книги из ГПНТБ / Болдырев, А. И. Физическая и коллоидная химия учеб. пособие

А. И. БОЛДЫРЕВ

ФИЗИЧЕСКАЯ

И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

Допущено Министерством сельского хозяйства СССР

в качестве учебного пособия для студентов агрономических

и агрохимических специальностей сельскохозяйственных вузов

МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1974 г.

J

541 Б79

УДК 541.1+541.18(075)

Ш - э ь ь Ш Рецензенты: проф. Л. А. Николаев (МНИТ) и кафедра химии Херсонского сельскохозяйственного ин-та им. А. Д. Цюрупы (зав. кафедрой проф. Б. 3. Рудой)

001(01)-74

(£; Издательство «Высшая школа», 1974.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемое пособие «Физическая и коллоидная химия» пред­ назначено для студентов сельскохозяйственных высших учебных за­ ведений и составлено в основном в соответствии с программой, утверж­ денной Министерством высшего и среднего специального образова­ ния СССР. Оно рассчитано на подготовку агрономов всех специально­ стей, включая агрохимиков и почвоведов.

В связи с широким развитием заочного образования автор при со­ ставлении данной книги учитывал специфику самостоятельной работы студентов-заочников, которые практически не имеют возможности про­ слушать систематический курс лекций по данной дисциплине. Поэтому автор стремился излагать материал в наиболее доступной форме, по возможности не перегружать его математическим аппаратом, иллюстри­ ровать теоретические положения примерами из почвоведения, агрохи­ мии, биохимии, физиологии растений и других смежных наук. Во всех случаях автор свою главную задачу видел в раскрытии физической сущности рассматриваемых теоретических положений, в указании их практического значения и применения в различных областях того слож­ ного биологического процесса, которым является наше технически вооруженное сельское хозяйство.

За последние годы в практике агрохимических и почвенных лабора­ торий все более широкое распространение получают различные физи­ ко-химические методы анализа, знание которых необходимо для агро- нома-агрохимика и почвоведа. Поэтому автор счел необходимым изло­ жить в специальной главе теоретические основы современных физико­ химических методов исследования, а также их применение для анали­ за растений, почв, удобрений, ядохимикатов и других сельскохозяй­ ственных объектов. Эта глава имеет очень важное значение для студен­ тов факультета почвоведения и агрохимии. На других факультетах она может быть опущена.

Во всех случаях материал, отсутствующий в действующей програм­ ме для агрономических специальностей, но необходимый для студентовагрохимиков и почвоведов, набран мелким шрифтом.

В настоящей книге изложены все основные разделы физической и коллоидной химии, знание которых необходимо студентам для более

—3 —

Часть первая

Ф И З И Ч Е С К А Я Х И М И Я

ВВЕДЕНИЕ

Предмет физической химии и ее значение для промышленности ' и сельского хозяйства. Физическая химия — наука, объясняющая хи­ мические явления на основании физических принципов и законов. В настоящее время она определилась как самостоятельная отрасль науки, обладающая специфическими методами исследования. Физиче­ ская химия занимается многосторонним исследованием различных хи­ мических реакций и сопутствующих им физических процессов. Как по­ граничная наука она изучает объект с нескольких сторон, учитывая диалектический характер взаимосвязи и взаимодействия сложных явлений материального мира.

Химические реакции тесно связаны с такими физическими процес­ сами как электрические явления, теплопередача, поглощение или излу­ чение электромагнитных колебаний. Например, химические реак­ ции, протекающие в гальванических элементах и аккумуляторах, яв­ ляются причиной возникновения электрического тока. Многие химичес­ кие реакции сопровождаются выделением или поглощением энергии в виде теплоты, возникновение же других реакций обусловлено дей­ ствием света. Так, поглощение солнечного света зелеными растениями вызывает сложные реакции фотосинтеза, в результате которых из дву­ окиси углерода и воды образуются различные органические соедине­ ния. Таким образом, физическая химия решает наиболее общие вопро­ сы химии, опираясь на физические законы и методы исследования.

Физическая химия является важной учебной дисциплиной в хими­ ческих, химико-технологических, горнометаллургически.х, медицин­ ских, сельскохозяйственных и других высших учебных заведениях.

Физическая химия включает несколько основных разделов, харак­ теризующих направление этой науки и определяющих ее предмет.

Строение вещества. Этот раздел физической химии изучает связь между строением веществ и их физическими и химическими свойства­ ми, а также агрегатные состояния веществ. На основании результатов, полученных физикой при изучении атомов и молекул, а также дости­ жений квантовой механики в этой области за последние годы наблю­ даются значительные успехи. Благодаря применению в эксперименталь­ ных работах новейших методов молекулярной спектроскопии (включая радиоспектроскопию), а также рентгеноструктурного, электронногра­ фического, электронномикроскопического и других методов исследо-

— 5 —

Необходимо учесть, что всякое реальное движение материи слож­ но и едино, а разделение его на отдельные формы движения условно и относительно. В силу этого границы между основными разделами фи­ зической химии также приблизительны и условны.

Указанные разделы не охватывают всех областей физической хи­ мии. В последние годы в самостоятельные разделы выделены магнетохимия, радиационная химия, физико-химия высокомолекулярных сое­ динений и др.

Физическая химия не только всесторонне изучает и обобщает мате­ риал по различным разделам химии, она объединяет его, анализи­ рует и выводит общие закономерности, лежащие в основе развития вечно движущейся материи. В этом заключается общенаучное значение физической химии. Законы, открываемые ею, широко используются общей химией, биологией, геологией, агрохимией, почвоведением и многими прикладными науками.

Велико значение физической химии и методов ее исследования в развитии химической технологии. Знакомство с физической химией дает инженеру возможность не только глубоко понять сущность хи­ мического процесса, лежащего в основе производства, но и созна­ тельно выбирать и регулировать условия, наиболее благоприятные для проведения нужных процессов. Физическая химия позволяет предви­ деть направление химической реакции, а также р-ассчитать теоретичес­ ки выход ее продуктов.

Физическая химия как наука призвана сыграть в решении проблемы химизации сельского хозяйства одну из первостепенных ролей. Произ­ водство новых и высокоэффективных удобрений, разработка и внед­ рение химических способов борьбы с вредителями и болезнями расте­ ний, улучшение водно-физическттх свойств почвы — эти вопросы могут быть успешно решены лишь на основе знания физической химии. Это убедительно доказали работы советских агрохимиков К. К. Гедройца и Д. Н. Прянишникова. На основании их обширных и разносторон­ них исследований с применением методов физической химии было со­ здано учение о почвенном поглощающем комплексе, которое полу­ чило широкое признание в нашей стране и за рубежом.

В настоящее время все большее распространение получают такие физико-химические методы исследования, как термический, рентге­ нографический, электронномикроскопический, инфракрасноспектро­ скопический и многие другие, с помощью которых бьш^получены весь­ ма ценные данные о природе и строении почвенного поглощающего комплекса. Методы электропроводности, потенциометрии, криоскопии, фотометрии, эмиссионного анализа и другие также широко применя­ ются в решении основных проблем агрономии.

Изучение с помощью физической химии фотохимических реакций позволяет глубже вникать в сущность сложных процессов фотосинтеза.

Как известно, из всей солнечной энергии, доходящей до поверхнос­ ти земли, энергия, усваиваемая за счет фотосинтеза всей раститель­ ностью земного шара, составляет в среднем только 0,3%. Культур­ ные растения используют солнечную энергию полнее, чем дикая рас­ тительность Земли в целом. Используемая ими доля солнечной энср-

—7

гии составляет примерно 0,5—1,5%, а для таких культур, как рис, сое­ вые бобы, сахарная свекла, сахарный тростник, кукуруза и некоторых других, 4—5% от общего количества солнечной энергии, попадающей на посевы за вегетационный период. Есть основание считать, что пол­ ное раскрытие наукой механизма процесса фотосинтеза и овладение управлением им даст возможность повысить коэффициент использова­ ния солнечной энергии растениями в два-три и более раз.

Такие дисциплины, как агрохимия, почвоведение, физиология рас­ тений, микробиология, биохимия, земледелие, защита растений и многие другие, широко используют методы и основные теоретические положения физической химии.

Преподавание физической химии в сельскохозяйственных высших учебных заведениях имеет свою специфику. Основной задачей курса является изучение теоретических основ этой науки, знакомство с физи­ ко-химическими методами исследования с целью их применения в ре­ шении основных вопросов сельского хозяйства.

Роль русских и советски: ученых в развитии физической химии. Основате­ лем физической химии является великий русский ученый М. В. Л о м о н о с о в (1711 —1765). Ему принадлежит сам термин «физическая химия»; определение задач этой науки было дано им еще в 1752 г., когда он приступил к чтению систе­ матического курса физической химии для студентов Академии наук. Ломоносовым было написано первое учебное пособие «Введение в истинную физическую химию», а также составлена программа экспериментальных работ — «Опыт физической химии» (1754). Под его непосредственным руководством студенты не только про­ ходили лабораторный практикум, но и выполняли дипломные работы по физи­ ческой химии.

Задачи, которые должна решить физическая химия, Ломоносов сформулиро­ вал следующим образом: «Физическая химия есть наука, объясняющая на осно­ вании положений и опытов физики то, что происходит в смешанных телах при хи­ мических операциях». Это определение физической химии очень близко к совре­ менному.

Ломоносов выдвинул и обосновал целый ряд положений, которые легли в ос­ нову физической химии и не потеряли своего значения и сейчас. Им впервые был открыт закон сохранения материи и движения — один из величайших законов природы.

Ломоносов создал стройную кинетическую теорию материи и объяснил теп­ лоту как проявление движения молекул. Он первым указал на невозможность

ку представление о молекулах и установил четкое различие между молекулами н атомами. Он объяснил природу газового состояния, высказал мысль о существо­ вании абсолютного нуля температуры, дал правильное толкование процесса раст­ ворения как проявления взаимодействия молекул растворенного вещества с мо­

лекулами растворителя, выполнил целый ряд обстоятельных работ по изучению растворов.

Таким образом, Ломоносов является не только основателем физической хи­ мии, но и первым в мире физико-химиком.

Русский ученый Г. И. Г е с с (1802—1850) профессор Горного института в Петербурге впервые сформулировал основной закон термохимии о постоянстве сумм тепла при химических реакциях. Этот закон, впоследствии названный его именем, следует рассматривать как одно из выражений открытого позднее перво­ го закона термодинамики применительно к химическим реакциям.

вил после Ломоносова чтение курса физической химии; он впервые (1865) дал частную формулировку закона действующих масс. Значительный вклад в разви­

— 8 —