Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физическая химия. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
Е.С. Романенко, Н.Н. Францева
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Учебное пособие
Допущено Учебно-методическим объединением вузов
Российской Федерации по агрономическому образованию
в качестве учебного пособия для бакалавров, обучающихся
по направлению 110400«Агрономия»
г. Ставрополь
2012
УДК 544 (075.8)
Печатается по решению методической
комиссии факультета защиты растений
и методического совета ФГБОУ ВПО
«Ставропольский государственный
аграрный университет»
Печатается по решению методической
комиссии факультета защиты растений
и методического совета ФГБОУ ВПО
«Ставропольский государственный
аграрный университет»
ББК 24.5 я 73
Р 691
Рецензенты:
Боровлѐв И.В. – доктор химических наук, профессор
Лысенко И.О. – доктор биологических наук, доцент
Авторы:
Романенко Е.С. – кандидат сельскохозяйственных наук, доцент
Францева Н.Н. – кандидат биологических наук
Р 691
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ : учебное пособие / Е.С. Романенко,
Н.Н. Францева.– Ставрополь : Ставропольское издательство «Параграф», 2012. – 88 с.
В учебном пособии в краткой и доступной форме изложен материал по ос-
новным разделам физической химии, даны контрольные вопросы, тестовые
задания и глоссарий по физической химии. Данное пособие позволит студентам
получить основные знания по физической химии, может служить руководством
д л я самостоятельного изучения материала при подготовке к зачѐту.
Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной форм
обучения аграрных вузов по направлениям 110400 – Агрономия.
© Е.С. Романенко, Н.Н. Францева, 2012.
© ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный
аграрный университет», 2012.
© ООО «Ставропольское издательство «Параграф», 2012.
УДК 544 (075.8)
ББК 24.5 я 73
2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................. 5
I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ ................... 7
1. ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И ЕЕ ЗНАЧЕНИЕ
ДЛЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОМЫШЛЕННОСТИ ..... 7
1.1. Предмет и значение физической химии .................................. 7
1.2. Разделы физической химии ...................................................... 8
1.3. Роль русских и советских ученых
в развитии физической химии .................................................. 8
1.4. Единицы измерения, применяемые в физической химии .... 10
2. АГРЕГАТНОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА .................................. 10
2.1. Общая характеристика агрегатных состояний ...................... 11
2.2. Газообразное сотояние вещества. Критическое состояние.. 11
2.3. Жидкое состояние .................................................................... 14
2.4. Твердое состояние ................................................................... 15
3. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА .......................................... 16
3.1. Основные термодинамические понятия и определения ....... 17
3.2. Первый закон термодинамики ................................................ 19
3.3. Законы термохимии ................................................................. 20
3.4. Второй закон термодинамики................................................. 21
3.5. Третий закон термодинамики ................................................. 23
4. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ .................................. 25
4.1. Скорость химических реакций.
Гомогенные и гетерогенные реакции .................................... 25
4.2. Порядок и молекулярность реакций ...................................... 27
4.3. Зависимость скорости химических реакций
от температуры и давления ..................................................... 28
4.4. Уравнение Аррениуса. Энергия активации катализа ........... 28
4.5. Гомогенный и гетерогенный катализ ..................................... 29
5. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ .................................................... 31
5.1. Необратимые и обратимые реакции ...................................... 31
5.2. Химическое равновесие .......................................................... 32
5.3. Смещение химического равновесия ...................................... 33
5.4. Влияние факторов на смещение химического равновесия .. 33
6. ФОТОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ ................................................. 34
6.1. Фотохимические реакции ....................................................... 34
6.2. Скорость фотохимической реакции ....................................... 36
6.3. Сенсибилизированные реакции .............................................. 37
6.4. Фотосинтез ............................................................................... 37
7. РАСТВОРЫ НЕЭЛЕКТРОЛИТОВ................................................. 39
7.1. Способы выражения состава раствора................................... 39
7.2. Законы Рауля. Криоскопия ..................................................... 40
3
7.3. Растворимость газов в жидкостях .......................................... 43
7.4. Осмос. Осмотическое давление разбавленных растворов.
Закон Вант-Гоффа ................................................................... 44
8. РАСТВОРЫ ЭЛЕКТРОЛИТОВ ...................................................... 46
8.1. Теория электролитической диссоциации Аррениуса ........... 46
8.2. Развитие теории сильных электролитов
в работах Дебая и Хюккеля. Активность ............................... 48
8.3. Шкала кислотности по отношению к воде рН ...................... 48
8.4. Буферные системы, состав, механизм действия.
рН буферных систем. Буферная емкость ............................... 51
9. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ .... 53
9.1. Проводники 1 и 2 рода. Скорости движения ионов ............. 53
9.2. Удельная электропроводность ............................................... 54
9.3. Эквивалентная электропроводность. Закон Кольрауша ...... 54
10. ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ............................................. 56
10.1. Краткая история развития гальванических элементов ....... 56
10.2. Электродный потенциал. Уравнение Нернста .................... 56
10.3. Водородный электрод. Нормальные потенциалы
и ряд напряжений .................................................................. 58
10.4. Электроды первого и второго рода ...................................... 58
10.5. Гальванический элемент и ЭДС ........................................... 59
11. КОНЦЕНТРАЦИОННЫЕ И ОКИСЛИТЕЛЬНО-
ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ ................................................ 61
11.1. Концентрационные цепи ....................................................... 61
11.2. Диффузионный и мембранный потенциал
и их биологическое значение. Хингидронный электрод .... 62
11.3. Окислительно-восстановительные цепи и электроды ........ 63
11.4. Окислительно-восстановительный потенциал почвы ........ 64
11.5. Потенциометрический метод определения pH.
Потенциометрическое титрование ....................................... 65
12. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ .................................................. 66
12.1. Свободная энергия поверхности раздела ............................ 66
12.2. Общая характеристика сорбционных явлений.................... 67
12.3. Адсорбция на поверхности раздела жидкость – газ ........... 68
12.4. Адсорбция на поверхности твѐрдое тело – жидкость ........ 69
12.5. Изотермы адсорбции ............................................................. 71
12.6. Адсорбция и биологические процессы ................................ 72
II. ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ» ....................................................................... 73
III. ГЛОССАРИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ» ....................................................................... 82
IV. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА ................................................ 87
4
ВВЕДЕНИЕ
В аграрном вузе химия является общетеоретической дисциплиной.
Еѐ основная задача дать студентам современное научное представление о строении, свойствах веществ и механизме химических процессов. Без знания основных понятий, законов и теоретических положений химии невозможно стать высококвалифицированным специалистом аграрного профиля.
Изучение дисциплины химии физической и коллоидной в сельскохозяйственном вузе дает теоретическую основу для понимания таких дисциплин, как физиология, микробиология, почвоведение, агрохимия, защита растений, а знакомство с физико-химическими методами исследования позволяет шире использовать их для решения некоторых вопросов сельскохозяйственного производства.
Курс химии физической и коллоидной включает 2 раздела: физическую химию и коллоидную химию. В данном пособии рассматриваются основы физической химии.
Процесс изучения данной дисциплины направлен на формирование элементов следующих компетенций в соответствии с ФГОС ВПО
по данному направлению:
а) общекультурных (ОК): способность представить современную
картину мира на основе естественнонаучных знаний (ОК-11).
б) профессиональных (ПК): использовать основные законы естественнонаучные дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ПК-1); способность применять
современные методы научных исследований в агрономии согласно
утвержденным планам и методикам (ПК-24).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать основные положения химической термодинамики и термохимии, химической кинетики и катализа, химического равновесия,
электрохимии, поверхностных явлений, основные свойства растворов
неэлектролитов, физико-химические свойства и поведение высокодисперсных и высокомолекулярных систем, которые составляют основу
всех биологических объектов.
Уметь на основе теоретических положений и физико-химических
методов исследования, применяемых в физической и коллоидной химии, изыскивать пути управления химическими и биохимическими
процессами, выбирать оптимальные агротехнические мероприятия для
получения экологически чистой продукции, оценивать по результатам
анализа качество сельскохозяйственной продукции.
5
Владеть методами теоретического и экспериментального исследования в химии; приемами оценки численных порядков величин, характерных для различных разделов естествознания.
Содержание курса при изучении химии физической и коллоидной
определяется рабочей программой по конкретной специальности. Основными формами обучения являются лекции, практические, лабораторные занятия и самостоятельная работа студента. Помимо различных
задач и функций, каждая из этих форм отличается уровнем усвоения
изучаемого материала. Определяющую роль здесь играет самостоятельная работа. На каком бы высоком профессиональном уровне не проводились аудиторные занятия, усвоение предмета будет недостаточно высоким, если студент самостоятельно и творчески не изучает материал и
не принимает активного участия в его разборе на практическом занятии.
Поэтому цель предлагаемого учебного пособия помочь студенту в самостоятельном изучении материала по физической химии.
Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной
форм обучения аграрных вузов по направлениям 110400.62 – Агрономия.
6
I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ
1. ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И ЕЕ ЗНАЧЕНИЕ
ДЛЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОМЫШЛЕННОСТИ
1.1. Предмет и значение физической химии.
1.2. Разделы физической химии.
1.3. Роль русских и советских ученых в развитии физической химии.
1.4. Единицы измерения, применяемые в физической химии.
1.1. Предмет и значение физической химии
Физическая химия – наука, объясняющая химические явления на
основе физических принципов и законов.
В физической химии существует количественный подход к изучению особенностей и механизмов изучаемых химических процессов,
т.е. она отвечает на вопросы «как?» и «сколько?».
Физическая химия изучает взаимосвязи между химическими процессами и физическим состоянием систем, в которых они проходят.
Количественные взаимосвязи между параметрами, характеризующие
химические и физические процессы, может экспериментально предвидеть и рассчитать только физическая химия, а для этого используют
математические расчеты и приборы физико-химического анализа.
Общенаучное значение физической химии заключается в том, что
она объединяет материал по различным разделам химии, анализирует
его, количественно оценивает, находит и выводит глобальные общие
для всей вечно движущейся материи закономерности.
Значение для химической технологии: инженер, опираясь на
знания по данной науке, может понять сущность химического процесса, лежащего в основе производства, сознательно выбирать и регулировать условия для проведения нужных процессов, рассчитать теоретический выход ее продуктов.
Значение для сельского хозяйства: производство новых удобрений, разработка и внедрение химических способов борьбы с вредителями и болезнями растений, улучшение водно-физических свойств
почвы решает физическая химия. Большое значение имеют работы советских агрохимиков К.К. Гедройца и Д.Н. Прянишникова (учение о
почвенном поглощающем комплексе).
Многие дисциплины: агрохимия, почвоведение, физиология растений, микробиология, земледелие, защита растений используют методы и основные положения физической химии.
7
1.2. Разделы физической химии
Физическая химия включает несколько разделов, характеризующих направление науки и определяющих ее предмет:
1) Строение вещества – изучение связи между строением веще-
ства и их физическими и химическими свойствами, агрегатного состояния веществ.
2) Химическая термодинамика – изучение фазовых переходов
(растворение, испарение, кристаллизация). Термохимия изучает тепловые эффекты реакций.
3) Учение о растворах – изучение молекулярной структуры рас-
творов, их свойств, вопросов растворимости.
4) Электрохимия – изучение процессов взаимного перехода элек-
трической и химической форм движения материи, процессов электролиза, работы гальванических элементов, электрохимической коррозии,
электросинтеза веществ.
5) Химическая кинетика – это учение о скоростях химических
реакций и их зависимость от температуры, концентрации, давления,
среды и т.д.
6) Фотохимия – изучение процессов воздействия электромагнит-
ных излучений на ход превращений.
Проведенное деление условно, так как любое явление материального мира необходимо рассматривать в его тесной и неразрывной связи
с окружающими явлениями. Этим объясняется возникновение физической химии и взаимосвязь разных ее разделов.
1.3. Роль русских и советских ученых
в развитии физической химии
Основателем физической химии является русский ученый М.В.
Ломоносов (1711-1765 гг.). Ему принадлежит термин «физическая химия». Определение задач этой науки было дано им в 1752 г., когда он
читал курс лекций по физической химии для студентов Академии наук.
Ломоносов выдвинул и обосновал целый ряд положений. Которые
легли в основу физической химии; создал кинетическую теорию материи и объяснил теплоту как проявление движения молекул; природу
газового состояния; высказал мысль о существовании абсолютного
нуля температур; выполнил ряд работ по изучению растворов. Таким
образом, Ломоносов М.В. является первым в мире ученым – физикохимиком.
Русский ученый Г.И. Гесс (1802-1850 гг.), профессор Горного института в Петербурге впервые сформулировал основной закон термо-
8
химии о постоянстве сумм теплот при химических реакциях (назван
его именем).
Большая заслуга в развитии физической химии принадлежит русскому ученому Н.Н. Бекетову (1826-1911 гг.). Он впервые дал формулировку закону действующих масс; большое внимание уделял вопросу
по изучению восстанавливающей способности одних металлов по отношению к другим.
В 1876-1877 гг. Н.Н. Любавиным был создан первый учебник в
России по физической химии.
Для развития химической науки вообще и для физической химии в
частности огромное значение имело открытие Д.И. Менделеевым
(1834-1907 гг.) в 1869 г. периодического закона химических элементов.
Он является автором гидратной теории растворов, на которой основаны современные исследования в области растворов. Велика роль Менделеева в развитии сельского хозяйства в России в области агрохимии.
Исходя из гидратной теории Д.И. Менделеева И.А. Каблуков
(1857-1942 гг.) установил явление гидратации ионов электролитов в
водных растворах и сущность взаимодействия в процессах электролитической диссоциации. Каблуков организовал первую кафедру физической химии в сельскохозяйственном вузе и начал читать курс лекций
по физической химии будущим агрономам.
После 1917 г. физическая химия стала развиваться особенно бурно.
Работы Н.С. Курнакова – создателя физико-химического анализа,
Н.Д. Зелинского – основателя научной школы органического катализа,
Н.А. Шилова, выполнившего ряд важных работ в области кинетики сопряженных химических реакций и адсорбции растворенных веществ из
растворов – заложили фундамент в развитии физической химии.
Советские ученые: Н.Н. Семенов разработал теорию цепных разветвленных реакций; П.А. Ребиндер, А.Н. Фрумкин, М.М. Дубинин проводили
исследования в области поверхностных явлений и адсорбции.
Трудно представить становление и развитие электрохимии без работ выдающихся иностранных физикохимиков: Майкла Фарадея, который установил количественные законы электролиза в 1833 г.;
В.Ф. Оствальда, открывшего закон зависимости электропроводности
электролитов; Ф.Г. Нернста, развившего теорию диффузии и установившего зависимость между скоростью диффузии растворенных веществ, электропроводностью и осмотическим давлением; С.А. Аррениуса, работы которого посвящены учению о растворах (теории электролитической диссоциации) и кинетике химических реакций;
И. Ленгмюра, заслуга которого – в становлении и развитии теории адсорбции газов на твердых поверхностях.
9
1.4. Единицы измерения, применяемые в физической химии
Физическая величина
СИ
СГС
Длина
Метр (м)
Сантиметр (см)
Масса
Килограмм (кг)
Грамм (г)
Время
Секунда (с)
Секунда (с)
Температура
Градус Кельвина (К)
Градус Кельвина (К)
Сила
Ньютон (Н)
Дина (дин)
Давление
Паскаль (Па)
г/см∙с2
Мощность
Ватт (Вт)
Эрг/с
Работа (энергия)
Джоуль (Дж)
эрг
Скорость
м/с
см/с
Объем
м3
см3
Ускорение
м/с2
см/с2
В становлении и развитии физической химии принимали участие
специалисты разных профилей, поэтому одни и те же величины в этой
науке выражают разными единицами измерений.
Важнейшие единицы измерения системы СИ и СГС
По окончании Великой Французской революции во Франции была
принята метрическая система единиц СГС (сантиметр-грамм-секунда).
Ее преимуществом является удобство использования и простота расчетов. Однако не все страны приняли СГС, а физики придерживались
МКС (метр-килограмм-секунда).
В 1960 г. принята была система СИ, преимуществом которой являлись простота и удобство в осуществлении расчетов, единицы «привязаны» к природным постоянным.
Контрольные вопросы
1. Что изучает физическая химия?
2. Назовите основные разделы физической химии.
3. Какие ученые внесли большой вклад в развитие данной науки.
4. Расскажите о метрических системах единиц.
2. АГРЕГАТНОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА
2.1. Общая характеристика агрегатных состояний.
2.2 Газообразное сотояние вещества. Критическое состояние.
2.3. Жидкое состояние.
2.4. Твердое состояние.
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]