Введение. Предмет, значение, Основные разделы и методы физической химии

Физическая химия изучает взаимосвязь физических и химических явлений, исследует законы протекания химических процессов во времени и состояния химического равновесия, а также строения и свойства молекул, фазовые превращения и состояния равновесия в гетерогенных системах.

При этом рассматривается влияние различных физических факторов на процессы химических и фазовых превращений. Такими факторами являются, например, изменение температуры, давления, химического или фазового состава системы, растворимость веществ, электрические или магнитные поля, излучение или поглощение света и т.д. Такое исследование приводит к возможности управления химическим процессом, создания оптимальных условий его проведения, предсказания возможных путей протекания процесса в тех или иных условиях.

Физико-химические законы лежат в основе всех природных процессов и явлений и определяют свойства реальных систем, служащих объектами изучения других научных дисциплин, взаимосвязанных и активно взаимодействующих с физической химией. Законы физической химии широко используются металлургией, нефте- и газодобывающей и перерабатывающей промышленностью, медициной, агрохимией, а также в материаловедении, производстве продуктов питания, экологии, астрофизике, биохимии, геологии, геохимии, геофизике, минералогии и многих других научных дисциплинах и отраслях промышленности.

Физическая химия как самостоятельная наука сформировалась во второй половине прошлого столетия в результате обобщения широкого ряда основополагающих открытий величайших ученых всего мира, на протяжении XVIII  XIX веков: К. Шееле, Ф. Фонтана, Т.Е. Ловица,  процессы адсорбции; А. Лавуазье и П. Лапласа,  тепловые эффекты реакций; Л. Тенара, Й. Берцелиуса  каталитические процессы; А. Вольта, Л. Гальвани, В.В. Петрова, Т. Гротгуса, М. Фарадея, Б.С. Якоби, Ф. Кольрауша, С. Аррениуса, В.Ф. Оствальда, П. Дебая и К. Гюккеля  электрохимические явления; Г.И. Гесса  термохимия; труды Д. Дальтона, Л. Гей-Люссака, А. Авогадро по основным законам газовых состояний. Основы термодинамической теории химического равновесия заложены трудами К. Гульдберга и П. Вааге, Дж. Гиббса, Ле-Шателье, Я. Вант-Гоффа.

Огромную роль в формировании физической химии сыграли фундаментальные открытия российских ученых. Одним из основоположников ее является М.В. Ломоносов. Им впервые определено содержание физической химии как самостоятельной научной дисциплины: “Физическая химия  наука, которая должна на основании положений и опытов физических объяснить причину того, что происходит через химические операции в сложных телах”. Труды Ломоносова привели к фундаментальным открытиям в естествознании: атомистической теории, принципа сохранения движения и материи, учения о природе теплоты и возможных направлениях ее перехода. Трудно переоценить вклад в развитие науки Д.И. Менделеева, наиболее известного благодаря трудам и открытиям по систематизации и основным принципам предсказания свойств и строения атомов химических элементов. Весомый вклад в развитие многих направлений физической химии внесли советские ученые: А.Н. Фрумкин  электрохимия, Н.С. Курнаков  физико-химический анализ, Н.Н. Семенов, В.Н. Кондратьев, А.А. Баландин  химическая кинетика и катализ.

Курс физической химии включает в себя следующие основные разделы.

0. Строение вещества. Рассматривается строение атомов и молекул и изучается строение и свойства веществ в различных агрегатных состояниях. Обычно этот раздел достаточно подробно рассматривается в курсах физики и общей химии.

1. Химическая термодинамика. На основе законов общей термодинамики изучаются возможности и направления протекания химических процессов и энергетические соотношения, их определяющие. Химическая термодинамика состоит из следующих частей:

а) основные законы термодинамики;

б) термохимия;

в) химическое равновесие;

г) фазовые равновесия.

0. Учение о растворах. С позиций термодинамики рассматриваются свойства молекулярных растворов в зависимости от свойств веществ, составляющих раствор. Изучаются также процессы образования растворов и особенности протекающих в них реакций.

1. Электрохимия. Изучает взаимосвязь электрических явлений с химическими и физическими процессами в растворах, а также свойства растворов электролитов.

2. Химическая кинетика и катализ. Изучается скорость химических реакций в зависимости от условий их протекания, молекулярный механизм химических процессов; влияние на скорость реакции веществ, не участвующих в стехиометрическом уравнении реакции (катализ).

3. Учение о поверхностных явлениях. Адсорбция. Изучаются свойства поверхностных слоев жидкостей и твердых тел. В курсе физической химии основное внимание уделяют одному из этих свойств  адсорбции (накопление вещества в поверхностном слое), так как закономерности адсорбции играют существенную роль в процессах гетерогенного катализа. Остальные вопросы данного раздела, в силу многообразия и большого практического значения поверхностных явлений, как правило рассматривают как отдельную, самостоятельную дисциплину, которая называется «коллоидная химия».

Для исследования химических процессов современная физическая химия широко использует экспериментальные методы физики и химии. Такими экспериментальными методами являются рентгенографический метод, оптическая, радио- и масс-спектроскопия, атомно-абсорбционный анализ, метод изотопных индикаторов, хроматография, электрохимические методы исследования (амперометрия, потенциометрия, кондуктометрия, вольтамперометрия) и другие.

Для теоретического обобщения экспериментальных данных физхимики пользуются в основном тремя методами теоретической физики: статистическим, термодинамическим и квантово-механическим.

0. Метод статистической физики. Свойства макросистем, изучаемых физической химией, рассматриваются на основании сведений о законах движения и свойствах отдельных частиц (молекул, атомов) и их распределении в соответствии с теорией вероятности. Для применения этого метода необходимо знать механизм изучаемых процессов.

1. Квантово-механический метод. Он основан на корпускулярно-волновом представлении о строении материи, дискретности энергий и состояний. Метод широко используется при изучении строения атомов и молекул, химической связи, реакционной способности веществ. Особенностью этого метода является очень сложный математический аппарат.

2. Термодинамический метод. Метод позволяет находить взаимосвязь между различными термодинамическими свойствами и формами превращения энергии системы, не рассматривая при этом механизм процесса и не выясняя природы сил, вызывающих его. Термодинамический метод может дополняться данными о строении молекул, полученными экспериментально, и выводами молекулярно-кинетической теории.

Совместное применение статистического и термодинамического методов привело к созданию метода статистической термодинамики.

В изложении курса физической химии мы будем пользоваться в основном термодинамическим методом.

Термодинамика  один из основных методов физической химии. Применение ее не требует сложного математического аппарата. Она не требует знания механизма процесса, сведений о строении вещества, законов протекания процессов во времени. Она рассматривает только начальное и конечное состояние системы и описывает свойства систем, находящихся в равновесии. Термодинамика дает точные соотношения между измеримыми свойствами системы и отвечает на вопрос: насколько глубоко пройдет данная химическая реакция, прежде чем будет достигнуто состояние равновесия. Она дает возможность предсказать влияние температуры, давления, концентрации веществ на химическое равновесие.

Метод термодинамики широко применяется многими научными дисциплинами и служит для решения весьма многообразных практических задач. Так, например, предпосылкой возможности применения методов термодинамики в минералогии является наличие в геологических телах генетически родственных групп минералов, закономерно сменяющих друг друга во времени,  так называемых парагенетических ассоциаций, или парагенезисов минералов. При использовании законов термодинамики он служит основой воссоздания полной картины генезиса геологического объекта.