17

1-й час

Физи́ческая хи́мия — наука об общих законах физики и химии. Исследует химические явления с помощью теоретических и экспериментальных методов химии и физики.

Предмет изучения физической химии

Физическая химия является основным теоретическим фундаментом современной химии, использующим теоретические методы таких важнейших разделов физики, как квантовая механика, статистическая физика и термодинамика, нелинейная динамика, теория поля и др. Она включает учение о строении вещества, в том числе: о строении молекул, химическую термодинамику, химическую кинетику и катализ. В качестве отдельных разделов в физической химии выделяют также электрохимию, фотохимию, физическую химию поверхностных явлений (в том числе адсорбцию), радиационную химию, учение о коррозии металлов, физико-химию высокомолекулярных соединений и др. Весьма близко примыкают к физической химии и подчас рассматриваются как её самостоятельные разделы коллоидная химия, физико-химический анализ и квантовая химия. Большинство разделов физической химии имеет достаточно чёткие границы по объектам и методам исследования, по методологическим особенностям и используемому аппарату.

Различие между физической химией и химической физикой

Обе эти науки находятся на стыке между химией и физикой, иногда химическую физику включают в состав физической химии. Провести чёткую границу между этими науками не всегда возможно. Однако с достаточной степенью точности это отличие можно определить следующим образом:

• физическая химия рассматривает суммарно процессы, протекающие с одновременным участием множества частиц;

• химическая физика рассматривает отдельные частицы и взаимодействие между ними, то есть конкретные атомы и молекулы (таким образом, в ней нет места понятию «идеальный газ», которое широко используется в физхимии).

История физической химии

1. Возникновение физической химии. М. В. Ломоносов.

История развития науки показывает, что сочетание методов (и выводов) двух научных дисциплин часто бывает весьма плодотворным, в особенности при исследовании вопросов, относящихся к промежуточной области. Физическая химия возникла и развивалась в первое время на основе применения физических методов исследования и физических теорий для изучения химических свойств веществ и химических процессов, а также изучения влияния хими­ческого состава веществ, их строения и условий существования на их физические свойства. Впоследствии, обладая уже обширным фондом новых экспериментальных данных и развивая собственные теоретические обобщения и выводы, физическая химия продолжала успешно использовать вместе с тем и экспериментальные данные, методы эксперимента и теоретические выводы и физики, и химии.

Возникновение физической химии относится к середине XVIII в. — к тому периоду, когда развитие знаний в области физики и химии создало основу для выделения и дальнейшего развития физической химии как самостоятельной научной дисциплины. Первый в мире курс физической химии был создан нашим великим соотечественником Михаилом Васильевичем Ломоносовым (1711 —1765) на основе успешно проведенных им многочисленных физико-химических исследований.

Само определение химии как науки о качествах и изменениях тел, данное Ломоносовым (1741), принципиально отличалось от принятых в то время определений химии как науки о свойствах тел. Здесь, как и в других вопросах, Ломоносов подчеркивал значение изменения, т. е. движения материи.

Вместе с тем, рассматривая процессы движения, он указывал, что «никакое движение в природе не может происходить без материи» (1744).

Огромной заслугой Ломоносова было то, что он первый количественно обосновал основной закон химических превращений — закон сохранения массы вещества. Уже тогда Ломоносов подошел к обобщенному определению принципа сохранения материи и движения, получившего ныне всестороннее доказательство и признание как всеобщего закона природы. Впервые Ломоносов формулировал этот закон в 1748 г.

Огромное влияние на формирование правильных представлений о природе химической валентности и химическом строении вещества оказали работы Александра Михайловича Бутлерова (1828—1886). Он является создателем теории химического строения (1861), на основе которой развилась современная органическая химия. Его теория строения приводит к химическим формулам, отражающим относительное расположение и взаимосвязь атомов в молекулах данного соединения. Эта теория позволяет установить взаимное влияние атомов в молекуле, в том числе и тех, которые связаны между собой не непосредственно, а через другие атомы.

Для развития физической химии, как и вообще всей химии, огромное значение имели работы Дмитрия Ивановича Менделеева (1834—1907) и прежде всего открытие им знаменитого периодического закона (1869), впервые показавшего единство природы различных химических элементов. Этот закон дал возможность, пользуясь экспериментальными данными о свойствах одних элементов и их соединений, предвидеть эти свойства для других элементов и соединений.

Физическая химия занимается рассмотрением главным образом двух групп вопросов:

1. Изучением свойств и строения различных веществ (а также частиц, из которых они состоят — молекул, атомов и ионов) в зависимости от их химического состава и химического строения и условий существования.

2. Изучением химических реакций и других форм взаимодействия между веществами или частицами (направление, скорость, молекулярный механизм и термодинамические параметры процесса) в зависимости от их химического состава и строения и от условий, в которых происходит процесс, а также от внешних воздействий — электрических, световых и др.

Содержание курса физической химии обычно делят на несколько основных разделов, характеризующих направление этой науки и определяющих ее предмет. Важнейшие из этих разделов охватывают ряд вопросов.

Строение вещества. В этот раздел входит учение о строении атомов и молекул и учение об агрегатных состояниях вещества. Учение о строении атома, относящееся в большей степени к физике, в курсах физической химии необходимо для выяснения вопросов образования молекул из атомов, природы химической связи, внутренней структуры молекул. В учении об агрегатных состояниях рассматривается зависимость строения и важнейших свойств веществ, находящихся в газообразном, кристаллическом и жидком состояниях, от их состава.

Химическая термодинамика базируется на двух основных законах термодинамики. В этом разделе физической химии рассматриваются основные соотношения, вытекающие из первого закона, которые позволяют определить тепловой и общий энергетический балансы химических процессов, рассчитать количества выделяемой или поглощаемой теплоты и определить, как будет влиять на процесс изменение внешних условий. На основе второго закона определяется возможность самопроизвольного течения процесса в интересующем нас направлении, а также условия-равновесия и его смещения под влиянием изменения внешних условий.

Учение о растворах рассматривает природу растворов, их внутреннюю структуру и важнейшие свойства, зависимость свойств растворов от концентрации и химической природы компонентов и вопросы растворимости.

Электрохимия изучает некоторые особенности свойств растворов электролитов, электропроводность растворов, процессы электролиза, работу гальванических элементов и электрохимическую коррозию металлов.

Химическая кинетика изучает скорость и молекулярный механизм химических реакций как в гомогенной, так и в гетерогенной среде, включая и явления катализа.

Изучение поверхностных явлений и свойств коллоидных систем выделяют в самостоятельную группу вопросов физической химии.

Такое деление всегда в известном смысле условно, так как реальный процесс обычно связан с различными явлениями. Ни одно явление в природе не может быть понято, если взять его в изолированном виде, вне связи с окружающими явлениями. Наоборот, любое явление может быть понято и обосновано, если оно рассматривается в его неразрывной связи с окружающими явлениями.

Законы, рассматриваемые в физической химии (как и другие законы естествознания), имеют характер объективных законов, описывающих явление. По мере развития науки открываются новые, неизвестные ранее законы; более точно определяются пределы применимости ранее открытых законов в различных условиях и пр. Любой из рассматриваемых нами законов только с той или другой степенью точности отражает явление, а не «управляет» им.