เคมีเชิงฟิสิกส์ เคมีกายภาพและเคมีคอลลอยด์ ตัวอย่างของระบบในวิชาเคมีฟิสิกส์

เคมีเชิงฟิสิกส์เริ่มขึ้นในกลางศตวรรษที่ 18 คำว่า "เคมีเชิงฟิสิกส์" ในความเข้าใจสมัยใหม่เกี่ยวกับวิธีการทางวิทยาศาสตร์และประเด็นของทฤษฎีความรู้เป็นของ M. V. Lomonosov ซึ่งเป็นครั้งแรกที่อ่าน "หลักสูตรเคมีเชิงฟิสิกส์ที่แท้จริง" ให้กับนักศึกษาของมหาวิทยาลัยเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก . ในคำนำของการบรรยายเหล่านี้ เขาให้คำจำกัดความต่อไปนี้: "เคมีเชิงฟิสิกส์เป็นวิทยาศาสตร์ที่ต้องอธิบายเหตุผลของสิ่งที่เกิดขึ้นผ่านการดำเนินการทางเคมีในร่างกายที่ซับซ้อนบนพื้นฐานของหลักการและการทดลองทางกายภาพ" นักวิทยาศาสตร์ในงานทฤษฎีความร้อนเกี่ยวกับคอร์ปัสและจลน์ศาสตร์ของเขาเกี่ยวข้องกับประเด็นที่สอดคล้องกับงานและวิธีการข้างต้นอย่างสมบูรณ์ นี่เป็นธรรมชาติของการดำเนินการทดลองที่ทำหน้าที่ยืนยันสมมติฐานและข้อกำหนดของแนวคิดนี้โดยเฉพาะ M.V. Lomonosov ปฏิบัติตามหลักการดังกล่าวในหลาย ๆ ด้านของการวิจัยของเขา: ในการพัฒนาและการนำไปใช้จริงของ "วิทยาศาสตร์ของแก้ว" ซึ่งเขาก่อตั้งขึ้นในการทดลองต่าง ๆ ที่อุทิศให้กับการยืนยันกฎการอนุรักษ์สสารและแรง (การเคลื่อนที่); - ในงานและการทดลองที่เกี่ยวข้องกับการศึกษาการแก้ปัญหา - เขาได้พัฒนาโปรแกรมการวิจัยที่ครอบคลุมเกี่ยวกับปรากฏการณ์ทางกายภาพและเคมีนี้ซึ่งอยู่ในกระบวนการพัฒนาจนถึงปัจจุบัน

ตามด้วยการหยุดพักนานกว่าหนึ่งศตวรรษ และ D.I. Mendeleev เป็นหนึ่งในคนกลุ่มแรกๆ ในรัสเซียที่เริ่มการวิจัยทางกายภาพและเคมีในช่วงปลายทศวรรษที่ 1850

วิชาเคมีเชิงฟิสิกส์ครั้งต่อไปสอนโดย N. N. Beketov ใน มหาวิทยาลัยคาร์คอฟในปี พ.ศ. 2408

ภาควิชาเคมีเชิงฟิสิกส์แห่งแรกในรัสเซียเปิดทำการในปี พ.ศ. 2457 ที่คณะฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ของมหาวิทยาลัยเซนต์ปีเตอร์สเบิร์กในฤดูใบไม้ร่วงเริ่มสอนหลักสูตรภาคบังคับและ ชั้นเรียนภาคปฏิบัติในวิชาเคมีฟิสิกส์นักศึกษาของ D. P. Konovalov, M. S. Vrevsky

อันดับแรก วารสารวิทยาศาสตร์มีวัตถุประสงค์เพื่อการตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับเคมีเชิงฟิสิกส์ ก่อตั้งขึ้นในปี พ.ศ. 2430 โดย W. Ostwald และ J. van't Hoff

สาขาวิชาเคมีเชิงฟิสิกส์

เคมีเชิงฟิสิกส์เป็นรากฐานทางทฤษฎีหลัก เคมีสมัยใหม่โดยใช้วิธีทางทฤษฎีของสาขาฟิสิกส์ที่สำคัญ เช่น กลศาสตร์ควอนตัม ฟิสิกส์สถิติและอุณหพลศาสตร์ พลศาสตร์ไม่เชิงเส้น ทฤษฎีสนาม ฯลฯ รวมถึงการศึกษาโครงสร้างของสสาร ได้แก่ โครงสร้างของโมเลกุล อุณหพลศาสตร์เคมี จลนศาสตร์เคมี และ การเร่งปฏิกิริยา เนื่องจากส่วนที่แยกกันในเคมีฟิสิกส์ ยังมีเคมีไฟฟ้า เคมีแสง เคมีฟิสิกส์ของปรากฏการณ์พื้นผิว (รวมถึงการดูดซับ) เคมีรังสี การศึกษาการกัดกร่อนของโลหะ เคมีฟิสิกส์ของสารประกอบโมเลกุลสูง (ดูฟิสิกส์ของโพลีเมอร์) เป็นต้น มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับเคมีเชิงฟิสิกส์ และบางครั้งถือเป็นเคมีคอลลอยด์ส่วนที่เป็นอิสระ การวิเคราะห์เชิงฟิสิกส์และเคมี และเคมีควอนตัม สาขาวิชาเคมีฟิสิกส์ส่วนใหญ่มีขอบเขตที่ชัดเจนในแง่ของวัตถุและวิธีการวิจัย คุณลักษณะด้านระเบียบวิธี และอุปกรณ์ที่ใช้

ความแตกต่างระหว่างเคมีเชิงฟิสิกส์และฟิสิกส์เคมี

ความเป็นโมเลกุลของปฏิกิริยาเบื้องต้นคือจำนวนอนุภาคที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเคมีเบื้องต้นตามกลไกปฏิกิริยาที่สร้างขึ้นจากการทดลอง ปฏิกิริยาโมเลกุลเดี่ยว- ปฏิกิริยาที่เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีของโมเลกุลหนึ่ง (ไอโซเมอไรเซชัน การแยกตัวออกจากกัน ฯลฯ ): ชม 2 ส → ชม 2 + ส ปฏิกิริยาสองโมเลกุล- ปฏิกิริยา การกระทำเบื้องต้นที่เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคสองตัว (เหมือนกันหรือต่างกัน) ชนกัน: CH 3 Br + KOH → CH 3 OH + KBr ปฏิกิริยาไตรโมเลกุล- ปฏิกิริยา การกระทำเบื้องต้นที่เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคทั้งสามชนกัน: О 2 + ไม่ + ไม่ใช่ → 2NO 2 ไม่ทราบปฏิกิริยาที่มีโมเลกุลมากกว่าสาม สำหรับปฏิกิริยาเบื้องต้นที่ดำเนินการที่ความเข้มข้นใกล้เคียงกันของสารตั้งต้น ค่าของโมเลกุลและลำดับปฏิกิริยาจะเท่ากัน ไม่มีความสัมพันธ์ที่ชัดเจนระหว่างแนวคิดเรื่องความเป็นโมเลกุลและลำดับปฏิกิริยา เนื่องจากลำดับปฏิกิริยาแสดงลักษณะสมการจลน์ของปฏิกิริยา และความเป็นโมเลกุลแสดงลักษณะกลไกของปฏิกิริยา ทิศทางหลักของอุณหพลศาสตร์เคมีคือ: อุณหพลศาสตร์เคมีคลาสสิกศึกษาสมดุลทางอุณหพลศาสตร์โดยทั่วไป อุณหเคมีซึ่งศึกษาผลกระทบทางความร้อนที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมี ทฤษฎีการแก้ปัญหาซึ่งจำลองคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของสสารตามแนวคิดเกี่ยวกับ โครงสร้างโมเลกุลและข้อมูลเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล อุณหพลศาสตร์เคมีมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับสาขาวิชาเคมีเช่น การดูดซับและโครมาโตกราฟี การวิเคราะห์เชิงฟิสิกส์และเคมี ทฤษฎีการวิเคราะห์ทางกายภาพและเคมีขึ้นอยู่กับหลักการของการติดต่อและความต่อเนื่องที่กำหนดโดย N. S. Kurnakov หลักการของความต่อเนื่องระบุว่าหากเฟสใหม่ไม่เกิดขึ้นในระบบหรือเฟสที่มีอยู่ไม่หายไป เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ของระบบอย่างต่อเนื่องคุณสมบัติของแต่ละเฟสและคุณสมบัติของระบบโดยรวมก็จะเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง . หลักการโต้ตอบระบุว่าแต่ละเฟสที่ซับซ้อนสอดคล้องกับภาพเรขาคณิตที่แน่นอนในแผนภาพองค์ประกอบ-คุณสมบัติ ทฤษฎีปฏิกิริยาของสารประกอบเคมี เคมีพลังงานสูง (HEC) ศึกษาปฏิกิริยาทางเคมีและการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในสสารภายใต้อิทธิพลของพลังงานที่ไม่ใช่ความร้อน กลไกและจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาและการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวมีลักษณะเฉพาะคือความเข้มข้นที่ไม่สมดุลอย่างมีนัยสำคัญของอนุภาคที่เร็ว ตื่นเต้น หรือแตกตัวเป็นไอออนด้วยพลังงานที่มากกว่าพลังงานของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน และในบางกรณี อาจรวมถึงพันธะเคมีด้วย พาหะของพลังงานที่ไม่ใช่ความร้อนที่กระทำต่อสสาร: อิเล็กตรอนและไอออนเร่ง, นิวตรอนเร็วและช้า, อนุภาคอัลฟ่าและเบตา, โพซิตรอน, มิวออน, ไพออน, อะตอมและโมเลกุลที่ความเร็วเหนือเสียง, ควอนตัมของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า รวมถึงพัลส์ไฟฟ้า แม่เหล็ก และสนามอะคูสติก กระบวนการเคมีพลังงานสูงแบ่งแยกตามระยะเวลาเป็นกายภาพ โดยเกิดขึ้นในหน่วยเฟมโตวินาทีหรือน้อยกว่า ในระหว่างที่พลังงานที่ไม่ใช่ความร้อนถูกกระจายอย่างไม่สม่ำเสมอในตัวกลางและเกิด "ฮอตสปอต" ซึ่งเป็นเคมีกายภาพ ในระหว่างที่ไม่มีความสมดุลและความไม่เป็นเนื้อเดียวกันใน “จุดร้อน” ปรากฏให้เห็น และสุดท้ายคือสารเคมี ซึ่งการเปลี่ยนแปลงของสสารเป็นไปตามกฎเคมีทั่วไป เป็นผลให้ไอออนและสถานะตื่นเต้นของอะตอมและโมเลกุลเกิดขึ้นที่อุณหภูมิห้องซึ่งไม่สามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจากกระบวนการสมดุล ลักษณะภายนอกของ CH คือการก่อตัวของไอออนและสภาวะตื่นเต้นของอะตอมและโมเลกุลที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งอนุภาคเหล่านี้ไม่สามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจากกระบวนการสมดุล N. E. Ablesimov กำหนดหลักการผ่อนคลายในการควบคุมคุณสมบัติของระบบเคมีกายภาพที่ไม่สมดุล ในกรณีที่เวลาผ่อนคลายนานกว่าระยะเวลาของการกระแทกทางกายภาพมาก สามารถควบคุมเอาท์พุตได้ รูปแบบทางเคมี, ระยะและผลที่ตามมาคือคุณสมบัติของสาร (วัสดุ) โดยใช้ข้อมูลเกี่ยวกับกลไกการผ่อนคลายในระบบควบแน่นที่ไม่มีสมดุลในขั้นตอนเคมีกายภาพของกระบวนการผ่อนคลาย (รวมถึงระหว่างการทำงาน) ส่วนหลักของ HVE เคมีพลาสม่า (ในเฟสก๊าซและควบแน่น) และอื่น ๆ เคมีเลเซอร์ รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (รังสีเอกซ์ รังสี γ รังสีซินโครตรอน) และฟลักซ์ของอนุภาคที่มีความเร่ง (อิเล็กตรอน โปรตอน นิวตรอน เฮไลออน ไอออนหนัก เศษฟิชชันของนิวเคลียสหนัก ฯลฯ) ซึ่งมีพลังงานเกินกว่าศักยภาพไอออไนเซชันของ อะตอมหรือโมเลกุล ( ในกรณีส่วนใหญ่จะอยู่ในช่วง 10-15 eV). เคมีของการฉายรังสีจะตรวจสอบกระบวนการทางเคมีบางอย่างที่ไม่สามารถทำได้โดยใช้วิธีทางเคมีแบบเดิมๆ รังสีไอออไนซ์สามารถลดอุณหภูมิของปฏิกิริยาเคมีได้อย่างมากโดยไม่ต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาและตัวเริ่มปฏิกิริยา ประวัติความเป็นมาของเคมีรังสี เคมีของการแผ่รังสีเกิดขึ้นหลังจากการค้นพบรังสีเอกซ์โดย W. Roentgen ในปี พ.ศ. 2438 และกัมมันตภาพรังสีโดย A. Becquerel ในปี พ.ศ. 2439 ซึ่งเป็นคนแรกที่สังเกตผลกระทบของรังสีในแผ่นถ่ายภาพ งานแรกเกี่ยวกับเคมีรังสีดำเนินการในปี พ.ศ. 2442-2446 โดยคู่สมรส M. Curie และ P. Curie ในปีต่อๆ มา มีการศึกษาจำนวนมากที่สุดในเรื่องการแผ่รังสีของน้ำและสารละลายที่เป็นน้ำ เคมีนิวเคลียร์ ทิศทางหลักของเคมีนิวเคลียร์: การศึกษาปฏิกิริยานิวเคลียร์และกระบวนการทางกายภาพและเคมีประกอบ เคมีของ “อะตอมใหม่”; การค้นหาและการสังเคราะห์ธาตุใหม่และนิวไคลด์กัมมันตภาพรังสีโดยใช้วิธีเครื่องปฏิกรณ์ ค้นหาการสลายกัมมันตภาพรังสีชนิดใหม่ เคมีไฟฟ้า เคมีไฟฟ้าเป็นสาขาหนึ่งของวิทยาศาสตร์เคมีที่ตรวจสอบระบบและขอบเขตระหว่างเฟสเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ศึกษากระบวนการในตัวนำ บนอิเล็กโทรด (ที่ทำจากโลหะหรือเซมิคอนดักเตอร์ รวมถึงกราไฟต์) และในตัวนำไอออนิก (อิเล็กโทรไลต์) กระบวนการศึกษาเคมีไฟฟ้า

เนื้อหาของบทความ

เคมีกายภาพสาขาเคมีที่เรียนอยู่ คุณสมบัติทางเคมีสารที่ใช้ คุณสมบัติทางกายภาพอะตอมและโมเลกุลที่เป็นส่วนประกอบ ทันสมัย เคมีกายภาพ– สาขาสหวิทยาการอันกว้างขวางซึ่งมีพรมแดนสาขาฟิสิกส์ ชีวฟิสิกส์ และสาขาต่างๆ อณูชีววิทยา- มีจุดติดต่อกับส่วนดังกล่าวหลายจุด วิทยาศาสตร์เคมีเช่นเคมีอินทรีย์และอนินทรีย์

คุณลักษณะที่โดดเด่นของวิธีการทางเคมี (ตรงข้ามกับทางกายภาพและทางชีววิทยา) คือภายในกรอบของมัน พร้อมกับคำอธิบายของปรากฏการณ์มหภาค ธรรมชาติของพวกมันถูกอธิบายโดยพิจารณาจากคุณสมบัติของแต่ละโมเลกุลและปฏิสัมพันธ์ระหว่างพวกมัน

การพัฒนาเครื่องมือและวิธีการใหม่ในสาขาเคมีเชิงฟิสิกส์ถูกนำมาใช้ในสาขาเคมีและวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องอื่นๆ เช่น เภสัชวิทยาและการแพทย์ ตัวอย่างได้แก่ วิธีเคมีไฟฟ้า, สเปกโทรสโกปีอินฟราเรด (IR) และอัลตราไวโอเลต (UV) เทคโนโลยีเลเซอร์และเรโซแนนซ์เรโซแนนซ์ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในการบำบัดและสำหรับการวินิจฉัยโรคต่างๆ

สาขาวิชาหลักของเคมีเชิงฟิสิกส์ได้รับการพิจารณาแบบดั้งเดิม: 1) อุณหพลศาสตร์เคมี; 2) ทฤษฎีจลน์ศาสตร์และอุณหพลศาสตร์เชิงสถิติ 3) คำถามเกี่ยวกับโครงสร้างของโมเลกุลและสเปกโทรสโกปี 4) จลนพลศาสตร์เคมี

อุณหพลศาสตร์เคมี

อุณหพลศาสตร์เคมีเกี่ยวข้องโดยตรงกับการประยุกต์ใช้อุณหพลศาสตร์ - ศาสตร์แห่งความร้อนและการเปลี่ยนแปลง - กับปัญหาสมดุลเคมี สาระสำคัญของปัญหามีการกำหนดดังนี้: หากทราบส่วนผสมของรีเอเจนต์ (ระบบ) และสภาวะทางกายภาพซึ่งมีอยู่ (อุณหภูมิ, ความดัน, ปริมาตร) ดังนั้นกระบวนการทางเคมีและกายภาพที่เกิดขึ้นเองสามารถนำมาซึ่งระบบนี้ได้ สู่ความสมดุล? กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าความร้อนเป็นรูปแบบหนึ่งของพลังงาน และพลังงานทั้งหมดของระบบ (รวมถึงสภาพแวดล้อมด้วย) ยังคงที่ ดังนั้นกฎข้อนี้จึงเป็นกฎการอนุรักษ์พลังงานรูปแบบหนึ่ง ตามกฎข้อที่สอง กระบวนการที่เกิดขึ้นเองจะนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีโดยรวมของระบบและสภาพแวดล้อมของระบบ เอนโทรปีคือการวัดปริมาณพลังงานที่ระบบไม่สามารถใช้ดำเนินการได้ งานที่มีประโยชน์- กฎข้อที่สองระบุทิศทางที่ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นโดยไม่มีอิทธิพลจากภายนอก หากต้องการเปลี่ยนลักษณะของปฏิกิริยา (เช่น ทิศทาง) คุณต้องใช้พลังงานในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง ดังนั้นจึงมีข้อจำกัดที่เข้มงวดเกี่ยวกับปริมาณงานที่สามารถทำได้โดยการแปลงความร้อนหรือ พลังงานเคมีปล่อยออกมาในกระบวนการที่พลิกกลับได้

เราเป็นหนี้ความสำเร็จที่สำคัญในด้านอุณหพลศาสตร์เคมีของ J. Gibbs ซึ่งเป็นผู้วางรากฐานทางทฤษฎีของวิทยาศาสตร์นี้ ซึ่งทำให้สามารถรวมผลลัพธ์ที่ได้รับจากนักวิจัยหลายคนในรุ่นก่อน ๆ ให้เป็นผลลัพธ์เดียว ภายในกรอบของแนวทางที่พัฒนาโดย Gibbs ไม่มีการตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับโครงสร้างจุลภาคของสสาร แต่พิจารณาคุณสมบัติสมดุลของระบบในระดับมหภาค นี่คือเหตุผลที่เราคิดได้ว่ากฎข้อที่หนึ่งและสองของอุณหพลศาสตร์นั้นเป็นสากลและจะยังคงใช้ได้แม้ว่าเราจะเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับคุณสมบัติของโมเลกุลและอะตอมก็ตาม

ทฤษฎีจลน์ศาสตร์และอุณหพลศาสตร์ทางสถิติ

อุณหพลศาสตร์ทางสถิติ (เช่น กลศาสตร์ควอนตัม) ช่วยให้เราสามารถทำนายตำแหน่งสมดุลของปฏิกิริยาบางอย่างในเฟสก๊าซได้ เมื่อใช้วิธีการทางกลควอนตัม ทำให้สามารถอธิบายพฤติกรรมของโมเลกุลเชิงซ้อนของสารจำนวนหนึ่งที่อยู่ในสถานะของเหลวและของแข็งได้ อย่างไรก็ตาม มีปฏิกิริยาที่ไม่สามารถคำนวณอัตราได้ภายในกรอบของ ทฤษฎีจลน์ศาสตร์หรือใช้อุณหพลศาสตร์ทางสถิติ

การปฏิวัติอย่างแท้จริงในคลาสสิก อุณหพลศาสตร์ทางสถิติเกิดขึ้นในยุค 70 ของศตวรรษที่ 20 แนวคิดใหม่ เช่น ความเป็นสากล (แนวคิดที่ว่าสมาชิกของสารประกอบประเภทกว้างๆ บางประเภทมีคุณสมบัติเหมือนกัน) และหลักการของความคล้ายคลึงกัน (การประมาณปริมาณที่ไม่ทราบตามเกณฑ์ที่ทราบ) ทำให้สามารถเข้าใจพฤติกรรมของของเหลวที่ใกล้กับจุดวิกฤติได้ดีขึ้น จุดที่ความแตกต่างระหว่างของเหลวและก๊าซ โดยใช้คอมพิวเตอร์ จำลองคุณสมบัติของของเหลวธรรมดา (อาร์กอนของเหลว) และของเหลวเชิงซ้อน (น้ำและแอลกอฮอล์) ในสถานะวิกฤติ เมื่อเร็วๆ นี้ คุณสมบัติของของเหลว เช่น ฮีเลียมเหลว (พฤติกรรมที่อธิบายไว้อย่างสมบูรณ์ภายในกรอบของกลศาสตร์ควอนตัม) และอิเล็กตรอนอิสระในของเหลวโมเลกุลได้รับการศึกษาอย่างครอบคลุมโดยใช้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ สิ่งนี้ทำให้เราเข้าใจคุณสมบัติของของเหลวธรรมดาได้ดีขึ้น วิธีการทางคอมพิวเตอร์ร่วมกับการพัฒนาทางทฤษฎีล่าสุดถูกนำมาใช้อย่างเข้มข้นเพื่อศึกษาพฤติกรรมของสารละลาย โพลีเมอร์ ไมเซลล์ (อนุภาคคอลลอยด์จำเพาะ) โปรตีน และ โซลูชั่นไอออนิก- เพื่อแก้ปัญหาในวิชาเคมีฟิสิกส์ โดยเฉพาะการอธิบายคุณสมบัติบางอย่างของระบบในสภาวะวิกฤตและประเด็นการศึกษาในฟิสิกส์พลังงานสูง มีการใช้กันมากขึ้น วิธีทางคณิตศาสตร์กลุ่มการฟื้นฟู

โครงสร้างโมเลกุลและสเปกโทรสโกปี

นักเคมีอินทรีย์แห่งศตวรรษที่ 19 ที่พัฒนา กฎง่ายๆกำหนดความจุ (ความสามารถในการรวม) ของหลาย ๆ คน องค์ประกอบทางเคมี- ตัวอย่างเช่น พวกเขาพบว่าความจุของคาร์บอนคือ 4 (อะตอมของคาร์บอนหนึ่งอะตอมสามารถแนบอะตอมไฮโดรเจนสี่อะตอมเพื่อสร้างโมเลกุลมีเทน CH 4) ออกซิเจน - 2 ไฮโดรเจน - 1 ตามแนวคิดเชิงประจักษ์จากข้อมูลการทดลอง มีการตั้งสมมติฐานขึ้น เกี่ยวกับการจัดเรียงอะตอมเชิงพื้นที่ในโมเลกุล (เช่น โมเลกุลมีเทนมีโครงสร้างทรงสี่หน้าโดยมีอะตอมของคาร์บอนอยู่ตรงกลาง ปิรามิดสามเหลี่ยมและไฮโดรเจนอยู่ที่จุดยอดทั้งสี่) อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้ไม่อนุญาตให้เราเปิดเผยกลไกของการก่อตัว พันธะเคมีซึ่งหมายถึงการประมาณขนาดของโมเลกุลและกำหนดระยะห่างที่แน่นอนระหว่างอะตอม

โดยใช้วิธีการทางสเปกโทรสโกปีที่พัฒนาขึ้นในศตวรรษที่ 20 โครงสร้างของโมเลกุลน้ำ (H 2 O) อีเทน (C 2 H 6) จากนั้นจึงกำหนดโมเลกุลที่ซับซ้อนมากขึ้นเช่นโปรตีน วิธีไมโครเวฟสเปกโทรสโกปี (EPR, NMR) และการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนทำให้สามารถกำหนดความยาวของพันธะ มุมระหว่างพวกมัน (มุมของพันธะ) และ ตำแหน่งสัมพัทธ์อะตอมในโมเลกุลเชิงเดี่ยว และ การวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์– พารามิเตอร์ที่คล้ายกันสำหรับโมเลกุลขนาดใหญ่ที่ก่อตัวเป็นผลึกโมเลกุล แคตตาล็อก โครงสร้างโมเลกุลและการใช้แนวคิดง่ายๆ ของวาเลนซีได้วางรากฐานของเคมีเชิงโครงสร้าง (ผู้บุกเบิกคือ แอล. พอลลิง) และทำให้สามารถใช้งานได้ แบบจำลองโมเลกุลเพื่ออธิบายปรากฏการณ์ที่ซับซ้อนใน ระดับโมเลกุล- ถ้าโมเลกุลไม่มีโครงสร้างเฉพาะหรือถ้าพารามิเตอร์ของพันธะ C–C และ C–H ในโครโมโซมแตกต่างอย่างมากจากพันธะในโมเลกุลมีเทนหรืออีเทน ดังนั้น J. Watson และ F. Crick จะใช้แบบจำลองทางเรขาคณิตอย่างง่าย ไม่สามารถสร้างเกลียวคู่อันโด่งดังได้เมื่อต้นทศวรรษ 1950 ซึ่งเป็นแบบจำลองของกรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก (DNA) ด้วยการศึกษาการสั่นสะเทือนของอะตอมในโมเลกุลโดยใช้สเปกโทรสโกปีแบบ IR และ UV มันเป็นไปได้ที่จะสร้างลักษณะของแรงที่ยึดอะตอมไว้ในองค์ประกอบของโมเลกุลซึ่งในทางกลับกันก็แนะนำการมีอยู่ของการเคลื่อนที่ภายในโมเลกุลและทำให้สามารถศึกษาได้ คุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของโมเลกุล ( ดูด้านบน- นี่เป็นก้าวแรกในการกำหนดอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี นอกจากนี้ การศึกษาทางสเปกโทรสโกปีในภูมิภาค UV ยังช่วยสร้างกลไกของการสร้างพันธะเคมีในระดับอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งทำให้สามารถอธิบายปฏิกิริยาเคมีตามแนวคิดของการเปลี่ยนรีเอเจนต์ไปสู่สถานะตื่นเต้น (มักอยู่ภายใต้อิทธิพลของการมองเห็นที่มองเห็นได้) หรือแสงยูวี) แม้แต่สาขาวิทยาศาสตร์ทั้งหมดก็เกิดขึ้น - โฟโตเคมี สเปกโทรสโกปีด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กนิวเคลียร์ (NMR) ช่วยให้นักเคมีสามารถศึกษาแต่ละขั้นตอนของกระบวนการทางเคมีที่ซับซ้อน และระบุตำแหน่งที่ทำงานอยู่ในโมเลกุลของเอนไซม์ วิธีนี้ยังทำให้ได้ภาพสามมิติของเซลล์และอวัยวะแต่ละส่วนที่ไม่เสียหายอีกด้วย

เคมีแสง.

ทฤษฎีวาเลนซ์ การใช้กฎทั่วไปสำหรับวาเลนซ์ที่พัฒนาโดยนักเคมีอินทรีย์ตารางธาตุ องค์ประกอบและแบบจำลองดาวเคราะห์ จี. ลูอิส อะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด ยอมรับว่ากุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจพันธะเคมีคือโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ของสาร ลูอิสได้ข้อสรุปว่าพันธะโควาเลนต์เกิดขึ้นจากการแบ่งปันอิเล็กตรอนของอะตอมต่างๆ ในเวลาเดียวกัน เขาได้สานต่อแนวคิดที่ว่าพันธะอิเล็กตรอนนั้นอยู่ในเปลือกอิเล็กตรอนที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด ทฤษฎีควอนตัมทำให้สามารถทำนายโครงสร้างของโมเลกุลและธรรมชาติของการก่อตัวได้พันธะโควาเลนต์

ในกรณีทั่วไปที่สุด ความคิดของเราเกี่ยวกับโครงสร้างของสสารเกิดขึ้นจากความสำเร็จฟิสิกส์ควอนตัม ในช่วงไตรมาสแรกของศตวรรษที่ 20 สามารถสรุปโดยย่อได้ดังนี้ โครงสร้างของอะตอมถูกกำหนดโดยความสมดุลของแรงผลักไฟฟ้า (ระหว่างอิเล็กตรอน) และแรงดึงดูด (ระหว่างอิเล็กตรอนกับนิวเคลียสที่มีประจุบวก) มวลเกือบทั้งหมดของอะตอมกระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียส และขนาดของมันจะถูกกำหนดโดยปริมาณพื้นที่ที่อิเล็กตรอนครอบครองซึ่งโคจรรอบนิวเคลียส โมเลกุลประกอบด้วยนิวเคลียสที่ค่อนข้างเสถียรซึ่งยึดติดกันด้วยอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว เพื่อให้สามารถอธิบายคุณสมบัติทางเคมีทั้งหมดของสารในแง่ของปฏิกิริยาทางไฟฟ้าได้อนุภาคมูลฐาน

ด้วยการถือกำเนิดของคอมพิวเตอร์ความเร็วสูง ทำให้สามารถคำนวณ (ด้วยความแม่นยำต่ำแต่เพียงพอ) แรงที่กระทำระหว่างอะตอมในโมเลกุลโพลีอะตอมมิกขนาดเล็ก ทฤษฎีเวเลนซ์ซึ่งใช้การสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์เป็นหลัก ปัจจุบันเป็นเครื่องมือในการศึกษาโครงสร้าง ธรรมชาติของแรงเคมี และปฏิกิริยา ในกรณีที่การทดลองทำได้ยากหรือใช้เวลานาน หมายถึงการศึกษาอนุมูลอิสระที่มีอยู่ในบรรยากาศและเปลวไฟหรือก่อตัวเป็นตัวกลางในการทำปฏิกิริยา มีความหวังว่าสักวันหนึ่งทฤษฎีที่ใช้การคำนวณด้วยคอมพิวเตอร์จะสามารถตอบคำถามได้: ในช่วงเวลาของพิโควินาทีจะเป็นอย่างไร โครงสร้างทางเคมี"คำนวณ" สถานะที่เสถียรที่สุด ในขณะที่การได้รับค่าประมาณที่สอดคล้องกันอย่างน้อยก็ประมาณค่าหนึ่งต้องใช้เวลาคอมพิวเตอร์เป็นจำนวนมาก

จลนพลศาสตร์เคมี

ศึกษากลไกของปฏิกิริยาเคมีและกำหนดอัตรา ในระดับมหภาค ปฏิกิริยาสามารถแสดงในรูปแบบของการเปลี่ยนแปลงต่อเนื่อง ในระหว่างที่ปฏิกิริยาอื่นๆ เกิดขึ้นจากสารชนิดเดียว เช่น การเปลี่ยนแปลงที่ดูเหมือนเรียบง่าย

ชม. 2 + (1/2) O 2 → ชม. 2 ต

จริงๆ แล้วประกอบด้วยหลายขั้นตอนติดต่อกัน:

H + O 2 → OH + O

O + H 2 → H2O + H

H + O 2 → H2O 2

HO 2 + H 2 → H 2 O + OH

และแต่ละรายการมีลักษณะเฉพาะด้วยค่าคงที่อัตราของตัวเอง เค- เอส อาร์เรเนียส แนะนำว่าอุณหภูมิสัมบูรณ์ ตและอัตราการเกิดปฏิกิริยาคงที่ เคสัมพันธ์กันด้วยความสัมพันธ์ เค = กประสบการณ์(- อีกระทำ)/ RT, ที่ไหน ก– ปัจจัยก่อนเลขชี้กำลัง (ที่เรียกว่าปัจจัยความถี่) อีการกระทำ - พลังงานกระตุ้น ร– ค่าคงที่ของแก๊ส เพื่อวัด เคและ ตเราต้องการเครื่องมือที่ช่วยให้เราสามารถติดตามเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาประมาณ 10-13 วินาทีในด้านหนึ่ง และในช่วงหลายทศวรรษ (และแม้กระทั่งนับพันปี) ในด้านอื่น ๆ (กระบวนการทางธรณีวิทยา) นอกจากนี้ยังจำเป็นต้องสามารถวัดความเข้มข้นเพียงเล็กน้อยของรีเอเจนต์ที่ไม่เสถียรอย่างยิ่งได้ งานของจลนศาสตร์เคมียังรวมถึงการทำนายกระบวนการทางเคมีที่เกิดขึ้นด้วย ระบบที่ซับซ้อน(เรากำลังพูดถึงกระบวนการทางชีวภาพ ธรณีวิทยา บรรยากาศ การเผาไหม้ และการสังเคราะห์ทางเคมี)

เพื่อศึกษาปฏิกิริยาของเฟสก๊าซ "ในรูปแบบบริสุทธิ์" จะใช้วิธีลำแสงโมเลกุล ในกรณีนี้ โมเลกุลที่มีสถานะควอนตัมที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัดจะตอบสนองต่อการสร้างผลิตภัณฑ์ที่อยู่ในสถานะควอนตัมบางสถานะเช่นกัน การทดลองดังกล่าวให้ข้อมูลเกี่ยวกับแรงที่กำหนดการเกิดปฏิกิริยาบางอย่าง ตัวอย่างเช่น ในการตั้งค่าลำแสงโมเลกุล คุณสามารถปรับทิศทางแม้แต่โมเลกุลขนาดเล็ก เช่น CH 3 I ในลักษณะที่กำหนด และวัดอัตราการชนกันในปฏิกิริยา "ที่แตกต่างกัน" สองปฏิกิริยา:

K + ICH 3 → KI + CH 3

K + CH 3 ฉัน → KI + CH 3

โดยที่กลุ่ม CH 3 นั้นมีทิศทางที่แตกต่างกันเมื่อเทียบกับอะตอมโพแทสเซียมที่เข้าใกล้

หนึ่งในคำถามที่ว่าเคมีเชิงฟิสิกส์(และยัง ฟิสิกส์เคมี), – การคำนวณค่าคงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยา ทฤษฎีสถานะการเปลี่ยนแปลงซึ่งพัฒนาขึ้นในช่วงทศวรรษที่ 1930 ซึ่งใช้พารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์และโครงสร้างถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายที่นี่ ทฤษฎีนี้เมื่อรวมกับวิธีการของฟิสิกส์คลาสสิกและกลศาสตร์ควอนตัม ทำให้สามารถจำลองการเกิดปฏิกิริยาราวกับว่ามันเกิดขึ้นภายใต้เงื่อนไขของการทดลองด้วยคานโมเลกุล กำลังทำการทดลองเกี่ยวกับการกระตุ้นด้วยเลเซอร์ของพันธะเคมีบางชนิดซึ่งทำให้สามารถตรวจสอบความถูกต้องของทฤษฎีทางสถิติเกี่ยวกับการทำลายโมเลกุลได้ ทฤษฎีกำลังได้รับการพัฒนาเพื่อสรุปแนวคิดทางกายภาพและคณิตศาสตร์สมัยใหม่เกี่ยวกับกระบวนการวุ่นวาย (เช่น ความปั่นป่วน) เราอยู่ไม่ไกลจากความเข้าใจธรรมชาติของปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลและภายในโมเลกุลอีกต่อไป เผยให้เห็นกลไกของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวตามคุณสมบัติที่กำหนด และสร้างโครงสร้างของศูนย์กลางตัวเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์และสารเชิงซ้อนของโลหะทรานซิชัน ในระดับจุลภาค สามารถสังเกตการทำงานเกี่ยวกับจลนพลศาสตร์ของการก่อตัวของโครงสร้างที่ซับซ้อน เช่น เกล็ดหิมะหรือเดนไดรต์ (คริสตัลที่มีโครงสร้างคล้ายต้นไม้) ซึ่งกระตุ้นการพัฒนาการสร้างแบบจำลองด้วยคอมพิวเตอร์โดยใช้แบบจำลองอย่างง่ายของทฤษฎีพลวัตไม่เชิงเส้น ; นี่เป็นการเปิดโอกาสสำหรับการสร้างแนวทางใหม่ในการอธิบายโครงสร้างและกระบวนการพัฒนาของระบบที่ซับซ้อน

การจำแนกประเภทของวิทยาศาสตร์ขึ้นอยู่กับการจำแนกรูปแบบของการเคลื่อนที่ของสสาร ตลอดจนความสัมพันธ์และความแตกต่าง ดังนั้น เพื่อสรุปขอบเขตของเคมีเชิงฟิสิกส์กับสาขาฟิสิกส์และเคมีหลายแขนง เราควรพิจารณาความเชื่อมโยงและความแตกต่างระหว่างรูปแบบการเคลื่อนที่ทางเคมีและกายภาพ

สำหรับรูปแบบทางเคมีของการเคลื่อนไหวเช่น สำหรับ กระบวนการทางเคมีโดดเด่นด้วยการเปลี่ยนแปลงจำนวนและการจัดเรียงอะตอมในโมเลกุลของสารที่ทำปฏิกิริยา ในหมู่หลาย ๆ คน รูปแบบการเคลื่อนไหวทางกายภาพ (สนามแม่เหล็กไฟฟ้า การเคลื่อนที่และการเปลี่ยนแปลงของอนุภาคมูลฐาน ฟิสิกส์ของนิวเคลียสของอะตอม ฯลฯ) มีความสัมพันธ์ใกล้ชิดเป็นพิเศษกับกระบวนการทางเคมี รูปแบบการเคลื่อนไหวภายในโมเลกุล (การสั่นสะเทือนในโมเลกุล; การกระตุ้นทางอิเล็กทรอนิกส์และการแตกตัวเป็นไอออน) กระบวนการทางเคมีที่ง่ายที่สุด - การกระทำเบื้องต้นของการแยกตัวด้วยความร้อนของโมเลกุล - เกิดขึ้นพร้อมกับการเพิ่มความเข้ม (แอมพลิจูดและพลังงาน) ของการสั่นสะเทือนในโมเลกุล โดยเฉพาะอย่างยิ่งการสั่นสะเทือนของนิวเคลียสตามพันธะเวเลนซ์ระหว่างพวกมัน การเข้าถึงค่าวิกฤตที่ทราบของพลังงานการสั่นสะเทือนในทิศทางของพันธะบางอย่างในโมเลกุล นำไปสู่การแตกของพันธะนี้และการแยกตัวของโมเลกุลออกเป็นสองส่วน

ปฏิกิริยาที่ซับซ้อนมากขึ้นที่เกี่ยวข้องกับโมเลกุลหลาย ๆ (โดยปกติคือสอง) ถือได้ว่าเป็นการรวมกันของโมเลกุลทั้งสองเมื่อชนกันเป็นสารเชิงซ้อนที่เปราะบางและมีอายุสั้น (ที่เรียกว่าสารเชิงซ้อนเชิงรุก) และการทำลายล้างอย่างรวดเร็วของสารเชิงซ้อนนี้ให้เป็นโมเลกุลใหม่ เนื่องจาก คอมเพล็กซ์นี้จะไม่เสถียรระหว่างการสั่นสะเทือนภายในผ่านการเชื่อมต่อบางอย่าง

ดังนั้นการกระทำทางเคมีเบื้องต้นจึงเป็นจุดวิกฤตพิเศษในการเคลื่อนที่แบบสั่นสะเทือนของโมเลกุล อย่างหลังไม่สามารถถือเป็นการเคลื่อนไหวทางเคมีได้ แต่เป็นพื้นฐานสำหรับกระบวนการทางเคมีปฐมภูมิ

สำหรับการเปลี่ยนแปลงทางเคมีของมวลที่มีนัยสำคัญของสสาร เช่น โมเลกุลจำนวนมาก การชนของโมเลกุลและการแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างกันเป็นสิ่งที่จำเป็น (การถ่ายโอนพลังงานของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาไปยังโมเลกุลของสารตั้งต้นผ่านการชน) ดังนั้นกระบวนการทางเคมีที่แท้จริงจึงมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับกระบวนการที่สอง รูปแบบการเคลื่อนไหวทางกายภาพ - การเคลื่อนไหวที่วุ่นวายของโมเลกุลของวัตถุขนาดมหภาคซึ่งมักเรียกว่าการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน

ความสัมพันธ์ระหว่างรูปแบบทางเคมีของการเคลื่อนที่กับรูปแบบทางกายภาพสองรูปแบบได้อธิบายไว้ข้างต้นโดยย่อและเป็นเงื่อนไขทั่วไปที่สุด แน่นอนว่ามีความเชื่อมโยงแบบเดียวกันระหว่างกระบวนการทางเคมีกับการแผ่รังสีของการเคลื่อนที่ สนามแม่เหล็กไฟฟ้า, ด้วยการแตกตัวเป็นไอออนของอะตอมและโมเลกุล (เคมีไฟฟ้า) เป็นต้น

โครงสร้างของสสาร - เนื้อหาในส่วนนี้ประกอบด้วยโครงสร้างของอะตอม โครงสร้างของโมเลกุล และการศึกษาสถานะของการรวมตัว

การศึกษาโครงสร้างของอะตอมเกี่ยวข้องกับฟิสิกส์มากกว่าเคมีเชิงฟิสิกส์ หลักคำสอนนี้เป็นพื้นฐานสำหรับการศึกษาโครงสร้างของโมเลกุล

การศึกษาโครงสร้างของโมเลกุลจะตรวจสอบเรขาคณิตของโมเลกุล การเคลื่อนที่ภายในโมเลกุล และแรงที่ยึดเหนี่ยวอะตอมในโมเลกุล ในการศึกษาเชิงทดลองเกี่ยวกับโครงสร้างของโมเลกุลนั้น วิธีการทางโมเลกุลสเปกโทรสโกปี (รวมถึงสเปกโทรสโกปีด้วยคลื่นวิทยุ) ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเช่นกัน เช่น วิธีการทางไฟฟ้า การถ่ายภาพรังสี แม่เหล็ก และอื่นๆ

การศึกษาสถานะของการรวมกลุ่มจะตรวจสอบอันตรกิริยาของโมเลกุลในก๊าซ ของเหลว และผลึก ตลอดจนคุณสมบัติของสารในสถานะการรวมกลุ่มต่างๆ สาขาวิชาวิทยาศาสตร์นี้ซึ่งมีความสำคัญมากสำหรับเคมีเชิงฟิสิกส์ถือได้ว่าเป็นส่วนหนึ่งของวิชาฟิสิกส์ (ฟิสิกส์ระดับโมเลกุล)

ส่วนทั้งหมดในโครงสร้างของสสารก็ถือเป็นส่วนหนึ่งของวิชาฟิสิกส์ได้เช่นกัน

อุณหพลศาสตร์เคมี - ในส่วนนี้ ตามกฎของอุณหพลศาสตร์ทั่วไป กฎของสมดุลเคมีและหลักคำสอนของสมดุลเฟส ซึ่งมักเรียกว่ากฎของเฟส จะถูกนำเสนอตามกฎของอุณหพลศาสตร์ทั่วไป ส่วนหนึ่งของอุณหพลศาสตร์เคมีคือ อุณหเคมี,ซึ่งเกี่ยวข้องกับผลกระทบทางความร้อนของปฏิกิริยาเคมี

การศึกษาสารละลายมีจุดมุ่งหมายเพื่ออธิบายและทำนายคุณสมบัติของสารละลาย (ส่วนผสมที่เป็นเนื้อเดียวกันของสารหลายชนิด) โดยพิจารณาจากคุณสมบัติของสารที่ประกอบเป็นสารละลาย

การแก้ปัญหานี้จำเป็นต้องมีการสร้างทฤษฎีทั่วไปเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลที่ไม่เหมือนกัน กล่าวคือ การแก้ปัญหาหลักของฟิสิกส์โมเลกุล เพื่อพัฒนาทฤษฎีทั่วไปและลักษณะทั่วไปเฉพาะ จะมีการศึกษาโครงสร้างโมเลกุลของสารละลายและคุณสมบัติต่างๆ ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบ

หลักคำสอนของปรากฏการณ์พื้นผิว - ศึกษาคุณสมบัติต่างๆ ของชั้นผิว ของแข็งและของเหลว (ส่วนต่อประสานระหว่างเฟส) ปรากฏการณ์หลักประการหนึ่งที่ศึกษาในชั้นผิวคือ การดูดซับ(การสะสมของสารในชั้นผิว)

ในระบบที่ส่วนต่อประสานระหว่างเฟสของเหลว ของแข็ง และก๊าซได้รับการพัฒนาอย่างมาก (สารละลายคอลลอยด์ อิมัลชัน หมอก ควัน) คุณสมบัติของชั้นพื้นผิวมีความสำคัญอันดับแรก และกำหนดคุณสมบัติเฉพาะหลายประการของทั้งระบบโดยรวม . เช่น จุลภาคอยู่ระหว่างการศึกษาระบบ เคมีคอลลอยด์,ซึ่งเป็นส่วนอิสระขนาดใหญ่ของเคมีฟิสิกส์และมีระเบียบวินัยทางวิชาการอิสระในสถาบันอุดมศึกษาเคมี

เคมีไฟฟ้า. ศึกษาปฏิสัมพันธ์ของปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและปฏิกิริยาเคมี (อิเล็กโทรไลซิส, แหล่งเคมีของกระแสไฟฟ้า, ทฤษฎีการสังเคราะห์ด้วยไฟฟ้า) เคมีไฟฟ้ามักจะรวมถึงการศึกษาคุณสมบัติของสารละลายอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งสามารถนำมาประกอบกับการศึกษาสารละลายได้อย่างถูกต้องเท่าเทียมกัน

จลนพลศาสตร์เคมีและการเร่งปฏิกิริยา - มีการศึกษาอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี การขึ้นอยู่กับอัตราการเกิดปฏิกิริยากับสภาวะภายนอก (ความดัน อุณหภูมิ การปล่อยประจุไฟฟ้า ฯลฯ) ความสัมพันธ์ของอัตราการเกิดปฏิกิริยากับโครงสร้างและสถานะพลังงานของโมเลกุล อิทธิพลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา ของสารที่ไม่มีส่วนร่วมในสมการปฏิกิริยาปริมาณสัมพันธ์ (ตัวเร่งปฏิกิริยา)

โฟโตเคมี มีการศึกษาปฏิสัมพันธ์ของรังสีและสารที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงทางเคมี (ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของรังสีเช่นกระบวนการถ่ายภาพและการสังเคราะห์ด้วยแสง การเรืองแสง) โฟโตเคมีมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับจลนพลศาสตร์เคมีและการศึกษาโครงสร้างของโมเลกุล

รายการส่วนหลักของเคมีเชิงฟิสิกส์ด้านบนไม่ครอบคลุมถึงส่วนที่เพิ่งเกิดขึ้นเมื่อเร็วๆ นี้และส่วนเล็กๆ ของวิทยาศาสตร์นี้ ซึ่งถือได้ว่าเป็นส่วนหนึ่งของส่วนใหญ่หรือส่วนอิสระของเคมีเชิงฟิสิกส์ ตัวอย่างเช่น เคมีรังสี เคมีฟิสิกส์ของสารโมเลกุลสูง แมกนีโตเคมี เคมีไฟฟ้าของแก๊ส และสาขาอื่นๆ ของเคมีฟิสิกส์ ความสำคัญของบางส่วนกำลังเติบโตอย่างรวดเร็ว

วิธีการวิจัยทางกายภาพและเคมี

วิธีการพื้นฐานของเคมีฟิสิกส์คือวิธีการทางฟิสิกส์และเคมีโดยธรรมชาติ ก่อนอื่นนี่คือวิธีการทดลอง - การศึกษาการพึ่งพาคุณสมบัติของสารกับสภาวะภายนอกและการศึกษาทดลองกฎของการเกิดปฏิกิริยาเคมีเมื่อเวลาผ่านไปและกฎของสมดุลเคมี

ความเข้าใจทางทฤษฎีของวัสดุทดลองและการสร้างระบบความรู้ที่สอดคล้องกันเกี่ยวกับคุณสมบัติของสารและกฎของปฏิกิริยาเคมีนั้นขึ้นอยู่กับวิธีฟิสิกส์เชิงทฤษฎีดังต่อไปนี้

วิธีกลควอนตัม (โดยเฉพาะวิธีกลศาสตร์คลื่น) ซึ่งเป็นรากฐานของหลักคำสอนเรื่องโครงสร้างและคุณสมบัติของอะตอมและโมเลกุลแต่ละอะตอมและปฏิสัมพันธ์ระหว่างกัน ข้อเท็จจริงที่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติของแต่ละโมเลกุลได้มาจากวิธีเชิงแสงเชิงทดลองเป็นหลัก

วิธีฟิสิกส์เชิงสถิติ ซึ่งทำให้สามารถคำนวณคุณสมบัติของสารได้ ประกอบด้วยโมเลกุลจำนวนมาก (“คุณสมบัติมหภาค”) โดยอาศัยข้อมูลเกี่ยวกับคุณสมบัติของแต่ละโมเลกุล

วิธีทางอุณหพลศาสตร์ ซึ่งทำให้สามารถเชื่อมโยงคุณสมบัติต่างๆ ของสารในเชิงปริมาณ (“คุณสมบัติมหภาค”) และคำนวณคุณสมบัติเหล่านี้บางส่วนตามค่าการทดลองของคุณสมบัติอื่น ๆ

การวิจัยทางกายภาพและเคมีสมัยใหม่ในสาขาเฉพาะใดๆ มีลักษณะเฉพาะด้วยการใช้วิธีการทดลองและทฤษฎีที่หลากหลายเพื่อศึกษาคุณสมบัติต่างๆ ของสารและอธิบายความสัมพันธ์ของสารกับโครงสร้างของโมเลกุล ชุดข้อมูลทั้งหมดและวิธีการทางทฤษฎีข้างต้นใช้เพื่อบรรลุเป้าหมายหลัก - เพื่อชี้แจงการพึ่งพาทิศทาง ความเร็ว และขีดจำกัดของการเปลี่ยนแปลงทางเคมีในสภาวะภายนอกและโครงสร้างของโมเลกุลที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเคมี

7. การพึ่งพาผลกระทบทางความร้อนของปฏิกิริยาเคมีต่ออุณหภูมิ สมการเคอร์กอฟฟ์ การหาปฏิกิริยาที่อุณหภูมิไม่เป็นไปตามมาตรฐาน

9. งานขยายก๊าซในอุดมคติระหว่างกระบวนการอะเดียแบติก หาสมการอะเดียแบติกมา

11. กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์สำหรับกระบวนการที่ผันกลับได้และไม่สามารถย้อนกลับได้ คุณสมบัติของเอนโทรปี

12.การคำนวณการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีสำหรับกระบวนการทางกายภาพและเคมีต่างๆ: การทำความร้อน การเปลี่ยนเฟส การผสมของก๊าซในอุดมคติ ไอโซบาริก ไอโซเทอร์มอล กระบวนการไอโซคอริก

13. การคำนวณการเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีของปฏิกิริยาที่อุณหภูมิมาตรฐานและไม่ได้มาตรฐาน (ใช้ตัวอย่างปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับสารอนินทรีย์)

14.ศักย์ไอโซคอริก-ไอโซเทอร์มอล สมบัติ ใช้เป็นเกณฑ์ในทิศทางของกระบวนการ

15. ศักยภาพของไอโซบาริก-ไอเซนโทรปิก คุณสมบัติของมัน การนำไปใช้เป็นเกณฑ์สำหรับทิศทางของกระบวนการ

16) ศักย์ไอโซบาริก-ไอโซเทอร์มอล สมบัติ ใช้เป็นเกณฑ์ในทิศทางของกระบวนการ

17. ศักยภาพของไอโซคอริก-ไอเซนโทรปิก คุณสมบัติของมัน การนำไปใช้เป็นเกณฑ์สำหรับทิศทางของกระบวนการ

17. ศักยภาพของไอโซคอริก-ไอเซนโทรปิก คุณสมบัติของมัน การนำไปใช้เป็นเกณฑ์สำหรับทิศทางของกระบวนการ

18) สมการกิ๊บส์ – เฮล์มโฮลทซ์ การหาค่าการเปลี่ยนแปลงพลังงานกิ๊บส์ของปฏิกิริยาที่อุณหภูมิไม่เป็นไปตามมาตรฐาน

19) ศักยภาพทางเคมี คำจำกัดความ สภาวะสมดุลในระบบเปิด ศักยภาพทางเคมีของระบบอุดมคติและระบบจริง (ก๊าซ สารละลาย)

20) สมดุลเคมี ที่มาของสมการไอโซเทอร์มของปฏิกิริยาเคมี การหาค่ามาตรฐานของค่าคงที่สมดุลของปฏิกิริยา

23) อิทธิพลของอุณหภูมิที่มีต่อค่าคงที่สมดุล ที่มาของสมการไอโซบาร์ของแวนท์ ฮอฟฟ์ หลักการของเลอ ชาเตอลิเยร์

25) การคำนวณความร้อน อิงตามไอโซบาร์ของ Van't Hoff (วิธีการคำนวณและกราฟ)

26) การคำนวณความร้อน อิงตามไอโซคอร์ของ Van't Hoff (วิธีการคำนวณและกราฟ)

27) คำจำกัดความพื้นฐานของเฟสสมดุล:

28) ความสมดุลของจำนวนสารใน 2 เฟสของระบบห้องเดี่ยว

29) การหาค่าความร้อนของการจับคู่โดยการคำนวณและวิธีกราฟิกตามสมการคลอสเซียส – กาเปรอง

30) ความสมดุลที่แตกต่างกัน ระบบไบนารี่ กฎของราอูลต์ กฎของโคโนวาลอฟ

31) แนวคิดพื้นฐานของจลนศาสตร์เคมี อัตรา กลไกการเกิดปฏิกิริยา

32) หลักสมมุติฐานของจลนพลศาสตร์เคมี ปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันและต่างกัน ลำดับและความเป็นโมเลกุลของปฏิกิริยาโดยแยกความแตกต่างระหว่างกัน

33) อิทธิพลของความเข้มข้นต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี ความหมายทางกายภาพ มิติของอัตราคงที่

34) การวิเคราะห์จลน์ของปฏิกิริยาลำดับที่หนึ่งที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ในระบบปิด

35) การวิเคราะห์จลน์ของปฏิกิริยาลำดับที่สองที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ในระบบปิด

36) การวิเคราะห์จลนศาสตร์ของปฏิกิริยาลำดับศูนย์ที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ในระบบปิด

37) ปฏิกิริยาลำดับที่ 3

41. อิทธิพลของอุณหภูมิต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี กฎของแวนต์ ฮอฟฟ์ กฎของอาร์เรเนียส

42. พลังงานกระตุ้นความหมายทางกายภาพ วิธีการหาพลังงานกระตุ้น

43.ตัวเร่งปฏิกิริยาคุณสมบัติพื้นฐานของตัวเร่งปฏิกิริยา

44. ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพ การวิเคราะห์จลนศาสตร์ของปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน

45. เคมีไฟฟ้า คุณสมบัติของปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า

48. การประมาณทฤษฎีเดบาย-ฮุคเคล ขีดจำกัดความเข้มข้นของการนำไปใช้

49) พื้นฐานของทฤษฎีการแยกตัวด้วยไฟฟ้า

50) ข้อดีและข้อเสียหลักของ Ted Arrhenius พลังงานของผลึกขัดแตะ พลังงานการละลาย

51) คุณสมบัติของสารละลายบัฟเฟอร์ การหาค่า pH ความจุของบัฟเฟอร์ แผนภาพ

52) การหาค่า pH ของการเกิดไฮเดรตและผลิตภัณฑ์ความสามารถในการละลายของไฮดรอกไซด์ของโลหะ

53. ค่าการนำไฟฟ้าจำเพาะของสารละลายอิเล็กโทรไลต์ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความเข้มข้น

54. การนำไฟฟ้าของกราม กฎของโคลเราช์ การหาค่าการนำไฟฟ้าของโมลาร์ด้วยการเจือจางสารละลายเข้มข้นและอิเล็กโทรไลต์แบบไม่สิ้นสุด

55. การนำไฟฟ้าของกราม อิทธิพลของอุณหภูมิและความเข้มข้นต่อค่าการนำไฟฟ้าของโมลของสารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่แรงและอ่อน

56. อิเล็กโทรไลซิส กฎของอิเล็กโทรไลซิส กระแสไฟฟ้าของสารละลายเกลือในน้ำที่มีขั้วบวกเฉื่อย (ยกตัวอย่าง)

57. การหาค่ามาตรฐานของศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรด สมการ Nernst สำหรับกำหนดแรงเคลื่อนไฟฟ้าของวงจร

58. การจำแนกประเภทของอิเล็กโทรด กฎสำหรับการบันทึกอิเล็กโทรดและวงจร

59. โซ่เคมี (เซลล์กัลวานิก) การจำแนกประเภท

60.เซลล์กัลวานิก อุณหพลศาสตร์ของเซลล์กัลวานิก

1. เคมีฟิสิกส์: วัตถุประสงค์ วัตถุประสงค์ วิธีการวิจัย แนวคิดพื้นฐานของเคมีเชิงฟิสิกส์

ฟิสิกส์ เคมี - ศาสตร์แห่งกฎของกระบวนการเคมีและเคมี ปรากฏการณ์

วิชาเคมีเชิงฟิสิกส์ คำอธิบายวิชาเคมี ปรากฏการณ์ตามกฎฟิสิกส์ทั่วไป เคมีเชิงฟิสิกส์พิจารณาคำถามสองกลุ่มหลัก:

1. ศึกษาโครงสร้างและคุณสมบัติของสสารและอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบ

2. ศึกษากระบวนการอันตรกิริยาของสาร

เคมีเชิงฟิสิกส์มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาความเชื่อมโยงระหว่างปรากฏการณ์ทางเคมีและฟิสิกส์ ความรู้เกี่ยวกับความเชื่อมโยงดังกล่าวเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อศึกษาปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในธรรมชาติและใช้ในเทคโนโลยีอย่างลึกซึ้ง กระบวนการควบคุมความลึกและทิศทางของปฏิกิริยา เป้าหมายหลักของสาขาวิชาเคมีเชิงฟิสิกส์คือการศึกษาความเชื่อมโยงทั่วไปและกฎเคมี กระบวนการตามหลักการพื้นฐานของฟิสิกส์ เคมีเชิงฟิสิกส์ใช้ฟิสิกส์ ทฤษฎีและวิธีการปรากฏการณ์ทางเคมี

โดยจะอธิบายว่าเหตุใดและอย่างไรการเปลี่ยนแปลงของสารจึงเกิดขึ้น: เคมี ปฏิกิริยาและการเปลี่ยนเฟส

ทำไม – อุณหพลศาสตร์เคมี อย่างไร - จลนพลศาสตร์เคมี

แนวคิดพื้นฐานของเคมีเชิงฟิสิกส์ วัตถุหลักของวิชาเคมี อุณหพลศาสตร์เป็นระบบอุณหพลศาสตร์ อุณหพลศาสตร์ ระบบ – วัตถุหรือกลุ่มวัตถุใด ๆ ที่สามารถแลกเปลี่ยนพลังงานและสสารกับตัวเองและกับร่างกายอื่น ๆ ได้ ระบบแบ่งออกเป็นเปิด ปิด และแยก - เปิด โอ้การแลกเปลี่ยนระบบเทอร์โมไดนามิกส์ด้วย สภาพแวดล้อมภายนอก – วัตถุหรือกลุ่มวัตถุใด ๆ ที่สามารถแลกเปลี่ยนพลังงานและสสารกับตัวเองและกับร่างกายอื่น ๆ ได้ ระบบแบ่งออกเป็นเปิด ปิด และแยก และใน-vom และพลังงาน ปิด- เป็นระบบที่ไม่มีการแลกเปลี่ยนสารด้วย สิ่งแวดล้อม – วัตถุหรือกลุ่มวัตถุใด ๆ ที่สามารถแลกเปลี่ยนพลังงานและสสารกับตัวเองและกับร่างกายอื่น ๆ ได้ ระบบแบ่งออกเป็นเปิด ปิด และแยก แต่เธอสามารถแลกเปลี่ยนพลังงานกับเธอได้

โดดเดี่ยว -ปริมาตรของระบบคงที่และขาดโอกาสในการแลกเปลี่ยนพลังงานและสสารกับสิ่งแวดล้อม ). ระบบอาจจะ เป็นเนื้อเดียวกัน (เป็นเนื้อเดียวกัน) หรือต่างกัน (ต่างกัน) เฟส- นี่เป็นส่วนหนึ่งของระบบซึ่งในกรณีที่ไม่มีอยู่

สนามภายนอก แรงมีองค์ประกอบเหมือนกันทุกจุดและมีอุณหพลศาสตร์เหมือนกัน St. คุณและถูกแยกออกจากส่วนอื่น ๆ ของระบบด้วยอินเทอร์เฟซ เฟสมีความสม่ำเสมอเสมอเช่น เป็นเนื้อเดียวกัน ดังนั้นระบบเฟสเดียวจึงเรียกว่าเป็นเนื้อเดียวกัน

ระบบที่ประกอบด้วยหลายเฟสเรียกว่าต่างกัน คุณสมบัติของระบบแบ่งออกเป็น 2 กลุ่ม คือ กว้างขวางและเข้มข้น อุณหพลศาสตร์ใช้แนวคิดเรื่องสมดุลและกระบวนการที่ผันกลับได้ สมดุล เป็นกระบวนการที่ผ่านสภาวะสมดุลอย่างต่อเนื่องกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์แบบพลิกกลับได้

เป็นกระบวนการที่สามารถดำเนินการได้ใน

ทิศทางย้อนกลับเกี่ยวข้องโดยตรงกับกฎการอนุรักษ์พลังงาน

ตามกฎหมายนี้ ในระบบแยกใดๆ แหล่งพลังงานจะคงที่ จากกฎการอนุรักษ์พลังงานมีการกำหนดกฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์อีกประการหนึ่ง - ความเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างเครื่องจักรเคลื่อนที่ตลอดเวลา (การเคลื่อนที่ถาวร) ประเภทแรกซึ่งจะสร้างงานโดยไม่ต้องใช้พลังงานกับมัน สูตรที่สำคัญโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับอุณหพลศาสตร์เคมี หลักการแรกคือการแสดงออกผ่านแนวคิดเรื่องพลังงานภายใน:พลังงานภายใน เป็นฟังก์ชั่นของรัฐ , เช่น. การเปลี่ยนแปลงไม่ได้ขึ้นอยู่กับเส้นทางของกระบวนการ แต่ขึ้นอยู่กับสถานะเริ่มต้นและสุดท้ายของระบบเท่านั้น การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบคุณ สามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจากการแลกเปลี่ยนความร้อนถาม และทำงานว กับสิ่งแวดล้อม จากกฎการอนุรักษ์พลังงานเป็นไปตามที่ความร้อน Q ที่ได้รับจากระบบจากภายนอกถูกใช้ไปในการเพิ่มพลังงานภายใน ΔU และงาน W ที่ระบบดำเนินการ เช่นΔ ถาม=. ยู+ว ที่ให้ไว้ที่

การจัดตำแหน่งคือ

การแสดงออกทางคณิตศาสตร์ของกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ฉันจุดเริ่มต้นของอุณหพลศาสตร์

ถ้อยคำของมัน:

ในระบบแยกใด ๆ การจัดหาพลังงานจะคงที่

พลังงานรูปแบบต่าง ๆ แปลงร่างกันในปริมาณที่เท่ากันอย่างเคร่งครัดเครื่องเคลื่อนไหวตลอด ( ตลอดกาลมือถือ

) ประเภทแรกเป็นไปไม่ได้.

พลังงานภายในเป็นหน้าที่ของรัฐเช่น การเปลี่ยนแปลงไม่ได้ขึ้นอยู่กับเส้นทางของกระบวนการ แต่ขึ้นอยู่กับสถานะเริ่มต้นและสุดท้ายของระบบเท่านั้น สามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจากการแลกเปลี่ยนความร้อน = การแสดงออกเชิงวิเคราะห์: , เช่น. การเปลี่ยนแปลงไม่ได้ขึ้นอยู่กับเส้นทางของกระบวนการ แต่ขึ้นอยู่กับสถานะเริ่มต้นและสุดท้ายของระบบเท่านั้น การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของระบบ + และทำงาน ดี - เพื่อการเปลี่ยนแปลงปริมาณอันไม่สิ้นสุด สามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจากการแลกเปลี่ยนความร้อน = ง + - เพื่อการเปลี่ยนแปลงปริมาณอันไม่สิ้นสุด และทำงาน .

ดียู

กฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์กำหนดความสัมพันธ์

m / y ความร้อน Q, งาน A และการเปลี่ยนแปลงภายใน พลังงานของระบบ ∆U เปลี่ยนภายใน พลังงานของระบบเท่ากับปริมาณความร้อนที่ส่งให้กับระบบลบด้วยปริมาณงานที่ระบบทำกับแรงภายนอก

สมการ (I.1) เป็นตัวแทนทางคณิตศาสตร์ของกฎข้อที่ 1 ของอุณหพลศาสตร์ สมการ (I.2) ใช้สำหรับการเปลี่ยนแปลงสถานะเพียงเล็กน้อย ระบบนานาชาติ พลังงานเป็นหน้าที่ของรัฐ ซึ่งหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นภายใน พลังงาน ΔU ไม่ได้ขึ้นอยู่กับเส้นทางการเปลี่ยนแปลงของระบบจากสถานะ 1 เป็นสถานะ 2 และเท่ากับความแตกต่างในค่าภายใน พลังงาน U2 และ U1 ในสถานะเหล่านี้: (I.3) มวลของระบบเนื่องจากเป็นคุณสมบัติอันกว้างขวางของระบบ นานาชาติ พลังงานแสดงด้วยตัวอักษร U และแสดงเป็นจูล (J) โดยทั่วไปสำหรับระบบที่มีปริมาณ 1 โมล นานาชาติ พลังงาน เช่นเดียวกับอุณหพลศาสตร์ใดๆ ความศักดิ์สิทธิ์ของระบบเป็นหน้าที่ของรัฐ เฉพาะการเปลี่ยนแปลงภายในเท่านั้นที่ปรากฏในการทดสอบโดยตรง พลังงาน. นั่นคือเหตุผลที่ในการคำนวณพวกมันมักจะดำเนินการโดยมีการเปลี่ยนแปลง U2 –U1 = U

การเปลี่ยนแปลงภายในทั้งหมด พลังงานแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม กลุ่มที่ 1 รวมเฉพาะรูปแบบที่ 1 ของการเปลี่ยนแปลงของการเคลื่อนไหวผ่านการชนกันอย่างวุ่นวายของโมเลกุลของวัตถุทั้งสองที่สัมผัสกันนั่นคือ โดยการนำความร้อน (และในเวลาเดียวกันโดยการแผ่รังสี) การวัดการเคลื่อนไหวที่ถ่ายทอดในลักษณะนี้คือความร้อน แนวคิดความอบอุ่น มีความเกี่ยวข้องกับพฤติกรรมของอนุภาคจำนวนมาก - อะตอม, โมเลกุล, ไอออน พวกมันมีการเคลื่อนไหวที่วุ่นวาย (ความร้อน) อยู่ตลอดเวลา ความร้อนเป็นรูปแบบหนึ่งของการถ่ายโอนพลังงาน วิธีที่สองในการแลกเปลี่ยนพลังงานคืองาน. และทำงานการแลกเปลี่ยนพลังงานนี้เกิดจากการกระทำที่ระบบทำหรือการกระทำที่กระทำกับระบบ โดยปกติแล้วงานจะแสดงด้วยสัญลักษณ์ - งานก็เหมือนกับความร้อนไม่ใช่หน้าที่ของสถานะของระบบ ดังนั้นค่าจึงสอดคล้องกับค่าอนันต์งานเล็กๆ และทำงาน.