Міністерство освіти і науки, МОЛОДІ ТА СПОРТУ України
Кременчуцький НАЦІОНАЛЬний університет
імені Михайла Остроградського
Курс лекцій
з навчальної дисципліни
„Фізична хімія”
для студентів денної форми навчання
за напрямом 6.050403 – “Інженерне матеріалознавство”
Кременчук 2013
Тема 1. Предмет і значення фізичної хімії
Основні визначення і поняття.
Методи фізико-хімічного дослідження
Розділи фізичної хімії (короткий зміст).
Основні визначення і поняття
Хімічні явища надзвичайно різноманітні, однак усі вони підкоряються загальним закономірностям, вивчення яких складає предмет фізичної хімії. Хімічні явища супроводжуються фізичними процесами, теплопередачею, поглиненням або виділенням енергії та ін. З іншого боку, фізичними процесами спричиняються хімічні явища. Наприклад, підвищення температури або світлове випромінювання збільшує інтенсивність коливального руху усередині молекул, зв'язок між атомами послабляється, що може викликати хімічну реа-кцію.
Фізична хімія вивчає взаємозв'язок хімічних процесів і фізичних явищ, що їх супроводжують, установлюють закономірності між хімічним складом, будовою речовин і їх властивостями.
Фізична хімія існує на межі між хімією і фізикою, оскільки вона вивчає закони взаємоперетворення хімічних і фізичних форм руху матерії. Користуючись теоретичними й експериментальними методами обох наук, а також власними методами, фізична хімія встановлює закони перебігу хімічних процесів і умови досягнення хімічної рівноваги.
У зв'язку з цим фізична хімія відіграє велику роль у розвитку металургійної промисловості.
2. Методи фізико-хімічного дослідження
Для теоретичного узагальнення експериментального матеріалу і створення стрункої системи уяв про властивості речовин і закони хімічних процесів у фізичній хімії використовується три незалежних методи теоретичної фізики: квантово-механічний, статистичний і термодинамічний.
Квантово-механічний метод заснований на корпускулярно-хвильовій уяві про будову матерії., дискретності енергії і широко використовується при ви вченні будови атомів, молекул, хімічного зв'язку, реакційної здатності речовин.
Статистичний метод дозволяє розраховувати загальні (макроскопічні) властивості речовини на підставі знання про властивості окремих молекул. Статистичний метод розглядає речовини як скупчення великої безлічі молекул, що хаотично рухаються, застосовуючи до них теорію імовірностей.
Термодинамічний метод дозволяє кількісно зв'язувати різні загальні (макроскопічні) властивості речовин і на підставі останніх розраховувати одні з цих властивостей по експериментальних величинах інших властивостей без розгляду механізму процесу.
Зазначені методи теоретичної фізики і всі експериментальні дані про властивості речовин, отримані різними фізичними і хімічними методами, використовуються у фізичній хімії для досягнення основної мети – з'ясування залежності напрямку і межі протікання хімічних реакцій від зовнішніх умов.
3. Основні розділи фізичної хімії
Фізичні і хімічні форми руху матерії тісно пов’язані між собою, тому виділення розділів фізичної хімії до деякої міри умовно. Проте прийнято виділяти такі розділи фізичної хімії.
Будова речовини. У цьому розділі вивчається будова атомів і молекул, а також агрегатний стан речовин. В експериментальних дослідженнях будови молекул найбільше застосування має метод молекулярної спектроскопії. При вивченні агрегатного стану розглядаються взаємодії молекул у газах, рідинах і кристалах.
Хімічна термодинаміка. На основі загальних законів термодинаміка вивчає закони термохімічної рівноваги. Частиною хімічної термодинаміки є термохімія, у якій розглядаються теплові ефекти хімічних реакцій.
Виробництво металургійних сплавів різного складу залежить від багатьох чинників. Тому знання законів перебігу хімічних реакцій дає можливість проводити цілеспрямований синтез металевих сплавів.
Фазова рівновага. Загальні закономірності, яким підкоряються рівноважні гетерогенні системи, що складаються із будь-якої кількості речовин, установлюються правилом фаз Гіббса. Керуючись цим правилом, будують діаграми, що дозволяють наочно стежити за станом системи при нагріванні, охолодженні і при зміні її складу. У металургії, користуючись діаграмами стану, можна визначати оптимальні умови виробництва сплавів із заданими властивостями. Вивчення фазових рівноваг дозволяє грамотно вирішувати питання, зв’язані з очищенням і легуванням сплавів. За допомогою фазових діаграм можна вирішувати питання сумісності і хімічної взаємодії між окремими компонентами сплавів.
Хімічна рівновага. Вивчення умов, що впливають на стан хімічної рівноваги, дає можливість знайти такі умови здійснення хімічної реакції (в тому числі і металургійного процесу), які забезпечують найбільший вихід і найекономічний технологічний режим роботи промислового обладнання.
Розчини. Теорія розчинів ставить метою пояснення і передбачення властивостей розчинів на підставі знання властивостей розчиненої речовини і розчинника. Для металургії мають велике значення розчини газоподібних речовин у металах. Закон розподілу Шилова-Нернста широко використовується для очищення металів від сірки і фосфору.
Електрохімія. Фундамент електрохімічних методів аналізу – кондуктометрія, потенціометрія, полярографія, амперметрія. Ці методи мають широке застосування в аналітичному контролі металургійного виробництва.
Кінетика і каталіз. Швидкість хімічних реакцій, залежність швидкості реакції від зовнішніх умов, зв’язок швидкості реакції з будовою молекули, вплив на швидкість реакції каталізаторів – предмет вивчення кінетики і каталізу.
Виробництво металевих сплавів являє собою багатостадійний процес. Вивчення швидкості технологічних процесів, а також впливи різних чинників на ці процеси, дозволяє підвищити ефективність металургійного виробництва.
Фізична хімія поверхневих явищ. Поверхневими називаються явища які відбуваються на поверхні розподілу фаз. У результаті поверхневих явищ змінюється концентрація молекул даного виду на поверхні твердої фази в порівнянні з концентрацією в об'ємі фази – відбувається процес адсорбції.