Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физическая химия. Учебное пособие для обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство
.pdf
СТРОИТЕЛЬСТВО
Л.С. Григорьева, О.Н. Трифонова
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Учебное пособие
для обучающихся по направлению подготовки
08.03.01 Строительство
ISBN 978-5-7264-3499-5
Москва
2024
© ФГБОУ ВО «НИУ МГСУ», 2024
© Оформление.
ООО «Ай Пи Эр Медиа», 2024
УДК 544(075.8)
ББК 24.5я73
Г83
кандидат физико-математических наук А.П. Москалец,
главный специалист ООО «СмартЭлектроГласс»;
профессор кафедры технологии композиционных материалов и прикладной химии
Григорьева, Л.С.
Г83
Физическая химия [
по направлению подготовки 08.03.01 Строительство / Л.С. Григорьева, О.Н. Трифонова ;
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Национальный
исследовательский Московский государственный строительный университет. — Электрон.
дан. и прогр. (5,5 Мб). — Москва : Издательство МИСИ – МГСУ, 2024. — URL: http://
www.iprbookshop.ru/. — Режим доступа : для зарегистрированных пользователей. — Загл.
с титул. экрана.
978-5-7264-3499-5
ISBN
доктор химических наук М.Н. Попова,
Р е ц е н з е н т ы :
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
Электронный ресурс] : учебное пособие для обучающихся
Основные разделы физической химии: химическая термодинамика, фазовые
равновесия, химическая кинетика, поверхностные явления — изложены в объеме,
необходимом для подготовки бакалавров. Теоретический материал сопровождается
лабораторными работами и контрольными вопросами.
Для обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство, профиль «Про-
изводство и применение строительных материалов, изделий и конструкций».
Учебное электронное издание
© ФГБОУ ВО «НИУ МГСУ», 2024
© Оформление. ООО Компания
«Ай Пи Ар Медиа», 20
24
Учебное электронное издание
Григорьева Л.С., Трифонова О.Н.
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Учебное пособие
Редактор О.О. Скоробогатова
Технический редактор А.В. Кузнецова
Корректор А.А. Идрисова
Компьютерная правка и верстка С.С. Сизиумовой
Для создания электронного издания использовано:
Microsoft Word 2010, Adobe InDesign CS5.5, ПО Adobe Acrobat
Объем данных 5,5 Мб.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования «Национальный исследовательский Московский
государственный строительный университет».
129337, Москва, Ярославское ш., 26.
Издательство МИСИ – МГСУ.
Тел.: (495) 287-49-14, вн. 14-23, (499) 183-91-90, (499) 183-97-95.
E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru
ООО Компания «Ай Пи Ар Медиа»
8 800 555 22 35 (бесплатный звонок по России)
E-mail: sales@iprmedia.ru
ОГЛАВЛЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ ....................... 6
§ 1. Основы термохимии. Закон гесса ......................................................................... 11
§ 2. Второе начало термодинамики ............................................................................. 20
Лабораторная работа 1 ........................................................................................... 29
Лабораторная работа 2 ........................................................................................... 33
Контрольные вопросы ................................................................................................... 34
ГЛАВА 2. ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ ............................................................. 36
§ 1. Общие положения ................................................................................................... 36
§ 2. Термический анализ ................................................................................................ 41
Лабораторная работа 3 ........................................................................................... 43
Контрольные вопросы ................................................................................................... 46
ГЛАВА 3. РАСТВОРЫ ........................................................................................ 48
§ 1. Строение молекулы воды и ее структура ............................................................ 48
Газообразное состояние воды — водяной пар .................................................49
Структура льда......................................................................................................50
Структура жидкой воды ....................................................................................51
Диаграмма состояния воды .................................................................................52
Растворы. Растворимость ....................................................................................54
Химический потенциал .......................................................................................57
§ 2. Влияние различных факторов на растворимость веществ, находящихся в
разных агрегатных состояниях..................................................................................... 59
Газовое агрегатное состояние .............................................................................59
Жидкое агрегатное состояние .............................................................................62
Твердое агрегатное состояние ............................................................................63
Разбавленные растворы неэлектролитов ...........................................................64
Первый закон коновалова. Перегонка ...............................................................70
Второй закон коновалова ....................................................................................73
Температуры кристаллизации и кипения растворов .......................................74
Закон распределения нернста. Коэффициент распределения ........................76
Лабораторная работа 4 ........................................................................................... 77
Лабораторная работа 5 ........................................................................................... 81
Лабораторная работа 6 ........................................................................................... 85
Контрольные вопросы .........................................................................................88
4
ГЛАВА 4. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА ......................................................... 89
§ 1. Экспериментальное определение скоростей реакций ...................................... 93
Обратимые и необратимые химические реакции. Химическое
равновесие .............................................................................................................94
§ 2. Кинетическая классификация реакций ................................................................ 96
Сложные реакции .................................................................................................99
Влияние температуры на скорость химических реакций ............................ 102
Катализ ................................................................................................................ 104
Лабораторная работа 7 ......................................................................................... 106
Лабораторная работа 8 ......................................................................................... 108
Контрольные вопросы ...................................................................................... 111
ГЛАВА 5. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ. ДИСПЕРСНЫЕ
СИСТЕМЫ .......................................................................................................... 112
§ 1. Изотермы адсорбции ............................................................................................ 117
§ 2. Закономерности адсорбции на твердой поверхности из раствора.
Ионообменная адсорбция ........................................................................................... 126
Смачивание ........................................................................................................ 127
Адгезия ............................................................................................................... 129
Когезия ................................................................................................................ 131
Лабораторная работа 9 ......................................................................................... 132
Лабораторная работа 10....................................................................................... 135
Лабораторная работа 11....................................................................................... 140
Контрольные вопросы ...................................................................................... 148
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................................ 149
5
ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ
Впервые термин «Физическая химия» ввел М.В. Ломоносов в пе-
риод его деятельности в Академии (1752—1754 гг.). В рукописи «Введение в истинную физическую химию» дано следующее определение:
«Физическая химия есть наука, объясняющая на основании положений
и опытов физики то, что происходит в смешанных телах при химических операциях».
Основной задачей современной физической химии является изучение взаимосвязи физических и химических явлений. Знание законов
физической химии позволяет понять сущность химических процессов и
сознательно подбирать наиболее подходящие условия для их практического осуществления.
Одним из основных разделов физической химии является химическая термодинамика. В самом широком смысле термодинамика — это
наука, которая изучает законы взаимного превращения различных видов энергии.
Методы термодинамики используются в различных областях знаний. В зависимости от того, в какой области рассматриваются превращения энергии, различают общую, техническую и химическую термодинамику.
Объектом исследования термодинамики является система, которая
представляет собой тело или группу тел, мысленно выделяемых из
окружающей среды и имеющих границу раздела со средой.
По характеру взаимодействия с окружающей средой различают
следующие системы:
• изолированная — не обменивается с окружающей средой ни
веществом, ни энергией в форме работы или теплоты;
• закрытая — не обменивается с окружающей средой веществом,
взаимодействие осуществляется только за счет обмена энергией;
• открытая — обменивается как веществом, так и энергией с
окружающей средой;
• адиабатная — не имеет теплообмена с окружающей средой.
В химической термодинамике рассматриваются основные термодинамические законы применительно к химическим и физикохимическим процессам.
6
Химическая термодинамика изучает:
• соотношения между теплотой и другими формами энергии в
процессе химических реакций;
• возможность самопроизвольного протекания химических реак-
ций в данных условиях;
• условия, при которых реакция находится в состоянии химиче-
ского равновесия.
Основываясь на теоретических положениях химической термодинамики, можно рассчитывать и прогнозировать прочность твердых тел;
устойчивость гидратных образований, определяющих прочность бетонов; обосновывать направление, по которому протекают процессы гидратации минеральных вяжущих. К примеру, знание максимального
тепловыделения и скорости этого процесса необходимо при выборе
цемента для гидротехнических и иных видов строительства.
Термодинамика базируется на ряде утверждений, которые в сжатой
форме обобщают огромный опыт всего человечества. Эти утверждения
называют законами, или началами, термодинамики.
Первое начало термодинамики непосредственно связано с законом сохранения и превращения энергии и устанавливает эквивалентность различных форм энергии.
Этот закон является универсальным и подтверждается всем опытом
человечества: «Во всех явлениях природы энергия не может исчезнуть
бесследно или возникнуть из ничего. Энергия только превращается из
одной формы в другую в строго эквивалентных соотношениях». Ино-
гда этот закон формулируют в других формах:
• «Вечный двигатель первого рода невозможен, т.е. невозможно
построить машину, которая выполняла бы механическую работу, не затрачивая на это соответствующего количества молекулярной энергии»;
• «Общий запас энергии в изолированной системе остается по-
стоянным».
В неизолированной системе энергия может изменяться за счет:
• совершения работы над окружающей средой;
• теплообмена с окружающей средой.
Все тела в природе независимо от их агрегатного состояния обладают определенным запасом энергии. Эта энергия складывается из кинетической энергии молекул, энергии колебательного движения атомов, энергии электронов, внутриядерной энергии, энергии взаимодействия молекул и т.д. Все перечисленные энергии, за исключением ки-
7
нетической энергии системы в целом и потенциальной энергии ее положения в пространстве, составляют внутреннюю энергию (U), которая
не зависит ни от механического движения тела, ни от положения этого
тела относительно других тел:
U = W
где W
W
W
— полная энергия системы;
п.э.
— энергия движения системы как целого;
кин.сист.
— энергия положения системы как целого в поле внешних сил.
пот.
п.э.
- (W
кин.сист.-Wпот.),
(1)
Часть внутренней энергии может свободно обмениваться в ходе
процесса. Из этого следует, что внутренняя энергия — это функция состояния системы только при термодинамическом равновесии.
Абсолютное значение внутренней энергии определить невозможно,
можно только измерить изменение внутренней энергии при переходе
системы из одного состояния в другое. Если термодинамическая система с внутренней энергией U1 переходит в другое состояние с энергией
U2, то изменение внутренней энергии ∆U не зависит от пути перехода, а
зависит только от начального и конечного состояния системы, определяемого параметрами состояния (p, V, T).
Все изменения внутренней энергии при ее переходе от одного тела
к другому можно разбить на две группы. В первую группу входит форма перехода энергии за счет хаотического столкновения молекул двух
соприкасающихся тел. Мерой передаваемой таким способом энергии
является теплота.
Теплота представлена интенсивным хаотическим движением молекул и атомов, из которых это вещество состоит, т.е. неупорядоченным
движением микрочастиц.
Во вторую группу входят многие формы перехода энергии при перемещении масс, состоящих из большого числа частиц, под действием
каких-либо сил. Общей мерой передаваемой таким образом энергии является работа. Таким образом, работа включает в себя упорядоченную
макроскопическую форму движения.
Теплота Q и работа А в общем виде не являются функциями состояния. Взаимосвязь между внутренней энергией, теплотой и работой
устанавливается на основе первого начала термодинамики.
8
Внутренняя энергия может изменяться только под влиянием внешних воздействий, т.е. в результате сообщения системе количества теплоты Q и совершения над ней работы (А).
В термодинамике условились считать положительными величинами теплоту, полученную системой, и работу, совершенную системой.
(Эгоистичный принцип: положительно все, что увеличивает внутреннюю энергию.) Тогда из первого начала термодинамики следует, что
теплота, подводимая к системе, идет на приращение внутренней энергии системы и на совершение работы против внешних сил:
Q = ∆U + A, (2)
или U = Q – A
Данное уравнение представляет собой математическую формулировку первого закона термодинамики.
dU = Q - A (дифференциальная форма) (3)
ΔU = Q - A (интегральная форма) (4)
Теплота и работа — функции процесса, и их бесконечно малое
изменение не является полным дифференциалом.
Изохорный процесс (V = const) — теплота равна приращению
внутренней энергии:
Qv = U2 - U1 = ∆U, (5)
т.е. все тепло расходуется на изменение внутренней энергии.
В изобарных процессах теплота расходуется на совершение работы
и приращение внутренней энергии. Уравнение первого начала термодинамики применительно к изобарным процессам, в которых совершается только работа расширения (р = const), имеет следующий вид:
∆Н = ∆U + p∆V, (6)
где А = p∆V, или Qр = U2 - U1 + р(V2 - V1).
Произведем перегруппировку: Qр = (U2 + рV2) - (U1 + pV1).
9
Слагаемые обозначим буквой Н:
U + рV = Н (7)
Тогда уравнение примет следующий вид:
Qр = Н2 - Н1 = ∆Н, (8)
где Н — это термодинамическая функция, называемая энтальпией. Ранее ее называли тепловой функцией, или теплосодержанием, системы.
Она характеризует внутреннее состояние системы.
В чем отличие энтальпии от внутренней энергии?
Сообщенная системе теплота не полностью идет на увеличение
внутренней энергии, часть ее возвращается в окружающую среду в виде работы. Например, имеется цилиндр с поршнем. Нагреваем цилиндр,
т.е. сообщаем системе теплоту. Часть теплоты идет на увеличение
внутренней энергии системы. В результате поршень поднимается, размеры системы увеличиваются, т.е. совершается работа.
Следовательно, изменение энтальпии и внутренней энергии отличаются на величину работы, затраченной на изменение размеров системы: Н = U + рV.
Физический смысл энтальпии. Если процесс идет при постоянном
давлении (р = const), то изменение энтальпии будет включать в себя
изменение внутренней энергии и то количество тепла, которое расходуется на расширение системы, таким образом, энтальпия представляет
собой энергию расширенной системы.
Теплота изобарного процесса равна приращению энтальпии системы во время этого процесса.
Обратите внимание, что в изохорном и изобарном процессах теплота становится функцией состояния. Она не зависит от пути процесса,
а зависит только от начального и конечного состояния системы.
Скрытая теплота испарения, плавления (и других фазовых переходов 1 рода) — это изменения энтальпии.
Итак, при сообщении системе теплоты внутренняя энергия системы возрастает, также повышается температура системы. Для бесконечно малого перехода повышение температуры пропорционально количеству сообщенной теплоты:
dT~ dQ dT = const dQ (9)
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]