Лекции по дисциплине «Физическая химия»

Модуль 1 Предмет физической химии, и её значение. Основы теории химической связи.

Лекция 1 Предмет и задачи физической химии (ФХ). История и основные направления развития ФХ. Принципы исследования свойств вещества. Роль термодинамики (ТД), кинетики и квантовой химии в описании химических и физических явлений.

Физическая химия, наука, объясняющая химические явления и устанавливающая их закономерности на основе общих принципов физики.

Объектами физической химии являются любые системы, в которых могут протекать химические превращения. Физическая химия изучает происходящие в этих системах изменения, сопровождающиеся переходом химической формы движения в различные физические формы движения – тепловую, лучистую, электрическую и т.д. Таким образом, физическая химия изучает процессы не сами по себе, а в неразрывной связи с сопровождающими их физическими явлениями – выделением (поглощением) теплоты, энергии излучения, прохождением электрического тока и др.

Основная задача физической химии – выявление детального механизма явлений.

Физическая химия изучает и объясняет основные закономерности, определяющие направление химических процессов, скорость их протекания, влияние на них среды, примесей, излучения и т.д.

Для современной физической химии центральной является проблема установления связи между строением вещества и его реакционной способностью.

Сегодня не может быть химика, творчески работающего в любой области, который не использовал бы знания физической химии в конкретных исследованиях. Физическая химия является теоретическим обоснованием неорганической, органической, аналитической химии и химической технологии.

Основными разделами физической химии являются:

• Химическая термодинамика - изучает энергетические эффекты химических процессов; позволяет определить возможность, направление и глубину протекания химического процесса в конкретных условиях;

• Химическая кинетика - В этом разделе физической химии изучается скорость и механизм протекания химических процессов в различных средах при различных условиях;

• Строение вещества - В этот раздел входят учение о строении атомов и молекул и учение об агрегатных состояниях вещества. Изучение строение вещества необходимо для выяснения важнейших вопросов об образовании молекул из атомов, о природе химической связи, о строении и взаимодействии молекул. Именно в этой своей части физическая химия очень тесно переплетается со всеми направлениями современной;

• Учение о растворах - рассматривает процессы образования растворов, их внутреннюю структуру и важнейшие свойства, зависимость структуры и свойств от природы компонентов раствора;

Электрохимия - изучает особенности свойств растворов электролитов, явления электропроводности, электролиза, коррозии, работу гальванических элементов;

Коллоидная химия - изучает поверхностные явления и свойства мелкодисперсных гетерогенных систем.

Все разделы физической химии объединяет единая основа – общие законы природы, которые применимы к любым процессам и любым системам, независимо от их строения.

История физической химии

Начало физической химии было положено в середине 18 века. Термин «Физическая химия» принадлежит М.В. Ломоносову, который в 1752 году впервые прочитал студентам Петербургского университета «Курс истинной физической химии». В этом курсе он сам дал такое определение этой науке: «Физическая химия — наука, которая должна на основании положений и опытов физических объяснить причину того, что происходит через химические операции в сложных телах».

Затем последовал более чем столетний перерыв и следующий курс физической химии читал уже академик Н.Н. Бекетов в Харьковском университете в 1865 году. Вслед за Н.Н. Бекетовым началось преподавание физической химии и в других университетах в России. Флавицкий (Казань 1874г.), В. Оствальд (университет в Тарту 1880г7.), И.А. Каблуков (Московский университет 1886г.).

Признание физической химии, как самостоятельной науки и учебной дисциплины, выразилась в Лейпцигском университете (Германия) в 1887г. Первой кафедрой физической химии во главе с В. Оствальдом и в основании там же первого научного журнала по физической химии. В конце 19 века Лейпцигский университет был центром развития физической химии, а ведущими физико-химиками являлись: В. Оствальд, Я. Вант-Гофф, Аррениус и Нернст.

Первая в России кафедра физической химии была открыта в 1914 году на физико-математическом факультете Санкт−Петербургского универстета, где осенью приступил к чтению обязательного курса и практическим занятиям по физической химии М. С. Вревский.

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 физической химии).

Лекция 2 Строение молекул и природа химической связи. Виды химических связей. Понятие об электроотрицательности элемента. Поляризация. Дипольный момент. Атомная энергия образования молекул. Методы экспериментального исследования строения молекул.

Строение молекул (молекулярная структура), взаимное расположение атомов в молекулах. В ходе химических реакций происходит перегруппировка атомов в молекулах реагентов и образуются новые соединения. Поэтому одна из фундаментальных химических проблем состоит в выяснении расположения атомов в исходных соединениях и характера изменений при образовании из них других соединений.

Первые представления о структуре молекул основывались на анализе химического поведения вещества. Эти представления усложнялись по мере накопления знаний о химических свойствах веществ. Применение основных законов химии позволяло определить число и тип атомов, из которых состоит молекула данного соединения; эта информация содержится в химической формуле. Со временем химики осознали, что одной химической формулы недостаточно для точной характеристики молекулы, поскольку существуют молекулы-изомеры, имеющие одинаковые химические формулы, но разные свойства. Этот факт навел ученых на мысль, что атомы в молекуле должны иметь определенную топологию, стабилизируемую связями между ними. Впервые эту идею высказал в 1858 немецкий химик Ф.Кекуле. Согласно его представлениям, молекулу можно изобразить с помощью структурной формулы, в которой указаны не только сами атомы, но и связи между ними. Межатомные связи должны также соответствовать пространственному расположению атомов. Этапы развития представлений о строении молекулы метана отражены на рис. 1. Современным данным отвечает структура г: молекула имеет форму правильного тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах – атомы водорода.

Рис. 1. ЧЕТЫРЕ СПОСОБА ИЗОБРАЖЕНИЯ МОЛЕКУЛЫ МЕТАНА а – химическая формула. Указаны лишь число и тип атомов; б – структурная формула; в – реальная схема молекулы; г – пространственное расположение атомов в молекуле.

Подобные исследования, однако, ничего не говорили о размерах молекул. Эта информация стала доступна лишь с разработкой соответствующих физических методов. Наиболее важным из них оказалась рентгеновская дифракция. Из картин рассеяния рентгеновских лучей на кристаллах появилась возможность определять точное положение атомов в кристалле, а для молекулярных кристаллов удалось локализовать атомы в отдельной молекуле. Среди других методов можно отметить дифракцию электронов при прохождении их через газы или пары и анализ вращательных спектров молекул.

Вся эта информация дает только общее представление о структуре молекулы. Природу химических связей позволяет исследовать современная квантовая теория. И хотя с достаточно высокой точностью молекулярную структуру рассчитать пока не удается, все известные данные о химических связях можно объяснить. Было даже предсказано существование новых типов химических связей.