Лекция 1

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

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.

Разделы физической химии

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.

Учение о строении вещества, свойствах молекул, ионов, радикалов, природе химической связи — 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.

Химическая термодинамика— В этом разделе физической химии рассматриваются основные соотношения, вытекающие из первого закона термодинамики, которые позволяют рассчитать количество выделяемой или поглощаемой теплоты и определить, как будет влиять на него изменение внешних условий. На основе второго закона термодинамики определяется возможность самопроизвольного течения процесса, а также условия положения равновесия и его смещения под влиянием изменения внешних условий. Внутри данного раздела можно выделить несколько подразделов:

Термодинамика газов

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

Термодинамика адсорбции

Статистическая термодинамика позволяет получать термодинамические параметры системы исходя из строения компонентов системы и внешних условий.

Химическая кинетика— изучает скорость химических реакций, её зависимость от внешних условий (температура, концентрации). Является одним из важнейших разделов химии, показывает какой именно продукт образуется в сложной системе

Электрохимия изучает некоторые особенности свойств растворов электролитов, электропроводность растворов, процессы электролиза)

Звукохимия (акустохимия) изучает химические процессы, протекающие при действии звуковых волн.

Потенциометрия — междисциплинарная область физической химии, подразумевающая использование различных электрохимических и термодинамических методов, методов аналитической химии, — широко применяемых в научных исследованиях различной принадлежности, — в производственной практике; в том числе — ионометрии, pH-метрии, а также при создании измерительной аппаратуры используемой в них