Chimie fizică. Chimie fizică și coloidală Exemple de sisteme la disciplina chimie fizică
Chimia fizică a început la mijlocul secolului al XVIII-lea. Termenul „chimie fizică”, în înțelegerea modernă a metodologiei științei și a problemelor teoriei cunoașterii, aparține lui M. V. Lomonosov, care a citit pentru prima dată „Cursul de chimie fizică adevărată” studenților Universității din Sankt Petersburg. . În preambulul acestor prelegeri, el dă următoarea definiție: „Chimia fizică este o știință care, pe baza principiilor fizice și a experimentelor, trebuie să explice motivul a ceea ce se întâmplă prin operații chimice în corpuri complexe”. Omul de știință, în lucrările teoriei sale corpusculo-cinetice a căldurii, se ocupă de probleme care corespund pe deplin sarcinilor și metodelor de mai sus. Aceasta este tocmai natura acțiunilor experimentale care servesc la confirmarea ipotezelor și prevederilor individuale ale acestui concept. M.V Lomonosov a urmat astfel de principii în multe domenii ale cercetării sale: în dezvoltarea și implementarea practică a „științei sticlei”, pe care a fondat-o, în diferite experimente dedicate confirmării legii conservării materiei și a forței (mișcare); - în lucrări și experimente legate de studiul soluțiilor - a dezvoltat un amplu program de cercetare a acestui fenomen fizic și chimic, aflat în proces de dezvoltare până în zilele noastre.
Aceasta a fost urmată de o pauză de mai bine de un secol, iar D.I Mendeleev a fost unul dintre primii din Rusia care a început cercetările fizice și chimice la sfârșitul anilor 1850.
Următorul curs de chimie fizică a fost predat de N. N. Beketov în Universitatea Harkovîn 1865.
Prima secție de chimie fizică din Rusia a fost deschisă în 1914 la Facultatea de Fizică și Matematică a Universității din Sankt Petersburg, în toamnă a început să predea un curs obligatoriu și orele practiceîn chimie fizică, student al lui D. P. Konovalov, M. S. Vrevsky.
Primul jurnal științific, destinat publicării de articole de chimie fizică, a fost fondat în 1887 de W. Ostwald și J. van't Hoff.
Subiect de studiu de chimie fizică
Chimia fizică este principalul fundament teoretic chimia modernă, folosind metode teoretice din ramuri atât de importante ale fizicii precum mecanica cuantică, fizica statistică și termodinamica, dinamica neliniară, teoria câmpului etc. Include studiul structurii materiei, inclusiv: structura moleculelor, termodinamica chimică, cinetica chimică și cataliză. Ca secțiuni separate în chimia fizică, există și electrochimia, fotochimia, chimia fizică a fenomenelor de suprafață (inclusiv adsorbția), chimia radiațiilor, studiul coroziunii metalelor, chimia fizică a compușilor cu molecule înalte (vezi fizica polimerilor) etc. sunt foarte strâns legate de chimia fizică și sunt uneori considerate ca secțiuni independente chimia coloidală, analiza fizico-chimică și chimia cuantică. Majoritatea ramurilor chimiei fizice au granițe destul de clare în ceea ce privește obiectele și metodele de cercetare, caracteristicile metodologice și aparatura utilizată.
Diferența dintre chimia fizică și fizica chimică
Molecularitatea unei reacții elementare este numărul de particule care, conform mecanismului de reacție stabilit experimental, participă la actul elementar de interacțiune chimică. Reacții monomoleculare- reacții în care are loc o transformare chimică a unei molecule (izomerizare, disociere etc.): H2S → H2 + S Reacții bimoleculare- reacții, al căror act elementar are loc atunci când două particule (identice sau diferite) se ciocnesc: CH3Br + KOH → CH3OH + KBr Reacții trimoleculare- reacții, al căror act elementar are loc atunci când trei particule se ciocnesc: О 2 + NU + NU → 2NO 2 Reacțiile cu molecularități mai mari de trei sunt necunoscute. Pentru reacțiile elementare efectuate la concentrații similare de substanțe inițiale, valorile molecularității și ordinea reacției sunt aceleași. Nu există o relație clar definită între conceptele de molecularitate și ordine de reacție, deoarece ordinea de reacție caracterizează ecuația cinetică a reacției, iar molecularitatea caracterizează mecanismul de reacție. Principalele direcții ale termodinamicii chimice sunt:
Termodinamica chimică este strâns legată de ramuri ale chimiei precum
Analiza fizico-chimicaTeoria analizei fizice și chimice se bazează pe principiile corespondenței și continuității formulate de N. S. Kurnakov. Principiul continuității afirmă că dacă într-un sistem nu se formează faze noi sau cele existente nu dispar, atunci cu o schimbare continuă a parametrilor sistemului, proprietățile fazelor individuale și proprietățile sistemului în ansamblu se schimbă continuu. . Principiul corespondenței prevede că fiecărui complex de faze îi corespunde o anumită imagine geometrică pe diagrama compoziție-proprietate. Teoria reactivității compușilor chimiciChimia de înaltă energie (HEC) studiază reacțiile și transformările chimice care au loc în materie sub influența energiei non-termice. Mecanismele și cinetica unor astfel de reacții și transformări sunt caracterizate prin concentrații semnificativ neechilibrate de particule rapide, excitate sau ionizate cu o energie mai mare decât energia mișcării lor termice și, în unele cazuri, legături chimice. Purtători de energie non-termică care acționează asupra materiei: electroni și ioni accelerați, neutroni rapid și lenți, particule alfa și beta, pozitroni, muoni, pioni, atomi și molecule la viteze supersonice, cuante de radiație electromagnetică, precum și electrice, magnetice pulsate. și câmpurile acustice. Procesele de chimie de înaltă energie se disting prin etape de timp în fizice, care au loc în femtosecunde sau mai puțin, timp în care energia netermică este distribuită neuniform în mediu și se formează un „punct fierbinte”, fizico-chimic, în timpul căruia neechilibrul și neomogenitatea în se manifestă „punctul fierbinte” și, în sfârșit, chimic, în care transformările materiei se supun legilor chimiei generale. Ca rezultat, ionii și stările excitate ale atomilor și moleculelor se formează la temperatura camerei care nu pot apărea din cauza proceselor de echilibru. Manifestarea externă a CHE este formarea de ioni și stări excitate ale atomilor și moleculelor la temperatura camerei, la care aceste particule nu pot apărea din cauza proceselor de echilibru. N. E. Ablesimov a formulat principiul relaxării controlului proprietăților sistemelor fizico-chimice neechilibrate. În cazul în care timpii de relaxare sunt mult mai mari decât durata impactului fizic, este posibil să se controleze ieșirea forme chimice, fazele și, în consecință, proprietățile substanțelor (materialelor), folosind informații despre mecanismele de relaxare în sistemele condensate neechilibrate în stadiul fizico-chimic al proceselor de relaxare (inclusiv în timpul funcționării). Secțiunile principale ale HVE
si altele. Chimia laseruluiRadiații electromagnetice (raze X, radiații γ, radiații sincrotron) și fluxuri de particule accelerate (electroni, protoni, neutroni, helii, ioni grei; fragmente de fisiune ale nucleelor grele etc.), a căror energie depășește potențialul de ionizare al atomi sau molecule (în majoritatea cazurilor, situate în intervalul 10-15 eV). Chimia radiațiilor examinează anumite procese chimice care nu sunt posibile folosind abordări chimice tradiționale. Radiațiile ionizante pot reduce foarte mult temperatura reacțiilor chimice fără utilizarea catalizatorilor și inițiatorilor. Istoria chimiei radiațiilor Chimia radiațiilor a apărut după descoperirea razelor X de către W. Roentgen în 1895 și a radioactivității de către A. Becquerel în 1896, care au fost primii care au observat efectele radiațiilor în plăcile fotografice. Prima lucrare despre chimia radiatiilor a fost realizata in anii 1899-1903 de catre sotii M. Curie si P. Curie. În anii următori, cel mai mare număr de studii a fost dedicat radiolizei apei și soluțiilor apoase. Chimie nuclearăPrincipalele direcții ale chimiei nucleare:
ElectrochimieElectrochimia este o ramură a științei chimice care examinează sistemele și limitele de interfaze atunci când curentul electric trece prin ele, studiază procesele în conductori, pe electrozi (din metale sau semiconductori, inclusiv grafit) și în conductorii ionici (electroliți). Procese de studii electrochimice |
Conținutul articolului
CHIMIE FIZICĂ, ramură a chimiei care studiază proprietăți chimice pe baza de substante proprietăți fizice atomii și moleculele lor constitutive. Modern chimie fizică– un domeniu larg interdisciplinar care se învecinează cu diverse ramuri ale fizicii, biofizicii și biologie moleculară. Are multe puncte de contact cu astfel de secțiuni stiinta chimica precum chimia organică și anorganică.
O trăsătură distinctivă a abordării chimice (spre deosebire de cea fizică și biologică) este că în cadrul acesteia, împreună cu descrierea fenomenelor macroscopice, natura lor este explicată pe baza proprietăților moleculelor individuale și a interacțiunilor dintre ele.
Noile dezvoltări instrumentale și metodologice din domeniul chimiei fizice sunt utilizate în alte ramuri ale chimiei și științe conexe, cum ar fi farmacologia și medicina. Exemplele includ metode electrochimice, spectroscopie în infraroșu (IR) și ultravioletă (UV), tehnologie laser și rezonanță magnetică, care sunt utilizate pe scară largă în terapie și pentru diagnosticarea diferitelor boli.
Principalele ramuri ale chimiei fizice sunt considerate în mod tradițional: 1) termodinamica chimică; 2) teoria cinetică și termodinamică statistică; 3) întrebări privind structura moleculelor și spectroscopie; 4) cinetica chimică.
Termodinamica chimica.
Termodinamica chimică este direct legată de aplicarea termodinamicii - știința căldurii și a transformărilor sale - la problema echilibrului chimic. Esența problemei este formulată astfel: dacă există un amestec de reactivi (sistem) și se cunosc condițiile fizice în care se află (temperatura, presiunea, volumul), atunci ce procese chimice și fizice spontane pot aduce acest sistem la echilibru? Prima lege a termodinamicii spune că căldura este o formă de energie și că energia totală a unui sistem (împreună cu mediul înconjurător) rămâne constantă. Astfel, această lege este una dintre formele legii conservării energiei. Conform celei de-a doua legi, un proces spontan duce la o creștere a entropiei generale a sistemului și a mediului său. Entropia este o măsură a cantității de energie pe care un sistem nu o poate cheltui pentru a o realiza muncă utilă. A doua lege indică direcția în care va merge o reacție fără influențe externe. Pentru a schimba natura unei reacții (de exemplu, direcția acesteia), trebuie să cheltuiți energie într-o formă sau alta. Astfel, pune limite stricte asupra cantității de lucru care poate fi realizată prin conversia căldurii sau energie chimică, eliberat într-un proces reversibil.
Realizări importante în termodinamică chimică îi datorăm lui J. Gibbs, care a pus bazele teoretice ale acestei științe, care a făcut posibilă combinarea într-un singur tot a rezultatelor obținute de mulți cercetători din generația anterioară. În cadrul abordării dezvoltate de Gibbs, nu se fac ipoteze cu privire la structura microscopică a materiei, dar sunt luate în considerare proprietățile de echilibru ale sistemelor la nivel macro. Acesta este motivul pentru care putem crede că prima și a doua lege a termodinamicii sunt universale și vor rămâne valabile chiar dacă vom afla mult mai multe despre proprietățile moleculelor și atomilor.
Teoria cinetică și termodinamică statistică.
Termodinamica statistică (cum ar fi mecanica cuantică) ne permite să prezicem poziția de echilibru pentru unele reacții în faza gazoasă. Folosind abordarea mecanică cuantică, este posibil să se descrie comportamentul moleculelor complexe ale unui număr de substanțe în stare lichidă și solidă. Cu toate acestea, există reacții ale căror rate nu pot fi calculate în cadrul teoria cinetică, nici folosind termodinamica statistică.
O adevărată revoluție în clasică termodinamica statistica a avut loc în anii 70 ai secolului XX. Noile concepte precum universalitatea (ideea că membrii anumitor clase largi de compuși au aceleași proprietăți) și principiul similarității (estimarea cantităților necunoscute pe baza unor criterii cunoscute) au făcut posibilă înțelegerea mai bună a comportamentului lichidelor în apropierea zonei critice. punctul în care diferența dintre lichid și gaz. Cu ajutorul unui computer, au fost simulate proprietățile lichidelor simple (argon lichid) și complexe (apă și alcool) în stare critică. Mai recent, proprietățile lichidelor precum heliul lichid (al cărui comportament este descris perfect în cadrul mecanicii cuantice) și electronii liberi din lichidele moleculare au fost studiate cuprinzător folosind modelarea computerizată a SUPERCONDUCTIVității). Acest lucru ne-a permis să înțelegem mai bine proprietățile lichidelor obișnuite. Metodele computerizate în combinație cu cele mai recente dezvoltări teoretice sunt utilizate intens pentru a studia comportamentul soluțiilor, polimerilor, micelilor (particule coloidale specifice), proteinelor și soluții ionice. Pentru a rezolva probleme de chimie fizică, în special pentru a descrie unele proprietăți ale sistemelor în stare critică și pentru a studia probleme în fizica energiilor înalte, este din ce în ce mai utilizat. metoda matematica grup de renormalizare.
Structura moleculară și spectroscopie.
Chimii organici ai secolului al XIX-lea. dezvoltat reguli simple determinând valența (capacitatea de a combina) a multora elemente chimice. De exemplu, au descoperit că valența carbonului este 4 (un atom de carbon poate atașa patru atomi de hidrogen pentru a forma o moleculă de metan CH 4), oxigen - 2, hidrogen - 1. Pe baza unor concepte empirice bazate pe date experimentale, s-au făcut ipoteze. despre aranjarea spațială a atomilor în molecule (de exemplu, o moleculă de metan are o structură tetraedrică, cu atomul de carbon situat în centru piramidă triunghiulară, iar hidrogenul se află la cele patru vârfuri). Cu toate acestea, această abordare nu ne-a permis să dezvăluim mecanismul de formare legături chimice, ceea ce înseamnă estimarea dimensiunilor moleculelor și determinarea distanței exacte dintre atomi.
Folosind metode spectroscopice dezvoltate în secolul al XX-lea, s-a determinat structura moleculelor de apă (H 2 O), etan (C 2 H 6) și apoi molecule mult mai complexe, cum ar fi proteinele. Metodele de spectroscopie cu microunde (EPR, RMN) și difracția electronilor au făcut posibilă determinarea lungimii legăturilor, unghiurilor dintre ele (unghiuri de legătură) și poziție relativă atomi în molecule simple și Analiza difracției cu raze X– parametri similari pentru moleculele mai mari care formează cristale moleculare. Catalogare structuri moleculare iar utilizarea conceptelor simple de valență a pus bazele chimiei structurale (pionierul acesteia a fost L. Pauling) și a făcut posibilă utilizarea modele moleculare pentru a explica fenomene complexe în nivel molecular. Dacă moleculele nu ar avea o structură specifică sau dacă parametrii legăturilor C-C și C-H din cromozomi ar fi foarte diferiți de cei din moleculele de metan sau etan, atunci folosind modele geometrice simple, J. Watson și F. Crick ar nu am reușit să construiască la începutul anilor 1950 celebra sa dublă helix - un model de acid dezoxiribonucleic (ADN). Prin studierea vibrațiilor atomilor din molecule folosind spectroscopie IR și UV, a fost posibil să se stabilească natura forțelor care țin atomii în compoziția moleculelor, ceea ce, la rândul său, a sugerat prezența mișcării intramoleculare și a făcut posibilă studiul. proprietățile termodinamice ale moleculelor ( vezi mai sus). Acesta a fost primul pas către determinarea vitezei reacțiilor chimice. În plus, studiile spectroscopice în regiunea UV au ajutat la stabilirea mecanismului de formare a legăturilor chimice la nivel electronic, ceea ce a făcut posibilă descrierea reacțiilor chimice bazate pe conceptul de tranziție a reactivilor la o stare excitată (adesea sub influența vizibilului). sau lumină UV). A apărut chiar și un întreg domeniu științific - fotochimia. Spectroscopia de rezonanță magnetică nucleară (RMN) a permis chimiștilor să studieze etapele individuale ale proceselor chimice complexe și să identifice locurile active în moleculele de enzime. Această metodă a făcut posibilă, de asemenea, obținerea de imagini tridimensionale ale celulelor intacte și ale organelor individuale.
FOTOCHIMIE.
Teoria valenței. Folosind regulile de bază pentru valență dezvoltate de chimiști organici, tabel periodic elemente şi model planetar Atomul lui Rutherford, G. Lewis a stabilit că cheia înțelegerii unei legături chimice este structura electronică a unei substanțe. Lewis a ajuns la concluzia că o legătură covalentă se formează ca urmare a împărtășirii electronilor care aparțin diferiților atomi; În același timp, el a pornit de la ideea că electronii de legătură sunt localizați în învelișuri de electroni strict definite. Teoria cuantică face posibilă prezicerea structurii moleculelor și a naturii rezultatelor legături covalente
în cazul cel mai general. Ideile noastre despre structura materiei, formate datorită succeselor fizica cuantică în primul sfert al secolului al XX-lea, poate fi rezumat pe scurt după cum urmează. Structura unui atom este determinată de echilibrul forțelor electrice de repulsie (între electroni) și de atracție (între electroni și un nucleu încărcat pozitiv). Aproape toată masa unui atom este concentrată în nucleu, iar dimensiunea acestuia este determinată de cantitatea de spațiu ocupată de electronii care orbitează nucleele. Moleculele sunt compuse din nuclee relativ stabile ținute împreună de electroni care se mișcă rapid, astfel încât toate proprietățile chimice ale substanțelor pot fi explicate în termeni de interacțiune electrică. particule elementare
Odată cu apariția computerelor de mare viteză, a fost posibil să se calculeze (cu o precizie scăzută, dar suficientă) forțele care acționează între atomi în molecule poliatomice mici. Teoria valenței, bazată pe modelarea computerizată, este în prezent un instrument de lucru pentru studierea structurilor, a naturii forțelor chimice și a reacțiilor în cazurile în care efectuarea experimentelor este dificilă sau necesită timp. Aceasta se referă la studiul radicalilor liberi prezenți în atmosferă și flăcări sau formați ca intermediari de reacție. Există speranță că într-o zi o teorie bazată pe calcule computerizate va putea răspunde la întrebarea: cum într-un timp de ordinul picosecundelor structuri chimice„calculați” starea lor cea mai stabilă, în timp ce obținerea estimărilor corespunzătoare cel puțin la o anumită aproximare necesită o cantitate imensă de timp de calculator.
Cinetica chimică
studiază mecanismul reacțiilor chimice și determină vitezele acestora. La nivel macroscopic, o reacție poate fi reprezentată ca transformări succesive, în timpul cărora se formează altele dintr-o substanță. De exemplu, transformarea aparent simplă
H2 + (1/2) O2 → H2O
constă de fapt din mai multe etape succesive:
H + O2 → OH + O
O + H2 → HO + H
H + O 2 → HO 2
HO2 + H2 → H2O + OH
iar fiecare dintre ele este caracterizată de propria sa constantă de viteză k. S. Arrhenius a sugerat că temperatura absolută Tși constanta vitezei de reacție k legate de relație k = O exp(- E act)/ RT, Unde O– factor pre-exponențial (așa-numitul factor de frecvență), E act – energie de activare, R– constanta de gaz. Pentru a măsura kŞi T avem nevoie de instrumente care să ne permită urmărirea evenimentelor care au loc pe o perioadă de aproximativ 10–13 s, pe de o parte, și de-a lungul deceniilor (și chiar mileniilor) pe de altă parte (procese geologice); de asemenea, este necesar să se poată măsura concentrații minuscule de reactivi extrem de instabili. Sarcina cineticii chimice include, de asemenea, prezicerea proceselor chimice care au loc în sisteme complexe(vorbim despre procese biologice, geologice, atmosferice, ardere și sinteză chimică).
Pentru a studia reacțiile în fază gazoasă „în forma lor pură”, se utilizează metoda fasciculului molecular; în acest caz, moleculele cu stări cuantice strict definite reacționează pentru a forma produse care sunt, de asemenea, în anumite stări cuantice. Astfel de experimente oferă informații despre forțele care determină apariția anumitor reacții. De exemplu, într-o configurație a fasciculului molecular, puteți orienta chiar și molecule mici, cum ar fi CH 3 I, într-un anumit mod și puteți măsura ratele de coliziune în două reacții „diferite”:
K + ICH 3 → KI + CH 3
K + CH 3 I → KI + CH 3
unde gruparea CH3 este orientată diferit față de atomul de potasiu care se apropie.
Una dintre întrebările pe care chimia fizică (și, de asemenea fizica chimica), – calculul constantelor vitezei de reacție. Teoria stării de tranziție, dezvoltată în anii 1930, care utilizează parametrii termodinamici și structurali, este utilizată pe scară largă aici. Această teorie, combinată cu metodele fizicii clasice și mecanicii cuantice, face posibilă simularea cursului unei reacții ca și cum ar avea loc în condiții experimentale cu fascicule moleculare. Se efectuează experimente privind excitarea cu laser a anumitor legături chimice, care fac posibilă verificarea corectitudinii teoriilor statistice ale distrugerii moleculelor. Se dezvoltă teorii care generalizează conceptele fizice și matematice moderne ale proceselor haotice (de exemplu, turbulența). Nu mai suntem atât de departe de a înțelege pe deplin natura atât a interacțiunilor intra- cât și a intermoleculare, de a dezvălui mecanismul reacțiilor care au loc pe suprafețe cu proprietăți date și de a stabili structura centrilor catalitici ai enzimelor și complecșilor metalelor tranziționale. La nivel microscopic, se pot observa lucrările privind cinetica formării structurilor complexe precum fulgii de zăpadă sau dendritele (cristale cu structură arborescentă), care au stimulat dezvoltarea modelării computerizate bazate pe modele simple ale teoriei dinamicii neliniare. ; aceasta deschide perspective pentru crearea de noi abordări pentru descrierea structurii și proceselor de dezvoltare a sistemelor complexe.
Clasificarea științelor se bazează pe clasificarea formelor de mișcare a materiei și a relațiilor și diferențelor lor. Prin urmare, pentru a contura granițele chimiei fizice cu o serie de ramuri ale fizicii și chimiei, ar trebui să se ia în considerare legătura și diferența dintre formele chimice și fizice ale mișcării.
Pentru forma chimică a mișcării, adică pt proces chimic, caracterizată printr-o modificare a numărului și a aranjamentului atomilor din molecula substanțelor care reacţionează. Printre multe forme fizice de mișcare (câmp electromagnetic, mișcare și transformări ale particulelor elementare, fizica nucleelor atomice etc.) are o legătură deosebit de strânsă cu procesele chimice formă intramoleculară de mișcare (vibrații într-o moleculă; excitația și ionizarea sa electronică). Cel mai simplu proces chimic - actul elementar de disociere termică a unei molecule - are loc cu o creștere a intensității (amplitudinii și energiei) vibrațiilor în moleculă, în special vibrațiile nucleelor de-a lungul legăturii de valență dintre ele. Atingerea unei valori critice cunoscute a energiei de vibrație în direcția unei anumite legături într-o moleculă duce la ruperea acestei legături și la disocierea moleculei în două părți.
Reacțiile mai complexe care implică mai multe (de obicei două) molecule pot fi considerate ca o combinație a două molecule la ciocnirea lor într-un complex fragil și de scurtă durată (așa-numitul complex activ) și distrugerea rapidă a acestui complex în molecule noi, deoarece acest complex se dovedește a fi instabil în timpul vibrațiilor interne prin anumite conexiuni.
Astfel, un act chimic elementar este un punct special, critic, în mișcarea vibrațională a moleculelor. Acesta din urmă în sine nu poate fi considerat o mișcare chimică, dar este baza proceselor chimice primare.
Pentru transformarea chimică a unor mase semnificative de materie, adică multe molecule, sunt necesare ciocnirile de molecule și schimbul de energii între ele (transferul energiei de mișcare a moleculelor de produse de reacție la molecule de substanțe inițiale prin ciocniri). Astfel, procesul chimic real este strâns legat de al doilea formă fizică de mișcare - mișcarea haotică a moleculelor corpurilor macroscopice, care este adesea numită mișcare termică.
Relațiile reciproce ale formei chimice de mișcare cu două forme fizice de mișcare sunt prezentate mai sus pe scurt și în termeni cei mai generali. Evident, există aceleași conexiuni între procesul chimic și radiația mișcării câmp electromagnetic, cu ionizarea atomilor si moleculelor (electrochimie), etc.
Structura materiei . Această secțiune include structura atomilor, structura moleculelor și studiul stărilor de agregare.
Studiul structurii atomilor are mai mult de-a face cu fizica decât cu chimia fizică. Această doctrină stă la baza studierii structurii moleculelor.
Studiul structurii moleculelor examinează geometria moleculelor, mișcările intramoleculare și forțele care leagă atomii dintr-o moleculă. În studiile experimentale ale structurii moleculelor, metoda spectroscopiei moleculare (inclusiv spectroscopia radio) este utilizată pe scară largă, de asemenea, metodele electrice, radiografice, magnetice și alte metode.
Studiul stărilor de agregare examinează interacțiunile moleculelor din gaze, lichide și cristale, precum și proprietățile substanțelor în diferite stări de agregare. Această ramură a științei, care este foarte importantă pentru chimia fizică, poate fi considerată o parte a fizicii (fizica moleculară).
Întreaga secțiune despre structura materiei poate fi, de asemenea, considerată parte a fizicii.
Termodinamica chimica . În această secțiune, pe baza legilor termodinamicii generale, sunt prezentate legile echilibrului chimic și doctrina echilibrului de fază, care este de obicei numită regula fazelor. O parte a termodinamicii chimice este termochimie, care se ocupă de efectele termice ale reacţiilor chimice.
Studiul soluțiilor își propune să explice și să prezică proprietățile soluțiilor (amestecuri omogene de mai multe substanțe) pe baza proprietăților substanțelor care alcătuiesc soluția.
Rezolvarea acestei probleme necesită construirea unei teorii generale a interacțiunii moleculelor diferite, adică soluția la problema principală a fizicii moleculare. Pentru dezvoltarea teoriei generale și a generalizărilor particulare, se studiază structura moleculară a soluțiilor și diferitele proprietăți ale acestora în funcție de compoziție.
Doctrina fenomenelor de suprafață . Sunt studiate diferite proprietăți ale straturilor de suprafață solideși lichide (interfețe între faze); unul dintre principalele fenomene studiate în straturile de suprafaţă este adsorbţie(acumularea de substanțe în stratul de suprafață).
În sistemele în care interfețele dintre fazele lichide, solide și gazoase sunt foarte dezvoltate (soluții coloidale, emulsii, ceață, fum), proprietățile straturilor de suprafață devin de o importanță primordială și determină multe dintre proprietățile unice ale întregului sistem în ansamblu. . Astfel de microeterogene sistemele sunt studiate chimie coloidală, care este o mare secțiune independentă de chimie fizică și o disciplină academică independentă în instituțiile de învățământ superior de chimie.
Electrochimie. Se studiază interacțiunea fenomenelor electrice și a reacțiilor chimice (electroliza, sursele chimice de curent electric, teoria electrosintezei). Electrochimia include de obicei studiul proprietăților soluțiilor de electroliți, care pot fi atribuite la fel de bine și studiului soluțiilor.
Cinetică chimică și cataliză . Se studiază viteza reacțiilor chimice, dependența vitezei de reacție de condițiile externe (presiune, temperatură, descărcare electrică etc.), relația vitezei de reacție cu structura și stările energetice ale moleculelor, influența asupra vitezei de reacție. a substanțelor care nu participă la ecuația reacției stoichiometrice (cataliză).
Fotochimie. Se studiază interacțiunea radiațiilor și a substanțelor implicate în transformările chimice (reacții care apar sub influența radiațiilor, de exemplu, procese fotografice și fotosinteză, luminiscență). Fotochimia este strâns legată de cinetica chimică și de studiul structurii moleculelor.
Lista de mai sus a principalelor secțiuni ale chimiei fizice nu acoperă unele zone apărute recent și secțiuni mai mici ale acestei științe, care pot fi considerate ca părți ale secțiunilor mai mari sau ca secțiuni independente ale chimiei fizice. Acestea sunt, de exemplu, chimia radiațiilor, chimia fizică a substanțelor cu moleculare înaltă, magnetochimia, electrochimia gazelor și alte ramuri ale chimiei fizice. Importanța unora dintre ele crește în prezent rapid.
Metode de cercetare fizică și chimică
Metodele de bază ale chimiei fizice sunt, în mod firesc, metodele fizicii și chimiei. Aceasta este, în primul rând, o metodă experimentală - studiul dependenței proprietăților substanțelor de condițiile externe și studiul experimental al legilor apariției reacțiilor chimice în timp și al legilor echilibrului chimic.
Înțelegerea teoretică a materialului experimental și crearea unui sistem coerent de cunoaștere a proprietăților substanțelor și a legilor reacțiilor chimice se bazează pe următoarele metode ale fizicii teoretice.
Metoda mecanică cuantică (în special, metoda mecanicii ondulatorii), care stă la baza doctrinei structurii și proprietăților atomilor și moleculelor individuali și a interacțiunii lor între ele. Faptele referitoare la proprietățile moleculelor individuale sunt obținute în principal prin metode optice experimentale.
Metoda fizicii statistice , care face posibilă calcularea proprietăților unei substanțe; constând din multe molecule (proprietăți „macroscopice”), bazate pe informații despre proprietățile moleculelor individuale.
Metoda termodinamică , ceea ce face posibilă relaționarea cantitativă a diferitelor proprietăți ale unei substanțe (proprietăți „macroscopice”) și calcularea unora dintre aceste proprietăți pe baza valorilor experimentale ale altor proprietăți.
Cercetarea fizică și chimică modernă în orice domeniu specific se caracterizează prin utilizarea unei varietăți de metode experimentale și teoretice pentru a studia diferitele proprietăți ale substanțelor și a elucida relația acestora cu structura moleculelor. Întregul set de date și metodele teoretice de mai sus sunt utilizate pentru a atinge scopul principal - clarificarea dependenței direcției, vitezei și limitelor transformărilor chimice de condițiile externe și de structura moleculelor care participă la reacțiile chimice.
1. Chimie fizică: scop, obiective, metode de cercetare. Concepte de bază ale chimiei fizice.
Fiz. chimie - știința legilor proceselor chimice și a chimiei. fenomene.
Subiectul chimiei fizice explicația chimiei. fenomene bazate pe legi mai generale ale fizicii. Chimia fizică ia în considerare două grupuri principale de întrebări:
1. Studiul structurii și proprietăților materiei și particulelor sale constitutive;
2. Studiul proceselor de interacţiune a substanţelor.
Chimia fizică își propune să studieze legăturile dintre fenomenele chimice și cele fizice. Cunoașterea unor astfel de conexiuni este necesară pentru a studia în profunzime reacțiile chimice care apar în natură și sunt utilizate în tehnologie. proceselor, controlează adâncimea și direcția reacției. Scopul principal al disciplinei Chimie fizică este studiul conexiunilor generale și a legilor chimiei. procese bazate pe principiile fundamentale ale fizicii. Chimia fizică folosește fizicul. teorii și metode pentru fenomene chimice.
Se explică DE CE și CUM apar transformări ale substanțelor: chimie. reacții și tranziții de fază.
DE CE – termodinamică chimică. CUM - cinetica chimica.
Concepte de bază ale chimiei fizice Obiectul principal al chimiei. termodinamica este un sistem termodinamic. Termodinamic sistem – orice corp sau ansamblu de corpuri capabile să schimbe energie și materie cu sine și cu alte corpuri. Sistemele sunt împărțite în deschise, închise și izolate. - Deschide Oh schimburi de sistem termodinamic cu mediu extern – orice corp sau ansamblu de corpuri capabile să schimbe energie și materie cu sine și cu alte corpuri. Sistemele sunt împărțite în deschise, închise și izolate. și in-vom și energie. Închis- un sistem în care nu există schimb de substanţe cu mediu – orice corp sau ansamblu de corpuri capabile să schimbe energie și materie cu sine și cu alte corpuri. Sistemele sunt împărțite în deschise, închise și izolate. , dar poate face schimb de energie cu ea.
Izolat -volumul sistemului rămâne constant și este lipsit de posibilitatea de a schimba energie și materie cu mediul. ). Sistemul poate fi omogen (omogen) sau eterogen (eterogen) Fază- aceasta face parte din sistem, care în absență
câmp extern forțele au aceeași compoziție în toate punctele sale și aceeași termodinamică. St. tu și este separat de alte părți ale sistemului printr-o interfață. Faza este întotdeauna uniformă, adică. omogen, de aceea un sistem monofazat se numește omogen.
Un sistem format din mai multe faze se numește eterogen. Proprietățile sistemului sunt împărțite în două grupe: extins și intensiv. Termodinamica folosește conceptele de echilibru și procese reversibile. Echilibru este un proces care trece printr-o serie continuă de stări de echilibru. Proces termodinamic reversibil
este un proces care poate fi realizat în
sens invers legate direct de legea conservării energiei.
Pe baza acestei legi, rezultă că în orice sistem izolat aprovizionarea cu energie rămâne constantă. Din legea conservării energiei urmează o altă formulare a primei legi a termodinamicii - imposibilitatea creării unei mașini cu mișcare perpetuă (perpetuum mobile) de primul fel, care să producă muncă fără a cheltui energie pe aceasta. O formulare deosebit de importantă pentru termodinamica chimică Primul principiu este de a-l exprima prin conceptul de energie internă: energie internă este functie de stat , adică schimbarea sa nu depinde de calea procesului, ci depinde doar de starea inițială și finală a sistemului. Modificarea energiei interne a sistemului U poate apărea din cauza schimbului de căldură Q si munca W cu mediul înconjurător. Apoi din legea conservării energiei rezultă că căldura Q primită de sistem din exterior este cheltuită pentru creșterea energiei interne ΔU și munca W efectuată de sistem, adică.Δ Q=. U+V Dat la
alinierea este
expresia matematică a primei legi a termodinamicii.euînceputul termodinamicii
formularea sa:
în orice sistem izolat aprovizionarea cu energie rămâne constantă;
diferite forme de energie se transformă unele în altele în cantități strict echivalente;mașină cu mișcare perpetuă ( perpetuummobil
) de primul fel este imposibil;.
energia internă este o funcție de stare, adică schimbarea sa nu depinde de calea procesului, ci depinde doar de starea inițială și finală a sistemului poate apărea din cauza schimbului de căldură = expresie analitică: , adică schimbarea sa nu depinde de calea procesului, ci depinde doar de starea inițială și finală a sistemului. Modificarea energiei interne a sistemului + si munca D ; pentru o modificare infinitezimală a cantităților poate apărea din cauza schimbului de căldură = d + ; pentru o modificare infinitezimală a cantităților si munca .
dU
Prima lege a termodinamicii stabilește relația.
m / y căldură Q, lucru A și schimbare în interior. energia sistemului ΔU. Schimbarea internă energia sistemului este egală cu cantitatea de căldură transmisă sistemului minus cantitatea de muncă efectuată de sistem împotriva forțelor externe.
Ecuația (I.1) este o reprezentare matematică a primei legi a termodinamicii, ecuația (I.2) este pentru o schimbare infinitezimală de stare. sisteme. Int. energia este o funcție de stare; asta înseamnă că schimbarea este internă. energia ΔU nu depinde de calea de tranziție a sistemului de la starea 1 la starea 2 și este egală cu diferența de valori interne. energiile U2 și U1 în aceste stări: (I.3) masa sistemului, deoarece este o proprietate extinsă a sistemului. Int. energia este notată cu litera U și exprimată în jouli (J). În general, pentru un sistem cu o cantitate de 1 mol. Int. energie, ca orice termodinamică. Sacralitatea sistemului este o funcție a statului. Doar modificările interne apar direct în experiment. energie. De aceea în calcule se operează întotdeauna cu modificarea sa U2 –U1 = U.
Toate schimbările interne energiile sunt împărțite în două grupe. Primul grup include doar prima formă de tranziție a mișcării prin ciocniri haotice ale moleculelor a două corpuri aflate în contact, adică. prin conducţie termică (şi în acelaşi timp prin radiaţie). Măsura mișcării transmise în acest mod este căldura. Concept căldură este asociat cu comportamentul unui număr mare de particule - atomi, molecule, ioni. Sunt într-o mișcare haotică (termică) constantă. Căldura este o formă de transfer de energie. A doua modalitate de a face schimb de energie este Post. si munca Acest schimb de energie este cauzat de o acțiune efectuată de sistem sau de o acțiune efectuată asupra acestuia. De obicei lucrarea este indicată prin simbol . Munca, ca și căldura, nu este o funcție a stării sistemului, deci valoarea corespunzătoare la infinit si munca.
