Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет)

Кафедра общей и физической химии

Конспект лекций физическая химия

^{(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)}

составители: проф Д.Э. Чиркст, проф. В.Е.Коган, проф. О.В. Черемисина, доц. И.И.Иванов, доц. Литвинова Т.Е.

Санкт-Петербург

2009

Введение

Цель (назначение) издания, соответствие учебной программе

Конспект лекций соответствует учебным программам по дисциплине «Физическая химия» для направлений 240100 «Химическая технология», профиля «Химическая технология переработки энергоносителей и углеродных материалов»

Настоящая разработка является изложением материала курса лекций по физической химии, В ней представлены основные разделы курса, ориентированные на получение теоретических знаний в области физической химии и приобретении навыков физико-химического описания процессов, применяемых в металлургии и химической технологии

Физическая химия

Физическая химия преимущественно теоретическая наука. Выделяют два основных направления физической химии

1. Описание химических явлений при помощи физических законов.

Явления химические в большинстве случаев тяжело поддаются строгому математическому описанию. Этим они отличаются от явлений физических. Однако, любой химический процесс сопровождается изменением физических свойств. Поэтому законы физики достаточно достоверно описывают химические свойства веществ. Те стороны химических явлений, которые могут быть описаны физическими законами, составляют предмет физической химии.

2. Анализ. Развитие физических методов исследования химических явлений, которые сопровождаются изменением физических величин.

По мере развития физической химии, из общего направления выделились частные науки, к которым относятся электрохимия, коллоидная химия, химия твердого теле, квантовая химия.

Общими разделами физической химии, основные законы которых находят применение во множестве частных случаев, являются термодинамика и кинетика.

Термодинамика Введение Историческая справка

Термодинамика как наука возникла в конце первой половины 19 века.

Жоффруа – понятие о химическом сродстве, составление таблиц химического сродства; предположение о самопроизвольном протекании экзотермических процессов.

Бекман – продолжение составления таблиц химического сродства; изобретение термометра Бекмана.

Лавуазье – измерение тепловых эффектов физико-химических процессов; основы термохимии.

Гесс – термохимические исследования; закон Гесса.

Основой термодинамики являются три закона. Законы термодинамики были сформулированы в результате обобщения человеческого опыта.

Первый закон термодинамики (Кельвин, Клаузиус) связан с законом сохранения энергии. Он позволяет рассчитывать тепловые балансы различных процессов, в том числе химических реакций. С законом сохранения связана одна из формулировок первого начала термодинамики: невозможен вечный двигатель первого рода, который производил бы работу, не затрачивая при этом энергии (Освальд).

Второй закон термодинамики (Клаузиус, Карно, Освальд) – закон о возможности протекания самопроизвольных процессов. На основании второго закона термодинамики можно предсказать, при каких внешних условиях возможен процесс, и в каком направлении он будет протекать. Формулировка Клаузиуса: теплота не может переходить от более холодного тела к более горячему сама собой, даровым процессом. Формулировка Освальда: невозможен вечный двигатель второго рода, в котором вся теплота может быть превращена в работу.

Пример: 1927 г. запатентован способ получения уксусной кислоты из метана и углекислого газа: CH₄ + CO₂ = CH₃COOH. 1931 г. – данные патента попробовали осуществить на практике. Вывод – не идет процесс в указанных в патенте условиях (Т, Р). Процесс, как показал расчет, протекает с малым выходом при 10⁵ атм и 1200°С

Третий закон термодинамики (Нернст, Гиббс) – закон об абсолютном значении энтропии, который был сформулирован в 1906 – 1907 г.г. Третий закон позволяет вычислить константу равновесия и возможный выход реакции.

Термодинамические законы одинаково справедливы как для макроскопических, так и для микроскопических объектов материального мира. Макроскопические объекты обычно исследуются с помощью метода первых принципов, т. е. принципов классической (макроскопической) термодинамики, в то время как микроскопические – с помощью метода модельных гипотез (методов статистической физики).

Термодинамический метод опирается исключительно на опыт, поэтому его результаты отличаются достоверностью, они не зависят от наших представлений о внутреннем (микроскопическом) механизме изучаемых явлений.

Сущность метода модельных гипотез состоит в том, что выдвигается предположение о существовании некоего внутреннего механизма и на этой базе устанавливаются основные черты рассматриваемого явления, т. е. связь между физическими законами микро- и макромира.