Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

Н. В. Архипова, А. И. Варакин,

В. В. Ефанова, В. В. Симаков.

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

(Избранные главы)

Учебное пособие

Саратов 2009

ВВЕДЕНИЕ

Предмет физической химии. Ее значение.

Химические реакции всегда связаны с разнообразными физическими процессами: теплопередачей, поглощением или излучением электромагнитных колебаний (свет), электрическими явлениями и др. Так, смесь веществ, в которой протекает какая-либо химическая реакция, выделяет энергию во внешнюю среду в форме теплоты или поглощает ее извне. Поглощение света фотографической пленкой вызывает в ней химический процесс образования скрытого изображения. Химические реакции, протекающие в аккумуляторах между электродами и раствором, являются причиной возникновения электрического тока. При повышении температуры вещества увеличивается интенсивность колебательных движений внутри молекул, и связь между атомами в молекуле ослабляется; после перехода известной критической границы происходит диссоциация молекулы или взаимодействие ее с другими молекулами при столкновении, т. е. химический процесс. Число аналогичных примеров легко увеличить. Во всех случаях имеет место тесная связь физических и химических явлений, их взаимодействие.

Взаимосвязь химических и физических явлений изучает физическая химия. Эта активно развивающаяся отрасль химии является пограничной между химией и физикой. Пользуясь теоретическими и экспериментальными методами обеих наук, а также и своими собственными методами, физическая химия занимается многосторонним исследованием химических реакций и сопутствующих им физических процессов.

Основная общая задача физической химии – предсказание временного хода химического процесса и конечного результата (состояние равновесия) в различных условиях на основании данных о строении и свойствах молекул веществ, составляющих изучаемую систему.

Очевидно, что значение условий протекания химической реакции приводит к возможности управлять химическим процессом, т.е. обеспечить наиболее быстрое и полное проведение интересующих технику реакций в нужном направлении и при условиях, наиболее приемлемых для заводских масштабов.

Велико и постоянно возрастает значение физико-химических исследований в развитии химической промышленности (основной органический синтез, нефтехимия, производство пластических масс и химического волокна и др.). Важную роль играют физико-химические исследования и для многих других отраслей промышленности (металлургии, нефтяной промышленности, производства строительных материалов, сельского хозяйства), а также для медицины и др.

Краткий очерк истории развития физической химии

Термин «физическая химия» и определение этой науки впервые были даны М.В. Ломоносовым, который в 1752-1754 гг. читал студентам Академии наук курс физической химии и оставил рукопись этого курса «Введение в истинную физическую химию» (1752). Ломоносов выполнил многие исследования, темы которых соответствуют составленному им же «Плану к курсу физической химии» (1752) и программе экспериментальных работ: «Опыт физической химии» (1754). Под его руководством проводился также студенческий практикум и дипломные работы по физической химии.

Ломоносов дал следующее определение физической химии: «физическая химия есть наука, объясняющая на основании положений и опытов физики то, что происходит в смешанных телах при химических операциях». Это определение близко к современному.

Ломоносову принадлежит открытие закона постоянства веса при химических реакциях. Он сформулировал закон сохранения движения, создал стройную и ясно изложенную качественную кинетическую теорию материи и объяснил теплоту как проявление движения молекул. Ломоносов выполнил также ряд других исследований по физике и химии.

Хотя в течение последующего столетия физическая химия не обособилась в отдельную науку и самый термин «физическая химия» не использовался, но многие крупные физики и химики вели исследования, которые следует отнести к физической химии, как она определяется в наше время. В результате этих исследований было сделано много важных открытий и обобщений. Можно указать на открытие адсорбции газов (Шееле в Швеции, 1773 г. и Фонтана во Франции, 1777 г.) и адсорбции из растворов (Т. Е. Ловиц в Петербурге, 1785 г.), открытие каталитических реакций в начале XIX века Деви и Товаром и установление представления о катализе Берцелиусом (1835 г.). Основы электрохимии были заложены исследованиями по гальваническим элементам, электролизу и переносу тока в электролитах, проведенными Вольта, В. В. Петровым, Деви, Т. И. Гротгусом и Фарадеем. Изучение теплот химических реакций было начато Лавуазье и Лапласом (1779-1784 г.г.) и в дальнейшем привело к установлению основного закона термохимии - закона постоянства сумм теплот (Г. И. Гесс, 1840 г.).

Для развития физической химии огромное значение имело открытие двух законов термодинамики в середине XIX века (Карно, Майер, Гельмгольц, Джоуль, Клаузиус, В. Томсон).

Количество и разнообразие исследований, лежащих в области, пограничной между физикой и химией, постоянно возрастало в середине и в третьей четверти XIX века. Было развито термодинамическое учение о химическом равновесии (Гульдберг и Вааге, Гиббс). Исследования Вильгельми положили начало изучению скоростей химических реакций (химическая кинетика). Исследовался перенос электричества в растворах (Гитторф, Кольрауш), изучались законы равновесия растворов с паром (Д. П. Коновалов) и развивалась теория растворов (Д. И. Менделеев).

Большое значение для оформления физической химии, как особого предмета преподавания, а, отсюда, как и самостоятельной науки, имела деятельность Н. Н. Бекетова и В. Оствальда. Профессор Харьковского университета Бекетов с 1865 г. читал лекции по физико-химии, издал (литографским способом) курс лекций и организовал в Харьковском университете физико-химическое отделение. Вслед за Бекетовым начали преподавание физической химии в других университетах России: Ф. М. Флавицкий (Казань, 1874 г.), В.Оствальд (Юрьев, теперь Тарту,1880 г.), И. А. Каблуков (Московский университет, 1886 г.).

Признание физической химии, как самостоятельной науки и учебной дисциплины, выразилось в учреждении в Лейпцигском университете (Германия) в 1887 г. первой кафедры физической химии во главе с Оствальдом и в основании там же первого научного журнала по физической химии. В конце XIX века Лейпцигский университет был центром развития физической химии, а ведущими физико-химиками являлись В. Оствальд, Вант-Гофф, Аррениус и Нернст. К этому времени определились три основных раздела физической химии — химическая термодинамика, химическая кинетика и электрохимия.

Историю физической химии в XX веке нет возможности изложить в кратком очерке. Поэтому будет дана лишь общая характеристика развития физической химии в XX веке. Если для XIX века было характерно изучение свойств веществ без учета структуры и свойств молекул, а также использование термодинамики как основного теоретического метода, то в XX веке на первый план выступили исследования строения молекул и кристаллов и приме­нение новых теоретических методов. Основываясь на крупнейших успехах физики в области строения атома и используя теоретические методы квантовой механики и статистической механики, а также новые экспериментальные методы (рентгеновский анализ, спектроскопия, масс-спектрометрия, магнитные методы и многие другие), физики и физико-химики добились больших успехов в изучении строения молекул и кристаллов и в познании природы химической связи и законов, управляющих ею. Большое развитие получила химическая кинетика, теперь конкретно, связываемая с исследованиями строения молекул и прочности связей между атомами в молекуле. Возникают и развиваются новые разделы физической химии (магнетохимия, радиационная химия, физическая химия высокополимеров, газовая электрохимия и др.).