82

МІНІСТЕРСТВО АГРАРНОЇ ПОЛІТИКИ УКРАЇНИ

МОГИЛІВ-ПОДІЛЬСЬКИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ Коледж

ВІННИЦЬКОГО ДЕРЖАВНОГО АГРАРНОГО УНІВЕРСИТЕТУ

«ФІЗИЧНА І КОЛОЇДНА ХІМІЯ»

Навчальний посібник

Частина І

ФІЗИЧНА ХІМІЯ

2012

ЗМІСТ

Вступ . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1. Тема 1.1. Основи хімічної термодинаміки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2. Тема 1.2. Фазова рівновага та вчення про розчини. . . . . . . . . . . . ..27

3. Тема 1.3 Електрохімія. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47

4. Тема 1.4. Хімічна кінетика і каталіз. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5. Додатки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77

6. Література. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81

ВСТУП

Хімічні науки вивчають особливу «хімічну» форму руху матерії, коли одні речовини перетворюються в інші. Кожний хімічний процес – сукупність кількох послідовних стадій різної природи. Для того, щоб молекули реагували, їм перш за все необхідно зустрічатись, тобто фізичне переміщення молекул є неодмінною умовою кожного хімічного перетворення. Будь-яка перестановка атомів або груп атомів в молекулах завжди супроводжується поглинанням чи виділенням енергії. Закони перенесення тепла та інших видів енергії вивчає фізика. Хімічні реакції у батареях чи акумуляторах є причиною виникнення електричного струму. З наведених прикладів, кількість яких можна збільшувати, видно, що власне хімічне перетворення речовин завжди поєднане з фізичними процесами.

Близька спорідненість хімії і фізики прослідковується і з суто експериментальної точки зору. Ще 250 років тому, коли сучасна хімія тільки почала зароджуватись, витісняючи містику середньовічної алхімії, хімікам знадобились ваги, прилади для визначення об’єму, тику, температури та інших фізичних параметрів. З іншого боку, фізикам стали потрібні відомості про склад речовини, ступінь її чистоти та інша хімічна інформація.

Уперше близькість і тісний зв’язок фізики і хімії помітив славетний російський вчений М.В.Ломоносов (1711-1765). Він сформулював низку фундаментальних законів, що стали основою не лише хімії і фізики, а й всього природознавства. Перш за все це закон збереження ваги (маси) при хімічних перетвореннях і закон збереження руху (енергії). У 1749р. Ломоносов писав, що всі зміни, які відбуваються в природі, йдуть таким чином, що скільки до чого додається, стільки ж віднімається від іншого. Цей закон природи настільки загальний, що сягає і на правила руху, і тіло, що збуджує поштовхом до руху інше тіло, стільки втрачає свого руху, скільки віддає його від себе іншому тілу. Саме Ломоносов запропонував створити нову самостійну галузь знань на межі хімії і фізики, нову науку, яку назвали фізичною хімією.

Фізична хімія – наука, що вивчає фізичні та хімічні явища, які відбуваються одночасно і залежать одне від одного.

Найважливіші теоретичні та експериментальні дослідження Ломоносова мають велике значення і в наші часи.

Подальшому розвитку фізичної хімії сприяли роботи Д.І.Менделєєва. Відкриття періодичного закону, вивчення властивостей газів, розчинів зробило великий внесок у розвиток фізичної хімії.

Через 100 років після смерті М.В.Ломоносова фізична хімія як окрема самостійна наука відродилася в Україні. У 1860р. професор М.М.Бекетов почав читати в Харківському університеті курс «Взаємовідносини фізичних і хімічних явищ між собою», який у 1865р. перетворив у курс фізичної хімії. Він же написав підручник, організував на хімічному факультеті перше у світі фізико-хімічне відділення.

Кінець ХІХ століття відзначився бурхливим розвитком фізичної хімії, який значно випереджував темпи розвитку інших галузей хімії. Головні причини, які стимулювали прискорений розвиток фізичної хімії, такі:

1. Успіхи теоретичної й експериментальної фізики. Фізична наука почала розкривати будову молекул і атомів, виникли нові теорії, нові ефективні прилади і методи.

2. Досягнення і потреби хімії, яка до того часу нагромадила значний експериментальний матеріал, але все ще більше була схожа на мистецтво, ніж на науку. Хімії потрібна була струнка, теоретично обґрунтована систематизація всього набутого матеріалу.

3. Потреби хімічної індустрії, яка в ті часи розвивалась дуже швидко. Для проектування потужних реакторів і визначення оптимальних умов їх експлуатації потрібні були чіткі, теоретично обґрунтовані закони і точні рівняння, а не емпіричні залежності і правила.

Фізична хімія перейняла на себе функцію моста, який поєднав три, відокремлені в той час континенти – хімію, фізику і технологію. У розвиток фізичної хімії зробили внесок вчені всього світу. Шеєле в Швеції (1773) і Фонтана у Франції (1785) відкрили явище адсорбції із розчинів. Лавуазьє і Лаплас у Франції (1779-1784_ вивчали теплові ефекти реакцій. На початку ХІХст. Деві і Англії і Тенар у Франції відкрили каталітичні реакції, а Берцеліус у Швеції (1835) зробив подальший розвиток явищу каталізу.

Гальвані і Вольта в Італії (1779) запропонували перший гальванічний елемент. Деві (1800) висунув електрохімічну теорію взаємодії речовин. Фарадей (1833-1834) сформулював кількісні закони електролізу.

У першій половині ХІХст. Завдяки працям Д.Дальтона в Англії (1801-1803), Л.Гей-Люссака у Франції (1802) та А.Авогадро в Італії (1811), що відкрили найважливіші закони газоподібних речовин, отримано широкий розвиток атомістичним уявленням. В цей період Г.І.Гесс (1802-1856) зробив свої відкриття в галузі термохімії.

Вагомим вкладом у розвиток фізичної і колоїдної хімії є внесок українських вчених, перш за все професора Київського університету І.Г.Борщова (1833-1878), професора М.М.Бекетові (1826-1911), академіків Академії наук України Л.В.Писаржевського (1874-1938), А.В.Думанського (1880-1967), О.І.Бродського (1895-1969), В.А.Ройтера (1903-1973).

В результаті багаторічних досліджень і наукових розробок чітко визначився предмет і завдання фізичної хімії.

Фізична хімія – це самостійна фундаментальна наука, яка вивчає взаємозв’язки фізичних і хімічних явищ та узагальнює фактичний матеріал різних розділів хімії, формулює загальні закономірності перебігу хімічних перетворень.

Завдання фізичної хімії – чітке формулювання загальних законів протікання хімічних реакцій та описання їх математичними рівняннями.

Знання цих законів і відомостей про будову й властивості молекул реагентів дозволяє теоретично передбачити перебіг реакцій у часі і також визначити оптимальні умови перебігу кожного конкретного процесу в потрібному напрямку.

Перечисленні теоретичні питання завжди знаходять конкретне застосування в технології.

З назви “Фізична хімія” випливає, що ця наука перебуває на межі фізики та хімії, причому вони часто в ній переплітаються. Сучасна фізична хімія являє собою широку галузь знань, з якої, в свою чергу, виділилися такі науки, як колоїдна хімія, електрохімія, фотохімія, хімічна кінетика тощо. Хімічні реакції пов’язані з різноманітними процесами: теплообміном, поглинанням або виділенням теплоти, випромінюванням світла, електричними явищами, зміною об’єму. В хімічних реакціях тісно пов’язані між собою фізичні та хімічні явища; вивчення цього взаємозв’язку – головна задача фізичної хімії. Головна увага в фізичній хімії приділяється дослідженню законів протікання хімічних процесів, стану хімічної рівноваги, вивченню властивостей розчинів. На підставі законів фізичної хімії можна вирішити одну із найважливіших задач – передбачити можливість протікання хімічного процесу, його хід і кінцевий результат. Фізична хімія це не тільки теоретична дисципліна. Вона має не тільки теоретичне, а й практичне значення. Фізична і колоїдна хімія – це базова дисципліна, яка визначає становлення висококваліфікованого спеціаліста-технолога харчової та переробної промисловості. Законам фізичної хімії підпорядковується більшість технологічних процесів харчової промисловості – сушка, дроблення, адсорбція, розчинення, випаровування тощо. Всі біохімічні процеси, які лежать в основі багатьох харчових виробництв, також підпорядковуються законам фізичної хімії. На методах фізичної хімії заснований і технологічний контроль харчових виробництв: визначення кислотності, вологості, вміст жирів, білків, вітамінів тощо.

Закони фізичної і колоїдної хімії лежать в основі міроприємств по охороні оточуючого середовища.

Фізична і колоїдна хімія – це базова дисципліна, яка визначає становлення висококваліфікованого спеціаліста напрямку «Харчова технологія та інженерія».

Такі розповсюджені в галузях харчової промисловості процеси, як випаровування, дистиляція, висушування, екстрагування, кристалізація можуть бути зрозумілими на підставі законів фізичної хімії. Всі біохімічні процеси, що лежать в основі багатьох виробництв, також описуються законами фізичної хімії.