1. Фізична хімія: ціль, завдання, методи дослідження. Основні поняття фізичної хімії.
Фіз. хімія - наука про закономірності хім.процесів та хім. явищ.
Предмет фіз.хімії пояснення хім. явищ з урахуванням більш загальних законів фізики. Фіз.хімія розглядає дві основні групи питань:
1. Вивчення будови та властивостей речовини та складових її частинок;
2. Вивчення процесів взаємодії речовин.
Фіз.хімія ставить за мету вивчення зв'язків між хімічними і фізичними явищами. Знання таких зв'язків необхідно для того, щоб глибше вивчити хімічні реакції, що протікають у природі і використовуються в технолог. процесах, керувати глибиною та напрямом реакції. Основною метою дисципліни Фіз. хімія вивчення загальних зв'язків та закономірностей хім. процесів, що ґрунтуються на фундаментальних принципах фізики. Фіз.хімія застосовує фіз. теорії та методи до хімічних явищ.
Вона пояснює ЧОМУ і ЯК відбуваються перетворення речовин: хім. реакції та фазові переходи. ЧОМУ – хімічна термодинаміка. ЯК-хімічна кінетика.
Основні поняття фіз.хімії
Основний об'єкт хім. термодинаміки - це термодинамічна система. Термодинамічні. система - будь-яке тіло або сукупність тіл, здатних обмінюватися між собою та з ін. тілами енергією та в-вом. Системи поділяють на відкриті, закриті та ізольовані. Відкритий а я - термодинамічна система обмінюється із зовнішнім середовищем і в-вом та енергією. Закритий а я -система, у якій відсутня обмін в-вом з довкіллям, але може обмінюватися з нею енергією. Ізольована а я -система обсяг залишається постійним і позбавлена можливості обмінюватися з навколишнім середовищем та енергією та в-вом.
Система може бути гомогенної (однорідної) або гетерогенної (неоднорідної) ). Фаза - це частина системи, яка у відсутності зовнішнього поля сил має однаковий склад у всіх своїх точках і однакові термодинамічні. св-вами і відокремлена з інших частин системи поверхнею розділу. Фаза завжди однорідна, тобто. гомогена, тому однофазна система називається гомогенною. Система, що з неск-ких фаз, називається гетерогенної.
Властивості системи поділити на дві групи: екстенсивні та інтенсивні.
У термодинаміці використовуються поняття рівноважних та оборотних процесів. Рівноважним - Це процес, що проходить через безперервний ряд станів рівноваги. Зворотний термодинамічний процес – це процес, який може бути проведений у зворотному напрямку без того, щоб у системі та навколишньому середовищі залишилися будь-які зміни.
2. Перший закон термодинаміки. Внутрішня енергія, тепло, робота.
Перший початок термодинамікибезпосередньо з законом збереження енергії. Виходячи з цього закону, випливає, що у будь-якій ізольованій системі запас енергії залишається постійним. Із законоохорони енергії випливає ще одне формулювання першого початку термодинаміки – неможливість створення вічного двигуна (perpetuum mobile) першого роду, який робив би роботу, не витрачаючи на це енергії. Особливо важливим для хімічної термодинаміки формулюванням
першого початку вираз його через поняття внутрішньої енергії: внутрішня енергія є функцією стану, тобто. її зміна залежить від шляху процесу, а залежить тільки від початкового та кінцевого стану системи. Зміна внутрішньої енергії системи Uможе відбуватися за рахунок обміну теплотою Qта роботою Wз довкіллям. Тоді із закону збереження енергії слід, що отримана системою ззовні теплота Q витрачається на збільшення внутрішньої енергії ΔU і роботу W, досконалу системою, тобто. Q =Δ U+W. Це урівняння є
математичним виразом першого початку термодинаміки
Iпочаток термодинамікийого формулювання:
у будь-якій ізольованій системі запас енергії залишається постійним;
різні форми енергії переходять одна в одну у строго еквівалентних кількостях;
вічний двигун (perpetuum mobile) першого роду неможливий;
внутрішня енергія є функцією стану, тобто. її зміна залежить від шляху процесу, а залежить лише від початкового і кінцевого стану системи.
аналітичний вираз: Q = D U + W ; для нескінченно малої зміни величин d Q = dU + d W .
Перше початок термодинаміки встановлює співвідношення. м/у теплотою Q, роботою А та зміною внутр. енергії системи ΔU. Зміна внутр. енергії системи дорівнює кількості повідомленої системі теплоти мінус у роботі, досконалої системою проти зовнішніх сил.
Рівняння (I.1)- математичний запис 1-го початку термодинаміки, рівняння (I.2) – для нескінченно малої зміни сост. системи.
внутр. енергія-функція сост.; це означає, що змін-е внутр. енергії ΔU не залежить від шляху переходу системи зі стану 1 в стан 2 і дорівнює різниці величин внутр. енергії U2 та U1 у цих станах: (I.3)
внутр. енергія системи - це сума потенційної енергії взаємодій. всіх частинок тіла між собою і кінетичної енергії їх руху (без урахування кінетич. і потенційних енергій системи в цілому). Внут. енергія системи залежить від природи в-ва, його маси та від параметрів стану системи. Вона вік. зі збільшенням маси системи, оскільки є екстенсивним св-вом системи. внутр. енергію позначають літерою U та виражають у джоулях (Дж). У випадку для системи з кол-вом в-ва 1 моль. внутр. енергія, як і будь-яке термодинамічні. св-во системи, явл-ся функцією сост. Безпосередньо в експерименті виявляються лише зміни всередину. енергії. Саме тому при розрахунках завжди оперують із зміною U2 –U1 = U.
Усі зміни внутр. енергії поділяються на дві групи. У першу групу входить лише перша форма переходу руху шляхом хаотичних зіткнень молекул двох стикаються тіл, тобто. шляхом теплопровідності (і водночас шляхом випромінювання). Мірою руху, що передається таким способом, є теплота. Концепція теплотипов'язані з поведінкою величезної кількості частинок – атомів, молекул, іонів. Вони перебувають у постійному хаотичному (тепловому) русі. Теплота - Форма передачі енергії. Другий спосіб обміну енергією – робота.Цей обмін енергії обумовлений дією, що здійснюється системою, або дією, що здійснюється над нею. Зазвичай роботу позначають символом W. Робота, як і теплота, перестав бути функцією стану системи, тому величину, відповідну нескінченно малу роботу, позначають символом приватної похідної - W.
ФІЗИЧНА ХІМІЯ - розділ хімії, присвячений вивченню взаємозв'язку хімічних та фізичних явищ у природі. Положення та методи Ф. х. мають важливе значення для медицини та медико-біологічних наук, методи Ф. х. використовуються вивчення життєвих процесів як у нормі, і при патології.
Основними предметами вивчення Ф. х. є будова атомів (див. Атом) та молекул (див. Молекула), природа хім. зв'язків, хім. рівновагу і кінетика, каталіз, теорія газів, рідин і розчинів, структура і хім. властивості кристалів (див.) та полімерів (див. Високомолекулярні сполуки), термодинаміка (див.) та теплові ефекти хім. реакцій, поверхневі явища, Поверхневий натяг, Змочування, властивості розчинів електролітів, електродні процеси та електрорушійні сили, корозія металів, фотохім. та радіаційні процеси (див. Фотохімічні реакції, Електромагнітне випромінювання). Більшість теорій Ф. х. базується на законах статики, квантової (хвильової) механіки та термодинаміки. При вивченні поставлених проблем у Ф. х. широко застосовують різні поєднання експериментальних методів фізики та хімії, так зв. фіз.-хім. методи аналізу, основи яких брало були розроблені в 1900-1915 гг.
До найбільш поширених фізико-хімічних методів другої половини 20 ст. відносяться електронний парамагнітний резонанс (див.), ядерний магнітний резонанс (див.), мас-спектрометрія (див.), використання ефекту Мессбауера (ядерний гамма-резонанс), радіоспектроскопія (див. Спектроскопія), спектрофотометрія (див.) і флюориметрія (див.), рентгеноструктурний аналіз (див.), електронна мікроскопія (див.), улипрацентрифугування (див.), газова та рідинна хроматографія (див.), електрофорез (див.), ізоелектричне фокусування (див.), полярографія (див.), потенціометрія (див. Потенціометричне титрування), кондуктометрія (див.), Осмометрія (див. Осмотичний тиск), ебулі ометрія (див.) та ін.
Термін «фізична хімія» вперше з'явився у працях ньому. алхіміка Кунрата (H. Kuhnrath, 1599), проте довгий час зміст, що вкладається в цей термін, не відповідав його справжньому значенню. Завдання Ф. х., близькі до їх сучасного розуміння, вперше сформулював М. В. Ломоносов в курсі «Введення в справжню фізичну хімію», прочитаному ним у 1752 студентам Петербурзької академії наук: фізична хімія, за М. В. Ломоносову, є наука, яка пояснює на підставі положень і дослідів фізики те, що відбувається в змішаних тілах за хімічних. реакціях. Систематичне викладання Ф. х. було розпочато з 1860 р. в Харківському ун-ті H. Н. Бекетовим, який вперше на природному ф-ті цього ун-ту організував фізико-хімічне відділення. Після Харківським ун-том викладання Ф. х. було введено у Казанському (1874), Юр'євському (1880) та Московському (1886) ун-тах. З 1869 починає виходити журнал Російського фізико-хімічного об-ва. За кордоном кафедра фізичної хімії вперше була заснована у Лейпцигу у 1887 р.
Формування Ф. х. як самостійної наукової дисципліни пов'язане з атомно-молекулярним вченням, тобто насамперед із відкриттям у 1748-1756 рр. М. У. Ломоносовим й у 1770-1774 гг. А. Лавуазьє закону збереження маси речовин за хім. реакціях. Роботи Ріхтера (J. В. Richter, 1791 - 1802), що відкрив закон паїв (еквівалентів), Пруста (J. L. Proust, 1808), що відкрив закон сталості складу, та ін сприяли створенню в 1802-1810 рр. Дж. Дальтоном атомної теорії та відкриття закону кратних відносин, що встановлює закономірності освіти хім. з'єднань. У 1811 р. Авогадро (A. Avogadro) запровадив поняття «молекула», що пов'язує атомну теорію будови речовини із законами ідеальних газів. Логічним завершенням формування атомістичних поглядів на природу матерії стало відкриття Д. І. Менделєєвим в 1869 періодичного закону хім. елементів (див. «Періодична система хімічних елементів»).
Сучасне уявлення про будову атома склалося на початку
20 ст. Найбільш важливими віхами цьому шляху є експериментальне відкриття електрона і встановлення його заряду, створення квантової теорії (див.) Планком (М. Plank) в 1900 р., роботи Бора (N. Bohr, 1913), який припустив існування в атома електронної оболонки і який створив його планетарну модель, та інші дослідження, що послужили підтвердженням квантової теорії будови атома. Завершальним етапом формування сучасних уявлень про будову атома стала розробка квантової (хвильової) механіки, за допомогою методів якої в подальшому вдалося пояснити природу і спрямованість хім. зв'язків, теоретично розрахувати фіз.-хім. константи найпростіших молекул, розвинути теорію міжмолекулярних сил та ін.
Початковий розвиток хім. термодинаміки, що вивчає закони взаємних перетворень різних форм енергії в рівноважних системах, пов'язано з дослідженнями Карно (S. Carnot) у 1824 р. Подальші роботи Майєра (R. Mayer), Джоуля (J. Joule) та Г. Гельмгольця призвели до відкриття закону збереження енергії - так зв. першого початку, чи першого закону термодинаміки. Введення Клаузіусом (R. Clausius) у 1865 р. поняття «ентропія» як заходи вільної енергії, призвело до розробки другого закону термодинаміки. Третій основний закон термодинаміки було виведено з теплової теореми Нернста про асимптотичному зближенні вільної енергії та теплозмісту системи, в 1907 р. Ейнштейн (A. Einstein) склав рівняння теплоємності простих гармонійних осциляторів, а в
1911 Планком був зроблений висновок: ентропія чистих речовин при абсолютному нулі дорівнює нулю.
Початок самостійного існування термохімії - науки про теплові ефекти хім. реакцій, було покладено працями Г. І. Гесса, який встановив у 1840 р. закон сталості сум теплоти. Велике значення для розвитку термохімії мали праці Бертло (Р. E. М. Berthelot), який розробив калориметричні методи аналізу (див. Калориметрія) і відкрив принцип максимальної роботи. У 1859 р. Кірхгоф (H. Kirch-hoff) сформулював закон, що пов'язує тепловий ефект реакції з теплоємностями реагуючих речовин та продуктів реакції. 1909-
1912 р. Нернст (W. H. Nernst), Ейнштейн та Дебай (P. Debye) розробили теорію квантової теплоємності.
Розвиток електрохімії, що займається вивченням зв'язку між хімічними та електричними явищами і дослідженням дії електричного струму на різні речовини в розчинах, пов'язано зі створенням Вольтою (A. Volta) в 1792-1794 рр. гальванічний елемент. У 1800 р. з'явилися перші роботи Нікольсона (V. Nicolson) та Карлейля (А. Каг-leil) з розкладання води, а в 1803-1807 рр. роботи І. Берцеліуса та Гі-зингера (W. Hisinger) про електроліз (див.) розчинів солей. У 1833-1834 pp. Фарадей (М. Faraday) сформулював основні закони електролізу, що пов'язують вихід електрохім. реакцій з кількістю електрики та хім. еквівалентами речовин. У 1853-1859 pp. Гітторф (J. W. Hittorf) встановив залежність між електрохім. дією і рухливістю іонів, а 1879 р. Кольрауш (F. W. Kohlrausch) відкрив закон незалежного руху іонів (див.) і встановив зв'язок між еквівалентною електропровідністю та рухливістю катіонів та аніонів. У 1875 – 1878 рр. Гіббс (J. VV. Gibbs) і в 1882 р. Г. Гельмгольц розробили математичну модель, що зв'язує електрорушійну силу гальванічного елемента з внутрішньою енергією хім. реакцій. У 1879 р. Г. Гельмгольц створив вчення про подвійний електричний шар. У 1930-1932 pp. Фольмер (М. Vol-mer) та А. Н. Фрумкін запропонували кількісну теорію електродних процесів.
Початок вчення про розчини було покладено роботами Гассенфратца (J. H. Hassenfratz, 1798) та Ж. Гей-Люссака (1819) про розчинність солей. У 1881 -1884 роках. Д. П. Коновалов заклав наукові основи теорії та практики перегонки розчинів, а в 1882 р. Рауль (F. М. Raoult) відкрив закон зниження температури замерзання розчинів (див. Кріометрія). Перші кількісні вимірювання осмотичного тиску (див.) були зроблені в 1877 Пфеффером (W. F. Ph. Pfeffer), а в 1887 Я. Вант-Гофф створив термодинамічну теорію розведених розчинів і вивів рівняння, що зв'язує осмотичний тиск з концентрацією р -ра, його обсягом та абсолютною температурою. С. Арреніус у 1887 р. сформулював теорію електролітичної дисоціації та іонізації солей у розчинах (див. Електроліти), а Нернст у 1888 р. – осмотичну теорію. Оствальд (W. Ostwald) виявив закономірності, що пов'язують ступінь дисоціації електроліту з його концентрацією. У 1911 р. Доннан (F. G. Don-тат) створив теорію розподілу електролітів по обидва боки напівпроникної мембрани (див. Мембранна рівновага), яка знайшла широке застосування в біофізичній хімії (див.) і колоїдної хімії (див.). У 1923 р. Дебай та Гюккель (E. Huckel) розробили статистичну теорію сильних електролітів.
Розвиток вчення про кінетику хім. реакцій, рівновазі та каталізі почалося з робіт Вільгельмі (L. Wil-helmy), який створив у 1850 р. першу кількісну теорію хім. реакцій, і Вільямсона (A. W. Williamson), що представив рівновагу як стан рівності швидкостей прямої та зворотної реакцій. Поняття «каталіз» було введено у фізичну хімію І. Берцеліусом у
1835 р. Основні засади вчення
про хім. рівноваги були сформульовані у працях Бертолле (С. L. Вег-thollet). Початок динамічної теорії рівноваг покладено роботами Вільямсона та Клаузіуса, принцип рухомої рівноваги розроблений Я. В ант-Гоффом, Гіббсом та Ле Ша-тельє (H. Le Chatelier). Бертло та Пеан-сен-Жіль (L. Pean-saint-Gilles) встановили зв'язок між швидкістю реакції та станом рівноваги. Основний закон хім. кінетики про пропорційність швидкості реакції добутку активних мас (тобто концентрацій) реагуючих речовин - закон діючих мас - був сформульований у 1864-1867 рр. Гульдбергом (С. М. Guldberg) та Ваа-ге (P. Waage). У 1893-1897 pp. А. Н. Бах та Енглер (К. Engler) створили перекисну теорію повільного окислення (див. Перекиси), в 1899-1904 рр. Абегг (R. Abegg) і Бодлендер (H. Bodlander) розвинули уявлення про валентність як здатність атома приймати або віддавати електрони, в 1913-1914 рр. Л. В. Писар-жевський та С. В. Дайн розробили електронну теорію окисно-відновних реакцій (див.). У 1903-1905 pp. Н. А. Шилов запропонував теорію сполучених реакцій, а в 1913 р. Боденштейн (М. Во-denstein) відкрив ланцюгові реакції (див.), Теоретичні основи перебігу яких брало були розроблені в 1926 -1932 рр.. H. Н. Семеновим та Хіншелвудом (С. N. Hinsheiwood).
Явище радіоактивного розпаду атомів (радіоактивності) було відкрито 1896 р. А. Беккерелем. З тих пір вивченню радіоактивності (див.) приділяється велика увага і в цій галузі досягнуто суттєвих успіхів, починаючи зі штучного розщеплення атомів і закінчуючи розробками з керованого термоядерного синтезу. Серед проблем Ф. х. необхідно виділити вивчення впливу на молекули гамма-випромінювань (див.), потоку частинок високих енергій (див. Альфа-випромінювання, Ясс-мічне випромінювання, Нейтронне випромінювання, Лротонне випромінювання), лазерного випромінювання (див. Лазер), а також вивчення реакцій електричних розрядах та низькотемпературній плазмі (плазмохімія). Успішно розвивається фіз.-хім. механіка, що досліджує вплив поверхневих явищ на властивості твердих тіл.
Один із розділів Ф. х.- фотохімія (див.), вивчає реакції, що протікають при поглинанні речовиною світлової енергії від зовнішнього джерела випромінювання.
У Ф. х. немає такого розділу, який би не мав значення для медико-біол. дисциплін та зрештою для практичної медицини (див. Біофізична хімія). Фіз.-хім. методи дозволяють вивчати живу клітину та тканини in vivo, не зазнаючи їх руйнування. Не менше значення для медицини мають фіз.-хім. теорії та уявлення. Так, вчення про осмотичні властивості розчинів виявилося надзвичайно істотним для розуміння водного обміну (див. Водно-сольовий обмін) у людини в нормі і при патології. Створення теорії електролітичної дисоціації суттєво вплинуло на уявлення про біоелектричні явища (див.) та започаткувало іонну теорію збудження (див.) та гальмування (див.). Теорія кислот і підстав (див.) дала можливість пояснити сталість внутрішнього середовища організму і послужила основою вивчення кислотно-лужної рівноваги (див.). Для розуміння енергетики життєвих процесів (напр., функціонування АТФ) широко використовують дослідження, які здійснюються за допомогою методів хім. термодинаміки. Розвиток фіз.-хім. уявлень про поверхневі процеси (поверхневому натягу, змочуванні та ін.) істотно для розуміння реакцій клітинного імунітету (див.), розпластування клітин на неклітинних поверхнях, адгезії та ін. Теорія та методи хім. Кінетики є основою вивчення кінетики біологічних, передусім ферментативних, процесів. Велику роль розумінні сутності біол. процесів грає вивчення біолюмінесценції, хемолюмінесценції (див. Біохемілюмінесценція), використання люмінесцентних антитіл (див. Імунофлюоресценція), флюо-р хромів (див.) та ін. для вивчення властивостей тканинної та субклітинної локалізації білків. .-хім. методи визначення інтенсивності основного обміну надзвичайно важливі при діагностуванні багатьох захворювань, у т. ч. ендокринних.
Необхідно відзначити, що вивчення фіз.-хім. властивостей біол. систем і процесів, які у живому організмі, дає можливість глибше зазирнути у суть і виявити специфіку живої матерії та цих явищ.
Основними дослідницькими центрами в галузі фізичної хімії в СРСР є науково-дослідні ін-ти АН СРСР, її філій та відділень, АН союзних республік: Фізико-хімічний ін-т ім. Л. Я. Карпова, Ін-т фізичної хімії, Ін-т хімічної фізики, Ін-т нових хімічних проблем, Ін-т органічної та фізичної хімії ім. А. Є. Арбузова, Ін-т каталізу, Ін-т хімічної кінетики та горіння, Ін-т фізичної хімії АН УРСР та ін., а також відповідні кафедри в ун-тах.
Основними друкованими органами, що систематично публікують статті з Ф. х., є: «Журнал фізичної хімії», «Кінетика і каталіз», «Журнал структурної хімії», «Радіохімія», «Електрохімія». За кордоном статті з Ф. х. друкуються в "Zeitschrift fiir physi-kalische Chemie", "Journal of Physical Chemistry", "Journal de chimie physique et de physico-chimie bio-logique".
Бібліогр.: Бабко А. К. та ін.
Фізико-хімічні методи аналізу, М., 1968; Кірєєв Ст А. Курс фізичної хімії, М., 1975; Мелвін-Хьюз
Е. А. Фізична хімія, пров. з англ., т. 1 – 2, М., 1962; Ніколаєв Л. А. Фізична хімія, М., 1972; Розвиток
фізичної хімії у СРСР, під ред. Я. І. Герасимова, М., 1967; Соло
в'єв Ю. І. Нариси з історії фізичної хімії, М., 1964; Фізична
хімія, Сучасні проблеми, за ред. Я. М. Колотиркіна, М., 1980.
Періодичні видання – Журнал структурної хімії, М., з 1960; Журнал фізичної хімії, М., 1930; Кінетика та каталіз, М., з 1960; Радіохімія, М.-Л., з 1959; Електрохімія, М., з 1965; Journal de chimie physique et de physico-chimie biologique, P., з 1903; Journal of Physical Chemistry, Baltimore, з 1896; Zeitschrift fiir physikalische Chemie, Lpz., з 1887.
Початок фізичної хімії було покладено в середині XVIII ст. Термін «Фізична хімія», в сучасному розумінні методології науки та питань теорії пізнання, належить М. В. Ломоносову, який уперше читав студентам Петербурзького університету «Курс істинної фізичної хімії». У преамбулі до цих лекцій він дає таке визначення: «Фізична хімія - наука, яка повинна на підставі положень та фізичних досвідів пояснити причину того, що відбувається через хімічні операції в складних тілах». Вчений у працях своєї корпускулярно-кінетичної теорії тепла стосується питань, що повною мірою відповідають вищевикладеним завданням та методам. Саме такий характер носять і експериментальні дії, що служать підтвердженню окремих гіпотез та положень цієї концепції. М. В. Ломоносов дотримувався таких принципів у багатьох напрямках своїх досліджень: у розробці та практичної реалізації заснованої ним же «науки про скло», у різних дослідах, присвячених підтвердженню закону збереження речовини та сили (руху); - у роботах та експериментах, що стосуються вчення про розчини - їм було розроблено широку програму досліджень справжнього фізико-хімічного феномена, що у процесі розвитку до нашого часу.
Потім була більш ніж столітня перерва і одним з перших в Росії фізикохімічні дослідження в кінці 1850-х років почав Д. І. Менделєєв.
Наступний курс фізичної хімії читав уже Н. Н. Бекетов у Харківському університеті у 1865 році.
Перша в Росії кафедра фізичної хімії була відкрита в 1914 році на фізико-математичному факультеті Санкт-Петербурзького університету, восени приступив до читання обов'язкового курсу та практичних занять з фізичної хімії учень Д. П. Коновалова М. С. Врєвський.
Перший науковий журнал, призначений для публікації статей з фізичної хімії, був заснований в 1887 В. Оствальдом і Я. Вант-Гоффом.
Предмет вивчення фізичної хімії
Фізична хімія є основним теоретичним фундаментом сучасної хімії, що використовує теоретичні методи таких найважливіших розділів фізики, як квантова механіка, статистична фізика і термодинаміка, нелінійна динаміка, теорія поля та ін. Вона включає вчення про будову речовини, в тому числі: термодинаміку, хімічну кінетику та каталіз. В якості окремих розділів у фізичній хімії виділяють також електрохімію , фотохімію , фізичну хімію поверхневих явищ (у тому числі адсорбцію), радіаційну хімію , вчення про корозію металів , фізико-хімію високомолекулярних сполук (див. фізика полімерів) і ін. фізичної хімії та часом розглядаються як її самостійні розділи колоїдна хімія, фізико-хімічний аналіз та квантова хімія. Більшість розділів фізичної хімії має досить точні межі за об'єктами та методами дослідження, за методологічними особливостями та використовуваним апаратом.
Відмінність між фізичною хімією та хімічною фізикою
Молекулярність елементарної реакції - кількість частинок, які, згідно з експериментально встановленим механізмом реакції, беруть участь в елементарному акті хімічної взаємодії. Мономолекулярні реакції- Реакції, в яких відбувається хімічне перетворення однієї молекули (ізомеризація, дисоціація і т. д.): H 2 S → H 2 + S Бімолекулярні реакції- Реакції, елементарний акт яких здійснюється при зіткненні двох частинок (однакових або різних): СН 3 Вr + КОН → СН 3 ВІН + КВr Тримолекулярні реакції- Реакції, елементарний акт яких здійснюється при зіткненні трьох частинок: Про 2 + NО + NО → 2NО 2 Реакції з молекулярністю понад три невідомі. Для елементарних реакцій, які проводяться при близьких концентраціях вихідних речовин, величини молекулярності та порядку реакції збігаються. Чітко певного взаємозв'язку між поняттями молекулярності та порядку реакції немає, оскільки порядок реакції характеризує кінетичне рівняння реакції, а молекулярність – механізм реакції. Основними напрямками хімічної термодинаміки є:
Хімічна термодинаміка тісно стикається з такими розділами хімії, як
Фізико-хімічний аналізВ основі теорії фізико-хімічного аналізу лежать сформульовані Н. С. Курнаковим принципи відповідності та безперервності. Принцип безперервності стверджує, що й у системі утворюються нові фази чи зникають існуючі, то за безперервному зміні параметрів системи властивості окремих фаз і властивості системи загалом змінюються безперервно. Принцип відповідності стверджує, що кожному комплексу фаз відповідає певний геометричний образ на діаграмі склад-властивість. Теорія реакційної спроможності хімічних сполукХімія високих енергій (ХВЕ) вивчає хімічні реакції та перетворення, що відбуваються у речовині під впливом нетеплової енергії. Механізми і кінетика таких реакцій і перетворень характеризуються істотно нерівноважними концентраціями швидких, збуджених або іонізованих частинок з більшою енергією, ніж енергія їх теплового руху і в ряді випадків хімічного зв'язку. Носії нетеплової енергії, що впливає на речовину: прискорені електрони та іони, швидкі та повільні нейтрони, альфа- та бета-частки, позитрони, мюони, півонії, атоми та молекули при надзвукових швидкостях, кванти електромагнітного випромінювання, а також імпульсні електричні, поля. Процеси хімії високих енергій розрізняють за тимчасовими стадіями на фізичну, що протікає за час фемтосекунд і менше, протягом якого нетеплова енергія розподіляється в середовищі нерівномірно і утворюється «гаряча пляма», фізико-хімічну, протягом якої проявляється нерівноважність і негативність і, нарешті, хімічну, у якій перетворення речовини підпорядковуються законам загальної хімії. В результаті утворюються такі іони та збуджені стани атомів та молекул при кімнатних температурах, які не можуть виникнути за рахунок рівноважних процесів. Зовнішнім проявом ХВЕ є утворення іонів і збуджених станів атомів і молекул при кімнатних температурах, за яких ці частки не можуть виникнути за рахунок рівноважних процесів. М. Є. Аблесимов сформулював релаксаційний принцип управління властивостями нерівноважних фізико-хімічних систем. У разі, коли часи релаксації набагато більші за тривалість фізичного впливу, існує можливість управління виходом хімічних форм, фаз і, як наслідок, властивостями речовин (матеріалів), використовуючи відомості про механізми релаксації в нерівноважних конденсованих системах на фізико-хімічній стадії релаксаційних процесів (у тому числа та у процесі експлуатації). Основні розділи ХВЕ
та інші. Лазерна хіміяІонізуючою здатністю володіють електромагнітні випромінювання (рентгенівське випромінювання, γ-випромінювання, синхротронне випромінювання) і потоки прискорених частинок (електронів, протонів, нейтронів, геліонів, важких іонів; осколки поділу важких ядер та ін), енерг в більшості випадків, що лежить у межах 10-15 еВ). У межах радіаційної хімії розглядаються деякі хімічні процеси, неможливі під час використання традиційних хімічних підходів. Іонізуючі випромінювання можуть сильно знижувати температуру протікання хімічних реакцій без застосування каталізаторів та ініціаторів. Історія радіаційної хімії Радіаційна хімія виникла після відкриття x-променів В. Рентгеном у 1895 році та радіоактивності А. Беккерелем у 1896 році, які першими спостерігали радіаційні ефекти у фотопластинках. Перші роботи з радіаційної хімії були виконані в 1899-1903 роках подружжям М.Кюрі та П.Кюрі. У наступні роки найбільша кількість досліджень була присвячена радіолізу води та водних розчинів. Ядерна хіміяОсновні напрямки ядерної хімії:
ЕлектрохіміяЕлектрохімія - розділ хімічної науки, в якому розглядаються системи та міжфазні кордони при протіканні через них електричного струму, досліджуються процеси у провідниках, на електродах (з металів або напівпровідників, включаючи графіт) та в іонних провідниках (електролітах). Електрохімія досліджує процеси |
Наука, що пояснює хімічні явища та встановлює їх закономірності з урахуванням загальних принципів фізики. Назва науки Фізична хімія введено М. В. Ломоносовим, який вперше (1752-1753) сформулював її предмет і завдання і встановив один ... Великий Енциклопедичний словник
ФІЗИЧНА ХІМІЯ- ФІЗИЧНА ХІМІЯ, «наука, яка пояснює на підставі положень та дослідів фізичну причину того, що відбувається через хім. операції у складних тілах». Це визначення, яке їй дав перший фізико хімік М. В. Ломоносов в курсі, прочитаному … Велика медична енциклопедія
ФІЗИЧНА ХІМІЯ, наука, що вивчає фізичні зміни, пов'язані з ХІМІЧНИМИ РЕАКЦІЯМИ, а також зв'язок між фізичними властивостями та хімічним складом. Головні розділи фізичної хімії ТЕРМОДИНАМІКА, що займається змінами енергії в… Науково-технічний енциклопедичний словник
Фізична хімія- - розділ хімії, в якому вивчаються хімічні властивості речовин на основі фізичних властивостей атомів і молекул, що їх складають. Сучасна фізична хімія - широка міждисциплінарна область, що межує з різними розділами фізики. Енциклопедія термінів, визначень та пояснень будівельних матеріалів
ФІЗИЧНА ХІМІЯ пояснює хімічні явища і встановлює їх закономірності на основі загальних принципів фізики. Включає хімічну термодинаміку, хімічну кінетику, вчення про каталіз та ін. Термін фізична хімія запровадив М.В. Ломоносів у 1753 році. Сучасна енциклопедія
Фізична хімія- ФІЗИЧНА ХІМІЯ, що пояснює хімічні явища та встановлює їх закономірності на основі загальних принципів фізики. Включає хімічну термодинаміку, хімічну кінетику, вчення каталізі та інших. Термін “фізична хімія” запровадив М.В. Ломоносов у… … Ілюстрований енциклопедичний словник
ФІЗИЧНА ХІМІЯ- Розділ хім. науки, що вивчає хім. явища на основі принципів фізики (див. (1)) та фіз. експериментальних методів Ф. х. (як і хімія) включає вчення про будову речовини, хім. термодинаміку та хім. кінетику, електрохімію та колоїдну хімію, вчення… … Велика політехнічна енциклопедія
Сущ., Кількість синонімів: 1 физхим (1) Словник синонімів ASIS. В.М. Тришин. 2013 … Словник синонімів
фізична хімія- - EN physical chemistry A science dealing with effects of physical phenomena на хімічні properties. (Source: LEE) … … Довідник технічного перекладача
фізична хімія- – наука, що пояснює хімічні явища та встановлює їх закономірності з урахуванням фізичних принципів. Словник з аналітичної хімії. Хімічні терміни
Книги
- Фізична хімія, А. В. Артемов. Підручник створений відповідно до Федерального державного освітнього стандарту за напрямами підготовки бакалаврів, які передбачають вивчення дисципліни `Фізична хімія`.
- Фізична хімія, Ю. Я. Харитонов. У підручнику викладено основи фізичної хімії відповідно до зразкової програми з дисципліни "Фізична та колоїдна хімія" для спеціальності 060301 "Фармація" . Видання…
Є наука, що пояснює на основі положень і дослідів фізики те, що відбувається в змішаних тілах при хімічних операціях. Перший науковий журнал, призначений для публікації статей з фізичної хімії, був заснований в 1887 В. Ост-вальдом і Я. Вант-Гоффом.
Ф Ізічна хімія є основним теоретичним. фундаментом совр. хімії, що спирається на такі найважливіші розділи фізики, як квантова механіка, статистич. фізика і термодинаміка, нелінійна динаміка, теорія поля та ін. Вона включає вчення про будову в-ва, в т.ч. про будову молекул, хімічну термодинаміку, кінетику хімічну та каталіз. Як окремі розділи у фізичній хімії часто виділяють також електрохімію, фотохімію, фізичну хімію поверхневих явищ (в т. ч. адсорбцію), радіаційну хімію, вчення про корозію металів, фізико-хімію високомол. з'єдн. та ін. Дуже близько примикають до фізичної хімії і часом розглядаються як її самостійно. розділи колоїдна хімія, фізико-хімічний аналіз та квантова хімія. Більшість розділів фізичної хімії має досить чіткі межі за об'єктами та методами дослідження, за методологіч. особливостям і апарату, що використовується.
Совр. етапу розвитку фізичної хімії притаманні поглиблений аналіз загальних закономірностей хім. перетворень на мол. рівні, широке використання мат. моделювання, розширення діапазону зовніш. впливів на хім. систему (високі та кріогенні т-ри, високі тиски, сильні радіац. і магн. впливу), вивчення надшвидких процесів, способів накопичення енергії в хім. в-вах і т.п.
Застосування квантової теорії, насамперед квантової механіки при поясненні хім. явищ спричинило у себе значить. посилення уваги до рівня інтерпретації та призвело до виділення двох напрямів у хімії. Напрямок, що спирається на квантове міх. теорію та оперуюче на мікроскопич. рівні пояснення явищ часто називають хім. фізикою, а напрямок, що оперує з ансамблями великої кількості частинок, де набирають чинності статистич. закони, - фізичною хімією. За такого підрозділу кордон між фізичною хімією та хім. фізикою не м. б. проведено різко, що особливо проявляється в теорії швидкостей хім. р-цій.
Вчення про будову в-ва та будову молекулузагальнює великий експеримент. матеріал, отриманий під час використання таких фіз. методів, як молекулярна спектроскопія, що вивчає взаємод. електромагнію. випромінювання з в-вом у разл. діапазонах довжин хвиль, фото- та рентгеноелектронна спектроскопія, електронографія, нейтронографія та рентгенодифракційні методи, методи на основі магнітооптич. ефектів та ін. Ці методи дозволяють отримувати структурні дані про електронну конфігурацію молекул, про рівноважні положення та амплітуди коливань ядер у молекулах і конденсир. в-ве, про систему енергетич. рівнів молекул і переходи між ними, про зміну геом. конфігурацій при зміні оточення молекули чи окремих її фрагментів тощо.
Поруч із завданням співвіднесення властивостей в-в із будовою совр. фізична хімія активно займається і зворотним завданням прогнозування будови сполук із заданими св-вами.
Дуже важливим джерелом інформації про будову молекул, їх характеристики в разл. станах та особливостях хім. перетворень служать результати квантовохім. розрахунків. Квантова хімія дає систему понять і уявлень, яка використовується у фізичній хімії при розгляді поведінки хім. з'єднань на мол. рівні та при встановленні кореляцій між характеристиками молекул, що утворюють в-во, і св-вами цього в-ва. Завдяки результатам квантовохім. розрахунків пов-стей потенційної енергії хім. систем у разл. квантових станах та експерим. можливостям останніх років, насамперед розвитку лазерної хімії, фізична хімія впритул підійшла до всебічного вивчення св-в з'єдн. у збуджених та високозбуджених станах, до аналізу особливостей будови з'єдн. у таких станах та специфіки прояву цих особливостей у динаміці хім. перетворень.
Обмеженням нормальної термодинаміки і те, що дозволяє описувати лише рівноважні стану і оборотні процеси. Реальні незворотні процеси становлять предмет, що виник у 30-ті роки. 20 ст. термодинаміки незворотних процесів. Ця область фізичної хімії вивчає нерівноважні макроскопіч. системи, в яких брало швидкість виникнення ентропії локально зберігається постійної (такі системи локально близькі до рівноважних). Вона дозволяє розглядати системи з хім. р-ціями та перенесенням маси (дифузією), тепла, електрич. зарядів тощо.
Хімічна кінетикавивчає перетворення хім. в-в часі, т. е. швидкості хім. р-цій, механізми цих перетворень, і навіть залежність хім. процесу умов його здійснення. Вона встановлює закономірності зрадиня складу системи, що перетворюється в часі, виявляє зв'язок між швидкістю хім. р-ції та зовнішніми умовами, а також вивчає фактори, що впливають на швидкість та напрям хім. р-цій.
Більшість хім. р-цій є складними багатостадійними процесами, що складаються з окремих елементарних актів хім. перетворення, транспорту реагентів та перенесення енергії. Теоретич. хім. кінетика включає вивчення механізмів елементарних р-цій і проводить розрахунок констант швидкостей таких процесів на основі ідей та апарату класич. механіки та квантової теорії, що займається побудовою моделей складних хім. процесів, що встановлює зв'язок між будовою хім. з'єднань та їх реакц. здатністю. Виявлення кінетич. закономірностей для складних р-цій (формальна кінетика) часто базується на мат. моделюванні та дозволяє здійснювати перевірку гіпотез про механізми складних р-цій, а також встановлювати систему диференцій. ур-ний, що описують результати здійснення процесу при разл. зовніш. умовах.
Для хім. Кінетики характерне використання багатьох фіз. методів дослідження, що дозволяють проводити локальні збудження молекул, що реагують, вивчати швидкі (аж до фемтосекундних) перетворення, автоматизувати реєстрацію кінетич. даних з одночасною обробкою їх на ЕОМ і т. п. Інтенсивно накопичується кінетич. інформація через банки кінетич. констант, в т.ч. для хім. р-цій в екстремальних умовах.
Дуже важливим розділом фізичної хімії, тісно пов'язаним із хімічним. кінетикою, є вчення про каталізі, тобто про зміну швидкості та напрямки хім. р-ції при дії в-в (
