Название и определение содержания физической химии впервые дано М.В. Ломоносовым (1752): ”Физическая химия – наука, которая должна на основании положений и опытов физических объяснить причину того, что происходит через химические операции в сложных телах”. Важнейшие теоретические и экспериментальные исследования Ломоносова привели его к открытиям, на которых и сейчас базируется физическая химия. Ломоносов близко подошёл к правильному определению принципа сохранения материи и движения. Атомис-тические воззрения Ломоносова привели его к выводу о кинетической природе теплоты, что позволило ему предположить необходимость существования «найбольшей и последней сте-пени холода», т. е. предельно низкой темпе-ратуры, отвечающей полному прекращению дви-жения частиц, а также отметить невозможность самопроизвольного перехода теплоты от более холодного тела к более теплому, что является в настоящее время одной из формулировок второго начала термодинамики.
Электрохимия гетерогенных систем
рассматривает свойства электрохимических систем, включающих заряженные межфазные границы. Такие системы чрезвычайно распространены в окружающем нас мире, они играют огромную роль в функционировании живых организмов. Поэтому необходимо научиться исследовать свойства границ раздела, познавать их строение и, что особенно важно, устанавливать закономерности переноса заряда через границы. И тогда открываются широкие возможности создания разнообразных эколо-гически чистых технологических процессов, устройств с уникальными свойствами, средств автоматизации и контроля, рождаются новые способы изучения живой природы.
1.1 Основы термодинамики гете-рогенных электрохимических сис-тем
Как вы, вероятно, помните слово термо-динамика происходит от греческих слов «термос» (теплота) и «динамос» (сила, движе-ние). Термодинамика изучает различные формы энергии и их взаимное превращение.
Применение различных законов термо-динамики к химическим и физико-химическим процессам является предметом химической термодинамики. Химическая термодинамика, наряду с химической кинетикой, является теоретической основой химии. Она позволяет решить вопрос о принципиальной возможности протекания различных процессов; может быть использована для вычисления количества энергии, необходимого для осуществления реакции; для оценки глубины протекания процесса до достижения системой состояния химического равновесия; изучает превращения энергии при химических реакциях и способность химических систем совершать полезную работу.
Известно, что с помощью химических уравнений можно рассчитывать, количество продуктов реакции при условии полного превращения исходных веществ. Однако многие реакции не протекают до конца, а некоторые вообще невозможны. Знание закономерностей химической термодинамики позволяет:
- предсказать, возможно ли в принципе химическое взаимодействие между дан-ными веществами при определенных условиях;
- предсказать до какой степени может протекать реакция прежде, чем установится химическое равновесие при данных условиях;
– выбрать оптимальные условия проведе-ния процесса, обеспечивающего получение максимального выхода нужного продукта;
– рассчитать количество энергии, которое выделится при проведении реакции или которое необходимо затратить для её осуществления.
Итак, знание законов химической термоди-намики позволяет решать, не прибегая к эксперименту, многие практические задачи, возникающие в производственной и научно-исследовательской работе.
Химическая термодинамика – это раздел общей термодинамики, изучающей химические и физико-химические процессы, а также термодинамические свойства веществ в зависимости от их состава, агрегатного состояния, температуры и давления.
Вопрос о направленности химического процесса является основным в химии. Для решения этого вопроса в химической термодинамике применяют набор функций состояния, изменение которых в ходе процесса зависит только от начального и конечного состояния системы и не зависит от пути перехода. К таким функциям состояния относят внутреннюю энергию системы U, энтальпию H, энтропию S, энергию Гиббса G, энергию Гельмгольца F, а также их изменения в процессах (ΔU, ΔН, Δ G и др.)
В качестве переменных функций состояния выбираются прежде всего температура, давление, объём и число молей.
Прежде чем переходить к рассмотрению химической термодинамики, остановимся на основных термодинамических понятиях.
1.2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
1.2.1. Система и её окружение
Системой называется тело или совокупность тел, находящихся во взаимодействии и реально или условно обособленных от окружающей среды. Выбор системы является условным и зависит от того, что является предметом исследования. Например, если в стакане находится раствор, в котором происходит химическая реакция, то при исследовании этой реакции в качестве системы будем рассматривать только раствор. Если нас интересует процесс испарения раствора, то система будет состоять из раствора и пара над ним. Возможен и такой случай, когда исследуют адсорбцию каких-то частиц из раствора на стенках стакана – тогда исследуется система, включающая раствор и стакан. Остальная часть материального мира, находящаяся за пределами выбранной системы, называется её окружением или окружающей средой.
Системы можно классифицировать по разным признакам. Так, раствор, находящийся в химическом стакане, представляет собой открытую систему, так как она может обмениваться с окружающей средой и веще-ством и энергией. Система, которая не может обмениваться с окружением ни веществом, ни энергией, называется изолированной. Конечно, полностью изолировать систему от окружающей среды невозможно, но само понятие изолированной системы имеет в термодинамике большое значение. Промежуточный случай – это закрытая система, которая может обмениваться с окружением энергией, но обмен веществом невозможен (например, лекарство в запаянной ампуле и коробке, газ, находящийся в металли-ческом баллоне).
Система называется гетерогенной, если она состоит из различных частей, разграниченных поверхностью раздела. Система, в которой нет поверхности раздела, называется гомогенной.