- همدما تعیین می کند.

    dG = dH – TdSیا؟ G = ?H - T?S ?G= ?(? i G i)پرود - ?(? i G i)مرجع ?G0 = ?(? i ?G arr 0)پرود - ?(? i ?G arr 0)مرجع شرایط برای فرآیندهای خود به خودی در سیستم های بسته

    ایزوباریک- همدما (P =نتیجه، T = Const):

    ?G< 0, dG < 0

    ایزوکوریک-ایزوترمال (V =نتیجه، T = Const):

    ?F< 0, dF< 0

    تعادل ترمودینامیکیچنین حالت ترمودینامیکی سیستمی با حداقل انرژی آزاد نامیده می شود که در شرایط خارجی ثابت در زمان تغییر نمی کند و این تغییر ناپذیری ناشی از هیچ فرآیند خارجی نیست.

    شرایط تعادل ترمودینامیکیدر یک سیستم بسته

    ایزوباریک- همدما (P =نتیجه، T = Const):

    ?G = 0، dG= 0, d 2 G > 0

    ایزوکوریک-ایزوترمال (V =نتیجه، T = Const):

    ?F=0, dF = 0, d 2 F >0 معادلات ایزوترم واکنش شیمیایی:

    برای واکنش v 1 A 1 + v 2 A 2+ … = v 1 B 1 + v 2 B 2 + …

    اینجا C i، p i- غلظت، فشار مواد واکنش دهنده در هر لحظه از زمان، متفاوت از حالت تعادل.

    تأثیر شرایط خارجی بر تعادل شیمیایی

    اصل تغییر تعادل لو شاتلیه-براون

    اگر یک تأثیر خارجی بر سیستمی اعمال شود که در حالت تعادل واقعی است، آنگاه یک فرآیند خود به خودی در سیستم ایجاد می شود که این تأثیر را جبران می کند.

    اثر دما بر موقعیت تعادل

    واکنش های گرمازا: ?H°< 0 (?U° < 0). Повышение температуры уменьшает величину константы равновесия, т. е. смещает равновесие влево.

    واکنش های گرماگیر: ?H° > 0 (?U°> 0). افزایش دما مقدار ثابت تعادل را افزایش می دهد (تعادل را به سمت راست تغییر می دهد).

    2. تعادل فاز

    جزء- یک جزء شیمیایی همگن از سیستم، که می تواند از سیستم جدا شده و در خارج از آن وجود داشته باشد. تعداد اجزای مستقل سیستم برابر است با تعداد اجزا منهای تعداد واکنش های شیمیایی احتمالی بین آنها.

    تعداد درجات آزادیتعداد پارامترهای وضعیت سیستم است که می تواند به طور همزمان به طور دلخواه در محدوده های معین بدون تغییر تعداد و ماهیت فازها در سیستم تغییر کند.

    قانون فازجی گیبز:

    تعداد درجات آزادی یک سیستم ترمودینامیکی تعادلی C برابر است با تعداد اجزای مستقل سیستم K منهای تعداد فازهای Ф به اضافه تعداد عوامل خارجی مؤثر بر تعادل: C \u003d K - F + n.

    برای سیستمی که فقط تحت تاثیر عوامل خارجی است دما و فشار،می توان نوشت: C \u003d K - F+ 2.

    اصل تداوم- با تغییر مداوم در پارامترهای حالت، تمام ویژگی های فازهای فردی نیز به طور مداوم تغییر می کند. خواص سیستم به عنوان یک کل به طور مداوم تغییر می کند تا زمانی که تعداد یا ماهیت فازهای سیستم تغییر کند که منجر به تغییر ناگهانی در ویژگی های سیستم می شود.

    مطابق با اصل انطباق،در نمودار وضعیت سیستم، هر فاز مربوط به بخشی از صفحه - میدان فاز است. خطوط تقاطع صفحات مطابق با تعادل بین دو فاز است. هر نقطه در نمودار حالت (به اصطلاح. نکته مجازی)مربوط به حالت خاصی از سیستم با مقادیر مشخصی از پارامترهای حالت است.

    2.1. نمودار وضعیت آب

    K = 1. تعادل سه فاز در سیستم امکان پذیر است: بین مایع و گاز (خط OA)، جامد و گاز (خط OB)، جامد و مایع (خط OC). سه منحنی دارای یک نقطه تقاطع O هستند که نامیده می شود نقطه سه گانه آب،- مربوط به تعادل بین سه فاز و С = 0. سه فاز فقط در مقادیر کاملاً تعریف شده دما و فشار می توانند در تعادل باشند (برای آب، نقطه سه گانه مربوط به حالتی است که با P = 6.1 کیلو پاسکال و T = 273.16 K).

    در داخل هر یک از مناطق نمودار (AOB، BOC، AOC) سیستم تک فاز است. C = 2 (سیستم دو متغیره است).

    در هر یک از خطوط، تعداد فازهای سیستم دو است و طبق قانون فاز، سیستم تک متغیر است: C \u003d 1 - 2 + 2 \u003d 1، یعنی فقط یک مقدار فشار برای هر مقدار دما

    اثر فشار بر دمای انتقال فاز توسط معادله کلازیوس-کلاپیرون:

    V2، V1تغییر در حجم مولی یک ماده در طول انتقال فاز است.

    منحنی تعادل "ماده جامد - مایع" در نمودار حالت آب به سمت چپ و در نمودارهای حالت سایر مواد به سمت راست متمایل است، زیرا چگالی آب از چگالی یخ بیشتر است، یعنی ذوب شدن همراه با کاهش حجم (AV< 0). در این حالت، افزایش فشار باعث کاهش دمای انتقال فاز "جامد - مایع" (آب - ماده غیرعادی).برای همه مواد دیگر (به اصطلاح. مواد عادی) ?V pl> 0 و با توجه به معادله کلازیوس-کلاپیرون، افزایش فشار منجر به افزایش دمای ذوب می شود.

    3. خواص راه حل ها

    3.1. ترمودینامیک محلول ها

    راه حل- یک سیستم همگن متشکل از دو یا چند جزء که ترکیب آن می تواند به طور مداوم در محدوده های معینی تغییر کند بدون اینکه تغییر ناگهانی در خواص آن ایجاد شود.

    انتشار در محلول ها

    انتشار- یک فرآیند خود به خود تراز کردن غلظت یک ماده در یک محلول به دلیل حرکت حرارتی مولکول ها یا اتم های آن.

    قانون فیک:مقدار ماده ای که در واحد زمان در یک واحد سطح پخش می شود با گرادیان غلظت آن متناسب است:

    جایی که jشار انتشار است. Dضریب انتشار است.

    معادله انیشتین اسمولوچوفسکی:

    جایی که؟ ویسکوزیته محیط است. آرشعاع انتشار ذرات است.

    حلالیت گازها در گازها

    قانون دالتون:فشار کل یک مخلوط گاز برابر است با مجموع فشارهای جزئی تمام گازهای تشکیل دهنده آن:

    R کل = ? پیو پی = xi P کل

    قانون هنری دالتون:حلالیت گاز در مایع با فشار آن بر مایع نسبت مستقیم دارد: C i = kp i،جایی که C iغلظت محلول گاز در مایع است. کضریب تناسب بسته به ماهیت گاز است.

    به عنوان یک قاعده، هنگامی که یک گاز در یک مایع حل می شود، گرما آزاد می شود (به< 0) بنابراین با افزایش دما، حلالیت کاهش می یابد.

    فرمول سچنوف:

    X \u003d X 0 e -kC el

    جایی که ایکسو X 0حلالیت یک گاز در یک حلال خالص و یک محلول الکترولیت با غلظت است با.

    3.2. خواص جمع آوری محلول های غیر الکترولیتی

    جمعی (جمعی)خواص محلول ها را نسبت به خواص حلال می نامند که عمدتاً به تعداد ذرات محلول بستگی دارد.

    فشار بخار اشباع محلول های رقیق

    بخار در حالت تعادل با مایع نامیده می شود اشباع شدهفشار این بخار p 0تماس گرفت فشار یا خاصیت ارتجاعی بخار اشباع شدهحلال خالص

    قانون اول رائولفشار جزئی بخار اشباع یک جزء محلول به طور مستقیم با کسر مولی آن در محلول متناسب است و ضریب تناسب برابر با فشار بخار اشباع بر جزء خالص است:

    p i = p i 0 x i

    برای محلول دوتایی متشکل از اجزای A و B: کاهش نسبی فشار بخار حلال بر روی محلول برابر با کسر مولی املاح است و به ماهیت املاح بستگی ندارد:

    راه حل هایی که قانون رائول در مورد آنها صدق می کند، راه حل های ایده آل نامیده می شوند.

    فشار بخار راه حل های ایده آل و واقعی

    اگر اجزای یک محلول دوتایی (متشکل از دو جزء) فرار باشند، بخار بالای محلول حاوی هر دو جزء خواهد بود. ترکیب عمومی، مول. کسری در (x اینچ) فشار بخار:

    p = pA0 ایکس A + pB0 ایکس B = p A 0 (1 - ایکسب) + p B 0 ایکس B = p A 0 - ایکس B (p A 0 - p B 0)

    اگر مولکول‌های یک جزء معین با یکدیگر تعامل قوی‌تری نسبت به مولکول‌های یک جزء دیگر داشته باشند، فشار بخار جزئی واقعی روی مخلوط بیشتر از فشارهای محاسبه‌شده با استفاده از قانون اول رائول خواهد بود. (انحرافات مثبت، ?Нتلویزیون > 0). اگر ذرات همگن ضعیف تر از ذرات ناهمگن با یکدیگر برهمکنش داشته باشند، فشار بخار جزئی اجزا کمتر از مقدار محاسبه شده خواهد بود. (انحرافات منفی، ?Hراه حل< 0).

    دمای تبلور محلول های رقیق

    قانون دوم رائولکاهش نقطه انجماد محلول? معاون T با غلظت مولی محلول رابطه مستقیم دارد:? معاون T \u003d T 0 - T \u003d KS m،جایی که T 0 -نقطه انجماد حلال خالص؛ تینقطه انجماد محلول است. بهثابت کرایوسکوپی حلال، درجه بر کیلوگرم مول است،

    T 0 2دمای انجماد حلال است. موزن مولکولی حلال است، ?Nm گرمای مولی همجوشی حلال است.

    نقطه جوش محلول های رقیق

    دمای جوشدمایی است که در آن فشار بخار اشباع با فشار خارجی برابر می شود.

    افزایش نقطه جوش محلول های مواد غیر فرار؟ T K \u003d T k - T k 0متناسب با کاهش فشار بخار اشباع و نسبت مستقیم با غلظت مولی محلول: اتحادیه اروپا mجایی که E - ثابت بولیوسکوپیحلال، درجه بر کیلوگرم مول،

    فشار اسمزی محلول های رقیق

    اسمز- عبور غالب یک طرفه مولکول های حلال از یک غشای نیمه تراوا به یک محلول یا مولکول های حلال از محلولی با غلظت کمتر به محلولی با غلظت بالاتر.

    فشاری که باید به محلول وارد شود تا از حرکت حلال به داخل محلول از طریق غشای جداکننده محلول از حلال خالص جلوگیری شود، عددی برابر است با فشار اسمزی؟(Pa).

    اصل وانت هاف:فشار اسمزی یک محلول ایده آل برابر است با فشاری که املاح وارد می کند اگر در حالت گازی در همان دما باشد و همان حجمی را اشغال کند که محلول اشغال می کند: = CRT.

    محلول های ایزوتونیک– دو محلول با فشار اسمزی یکسان (?1 = ?2).

    سالین هیپرتونیک- محلولی که فشار اسمزی آن بیشتر از فشار اسمزی دیگری است (? 1 > ? 2).

    محلول هیپوتونیک- محلولی که فشار اسمزی آن کمتر از فشار اسمزی دیگری باشد (? 1< ? 2).

    3.3. محلول های الکترولیت

    درجه تفکیک؟نسبت تعداد مولکول ها است nتبدیل به یون، به تعداد کل مولکول ها ن:

    ضریب ایزوتونیک i Van Hoffنسبت تعداد واقعی ذرات در محلول الکترولیت به تعداد ذرات این محلول بدون تفکیک است.

    اگر از نمولکول ها جدا شدند nو هر مولکول شکسته شد پس یونها


    برای غیر الکترولیت ها من = 1.

    برای الکترولیت 1< من? ?.

    3.4. خواص تجمعی محلول های الکترولیت:
    تئوری آرنیوس تفکیک الکترولیتی

    1. الکترولیت های موجود در محلول ها به یون ها تجزیه می شوند - آنها تجزیه می شوند.

    2. تفکیک یک فرآیند تعادل برگشت پذیر است.

    3. نیروهای برهمکنش یون ها با مولکول های حلال و با یکدیگر کوچک هستند (یعنی محلول ها ایده آل هستند).

    تفکیک الکترولیت ها در محلول تحت عمل مولکول های حلال قطبی اتفاق می افتد. وجود یون در محلول هدایت الکتریکی آن را تعیین می کند.

    با توجه به درجه تفکیک، الکترولیت ها به سه گروه تقسیم می شوند: قوی(? ? 0,7), استحکام متوسط(0,3 < ? < 0,7) и ضعیف(? ? 0,3).

    الکترولیت های ضعیف حد تفکیک

    برای برخی از الکترولیت هایی که مطابق با معادله به یون در محلول تجزیه می شوند:

    A a B b - aA x- + bB y+

    برای الکترولیت دوتایی:

    - قانون رقت استوالد: درجه تفکیک یک الکترولیت ضعیف با رقیق شدن محلول افزایش می یابد.

    فعالیت املاح- مقدار تجربی که جایگزین غلظت می شود - فعالیت (تمرکز موثر) آ،مربوط به غلظت از طریق ضریب فعالیت f، که معیاری برای انحراف ویژگی های یک راه حل واقعی از یک راه حل ایده آل است:

    a = fC; a + = f+ C + ; a_ = f_C_.

    برای الکترولیت دوتایی:

    میانگین فعالیت الکترولیت است.

    میانگین ضریب فعالیت است.

    قانون محدودیت دبای-هوکلبرای الکترولیت باینری: lg f = -0.51z2I؟،جایی که zبار یونی است که ضریب فعالیت برای آن محاسبه می شود.

    I قدرت یونی محلول I = است 0.5؟ (C i r i 2).

    4. هدایت الکتریکی محلول های الکترولیت

    رهبران از نوع اول- فلزات و مذاب های آنها که در آن الکتریسیته توسط الکترون ها حمل می شود.

    رهبران از نوع II- محلول ها و مذاب های الکترولیت ها با نوع هدایت یونی.

    برقحرکت منظم ذرات باردار است.

    هر رسانایی که جریان از آن عبور می کند معینی را نشان می دهد مقاومت R،که طبق قانون اهم با طول هادی نسبت مستقیم دارد لو با سطح مقطع نسبت معکوس دارد S;عامل تناسب است مقاومتمواد؟ - مقاومت هادی با طول 1 سانتی متر و مقطع 1 سانتی متر مربع:

    ارزش W،مخالف مقاومت نامیده می شود رسانایی الکتریکی- اندازه گیری کمی توانایی یک محلول الکترولیت برای هدایت جریان الکتریکی.

    رسانایی الکتریکی? (k) - هدایت الکتریکی یک هادی از نوع اول به طول 1 متر با سطح مقطع 1 متر مربع یا هدایت الکتریکی 1 متر مکعب (1 سانتی متر 3) محلول الکترولیت (رسانا). از نوع دوم) با فاصله بین الکترودهای 1 متر (1 سانتی متر) و مساحت الکترودهای 1 متر مربع (1 سانتی متر مربع).

    هدایت الکتریکی مولی محلول)؟رسانایی الکتریکی محلولی است که حاوی 1 مول از یک املاح است و بین الکترودهایی که در فاصله 1 سانتی متری از یکدیگر قرار دارند قرار می گیرد.

    هدایت الکتریکی مولی الکترولیت های قوی و ضعیف با کاهش غلظت افزایش می یابد (یعنی با افزایش رقت محلول V = 1 / ج) رسیدن به مقداری حد؟ 0 (? ?)، نامیده شد هدایت الکتریکی مولی در رقت بی نهایت

    برای یک الکترولیت دوتایی با یون های باردار منفرد در دمای ثابت و شدت میدان 1 V m-1:

    ? = ?F(u + + و؟)،

    جایی که افعدد فارادی است. و + ، و؟ - تحرک مطلق (m 2 V -1 s -1)کاتیون و آنیون - سرعت حرکت این یونها در شرایط استاندارد، با اختلاف پتانسیل 1 ولت در هر 1 متر از طول محلول.

    ? + = فو + ; ?? = فو؟،

    جایی که؟ +، ?? - تحرککاتیون و آنیون، اهم متر 2 مول -1 (اهم سانتی متر 2 مول -1).

    ? = ?(? + + ??)

    برای الکترولیت های قوی؟ ?1 و ? = ? + + ??

    با رقت بی نهایت محلول (V > ?, ? + > ? ? + , ?? > ? ? ?, ? > 1) برای الکترولیت های قوی و ضعیف؟ ? =؟ ? + – ? ? ? - قانون کولروش:آیا هدایت الکتریکی مولی در رقت بی نهایت برابر با مجموع تحرکات الکترولیتی است؟ ? + , ? ? ? کاتیون و آنیون یک الکترولیت معین

    یون های H + و OH؟ تحرک غیر طبیعی بالایی دارند که با مکانیسم ویژه ای برای انتقال بار توسط این یون ها همراه است - مکانیزم رلهبین یون های هیدرونیوم H 3 O + و مولکول های آب، و همچنین بین مولکول های آب و OH؟ پروتون ها به طور پیوسته بر اساس معادلات مبادله می شوند:

    H 3 O + + H 2 O > H 2 O + H 3 O +

    H 2 O + OH؟ >اوه؟ + H 2 O

    5. فرآیندهای الکتروشیمیایی

    5.1. پتانسیل های الکترود عناصر گالوانیکی EMF

    هنگامی که دو ماده شیمیایی یا فیزیکی متفاوت با یکدیگر تماس پیدا می کنند (فلز 1 (رسانای نوع اول) - فلز 2 (رسانای نوع اول)، فلز (رسانای نوع اول) - محلول نمک فلز (رسانای نوع دوم) محلول الکترولیت 1 (رسانای نوع دوم) - محلول الکترولیت 2 (رسانای نوع دوم) و غیره) بین آنها ایجاد می شود. دو لایه الکتریکی (DES). DES نتیجه توزیع منظم ذرات باردار مخالف در سطح مشترک است.

    تشکیل یک DEL منجر به پرش بالقوه می شود؟، که در شرایط تعادل، یک فلز (رسانای نوع اول) - محلول نمک فلز (رسانای نوع دوم) نامیده می شود. پتانسیل گالوانیکی

    سیستم: فلز (Me) - محلول آبی نمک یک Me داده شده - نامیده می شود الکترودیا نیم عنصرو به صورت شماتیک به صورت زیر نشان داده شده است:

    الکترود (p / e) طوری نوشته می شود که تمام مواد موجود در محلول در سمت چپ قرار می گیرند و مواد الکترود در سمت راست خط عمودی قرار می گیرند.

    ? > 0، اگر واکنش کاهش روی الکترود Me n+ + رخ دهد نه؟ -من 0،

    ? < 0, если на электроде протекает реакция окисления Ме 0 - Ме n+ + نه؟

    پتانسیل الکترود E Me n+ / Me اختلاف پتانسیل تعادلی است که در هادی مرز فاز نوع اول / هادی نوع دوم رخ می دهد و نسبت به الکترود هیدروژن استاندارد اندازه گیری می شود.

    معادله نرنست،جایی که nتعداد الکترون های درگیر در واکنش الکترود است. با Me n+ غلظت کاتیون ها است. Eمن n+ /من پتانسیل استاندارد الکترود است.

    بالقوه تماس؟ ?- پرش پتانسیل تعادلی که در فصل مشترک بین دو هادی از نوع اول رخ می دهد.

    پتانسیل انتشار؟ dif اختلاف پتانسیل تعادلی است که در هادی مرز فاز نوع دوم / هادی نوع دوم رخ می دهد.

    سلول گالوانیکی (به عنوان مثال)- یک مدار الکتریکی متشکل از دو یا چند p.e. و در اثر واکنش شیمیایی که در آن انجام می شود انرژی الکتریکی تولید می کند و مراحل اکسیداسیون و کاهش واکنش شیمیایی از هم جدا می شود.

    الکترودی که فرآیند اکسیداسیون در حین کار یک سلول گالوانیکی روی آن اتفاق می افتد نامیده می شود آند،الکترودی که فرآیند بازیابی روی آن در حال انجام است، - کاتد

    قوانین IUPAC برای ثبت سلول های گالوانیکی و واکنش های رخ داده در آنها

    1. در g. e. کار انجام شده است، بنابراین EMF عنصر یک مقدار مثبت در نظر گرفته می شود.

    2. مقدار EMF مدار گالوانیکی Eبا مجموع جبری پرش های پتانسیل در فصل مشترک همه فازها تعیین می شود، اما از آنجایی که اکسیداسیون در آند رخ می دهد، EMF با کم کردن مقدار پتانسیل آند (الکترود چپ) از مقدار عددی کاتد (الکترود سمت راست) محاسبه می شود. ) پتانسیل - قانون قطب راستبنابراین، مدار عنصر طوری نوشته می‌شود که الکترود چپ منفی باشد (اکسیداسیون اتفاق می‌افتد)، و الکترود سمت راست مثبت باشد (فرایند کاهش رخ می‌دهد).

    3. رابط بین هادی نوع اول و هادی نوع دوم با یک خط نشان داده می شود.

    4. مرز بین دو هادی از نوع دوم با یک خط نقطه چین نشان داده شده است.

    5. یک پل الکترولیتی در مرز دو هادی از نوع II با دو خط نقطه نشان داده می شود.

    6. اجزای یک فاز با کاما از هم جدا شده اند.

    7. معادله واکنش الکترود طوری نوشته می شود که مواد به شکل اکسید شده (Ox) در سمت چپ و به شکل احیا شده (قرمز) در سمت راست قرار گیرند.

    سلول گالوانیکی دانیل-ژاکوبیمتشکل از صفحات روی و مس غوطه ور در محلول های مربوط به ZnSO 4 و CuSO 4 است که توسط یک پل نمک با محلول KCl از هم جدا می شوند: یک پل الکترولیتی رسانایی الکتریکی بین محلول ها را فراهم می کند، اما از انتشار متقابل آنها جلوگیری می کند.

    (-) روی | Zn2+ :: Cu2+ | مس (+)

    واکنش روی الکترودها:

    Zn0 > Zn2+ + 2e؟ Cu 2+ + 2е? > Cu 0

    کل فرآیند ردوکس:

    Cu 2+ + Zn 0 > Cu 0 + Zn 2+

    کار جریان یک سلول گالوانیکی (و در نتیجه، اختلاف پتانسیل) در طول عملکرد برگشت پذیر آن حداکثر خواهد بود، زمانی که فرآیندهای روی الکترودها بی نهایت آهسته پیش می روند و قدرت جریان در مدار بی نهایت کم است.

    حداکثر اختلاف پتانسیلی که در طول عملیات برگشت پذیر یک سلول گالوانیکی رخ می دهد نیروی الکتروموتور (EMF) یک سلول گالوانیکی E.

    عنصر emf Eروی/مس =؟ Cu2+ /Cu+؟ Zn2+ / Zn + ? به +؟ تفاوت

    مستثنی کردن؟ تفاوت و؟ به: Eروی/مس = ? Cu2+ /Cu+؟ Zn2+ / Zn = E Cu 2+ /Cu + E سلول های گالوانیکی Zn 2 + / Zn - متشکل از دو الکترود فلزی یکسان غوطه ور در محلول های نمکی این فلز با غلظت های مختلف С 1 > С 2 . در این حالت، کاتد یک الکترود با غلظت بالاتر خواهد بود، زیرا پتانسیل الکترود استاندارد هر دو الکترود برابر است.

    زنجیره های غلظت

    تنها نتیجه کار عنصر غلظت، انتقال یون های فلزی از محلول غلیظ تر به محلول با غلظت کمتر است.

    کار یک جریان الکتریکی در یک سلول گالوانیکی متمرکز، کار یک فرآیند انتشار است که در نتیجه تقسیم فضایی آن به دو فرآیند الکترود برگشت پذیر مخالف جهت، به صورت برگشت پذیر انجام می شود.

    5.2. طبقه بندی الکترود

    الکترود از نوع اول. یک صفحه فلزی غوطه ور در محلول نمکی از همان فلز. در طول عملیات برگشت پذیر عنصری که الکترود در آن قرار دارد، فرآیند انتقال کاتیون ها از فلز به محلول یا از محلول به فلز روی یک صفحه فلزی انجام می شود.

    الکترودهای نوع دوماین فلز با نمک کم محلول این فلز پوشیده شده است و در محلولی حاوی نمک محلول دیگری با همان آنیون است. الکترودهای این نوع نسبت به آنیون برگشت پذیر هستند.

    الکترودهای مرجع- الکترودهایی با مقادیر پتانسیل کاملاً شناخته شده و قابل تکرار.

    الکترود هیدروژنیک صفحه پلاتین است که با گاز هیدروژن شسته شده و در محلولی حاوی یون هیدروژن غوطه ور شده است. هیدروژن جذب شده توسط پلاتین با هیدروژن گازی در تعادل است.

    Pt، N 2 / N +

    تعادل الکتروشیمیایی روی الکترود:

    2H++ 2e؟ - H 2 .

    پتانسیل یک الکترود هیدروژن استاندارد (با فعالیت یون H + 1 mol/l و فشار هیدروژن 101.3 کیلو پاسکال) صفر در نظر گرفته شده است.

    پتانسیل الکترودی الکترود هیدروژنی غیر استاندارد:

    الکترود کالاملشامل یک الکترود جیوه است که در محلول KCl با غلظت مشخص و اشباع شده با کالومل Hg 2 Cl 2 قرار می گیرد:

    Hg / Hg 2 Cl 2 , KCl

    الکترود کالومل نسبت به آنیونهای کلرید برگشت پذیر است

    الکترود کلرید نقره- برگشت پذیر با توجه به آنیون های کلر:

    Ag/AgCl، KCl

    اگر محلول KCl اشباع شده باشد، E AgC l \u003d 0.2224 - 0.00065 (t - 25)، V.

    الکترودهای نشانگرالکترودهایی که نسبت به یون هیدروژن برگشت پذیر هستند در عمل برای تعیین فعالیت این یون ها در محلول استفاده می شوند.

    الکترود کین هیدرونیک سیم پلاتین است که با محلول آزمایشی داخل ظرفی فرو می‌رود، که ابتدا مقدار اضافی کین هیدرون C 6 H 4 O 2 C 6 H 4 (OH) 2 در آن قرار می‌گیرد - ترکیبی از کینون C 6 H 4 O 2 و هیدروکینون C 6 H 4 (OH ) 2 قادر به تبدیل متقابل در یک فرآیند ردوکس تعادلی است که در آن یون های هیدروژن شرکت می کنند:

    C 6 H 4 O 2 + 2H + + 2e؟ > C 6 H 4 (OH) 2

    بیشترین استفاده را دارد الکترود شیشه ایبه شکل لوله ای که به یک توپ شیشه ای با دیواره نازک ختم می شود. توپ با یک محلول بافر با مقدار pH مشخصی پر می شود که در آن یک الکترود کمکی (معمولاً کلرید نقره) غوطه ور می شود. برای اندازه گیری pH، الکترود شیشه ای در محلول آزمایشی در پشت سر هم با الکترود مرجع غوطه ور می شود. گلوله الکترود شیشه ای برای مدت طولانی با محلول اسید از قبل درمان می شود. در این حالت، یون های هیدروژن به دیواره های توپ وارد می شوند و جایگزین کاتیون های فلز قلیایی می شوند. فرآیند الکترود به تبادل یون های هیدروژن بین دو فاز کاهش می یابد - محلول آزمایش و شیشه: محلول H - H st + .

    ظرفیت استاندارد E st 0 برای هر الکترود مقدار خاص خود را دارد که با گذشت زمان تغییر می کند. بنابراین، الکترود شیشه ای قبل از هر اندازه گیری pH در برابر محلول های بافر استاندارد با pH دقیقا مشخص کالیبره می شود.

    الکترودهای ردوکس

    الکترود متشکل از یک رسانای بی اثر از نوع اول که در محلول الکترولیت حاوی یک عنصر در حالت های اکسیداسیون مختلف قرار می گیرد، نامیده می شود. ردوکسیا الکترود ردوکس

    واکنش الکترود: Oh n++ نه؟ -قرمز.

    در این مورد من بی اثرنقش غیرمستقیم در واکنش الکترود دارد و واسطه ای در انتقال الکترون ها از شکل احیا شده Me (قرمز) به شکل اکسید شده (Ox) یا بالعکس است.

    6. پدیده های سطحی و جذب

    6.1. کشش سطحی و جذب گیبس

    پدیده های سطحیفرآیندهایی که در سطح مشترک و به دلیل ویژگی های ترکیب و ساختار لایه سطحی (مرز) اتفاق می افتد نامیده می شود.

    Gs = ?s،

    جایی که Gsسطح انرژی گیبس سیستم است، J; ? - ضریب تناسب، به نام کشش سطحی، J / m 2. s سطح سطحی، m2 است.

    کشش سطحیOکمیتی است که با انرژی گیبس در واحد سطح لایه اندازه گیری می شود. از نظر عددی برابر است با کاری که باید در برابر نیروهای برهمکنش بین مولکولی انجام شود تا یک رابط واحد در دمای ثابت تشکیل شود.

    از مدل دوپره، کشش سطحیبرابر با نیروی تمایل به کاهش سطح مشترک و مربوط به واحد طول کانتوری است که سطح را محدود می کند

    توانایی املاح در تغییر کشش سطحی حلال نامیده می شود فعالیت سطحی g:

    طبقه بندی مواد بر اساس تأثیر بر کشش سطحی حلال

    1. سورفکتانت ها (سورفکتانت ها)- کشش سطحی حلال را کاهش دهید (محلول؟< ? 0) g >0 (در رابطه با آب - ترکیبات آلی ساختار آمفیفیلیک).

    2. مواد غیر فعال سطحی (SID)- کشش سطحی حلال را کمی افزایش دهید (? محلول > ? 0) g< 0 (неорганические кислоты, основания, соли, глицерин, ?-аминокислоты и др).

    3. مواد غیر فعال سطحی (NSV)- عملا کشش سطحی حلال را تغییر ندهید (? rr = ? 0) g = 0 (در رابطه با آب، مواد ساکارز و تعدادی دیگر هستند).

    قانون Duclos-Traube:در هر سری همولوگ در غلظت های پایین، طویل شدن زنجیره کربن توسط یک گروه CH2 فعالیت سطحی را 3-3.5 برابر افزایش می دهد:

    برای محلول های آبی اسیدهای چرب (معادله شیشکوفسکی):

    جایی که بو بهثابت های تجربی هستند، ببه همین ترتیب برای کل سری همولوگ، K برای هر عضو بعدی سری 3-3.5 برابر افزایش می یابد.

    فرآیند تغییر خود به خودی در غلظت یک ماده در سطح مشترک بین دو فاز نامیده می شود جذب جاذبماده ای نامیده می شود که در سطح آن تغییری در غلظت ماده دیگری وجود دارد - جذب

    ایزوترم جذب گیبس:

    بیش از حد جذب در لایه سطحی نسبت به مقدار اولیه آن در این لایه مشخص می شود اضافییا به اصطلاح گیبس، جذب(G).

    6.2. جذب در سطح مشترک گاز جامد

    جذب فیزیکیبه دلیل برهمکنش‌های واندروالسی مولکول جذب شده با سطح ایجاد می‌شود، با برگشت‌پذیری و کاهش جذب با افزایش دما مشخص می‌شود، یعنی گرمازایی (اثر حرارتی جذب فیزیکی معمولاً نزدیک به گرمای مایع شدن ماده جاذب است. 10-80 کیلوژول بر مول).

    جذب شیمیایی (جذب شیمیایی)توسط فعل و انفعالات شیمیایی مولکول های جاذب و جاذب که معمولاً برگشت ناپذیر است انجام می شود. است محلی شده استیعنی مولکول های جاذب نمی توانند روی سطح جاذب حرکت کنند. از آنجایی که جذب شیمیایی یک فرآیند شیمیایی است که به انرژی فعال سازی در حد 40-120 کیلوژول بر مول نیاز دارد، افزایش دما به وقوع آن کمک می کند.

    معادله هانری(جذب تک مولکولی روی سطح همگن در فشارهای کم یا غلظت کم):

    G = Ksیا G \u003d Kr،

    بهثابت تعادل جذب است که به ماهیت جاذب و جاذب بستگی دارد. سی، رغلظت ماده محلول یا فشار گاز است.

    نظریه جذب تک مولکولی لانگمویر

    1. جذب موضعی است و توسط نیروهای نزدیک به مواد شیمیایی ایجاد می شود.

    2. جذب روی سطح همگن جاذب اتفاق می افتد.

    3. فقط یک لایه از مولکول های جذب شده می تواند روی سطح تشکیل شود.

    4. فرآیند جذب برگشت پذیر و تعادلی است.

    ایزوترم جذب لانگمویر:

    جایی که Г 0 – ظرفیت تک لایهثابت برابر با جذب محدود کننده مشاهده شده در غلظت های نسبتاً تعادل بالا، mol/m2 است. بیک ثابت برابر با نسبت ثابت سرعت جذب و ثابت سرعت دفع است.

    معادله فروندلیچ(جذب روی سطح ناهمگن): Г = K F با n،جایی که. K Fثابت عددی برابر با جذب در غلظت تعادل برابر با واحد است. nثابتی است که انحنای ایزوترم جذب را تعیین می کند (ن= 0,1–0,6).

    جذب مولکولی از محلول ها:


    که در آن C 0 غلظت اولیه ماده جاذب است. باغلظت تعادلی ماده جاذب است. Vحجم محلول جاذب است. مترجرم جاذب است.

    مربع S 0 ,در هر مولکول در یک لایه جذب اشباع، منطقه فرود:

    m 2 / مولکول.

    ضخامت لایه جذب:

    جایی که موزن مولکولی سورفکتانت است. ? چگالی سورفکتانت است.

    قانون Rebinder:در جاذب های قطبی، جذب های قطبی از حلال های با قطبیت پایین بهتر جذب می شوند. بر روی جاذب های قطبی، جاذب های غیر قطبی از حلال های قطبی.

    جهت گیری مولکول های سورفکتانت روی سطح جاذب به صورت شماتیک در شکل نشان داده شده است:


    6.3. جذب از محلول های الکترولیت

    تبادل جذب- فرآیند تبادل یونی بین یک محلول و یک فاز جامد که در آن فاز جامد یون‌های هر علامت (کاتیون یا آنیون) را از محلول جذب می‌کند و به جای آن‌ها می‌تواند تعداد معادلی از یون‌های دیگر با همان علامت را در محلول آزاد کند. راه حل. برای همیشه خاصیعنی برای یک جاذب معین، فقط یون های خاصی قادر به تبادل هستند. جذب تبادلی معمولاً برگشت ناپذیر است.

    قانون بسته-پسکوف-فایانس:روی سطح یک جامد کریستالی، یک یون به طور خاص از محلول الکترولیت جذب می‌شود، که می‌تواند شبکه بلوری خود را تکمیل کند یا می‌تواند با یکی از یون‌هایی که کریستال را تشکیل می‌دهند، ترکیبی با محلول ضعیف تشکیل دهد.

    7. سیستم های کلوئیدی (پراکنده).

    سیستم کلوئیدی (پراکنده)یک سیستم ناهمگن نامیده می شود که در آن یکی از فازها توسط ذرات کوچکی که به طور یکنواخت در حجم فاز همگن دیگری توزیع شده اند نشان داده می شود. اینها سیستم های فوق میکروتروژنی هستند که از ذرات تشکیل شده اند فاز پراکنده- توده های ذرات خرد شده، که اندازه آنها در 10-9-10-5 متر قرار دارد و پیوسته است. محیط پراکندگی،که این ذرات در آن توزیع می شوند.

    نشانه ها حالت کلوئیدی ماده - پراکندگی و ناهمگنی.

    درجه پراکندگی؟متقابل قطر متوسط ​​یا برای ذرات غیر کروی، متقابل قطر معادل میانگین است. د(m -1):

    سطح خاصنسبت کل سطح فاز پراکنده S DF به حجم کل یا جرم آن است:

    7.1. طبقه بندی و روش های به دست آوردن سیستم های پراکنده

    طبقه بندی بر اساس وضعیت تجمع فازها


    یک سیستم پراکنده که در آن فاز پراکنده و محیط پراکندگی هر دو گاز باشند وجود ندارد، زیرا گازها بی نهایت در یکدیگر محلول هستند.

    طبقه بندی سیستم ها بر اساس اندازه ذرات فاز پراکنده:

    1) بسیار پراکنده، 10 -9_ 10 -7 متر (شیشه یاقوت).

    2) پراکنده متوسط، 10 -7_ 10 -5 متر (قهوه فوری).

    3) درشت، > 10-5 متر (قطرات باران).

    روش های بدست آوردن سیستم های کلوئیدی پراکندگی

    پراکندگی فیزیکی:آسیاب مکانیکی با استفاده از آسیاب های کلوئیدی. پاشش الکتریکی مواد؛ پراکندگی اولتراسونیک و روش های دیگر. برای جلوگیری از چسبیدن ذرات تشکیل شده به هم، پراکندگی در حضور انجام می شود تثبیت کننده- الکترولیت یا ماده جذب شده در سطح مشترک (سورفکتانت ها).

    پراکندگی شیمیایی (پپتیزاسیون):تبدیل یک رسوب تازه تهیه شده به حالت کلوئیدی با استفاده از پپتیزر.

    تراکم

    تراکم فیزیکی: 1) روش جایگزینی حلال، که شامل این واقعیت است که مایعی که با حلال مخلوط می شود به محلول واقعی ماده اضافه می شود، که در آن خود ماده محلول ضعیفی دارد. به دلیل کاهش حلالیت ماده در حلال جدید، محلول فوق اشباع می شود و بخشی از ماده متراکم می شود و ذرات فاز پراکنده را تشکیل می دهد. 2) روش تراکم بخار؛ ماده اصلی در یک جفت است. با کاهش دما، بخار فوق اشباع شده و تا حدی متراکم می شود و یک فاز پراکنده را تشکیل می دهد.

    تراکم شیمیایی:هر واکنش شیمیایی که منجر به تشکیل یک ترکیب کم محلول شود. برای به دست آوردن یک محلول کلوئیدی، واکنش باید در محلول رقیق با سرعت رشد ذرات کم انجام شود، یکی از مواد اولیه بیش از حد گرفته شده و یک تثبیت کننده است.

    7.2. خواص نوری سیستم های پراکنده

    هنگامی که نور بر روی یک سیستم پراکنده می افتد، پدیده های زیر قابل مشاهده است:

    گذر نورذرات فاز پراکنده (مشاهده شده برای سیستم های شفاف که در آنها ذرات بسیار کوچکتر از طول موج نور فرودی هستند (r<< ?);

    شکست نورذرات فاز پراکنده (اگر این ذرات شفاف باشند)؛

    انعکاس نورذرات فاز پراکنده (اگر ذرات مات باشند)؛

    انکسار و بازتابنور برای سیستم هایی مشاهده می شود که در آنها ذرات بسیار بزرگتر از طول موج نور فرودی هستند (r >> ?). از نظر بصری، این پدیده در کدورت این سیستم ها بیان می شود.

    پراکندگی نورمشاهده شده برای سیستم هایی که در آنها ذرات فاز پراکنده کوچکتر هستند، اما متناسببا طول موج نور فرودی (r ? 0.1 ?)؛

    جذب(جذب) نور توسط فاز پراکنده با تبدیل انرژی نور به گرما.

    معادله ریلی:


    جایی که I, I 0 شدت نور پراکنده و فرودیده است. Vحجم یک ذره است. ? - غلظت جزئی (تعداد ذرات در واحد حجم)؛ ? طول موج است؛ n 1، n 0به ترتیب ضریب شکست ذرات و محیط هستند.

    پدیده رنگ های مختلف یک محلول کلوئیدی در نور عبوری و پراکنده (بازتاب شده) نامیده می شود. مادیدر مورد محلول های رنگی، پوششی از رنگ خود و رنگ ناشی از مات شدن (پدیده) وجود دارد. دو رنگی نور).

    7.3. خواص جنبشی مولکولی

    سیستم های کلوئیدی مشخص می شوند حرکت براونی- حرکت تصادفی مداوم ذرات با اندازه های میکروسکوپی و کلوئیدی. این حرکت هر چه شدیدتر باشد، دما بیشتر و جرم ذره و ویسکوزیته محیط پراکندگی کمتر می شود.

    انتشاریک فرآیند خود به خودی برای یکسان سازی غلظت ذرات است.

    قانون فیک:

    به دلیل اندازه بزرگ ذرات کلوئیدی، انتشار در سیستم های کلوئیدی کندتر از محلول های واقعی است.

    فشار اسمزی:

    که در آن mtot جرم ماده محلول است. مترجرم یک ذره است؛ Vحجم سیستم است. N Aعدد آووگادرو است. تیدمای مطلق است؛ ? - غلظت جزئی؛ کثابت بولتزمن است.

    برای ذرات کروی:

    جایی که؟ m جرم فاز پراکنده در واحد حجم محلول است. ? چگالی محیط پراکندگی است. r شعاع ذره است.

    7.4. ساختار یک میسل

    میسل لیوفوبیکسیستم یک میکروسیستم ناهمگن نامیده می شود که از یک میکروکریستال فاز پراکنده تشکیل شده است که توسط یون های تثبیت کننده حل شده احاطه شده است.

    تعیین کننده بالقوهبه نام یون های جذب شده روی سطح ذره ای از فاز جامد (واحد)و به آن شارژ بدهید. سنگدانه، همراه با یون های تعیین کننده پتانسیل، است هسته میسل

    شمارنده هایون ها در نزدیکی هسته میسل گروه بندی می شوند.

    محل یون های ضد در یک محیط پراکندگی توسط دو عامل متضاد تعیین می شود: حرکت حرارتی (انتشار) و جاذبه الکترواستاتیکی.


    کنتریون هایی که متراکم را تشکیل می دهند لایه جذب،"متصل" نامیده می شوند و همراه با هسته تشکیل می دهند ذره یا گرانول کلوئیدی یک ذره کلوئیدی (گرانول) دارای بار است که علامت آن به دلیل علامت بار یون های تعیین کننده پتانسیل است.

    ضدیون هایی که تشکیل می شوند لایه پراکنده،- "موبایل" یا "رایگان".

    یک ذره کلوئیدی با یک لایه پراکنده اطراف از یون های ضد انحلال است میسلبرخلاف ذرات کلوئیدی، میسل از نظر الکتریکی خنثی است و ابعاد کاملاً مشخصی ندارد.


    در یک میسل با یک تثبیت کننده یونی، یک DES در مرز فاز وجود دارد، یک اختلاف پتانسیل بین فاز پراکنده و محیط پراکندگی ایجاد می شود - پتانسیل ترمودینامیکی f (اینترفاز)،که توسط خواص یک سیستم پراکنده معین، و همچنین با بار و غلظت یون های تعیین کننده پتانسیل جذب شده در فاز جامد تعیین می شود.


    حرکت ذرات باردار کلوئیدی در یک مایع ثابت به یکی از الکترودها تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی نامیده می شود. الکتروفورز

    سطحی که حرکت روی آن رخ می دهد نامیده می شود سطح کشوییبزرگی پرش پتانسیل در مرز فازهایی که نسبت به یکدیگر در حین الکتروفورز و در حرکت براونی در حال حرکت هستند، یعنی روی سطح لغزش، نامیده می شود. الکتروکینتیک یا پتانسیل؟ (پتانسیل زتا).

    7.5. ثبات و انعقاد

    پایداری سیستم های پراکندهتوانایی فاز پراکنده برای حفظ وضعیت توزیع یکنواخت ذرات در سراسر حجم محیط پراکندگی را مشخص می کند.

    دو نوع پایداری نسبی سیستم های پراکنده وجود دارد: ته نشینی و تجمع

    مقاومت در برابر رسوب- توانایی سیستم برای مقاومت در برابر عمل گرانش. ته نشینی عبارت است از ته نشین شدن ذرات در محلول تحت تأثیر گرانش.

    وضعیت تعادل رسوبی:ذره با سرعت ثابت حرکت می کند، یعنی. به طور مساوی،نیروی اصطکاک نیروی گرانش را متعادل می کند:

    6??rU = 4/3?r 3 (? - ? 0) گرم،

    جایی که؟ آیا چگالی فاز پراکنده،؟ 0 چگالی محیط پراکندگی، g شتاب گرانش است،؟ ویسکوزیته محیط است.

    ثبات تجمعیتوانایی ذرات فاز پراکنده را برای مقاومت در برابر چسبیدن به یکدیگر و در نتیجه حفظ اندازه خود مشخص می کند.

    در نقض ثبات تجمعی رخ می دهد انعقاد فرآیند چسبیدن ذرات به هم با تشکیل سنگدانه های بزرگ است.در نتیجه انعقاد، سیستم پایداری ته نشینی خود را از دست می دهد، زیرا ذرات بیش از حد بزرگ می شوند و نمی توانند در حرکت براونی شرکت کنند.

    دلایل انعقاد:

    > تغییر دما؛

    > عمل میدان های الکتریکی و الکترومغناطیسی؛

    > عمل نور مرئی؛

    > قرار گرفتن در معرض ذرات بنیادی؛

    > ضربه مکانیکی؛

    > افزودن الکترولیت و غیره

    بیشترین علاقه عملی انعقاد با الکترولیت ها است.

    انواع انعقاد با الکترولیت

    تمرکزانعقاد تحت تأثیر رخ می دهد بي تفاوتالکترولیت ها بي تفاوتالکترولیت نامیده می شود که با معرفی آن پتانسیل سطحی<р не изменяется. Данный электролит не содержит таких ионов, которые были бы способны к специфической адсорбции на частицах по правилу Па-нета-Фаянса, т. е. не способны достраивать кристаллическую решетку агрегата:


    حالتی که در آن لایه منتشر ناپدید می شود و ذره کلوئیدی از نظر الکتریکی خنثی می شود نامیده می شود ایزوالکتریک– پتانسیل الکتروکینتیک (؟) برابر با صفر است، انعقاد اتفاق می افتد. فرمول میسل در این حالت به شکل: (mnAg + nNO 3 ?) 0 است.

    خنثی سازیانعقاد زمانی اتفاق می‌افتد که به سل اضافه شود غیر بی تفاوتالکترولیت غیر بی تفاوتالکترولیت به الکترولیتی گفته می شود که قادر به تغییر پتانسیل های الکتریسیته سطحی (?) و خطی مرتبط با الکتروکینتیک (?) است، یعنی این الکترولیت حاوی یون هایی است که می توانند به طور خاص روی سطح سنگدانه جذب شوند، شبکه بلوری آن را تکمیل کنند، یا از نظر شیمیایی با پتانسیل برهم کنش داشته باشند. -تعیین یون ها


    فرآیند برگشت پذیری که در آن ماده منعقد شده دوباره به حالت کلوئیدی می رود نامیده می شود پپتیزاسیون یا تفکیک

    قوانین انعقاد

    1. تمام الکترولیت های قوی که به مقدار کافی به سل اضافه می شود باعث انعقاد آن می شود. حداقل غلظت الکترولیت که باعث انعقاد سل در یک دوره زمانی کوتاه می شود نامیده می شود آستانه انعقاد:

    که در آن C el غلظت الکترولیت منعقد کننده است. V el حجم الکترولیت اضافه شده است. V sol (معمولا 10 میلی لیتر) - حجم سل.

    2. اثر انعقاد توسط یونی که بار آن با بار ضد یون های میسل سل لیوفوبیک منطبق است (بار یون منعقد کننده مخالف بار ذره کلوئیدی است) دارد. این یون نامیده می شود یون منعقد کننده

    3. توانایی انعقاد یون - ماده منعقد کننده هر چه بیشتر باشد، بار یون بیشتر است:

    قانون اهمیت:

    ? 1: ? 2: ? 3 = 1/1 6: 1/2 6: 1/3 6 = 729: 11: 1

    توانایی انعقاد یونی با بار یکسان هر چه بیشتر باشد، شعاع کریستالی آن بزرگتر است. Ag + > Cs + > Rb + > NH 4 + > K + > Na + > Li+ - سری لیوتروپیک

    حفاظت کلوئیدیافزایش پایداری تجمعی سل با وارد کردن یک IUD (ترکیب با وزن مولکولی بالا) یا یک سورفکتانت (سورفکتانت) در آن نامیده می شود.

    شماره نگهبانحداقل تعداد میلی گرم ماده خشک که برای محافظت از 10 میلی لیتر از سل ضروری است، هنگامی که یک الکترولیت به مقداری برابر با آستانه انعقاد به آن اضافه می شود، نامیده می شود.

    محتوای مقاله

    شیمی فیزیک،شاخه ای از شیمی که خواص شیمیایی مواد را بر اساس خواص فیزیکی اتم ها و مولکول های سازنده آنها مطالعه می کند. شیمی فیزیک مدرن یک رشته بین رشته ای گسترده است که با شاخه های مختلف فیزیک، بیوفیزیک و زیست شناسی مولکولی هم مرز است. نقاط تماس بسیاری با شاخه های علوم شیمی مانند شیمی آلی و معدنی دارد.

    ویژگی متمایز رویکرد شیمیایی (برخلاف رویکرد فیزیکی و بیولوژیکی) این است که همراه با توصیف پدیده‌های ماکروسکوپی، ماهیت آنها بر اساس ویژگی‌های تک تک مولکول‌ها و برهمکنش‌های بین آنها توضیح داده می‌شود.

    پیشرفت‌های ابزاری و روش‌شناختی جدید در زمینه شیمی فیزیک در سایر شاخه‌های شیمی و علوم مرتبط مانند فارماکولوژی و پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. به عنوان مثال می توان به روش های الکتروشیمیایی، طیف سنجی مادون قرمز (IR) و ماوراء بنفش (UV)، لیزر و تکنیک های تشدید مغناطیسی اشاره کرد که به طور گسترده در درمان و برای تشخیص بیماری های مختلف استفاده می شود.

    بخش های اصلی شیمی فیزیک به طور سنتی در نظر گرفته می شوند: 1) ترمودینامیک شیمیایی. 2) نظریه جنبشی و ترمودینامیک آماری. 3) سوالات ساختار مولکول ها و طیف سنجی. 4) سینتیک شیمیایی.

    ترمودینامیک شیمیایی

    ترمودینامیک شیمیایی مستقیماً با کاربرد ترمودینامیک - علم گرما و تبدیلات آن - در مسئله تعادل شیمیایی مرتبط است. ماهیت مسئله به صورت زیر فرموله می شود: اگر مخلوطی از معرف ها (سیستم) وجود داشته باشد و شرایط فیزیکی که در آن قرار دارد (دما، فشار، حجم) مشخص باشد، پس چه فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی خود به خودی می تواند این سیستم را به ارمغان بیاورد. به تعادل؟ قانون اول ترمودینامیک بیان می کند که گرما شکلی از انرژی است و انرژی کل یک سیستم (همراه با محیط آن) بدون تغییر باقی می ماند. بنابراین، این قانون یکی از اشکال قانون بقای انرژی است. طبق قانون دوم، یک فرآیند خود به خودی منجر به افزایش آنتروپی کل سیستم و محیط آن می شود. آنتروپی اندازه گیری مقدار انرژی است که یک سیستم نمی تواند برای انجام کارهای مفید استفاده کند. قانون دوم نشان دهنده جهتی است که واکنش بدون هیچ گونه تأثیر خارجی در آن حرکت خواهد کرد. برای تغییر ماهیت واکنش (به عنوان مثال، جهت آن)، باید انرژی را در یک شکل یا شکل دیگر مصرف کنید. بنابراین، محدودیت های سختی را بر میزان کاری که می توان در نتیجه تبدیل گرما یا انرژی شیمیایی آزاد شده در یک فرآیند برگشت پذیر انجام داد، اعمال می کند.

    ما دستاوردهای مهم در ترمودینامیک شیمیایی را مدیون J. Gibbs هستیم که پایه نظری این علم را پایه گذاری کرد، که امکان ترکیب نتایج به دست آمده توسط بسیاری از محققان نسل قبلی را در یک کل واحد فراهم کرد. رویکرد توسعه یافته توسط گیبس هیچ فرضی در مورد ساختار میکروسکوپی ماده ندارد، اما ویژگی های تعادلی سیستم ها را در سطح کلان در نظر می گیرد. به همین دلیل است که می توان فکر کرد که قوانین اول و دوم ترمودینامیک جهانی هستند و حتی زمانی که ما در مورد خواص مولکول ها و اتم ها اطلاعات بیشتری کسب کنیم، معتبر خواهند ماند.

    نظریه جنبشی و ترمودینامیک آماری.

    ترمودینامیک آماری (و همچنین مکانیک کوانتومی) به فرد امکان می دهد موقعیت تعادل را برای برخی از واکنش ها در فاز گاز پیش بینی کند. با کمک روش مکانیک کوانتومی، می توان رفتار مولکول های پیچیده تعدادی از مواد را که در حالت مایع و جامد هستند، توصیف کرد. با این حال، واکنش هایی وجود دارد که سرعت آنها را نمی توان در چارچوب نظریه جنبشی یا با کمک ترمودینامیک آماری محاسبه کرد.

    یک انقلاب واقعی در ترمودینامیک آماری کلاسیک در دهه 1970 رخ داد. مفاهیم جدیدی مانند جهانی بودن (این تصور که اعضای گروه های وسیع خاصی از ترکیبات دارای خواص یکسان هستند) و اصل شباهت (تخمین کمیت های مجهول از معیارهای شناخته شده) منجر به درک بهتر رفتار مایعات در نزدیکی یک نقطه بحرانی شده است. وقتی بین مایع و گاز تمایزی وجود ندارد. با استفاده از کامپیوتر، خواص مایعات ساده (آرگون مایع) و پیچیده (آب و الکل) در حالت بحرانی شبیه سازی شد. اخیراً، خواص مایعاتی مانند هلیوم مایع (که رفتار آنها کاملاً از نظر مکانیک کوانتومی توصیف شده است) و الکترون های آزاد در مایعات مولکولی به طور جامع با استفاده از شبیه سازی های کامپیوتری (SUPERCONDUCTIVITY) بررسی شده است. این اجازه می دهد تا درک بهتری از خواص مایعات معمولی داشته باشیم. روش های کامپیوتری همراه با آخرین پیشرفت های نظری به طور فشرده برای مطالعه رفتار محلول ها، پلیمرها، میسل ها (ذرات کلوئیدی خاص)، پروتئین ها و محلول های یونی مورد استفاده قرار می گیرند. برای حل مسائل شیمی فیزیک، به ویژه برای توصیف برخی از خواص سیستم ها در حالت بحرانی و مطالعه مسائل فیزیک انرژی بالا، روش ریاضی گروه نرمال سازی مجدد به طور فزاینده ای مورد استفاده قرار می گیرد.

    ساختار مولکول ها و طیف سنجی

    شیمیدانان آلی قرن نوزدهم. قوانین ساده ای برای تعیین ظرفیت (توانایی ترکیب) بسیاری از عناصر شیمیایی ایجاد کرد. به عنوان مثال، آنها دریافتند که ظرفیت کربن 4 است (یک اتم کربن می تواند چهار اتم هیدروژن را برای تشکیل یک مولکول متان CH 4 بچسباند)، اکسیژن - 2، هیدروژن - 1 است. بر اساس ایده های تجربی مبتنی بر داده های تجربی، مفروضاتی ساخته شد. در مورد آرایش فضایی اتم ها در مولکول ها (به عنوان مثال، مولکول متان دارای ساختار چهار وجهی است، در حالی که اتم کربن در مرکز یک هرم مثلثی قرار دارد و هیدروژن در چهار راس آن است). با این حال، این رویکرد اجازه نمی دهد مکانیسم تشکیل پیوندهای شیمیایی آشکار شود، و بنابراین، برای تخمین اندازه مولکول ها، برای تعیین فاصله دقیق بین اتم ها.

    با استفاده از روش‌های طیف‌سنجی توسعه‌یافته در قرن بیستم، ساختار مولکول‌های آب (H2O)، اتان (C2H6)، و سپس مولکول‌های بسیار پیچیده‌تر، مانند پروتئین‌ها، تعیین شد. روش‌های طیف‌سنجی مایکروویو (EPR، NMR) و پراش الکترون، تعیین طول پیوند، زوایای بین آنها (زوایای ظرفیت) و آرایش متقابل اتم‌ها در مولکول‌های ساده و تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس - پارامترهای مشابه برای مولکول های بزرگتر که کریستال های مولکولی را تشکیل می دهند. گردآوری کاتالوگ های ساختارهای مولکولی و استفاده از مفاهیم ساده ظرفیت، پایه های شیمی ساختاری را بنا نهاد (ال. پاولینگ پیشگام آن بود) و امکان استفاده از مدل های مولکولی را برای توضیح پدیده های پیچیده در سطح مولکولی فراهم کرد. اگر مولکول‌ها ساختار مشخصی نداشتند، یا اگر پارامترهای پیوندهای C-C و C-H در کروموزوم‌ها با پارامترهای موجود در مولکول‌های متان یا اتان بسیار متفاوت بود، با کمک مدل‌های هندسی ساده، جی. واتسون و اف. کریک در آغاز دهه 1950 قادر به ساخت مدل مارپیچ دوگانه معروف خود از اسید دئوکسی ریبونوکلئیک (DNA) نبودند. با مطالعه ارتعاشات اتم ها در مولکول ها با استفاده از طیف سنجی IR و UV، می توان ماهیت نیروهای نگهدارنده اتم ها در ترکیب مولکول ها را تعیین کرد که به نوبه خود منجر به ایده وجود حرکت درون مولکولی شد. و امکان مطالعه خواص ترمودینامیکی مولکول ها را فراهم کرد ( بالا را ببین). این اولین قدم برای تعیین سرعت واکنش های شیمیایی بود. علاوه بر این، مطالعات طیف‌سنجی در ناحیه UV به ایجاد مکانیسم تشکیل پیوند شیمیایی در سطح الکترونیکی کمک کرد، که توصیف واکنش‌های شیمیایی را بر اساس ایده انتقال واکنش‌دهنده‌ها به حالت برانگیخته (اغلب تحت عمل) ممکن می‌سازد. نور مرئی یا UV). حتی یک زمینه علمی کامل وجود داشت - فتوشیمی. طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR) این امکان را برای شیمیدانان فراهم کرده است تا مراحل جداگانه فرآیندهای شیمیایی پیچیده را مطالعه کنند و مراکز فعال در مولکول‌های آنزیم را شناسایی کنند. این روش همچنین امکان به دست آوردن تصاویر سه بعدی از سلول های دست نخورده و اندام های فردی را فراهم کرد. فتوشیمی.

    نظریه ارزش.

    G. Lewis با استفاده از قوانین تجربی ظرفیت توسعه یافته توسط شیمیدانان آلی، سیستم تناوبی عناصر و مدل سیاره ای رادرفورد از اتم، دریافت که کلید درک پیوند شیمیایی ساختار الکترونیکی ماده است. لوئیس به این نتیجه رسید که یک پیوند کووالانسی در نتیجه اجتماعی شدن الکترون های متعلق به اتم های مختلف تشکیل می شود. در انجام این کار، او از این ایده که الکترون های اتصال بر روی پوسته های الکترونی کاملاً تعریف شده قرار دارند، نتیجه گرفت. نظریه کوانتومی پیش بینی ساختار مولکول ها و ماهیت پیوندهای کووالانسی تشکیل شده در کلی ترین حالت را ممکن می سازد.

    ایده های ما در مورد ساختار ماده که به دلیل موفقیت های فیزیک کوانتومی در ربع اول قرن بیستم شکل گرفت را می توان به صورت زیر خلاصه کرد. ساختار یک اتم با تعادل نیروهای الکتریکی دافعه (بین الکترون ها) و جاذبه (بین الکترون ها و یک هسته با بار مثبت) تعیین می شود. تقریباً تمام جرم یک اتم در هسته متمرکز است و اندازه آن با مقدار فضای اشغال شده توسط الکترون هایی که به دور هسته می چرخند تعیین می شود. مولکول‌ها از هسته‌های نسبتاً پایداری تشکیل شده‌اند که توسط الکترون‌های متحرک سریع در کنار هم قرار می‌گیرند، به طوری که تمام خواص شیمیایی مواد را می‌توان بر حسب برهمکنش الکتریکی ذرات بنیادی تشکیل‌دهنده اتم‌ها و مولکول‌ها توضیح داد. بنابراین، مفاد اصلی مکانیک کوانتومی، در مورد ساختار مولکول‌ها و تشکیل پیوندهای شیمیایی، مبنایی برای توصیف تجربی ساختار الکترونیکی یک ماده، ماهیت پیوند شیمیایی، و واکنش پذیری اتم‌ها و مولکول‌ها ایجاد می‌کند. .

    با ظهور کامپیوترهای پرسرعت، محاسبه (با دقت کم اما کافی) نیروهای وارده بین اتم ها در مولکول های چند اتمی کوچک امکان پذیر شد. تئوری ظرفیت، بر اساس شبیه‌سازی کامپیوتری، در حال حاضر ابزاری کاربردی برای مطالعه ساختارها، ماهیت نیروهای شیمیایی و واکنش‌ها در مواردی است که آزمایش‌ها دشوار یا زمان‌بر هستند. این به مطالعه رادیکال های آزاد موجود در اتمسفر و شعله های آتش یا تشکیل شده به عنوان واسطه واکنش اشاره دارد. این امید وجود دارد که روزی نظریه ای مبتنی بر محاسبات رایانه ای بتواند به این سؤال پاسخ دهد: چگونه ساختارهای شیمیایی پایدارترین حالت خود را در زمانی به ترتیب پیکوثانیه «محاسبه» می کنند، در حالی که تخمین های مربوطه را حداقل در تقریبی به دست می آورند. ، به زمان ماشینی زیادی نیاز دارد.

    سینتیک شیمیایی

    به مطالعه مکانیسم واکنش های شیمیایی و تعیین سرعت آنها می پردازد. در سطح ماکروسکوپی، واکنش را می توان به صورت دگرگونی های متوالی نشان داد، که طی آن سایرین از یک ماده تشکیل می شوند. برای مثال، تبدیل به ظاهر ساده

    H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O

    در واقع شامل چندین مرحله متوالی است:

    H + O 2 → OH + O

    O + H 2 → HO + H

    H + O 2 → HO 2

    HO 2 + H 2 → H 2 O + OH

    و هر یک از آنها با ثابت نرخ خود مشخص می شود ک. S. Arrhenius پیشنهاد کرد که دمای مطلق تیو سرعت واکنش ثابت است کمربوط به نسبت ک = آ exp(- Eقانون)/ RT، جایی که آ- عامل پیش نمایی (به اصطلاح ضریب فرکانس)، Eعمل - انرژی فعال سازی، آرثابت گاز است. برای اندازه گیری کو تیابزارهایی برای ردیابی رویدادهایی که در یک بازه زمانی حدود 10 تا 13 ثانیه رخ می‌دهند، از یک سو، و طی دهه‌ها (و حتی هزاره‌ها)، از سوی دیگر (فرایندهای زمین‌شناسی) مورد نیاز است. همچنین لازم است بتوان غلظت های ناچیز معرف های بسیار ناپایدار را اندازه گیری کرد. وظیفه سینتیک شیمیایی همچنین شامل پیش‌بینی فرآیندهای شیمیایی در سیستم‌های پیچیده است (ما در مورد فرآیندهای بیولوژیکی، زمین‌شناسی، جوی، احتراق و سنتز شیمیایی صحبت می‌کنیم).

    برای مطالعه واکنش های فاز گاز "به شکل خالص" از روش پرتوهای مولکولی استفاده می شود. در این حالت، مولکول‌هایی با حالت‌های کوانتومی کاملاً مشخص، با تشکیل محصولاتی که در حالت‌های کوانتومی خاصی نیز هستند، واکنش نشان می‌دهند. چنین آزمایش‌هایی اطلاعاتی را در مورد نیروهایی که باعث بروز واکنش‌های خاصی می‌شوند، ارائه می‌کنند. به عنوان مثال، در یک تنظیم پرتو مولکولی، حتی مولکول های کوچکی مانند CH 3 I را می توان به روشی مشخص جهت گیری کرد و نرخ برخورد در دو واکنش "مختلف" را می توان اندازه گیری کرد:

    K + ICH 3 → KI + CH 3

    K + CH 3 I → KI + CH 3

    که در آن گروه CH 3 با توجه به نزدیک شدن اتم پتاسیم جهت گیری متفاوتی دارد.

    یکی از مسائلی که شیمی فیزیک (و همچنین فیزیک شیمیایی) با آن سروکار دارد، محاسبه ثابت های سرعت واکنش است. در اینجا، نظریه حالت گذار توسعه یافته در دهه 1930، که از پارامترهای ترمودینامیکی و ساختاری استفاده می کند، به طور گسترده استفاده می شود. این تئوری، همراه با روش‌های فیزیک کلاسیک و مکانیک کوانتومی، امکان شبیه‌سازی سیر یک واکنش را به گونه‌ای فراهم می‌کند که گویی در شرایط آزمایش با پرتوهای مولکولی رخ می‌دهد. آزمایش‌هایی بر روی تحریک لیزری پیوندهای شیمیایی خاص انجام می‌شود که آزمایش درستی نظریه‌های آماری تخریب مولکول‌ها را ممکن می‌سازد. نظریه هایی در حال توسعه هستند که مفاهیم فیزیکی و ریاضی مدرن فرآیندهای آشفته (مثلاً آشفتگی) را تعمیم می دهند. ما تا درک کامل ماهیت برهمکنش‌های درون و بین مولکولی، آشکارسازی مکانیسم واکنش‌هایی که روی سطوحی با ویژگی‌های دلخواه رخ می‌دهند، و ایجاد ساختار مراکز کاتالیزوری آنزیم‌ها و مجتمع‌های فلزات واسطه، چندان دور نیستیم. در سطح میکروسکوپی، می توان کارهایی را در مورد سینتیک تشکیل چنین ساختارهای پیچیده ای مانند دانه های برف یا دندریت ها (کریستال هایی با ساختار درختی) ذکر کرد که باعث توسعه شبیه سازی های رایانه ای بر اساس مدل های ساده تئوری دینامیک غیر خطی شد. این چشم انداز را برای ایجاد رویکردهای جدید برای توصیف ساختار و توسعه سیستم های پیچیده باز می کند.

    ویرایش سوم، برگردان - م.: مدرسه عالی، 2001 - 512 ص، 319 ص.

    کتاب درسی مطابق با برنامه شیمی فیزیک تدوین شده است.

    کتاب اول به شرح بخش‌های زیر از درس می‌پردازد: مبانی مکانیک کوانتومی نظریه پیوندهای شیمیایی، ساختار اتم‌ها و مولکول‌ها، روش‌های طیفی برای مطالعه ساختار مولکولی، ترمودینامیک پدیدارشناسی و آماری، ترمودینامیک محلول‌ها و تعادل فاز.

    در بخش دوم از بخش درس شیمی فیزیک، الکتروشیمی، سینتیک شیمیایی و کاتالیز بر اساس مفاهیم توسعه یافته در بخش اول کتاب - ساختار ماده و ترمودینامیک آماری ارائه شده است. بخش "کاتالیز" منعکس کننده سینتیک فرآیندهای ناهمگن و انتشار، ترمودینامیک جذب و سوالات واکنش پذیری است.

    برای دانشجویانی که در رشته های مهندسی شیمی ثبت نام کرده اند.

    کتاب 1.

    قالب: djvu

    اندازه: 11.2 مگابایت

    دانلود: drive.google

    کتاب 2.

    قالب: djvu

    اندازه: 7 مگابایت

    دانلود: drive.google

    فهرست مطالب کتاب 1.
    پیشگفتار. 3
    مقدمه 6
    بخش یک. اثبات مکانیکی کوانتومی نظریه ساختار مولکولی و پیوند شیمیایی
    فصل 1. ساختار اتم 9
    § 1.1. ویژگی های مکانیکی کوانتومی ریزذرات 9
    § 1.2. اتم هیدروژن 11
    § 1.3. اوربیتال های اتمی یک اتم هیدروژن مانند 14
    § 1.4. اسپین الکترون 21
    § 1.5. اتم های چند الکترونی 23
    § 1.6. اصل پائولی 26
    § 1.7. پیکربندی های الکترونیکی اتم ها 28
    فصل 2. مولکول ها. روشهای نظری مورد استفاده در مطالعه ساختار مولکولها و پیوندهای شیمیایی 34
    § 2.1. مولکول. سطح بالقوه پیکربندی تعادل 34
    § 2.2. نظریه پیوند شیمیایی و مسائل آن. معادله شرودینگر برای مولکول 39
    § 2.3. روش متغیر برای حل معادله شرودینگر 42
    § 2.4. دو روش اصلی تئوری ساختار مولکول ها. روش پیوند ظرفیت و روش اوربیتال مولکولی 44
    § 2.5. ایده های اساسی روش اوربیتال مولکولی 49
    § 2.6. شرح تقریبی اوربیتال مولکولی در روش MO LCAO 50
    § 2.7. مولکول II در روش MO LCAO. محاسبه انرژی و تابع موج به روش متغیر 53
    § 2.8. مولکول H در روش MO LCAO. پیوند کووالانسی 58
    فصل 3. مولکول های دو اتمی در روش MO LCAO 62
    § 3.1. اوربیتال‌های مولکولی مولکول‌های دو اتمی هم‌هسته‌ای ۶۲
    § 3.2. پیکربندی الکترونیکی و خواص مولکول های هم هسته تشکیل شده توسط اتم های عناصر دوره اول و دوم 65
    § 3.3. مولکولهای دو اتمی ناهم هسته 73
    § 3.4. اتصال قطبی گشتاور دوقطبی الکتریکی یک مولکول 78
    § 3.5. اشباع پیوند کووالانسی 81
    § 3.6. پیوند اهداکننده و پذیرنده 82
    § 3.7. پیوند یونی. درجه قطبیت پیوند شیمیایی 84
    فصل 4. مولکول های چند اتمی در روش MO 88
    § 4.1. اوربیتال های مولکولی در مولکول های چند اتمی تقارن مداری اوربیتال های غیرمحلی و موضعی. مولکول HgO 88
    § 4.2. شرح مولکول متان MOهای غیرمحلی و موضعی. هیبریداسیون اوربیتال ها 95
    § 4.3. در مورد پیش‌بینی پیکربندی‌های تعادلی مولکول‌ها 99
    § 4.4. مولکول های غیر سخت 101
    § 4.5. مولکول های با پیوندهای متعدد در روش MO LCAO 104
    § 4.6. روش هاکل 108
    § 4.7. شرح سیستم های آروماتیک در روش MOX 110
    § 4.8. پیوند شیمیایی در ترکیبات هماهنگ. نظریه میدان لیگاند 117
    § 4.9. پیوند یونی در کریستال 126
    فصل 5. برهمکنش بین مولکولی 129
    § 5.1. نیروهای ون دروالس انواع دیگر تعاملات غیر اختصاصی 129
    § 5.2. پیوند هیدروژنی 136
    بخش دو. روش های طیفی برای مطالعه ساختار و حالت های انرژی مولکول ها
    فصل 6. اطلاعات کلی در مورد طیف های مولکولی. عناصر نظریه طیف مولکولی 141
    § 6.1. حرکت درون مولکولی و طیف الکترومغناطیسی. 141
    § 6.2. طیف مولکولی گسیل، جذب و پراکندگی رامان. طیف EPR و NMR 145
    § 6.3. طیف چرخشی یک مولکول دو اتمی (تقریبا چرخاننده صلب) 150
    § 6.4. طیف ارتعاشی - چرخشی یک مولکول دو اتمی نوسان ساز هارمونیک تقریبی 156
    § 6.5. این مولکول یک نوسان ساز ناهارمونیک است. ساختار طیف ارتعاشی 162
    § 6.6. طیف های الکترونیکی تعیین انرژی تفکیک مولکولهای دو اتمی 169
    § 6.7. طیف های چرخشی و مولکول های چند اتمی سخت .... 171
    § 6.8. ارتعاشات، طیف و ساختار مولکول های چند اتمی 175
    § 6.9. استفاده از طیف های ارتعاشی برای تعیین ساختار مولکول ها 180
    § 6.10. تأثیر برهمکنش بین مولکولی محیط و حالت تجمع بر روی طیف ارتعاشی 183
    بخش سه. ترمودینامیک شیمیایی
    فصل 7. مفاهیم کلی. قانون اول ترمودینامیک و کاربرد آن 186
    § 7.1. موضوع و وظایف ترمودینامیک شیمیایی 186
    § 7.2. مفاهیم و تعاریف اساسی ترمودینامیک شیمیایی 188
    § 7.3. قانون اول ترمودینامیک فرآیندهای غیر دایره ای 199
    § 7.4. ظرفیت حرارتی 202
    § 7.5. تاثیر دما بر ظرفیت گرمایی سری دما.. 208
    § 7.6. نظریه کوانتومی ظرفیت گرمایی ماده کریستالی 211
    § 7.7. نظریه کوانتومی آماری ظرفیت گرمایی یک ماده گازی 215
    § 7.8. اثرات حرارتی قانون هس 217
    § 7.9. کاربرد قانون هس در محاسبه اثرات حرارتی 220
    § 7.10. وابستگی اثر حرارتی به دما. معادله کیرشهوف 227
    فصل 8. قانون دوم ترمودینامیک و کاربرد آن 235
    § 8.1. فرآیندهای خود به خود و غیر خود به خود. قانون دوم ترمودینامیک 235
    § 8.2. آنتروپی 236
    § 8.3. تغییر آنتروپی در فرآیندهای غیر استاتیک 239
    § 8.4. تغییر آنتروپی به عنوان معیار جهت و تعادل در یک سیستم 240 ایزوله
    § 8.5. توابع مشخصه پتانسیل ترمودینامیکی 241
    § 8.6. معیارهای امکان یک فرآیند و تعادل خود به خود در سیستم های بسته 249
    § 8.7. تغییر آنتروپی در برخی فرآیندها 251
    § 8.8. انرژی گیبس مخلوطی از گازهای ایده آل. پتانسیل شیمیایی 261
    § 8.9. شرایط عمومی تعادل شیمیایی 265
    § 8.10. قانون توده های فعال ثابت تعادل برای واکنش های فاز گاز 266
    § 8.11. معادله ایزوترم واکنش 271
    § 8.12. استفاده از قانون عمل جرم برای محاسبه ترکیب یک مخلوط تعادلی 273
    § 8.13. تأثیر دما بر تعادل شیمیایی. معادله ایزوبار واکنش 282
    § 8.14. شکل یکپارچه وابستگی انرژی گیبس و ثابت تعادل به دمای 284
    § 8.15. تعادل شیمیایی در سیستم های ناهمگن 286
    فصل 9. قانون سوم ترمودینامیک و محاسبه تعادل شیمیایی 289
    § 9.1. قضیه نرنست حرارتی. قانون سوم ترمودینامیک 289
    § 9.2. محاسبه تغییر انرژی گیبس استاندارد و ثابت تعادل به روش تمکین - شوارتزمن 294
    § 9.3. محاسبه تغییر انرژی گیبس استاندارد و ثابت تعادل با استفاده از توابع انرژی گیبس کاهش یافته 297
    § 9.4. واکنش های آدیاباتیک 299
    فصل 10. تعادل شیمیایی در سیستم های واقعی 303
    § 10.1. فوگاسیته و ضریب فوگاسیته گازها 303
    § 10.2. محاسبه تعادل شیمیایی در یک سیستم گاز واقعی در فشارهای بالا 312
    § 10.3. محاسبه تعادل شیمیایی در سیستم هایی که در آن چندین واکنش به طور همزمان رخ می دهد 314
    فصل 11. مقدمه ای بر ترمودینامیک آماری 320
    § 11.1. فیزیک آماری و ترمودینامیک آماری. توصیف ماکروسکوپی و میکروسکوپی وضعیت سیستم 320
    § 11.2. توصیف میکروسکوپی حالت به روش مکانیک کلاسیک 323
    § 11.3. توصیف میکروسکوپی حالت با روش مکانیک کوانتومی. آمار کوانتومی 324
    § 11.4. دو نوع میانگین (میانگین های خرد و متعارف) 325
    § 11.5. رابطه بین آنتروپی و وزن آماری. ماهیت آماری قانون دوم ترمودینامیک 326
    § 11.6. سیستم ترموستات. توزیع متعارف گیبس. 330
    § 11.7. مجموع حالت های سیستم و ارتباط آن با انرژی. هلمهولتز 335
    § 11.8. مجموع حالت های ذره ای 337
    § 11.9. بیان توابع ترمودینامیکی بر حسب مجموع حالتهای سیستم 340
    § 11.10. مجموع حالت های یک سیستم نوسان ساز هارمونیک یک بعدی. خواص ترمودینامیکی یک جامد تک اتمی بر اساس نظریه اینشتین 343
    § 11.11. آمار کوانتومی بولتزمن قانون توزیع سرعت مولکولی ماکسول 346
    § 11.12. فرمی - دیراک و بوز - آمار انیشتین 352
    § 11.13. فرمول های کلی برای محاسبه توابع ترمودینامیکی از داده های مولکولی 353
    § 11.14 محاسبه توابع ترمودینامیکی یک گاز ایده آل با فرض چرخش صلب و ارتعاشات هارمونیک مولکول ها 357
    بخش چهار. راه حل ها
    فصل 12. مشخصات کلی محلول ها 365
    § 12.1. طبقه بندی خمپاره ها 365
    § 12.2. غلظت محلول ها 367
    5 12.3. ویژگی راه حل ها نقش برهمکنش های بین مولکولی و شیمیایی، مفهوم حلالیت 368
    § 12.4. جهات اصلی در توسعه تئوری راه حل ها 372
    § 12.5. شرایط ترمودینامیکی برای تشکیل محلول ها 374
    § 12.6. مقادیر مولی جزئی 375
    § 12.7. روشهای اساسی برای تعیین مقادیر مولی جزئی 379
    § 12.8. آنتالپی مولر جزئی و نسبی 381
    § 12.9. گرمای انحلال و رقت 382
    § 12.10. خواص ترمودینامیکی محلول های مایع ایده آل 386
    § 12.11.3 قانون رائول 390
    § 12.12. نقطه جوش محلول ایده آل 392
    § 12.13. نقطه انجماد یک محلول ایده آل 395
    § 12.14.0 فشار اسموزیک محلول ایده آل 397
    § 12.15 راه حل های غیر ایده آل 400
    § 12.16. محلول های بسیار رقیق، معمولی و گرما 402
    § 12.17. فعالیت. ضریب فعالیت. حالت استاندارد 404
    § 12.18.0 ضریب اسموتیک 407
    § 12.19. روش های تعیین فعالیت ها 409
    § 12.20 رابطه فعالیت و ضریب فعالیت با خواص ترمودینامیکی محلول و توابع ترمودینامیکی اضافی 412
    بخش پنجم. تعادل فاز
    فصل 13. نظریه ترمودینامیکی تعادل فاز 415
    § 13.1. مفاهیم اولیه 415
    § 13.2. شرایط تعادل فاز 418
    § 13.3. قانون فاز گیبس 419
    فصل 14 سیستم های تک جزء 421
    § 14.1. کاربرد قانون فاز گیبس در سیستم های تک جزئی 421
    § 14.2. انتقال فاز از نوع اول و دوم 422
    § 14.3. معادله کلاپیرون - کلازیوس 425
    § 14.4. فشار بخار اشباع 423
    § 14.5. نمودار حالت سیستم های تک جزئی 429
    § 14.6. نمودار حالت دی اکسید کربن 431
    § 14.7. نمودار وضعیت آب 432
    § 14.8. نمودار حالت گوگرد 433
    § 14.9. انتقال فاز انانتیوتروپ و مونوتروپ 435
    فصل 15. سیستم های دو جزئی 436
    § 15.1. روش آنالیز فیزیکی و شیمیایی 436
    § 15.2. کاربرد قانون فاز گیبس در سیستم های دو جزئی 437
    § 15.3. محلول گاز تعادلی - مایع در سیستم های دو جزئی 438
    § 15.4. مایع تعادلی - مایع در سیستم های دو جزئی 442
    § 15.5. بخار تعادل - محلول مایع در سیستم های دو جزئی 444
    § 15.6. پایه های فیزیکی و شیمیایی تقطیر محلول 453
    § 15.7. کریستال های تعادل - محلول مایع در سیستم های دو جزئی 457
    § 15.8. مایع تعادلی - گاز و کریستال - گاز (بخار) در سیستمهای دو جزئی 476
    § 15-9. محاسبات نمودار حالت 476
    فصل 16. سیستم های سه جزئی 482
    § 16.1. کاربرد قانون فاز گیبس در سیستم های سه جزئی 482
    § 16.2. نمایش گرافیکی ترکیب یک سیستم سه جزئی 482
    § 16.3. کریستال های تعادل - محلول مایع در سیستم های سه جزئی 484
    § 16.4. مایع تعادلی - مایع در سیستم های سه جزئی 489
    § 16.5. توزیع یک املاح بین دو فاز مایع استخراج 491
    پیوست 495
    شاخص 497

    فهرست مطالب کتاب 2.
    پیشگفتار 3
    بخش ششم. الکتروشیمی
    فصل 17. محلول ها، الکترولیت ها 4
    § 17.1. درس الکتروشیمی 4
    § 17.2. ویژگی محلول های الکترولیت 5
    § 17.3. تفکیک الکترولیتی در محلول 6
    § 17.4. میانگین فعالیت یونی و فاکتور فعالیت 10
    § 17.5. مفاهیم اساسی تئوری الکترواستاتیک الکترولیت های قوی Debye و Hückel 13
    § 17.6. مفاهیم اساسی نظریه تداعی یونی 22
    § 17.7. خواص ترمودینامیکی یونها 24
    § 17.8. ترمودینامیک حلالیت یونی 28
    فصل 18. پدیده های غیر تعادلی در الکترولیت ها. هدایت الکتریکی الکترولیت ها 30
    § 18.1. مفاهیم اساسی. قوانین فارادی 30
    § 18.2. حرکت یون ها در میدان الکتریکی شماره های انتقال یون 32
    § 18.3. هدایت الکتریکی الکترولیت ها رسانایی الکتریکی 37
    § 18.4. هدایت الکتریکی الکترولیت ها رسانایی الکتریکی مولی 39
    § 18.5. هدایت الکتریکی مولی یون های هیدرونیوم و هیدروکسید 43
    § 18.6. هدایت الکتریکی محلول های غیر آبی 44
    § 18.7. هدایت الکتریکی الکترولیت های جامد و مذاب 46
    § 18.8. هدایت سنجی 47
    فصل 19. فرآیندهای الکترود تعادلی 49
    § 19.1. مفاهیم اساسی 49
    § 19.2. EMF یک سیستم الکتروشیمیایی پتانسیل الکترود 51
    § 19.3. وقوع یک پرش بالقوه در رابط محلول و فلز 53
    § 19.4. پتانسیل انتشار 55
    § 19.5. ساختار لایه دوگانه الکتریکی در رابط محلول و فلز 56
    § 19.6. ترمودینامیک سیستم های الکتروشیمیایی برگشت پذیر 60
    § 19.7. طبقه بندی الکترودهای برگشت پذیر 64
    § 19.8. پتانسیل های الکترود در محلول های غیر آبی 74
    § 19.9. مدارهای الکتروشیمیایی 75
    § 19.10. کاربرد تئوری سیستم های الکتروشیمیایی در مطالعه تعادل در محلول ها 82
    § 19.11. پتانسیومتری 85
    بخش هفتم. سینتیک واکنش های شیمیایی
    فصل 20. قوانین سینتیک شیمیایی 93
    § 20.1. مفاهیم و تعاریف کلی 93
    § 20.2. سرعت واکنش شیمیایی 95
    § 20.3. قانون کنش توده ای و اصل استقلال واکنش ها 101
    فصل 21. سینتیک واکنش های شیمیایی در سیستم های بسته. 105
    § 21.1. واکنش های مرتبه اول یکطرفه 105
    § 21.2. واکنش های مرتبه دوم یکطرفه 109
    § 21.3. واکنش های یک طرفه از مرتبه n 111
    § 21.4. روشهای تعیین ترتیب واکنش 112
    § 21.5. واکنش های دوطرفه مرتبه اول 113
    § 21.6. واکنش های دوطرفه مرتبه دوم 116
    § 21.T. واکنش های یک طرفه موازی 117
    § 21.8. واکنش های متوالی یک طرفه 119
    § 21.9. روش غلظت های شبه ایستا 125
    فصل 22. سینتیک واکنش ها در سیستم های باز 127
    § 22.1. سینتیک واکنش در یک راکتور کاملاً مخلوط 127
    § 22.2. سینتیک واکنش در راکتور جریان پلاگین 129
    فصل 23. نظریه عمل اولیه برهمکنش شیمیایی 133
    § 23.1. قانون اولیه شیمیایی 133
    § 23.2. نظریه برخوردهای فعال 137
    § 23.3. نظریه مجتمع فعال 141
    § 23.4. عامل پیشنمایی در معادله آرنیوس بر اساس نظریه حالت گذار 154
    § 23.5. تقارن MO و انرژی فعال سازی واکنش های شیمیایی 159
    فصل 24. سینتیک واکنش ها در محلول ها، واکنش های زنجیره ای و فتوشیمیایی 166
    § 24.1. ویژگی های سینتیک واکنش ها در محلول ها 166
    § 24.2. تأثیر محیط بر ثابت سرعت واکنش 170
    § 24.3. سینتیک واکنش های یونی در محلول ها 178
    § 24.4. واکنش های زنجیره ای 181
    § 24.5. واکنش های فتوشیمیایی 189
    فصل 25. سینتیک فرآیندهای الکترود 196
    § 25.1. سرعت یک واکنش الکتروشیمیایی جریان مبادله 196
    § 25.2. پلاریزاسیون الکترود 197
    § 25.3. اضافه ولتاژ انتشار 199
    § 25.4. اضافه ولتاژ الکتروشیمیایی 205
    § 25.5. انواع دیگر اضافه ولتاژ 210
    5 25.6. روش دما- جنبشی برای تعیین ماهیت پلاریزاسیون در فرآیندهای الکتروشیمیایی 211
    § 25.7. اضافه ولتاژ در طول تکامل هیدروژن الکترولیتی 213
    § 25.8. الکترولیز. ولتاژ تجزیه 217
    § 25.9. پدیده پلاریزاسیون در منابع شیمیایی جریان الکتریکی 220
    § 25.10. خوردگی الکتروشیمیایی فلزات. انفعال فلزات روش های حفاظت در برابر خوردگی 222
    بخش هشتم. کاتالیزور
    فصل 26. اصول عمل کاتالیزوری 228
    § 26.1. مفاهیم و تعاریف اساسی 228
    § 26.2. ویژگی های سینتیک واکنش های کاتالیزوری 232
    § 26.3. انرژی فعال سازی واکنش های کاتالیزوری 237
    § 26.4. برهمکنش معرف ها با کاتالیزور و اصول عمل کاتالیزوری 241
    فصل 27. کاتالیز همگن 245
    § 27.1. کاتالیز اسید-باز 246
    § 27.2. کاتالیز ردوکس 255
    § 27.3. کاتالیز آنزیمی 260
    § 27.4. اتوکاتالیز، مهار و واکنش های کاتالیزوری دوره ای 266
    § 27.5. کاربرد در صنعت و چشم انداز توسعه کاتالیزور همگن 271
    فصل 28. کاتالیز ناهمگن. 273
    § 28.1. ساختار سطحی کاتالیزورهای ناهمگن 273
    § 28.2. جذب به عنوان مرحله ای از واکنش های کاتالیزوری ناهمگن 277
    § 28.3. مکانیسم واکنش های کاتالیزوری ناهمگن 282
    § 28.4. سینتیک واکنش‌های کاتالیزوری ناهمگن در سطحی به همان اندازه در دسترس 285
    § 28.5. ماکروسینتیک فرآیندهای کاتالیزوری ناهمگن 292
    § 28.6. کاربرد کاتالیزور ناهمگن در صنعت 300
    ادبیات 303
    پیوست 305
    شاخص 312
    مطالب 316

    طبقه بندی علوم بر اساس طبقه بندی اشکال حرکت ماده و ارتباط متقابل و تفاوت آنها است. بنابراین، برای ترسیم مرزهای شیمی فیزیک با تعدادی از شاخه های فیزیک و شیمی، باید ارتباط و تفاوت بین اشکال شیمیایی و فیزیکی حرکت را در نظر گرفت.

    برای شکل شیمیایی حرکت، یعنی برای یک فرآیند شیمیایی، تغییر در تعداد و آرایش اتم ها در مولکول مواد واکنش دهنده مشخص است. در میان بسیاری اشکال فیزیکی حرکت (میدان الکترومغناطیسی، حرکت و تبدیل ذرات بنیادی، فیزیک هسته اتم و غیره) ارتباط نزدیکی با فرآیندهای شیمیایی دارد. شکل حرکت درون مولکولی (ارتعاشات در یک مولکول، تحریک الکترونیکی و یونیزاسیون آن). ساده ترین فرآیند شیمیایی - یک عمل ابتدایی تفکیک حرارتی یک مولکول با افزایش شدت (دامنه و انرژی) ارتعاشات در یک مولکول، به ویژه ارتعاشات هسته ها در امتداد پیوند ظرفیت بین آنها انجام می شود. دستیابی به یک مقدار بحرانی شناخته شده انرژی ارتعاشات در جهت یک پیوند خاص در مولکول منجر به شکسته شدن این پیوند و تجزیه مولکول به دو قسمت می شود.

    واکنش‌های پیچیده‌تر که شامل چندین مولکول (معمولاً دو) می‌شود را می‌توان ترکیبی از دو مولکول در هنگام برخورد آنها به یک کمپلکس ناپایدار و کوتاه‌مدت (به اصطلاح کمپلکس فعال) و تخریب سریع این کمپلکس به مولکول‌های جدید در نظر گرفت. این مجموعه در هنگام ارتعاشات داخلی از طریق اتصالات خاص ناپایدار است.

    بنابراین، یک عمل شیمیایی ابتدایی یک نقطه حساس و ویژه از حرکت نوسانی مولکول ها است. دومی به خودی خود نمی تواند یک حرکت شیمیایی در نظر گرفته شود، اما اساس فرآیندهای شیمیایی اولیه است.

    برای تبدیل شیمیایی توده های قابل توجهی از مواد، یعنی بسیاری از مولکول ها، برخورد مولکول ها و تبادل انرژی بین آنها (انتقال انرژی حرکت مولکول های محصولات واکنش به مولکول های مواد اولیه به وسیله برخورد) ضروری است. بنابراین، فرآیند شیمیایی واقعی ارتباط نزدیکی با دوم دارد شکل فیزیکی حرکت - حرکت آشفته مولکول های اجسام ماکروسکوپی که اغلب به آن حرکت حرارتی می گویند.

    روابط متقابل شكل شيميايي حركت با دو شكل فيزيكي حركت در بالا به اختصار و با كلي ترين عبارات بيان شده است. بدیهی است که همان ارتباطات فرآیند شیمیایی با تابش حرکت یک میدان الکترومغناطیسی، با یونیزاسیون اتم ها و مولکول ها (الکتروشیمی) و غیره وجود دارد.

    ساختار ماده . این بخش شامل ساختار اتم ها، ساختار مولکول ها و دکترین حالت های تجمع است.

    دکترین ساختار اتم ها بیشتر به فیزیک مربوط می شود تا شیمی فیزیک. این دکترین اساس مطالعه ساختار مولکول ها است.

    در بررسی ساختار مولکول ها، هندسه مولکول ها، حرکات درون مولکولی و نیروهایی که اتم ها را در یک مولکول به هم متصل می کنند، بررسی می شود. در مطالعات تجربی ساختار مولکول ها، روش طیف سنجی مولکولی (از جمله طیف سنجی رادیویی) بیشترین استفاده را داشته است؛ روش های الکتریکی، اشعه ایکس، مغناطیسی و غیره نیز به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند.

    در تئوری حالات انباشته، برهمکنش مولکول ها در گازها، مایعات و کریستال ها و همچنین خواص مواد در حالت های مختلف تجمع در نظر گرفته می شود. این شاخه از علم که برای شیمی فیزیک بسیار مهم است را می توان بخشی از فیزیک (فیزیک مولکولی) دانست.

    کل بخش مربوط به ساختار ماده را نیز می توان بخشی از فیزیک در نظر گرفت.

    ترمودینامیک شیمیایی . در این بخش، بر اساس قوانین ترمودینامیک عمومی، قوانین تعادل شیمیایی و آموزه تعادل فازها که معمولاً قاعده فازها نامیده می شود، توضیح داده می شود. بخشی از ترمودینامیک شیمیایی است ترموشیمی،که در آن اثرات حرارتی واکنش های شیمیایی در نظر گرفته می شود.

    هدف دکترین محلول ها توضیح و پیش بینی خواص محلول ها (مخلوط های همگن چند ماده) بر اساس خواص مواد تشکیل دهنده محلول است.

    حل این مشکل مستلزم ساخت یک نظریه کلی از برهمکنش مولکول های ناهمگن است، یعنی حل مسئله اصلی، فیزیک مولکولی. برای توسعه یک نظریه عمومی و تعمیم های خاص، ساختار مولکولی محلول ها و خواص مختلف آنها بسته به ترکیب مورد مطالعه قرار می گیرد.

    دکترین پدیده های سطحی . خواص مختلف لایه های سطحی جامدات و مایعات (واسط بین فازها) مورد مطالعه قرار می گیرد. یکی از پدیده های اصلی مورد مطالعه در لایه های سطحی است جذب(تجمع مواد در لایه سطحی).

    در سیستم‌هایی که سطح مشترک بین فازهای مایع، جامد و گاز بسیار توسعه یافته است (محلول‌های کلوئیدی، امولسیون‌ها، مه‌ها، دودها)، خواص لایه‌های سطحی اهمیت اولیه پیدا می‌کنند و بسیاری از خواص منحصربه‌فرد کل سیستم را به عنوان یک کل تعیین می‌کنند. چنین ریزهتروژنسیستم ها در حال مطالعه هستند شیمی کلوئید،که یک بخش مستقل اصلی شیمی فیزیک و یک رشته دانشگاهی مستقل در موسسات آموزش عالی شیمی است.

    الکتروشیمی. برهمکنش پدیده های الکتریکی و واکنش های شیمیایی (الکترولیز، منابع شیمیایی جریان الکتریکی، تئوری الکتروسنتز) مورد مطالعه قرار می گیرد. الکتروشیمی معمولاً شامل مطالعه خواص محلول های الکترولیت است که با حق مساوی می توان آن را به مطالعه محلول ها نسبت داد.

    سینتیک شیمیایی و کاتالیز . ما سرعت واکنش‌های شیمیایی، وابستگی سرعت واکنش به شرایط خارجی (فشار، دما، تخلیه الکتریکی و غیره)، رابطه سرعت واکنش با ساختار و حالت‌های انرژی مولکول‌ها، تأثیر بر سرعت واکنش را مطالعه می‌کنیم. از موادی که در معادله واکنش استوکیومتری دخیل نیستند (کاتالیزور).

    فتوشیمی. برهمکنش تابش و مواد دخیل در دگرگونی های شیمیایی (واکنش هایی که تحت تأثیر تابش رخ می دهند، به عنوان مثال، فرآیندهای عکاسی و فتوسنتز، لومینسانس) مورد مطالعه قرار می گیرد. فتوشیمی ارتباط نزدیکی با سینتیک شیمیایی و مطالعه ساختار مولکول ها دارد.

    فهرست بالا از بخش‌های اصلی شیمی فیزیک، برخی از حوزه‌های اخیر و بخش‌های کوچک‌تر این علم را که می‌توان آن‌ها را بخش‌هایی از بخش‌های بزرگ‌تر یا بخش‌های مستقل شیمی فیزیک در نظر گرفت، پوشش نمی‌دهد. به عنوان مثال، شیمی پرتو، فیزیکوشیمی مواد درشت مولکولی، مغناطیس شیمی، الکتروشیمی گاز و دیگر شاخه‌های شیمی فیزیک. برخی از آنها اکنون به سرعت در حال افزایش اهمیت هستند.

    روشهای تحقیق فیزیکی و شیمیایی

    روش های اساسی شیمی فیزیک طبیعتاً روش های فیزیک و شیمی هستند. این - اول از همه، یک روش تجربی - مطالعه وابستگی خواص مواد به شرایط خارجی و مطالعه تجربی قوانین جریان واکنش های شیمیایی در زمان و قوانین تعادل شیمیایی است.

    درک نظری مواد آزمایشی و ایجاد یک سیستم منسجم از دانش خواص مواد و قوانین واکنش های شیمیایی بر اساس روش های فیزیک نظری زیر است.

    روش مکانیک کوانتومی (به ویژه، روش مکانیک موج)، که زیربنای مطالعه ساختار و خواص تک تک اتم ها و مولکول ها و برهم کنش آنها با یکدیگر است. حقایق مربوط به خواص مولکول های منفرد عمدتاً با کمک روش های نوری تجربی به دست می آیند.

    روش فیزیک آماری ، که امکان محاسبه خواص یک ماده را فراهم می کند. متشکل از بسیاری از مولکول ها (خواص "ماکروسکوپی")، بر اساس دانش از خواص مولکول های منفرد.

    روش ترمودینامیکی ، که به شخص اجازه می دهد تا به طور کمی ویژگی های مختلف یک ماده (خواص "ماکروسکوپی") را به هم مرتبط کند و برخی از این ویژگی ها را بر اساس مقادیر تجربی سایر خواص محاسبه کند.

    تحقیقات فیزیکوشیمیایی مدرن در هر زمینه خاص با استفاده از انواع روش های تجربی و نظری برای مطالعه خواص مختلف مواد و روشن کردن رابطه آنها با ساختار مولکول ها مشخص می شود. کل مجموعه داده ها و روش های نظری فوق برای دستیابی به هدف اصلی استفاده می شود - تعیین وابستگی جهت، سرعت و محدودیت های تبدیل های شیمیایی به شرایط خارجی و ساختار مولکول های شرکت کننده در واکنش های شیمیایی.

    شما همچنین ممکن است دوست داشته باشید ...
    اشیاء میراث فرهنگی: مرور کلی، ثبت، قوانین

    اشیاء میراث فرهنگی: مرور کلی، ثبت، قوانین

    نقشه نروژ به زبان روسی

    نقشه نروژ به زبان روسی

    داستان های خانگی عامیانه روسی

    داستان های خانگی عامیانه روسی