9

Лекция 1

1. Предмет физической химии.

2. Химическая термодинамика. Основные понятия и определения.

3. Первый закон термодинамики, его приложение к термодинамическим процессам.

Предмет физической химии

Химические реакции связаны с разнообразными физическими явлениями: выделением или поглощением теплоты, изменением объема, испусканием света, электрическими явлениями и т.д. В химических реакциях всегда осуществляется тесная связь физических и химических явлений, изучение этой взаимосвязи – основная задача физической химии.

Физическая химия – это наука, объясняющая химические явления и устанавливающая их закономерности на основе общих принципов физики (Большой энциклопедический словарь).

Главное внимание в физической химии уделяется установлению закономерностей протекания химических процессов: возможности их осуществления, направления, механизма, скорости и конечных результатов при различных условиях. Установление таких закономерностей в конечном итоге позволяет прогнозировать ход химического процесса и управлять им, т.е. обеспечивать наиболее полное и быстрое его проведение.

Пример 1. Синтез аммиака ведется при высоком давлении в присутствии катализатора согласно реакции:

N₂ + 3H₂ 2NH₃

Если эту реакцию проводить при давлении р = 850 атм, содержание NH₃ в реакционной смеси составит 30 %. Если же давление повысить до 1700 атм, выход аммиака увеличится до 50 %. Таким образом, изменяя лишь один физический параметр – давление, – можно почти вдвое увеличить выход конечного продукта.

Пример 2. Температура, как известно, оказывает существенное влияние на скорость реакции (при повышении температуры на каждые 10 ºС скорость реакции увеличивается в 2 – 4 раза). Но не всегда для увеличения скорости протекания реакции целесообразно повышать температуру реакционной смеси, поскольку при этом может сократиться выход продуктов реакции.

Таким образом, изменяя различные физические параметры, можно управлять процессом и подбирать оптимальные условия его проведения.

Название науки «Физическая химия» введено М.В. Ломоносовым, который впервые сформулировал ее предмет и задачи. В 1752 г. он написал «Введение в истинную физическую химию», в котором дал близкое к современному определение ее предметной области: «Физическая химия есть наука, объясняющая на основании положений и опытов физики, то, что происходит в сложных телах при химических операциях».

Физическая химия – теоретическая основа современных технологий.

Раздел I. Основы химической термодинамики

Термодинамика – наука о взаимном превращении одних видов энергии в другие.

Термодинамика базируется на нескольких постулатах, основными из которых являются I и II законы. Эти постулаты не могут быть выведены теоретически, их истинность подтверждена многолетним опытом человечества.

Различают общую, техническую и химическую термодинамику.

Общая термодинамика рассматривает теоретические основы всех направлений термодинамики.

В технической термодинамике рассматриваются взаимные превращения теплоты и работы применительно, главным образом, к конструированию и эксплуатации тепловых двигателей.

Химическая термодинамика – раздел физической химии, в котором термодинамические методы применяются для анализа химических и физико-химических процессов – химических реакций, фазовых переходов, явлений в растворах и т.п.

Знание законов термодинамики позволяет:

1) рассчитать тепловой эффект процесса и определить влияние на него изменения внешних условий;

2) «a priori» определить принципиальную возможность анализируемого процесса и тем самым исключить ненужные эксперименты;

3) рассчитать конечный результат химического процесса – равновесный состав реакционной смеси, оценить максимально возможный выход продуктов реакции и подобрать оптимальные условия ее проведения.