Оглавление
|
Введение |
8 |
|
Часть первая. ТЕРМОДИНАМИКА | |
|
Глава I. Первый закон термодинамики | |
|
§ 1. Введение |
11 |
|
§ 2. Первый закон термодинамики |
14 |
|
§ 3. Применение первого закона термодинамики к простейшим процессам |
19 |
|
§ 4. Первый закон термодинамики и химические реакции (термохимия) |
24 |
|
§ 5. Закон Гесса |
26 |
|
§ 6. Зависимость энтальпии реакции от температуры |
33 |
|
Глава II. Второй закон термодинамики | |
|
§ 1. Введение |
36 |
|
§ 2. Энтропия |
39 |
|
§ 3. Вычисление изменения энтропии при различных процессах |
44 |
|
§ 4. Энергия Гиббса, энергия Гельмгольца |
47 |
|
§ 5. Зависимость энергий Гельмгольца и Гиббса от параметров состояния |
50 |
|
Глава III. Расчеты равновесий | |
|
§ 1. Фазовые превращения в однокомпонентных системах |
55 |
|
§ 2. Химическое равновесие в гомогенных системах |
61 |
|
§ 3. Изменение энергии Гибоса при химических реакциях |
68 |
|
§ 4. Равновесие в гетерогенных системах |
76 |
|
Глава IV. Третий закон термодинамики | |
|
§ 1. Введение |
82 |
|
§ 2. Третий закон термодинамики |
82 |
|
§ 3. Применение третьего закона термодинамики для расчетов равновесий |
89 |
|
Глава V. Растворы | |
|
§ 1. Введение |
96 |
|
§ 2. Парциальные молярные величины |
98 |
|
§ 3. Основные уравнения для парциальных молярных величин |
101 |
|
§ 4. Разбавленные растворы |
105 |
|
§ 5. Совершенные растворы |
124 |
|
§ 6. Реальные растворы |
131 |
|
Глава VI. Термодинамическая активность | |
|
§ 1. Введение |
133 |
|
§ 2. Выбор стандартного состояния |
136 |
|
§ 3. Применение активности |
138 |
|
§ 4. Методы определения активности |
144 |
|
§ 5. Параметры взаимодействия |
150 |
|
§ 6. Расчеты равновесий в металлических растворах |
153 |
|
Глава VII. Правило фаз | |
|
§ 1. Введение |
158 |
|
§ 2. Вывод правила фаз |
160 |
|
§ 3. Диаграммы равновесия духкомпонентных систем |
165 |
|
§ 4. Понятие о диаграммах состояния трехкомпонентных систем |
180 |
|
§ 5. Термодинамика диаграмм состояния |
187 |
|
Глава VIII. Теория электролитов | |
|
§ 1. Теория электролитичекой диссоциации |
191 |
|
§ 2. Подвижность ионов |
198 |
|
Глава IX. Термодинамика электродных процессов | |
|
§ 1. Термодинамика гальванического элемента |
203 |
|
§ 2. Активность сильных электролитов |
213 |
|
§ 3. Способы определения активности электролитов |
218 |
|
§ 4. Коэффициенты активности электролитов |
221 |
|
§ 5. Типы электродов |
224 |
|
§ 6. Концентрационные гальванические элементы |
227 |
|
§ 7. Таблица стандартных (нормальных) потенциалов |
231 |
|
§ 8. Определение термодинамических величин при помощи метода э.д.с |
238 |
|
§ 9. Скачки потенциалов на границах фаз |
245 |
|
§ 10. Металлургические шлаки |
253 |
|
ГлаваХ. Электролиз и поляризация | |
|
§ 1. Поляризация |
262 |
|
§ 2. Перенапряжение |
270 |
|
Часть вторая. СТАТИСТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА | |
|
Глава XI. Закон распределения Больцмана | |
|
§ 1. Фазовое пространство |
273 |
|
§ 2. Вывод закона распределения Больцмана |
278 |
|
§ 3. Распределение молекул газа в потенциальном поле |
283 |
|
§ 4. Распределение по импульсам |
285 |
|
§ 5. Закон распределения энергии по степеням свободы |
287 |
|
§ 6. Основы статистики Гиббса |
291 |
|
Глава XII. Теплоемкость | |
|
§ 1. Теплоемкость идеального газа |
293 |
|
§ 2. Квантовая теория теплоемкости |
295 |
|
Глава XIII. Расчет термодинамических функций | |
|
§ 1. Сумма состояний |
300 |
|
§ 2. Расчет сумм состояний |
303 |
|
§ 3. Расчет химического равновесия |
309 |
|
§ 4. Упругость пара твердого тела |
311 |
|
§ 5. Статистика Бозе - Эйнштейна и Ферми – Дирака |
312 |
|
§ 6. Излучение (фотонный газ) |
315 |
|
§ 7. Энергия электронного газа |
317 |
|
§ 8. Теория растворов |
319 |
|
§ 9. Растворы электролитов |
330 |
|
§ 10. Высокомолекулярные вещества и их растворы |
334 |
|
Глава XIV. Явления переноса в газах, твердых телах и жидкостях | |
|
§ 1. Явления переноса в идеальном газе |
337 |
|
§ 2. Диффузия |
341 |
|
§ 3. Диффузия в твердых телах |
346 |
|
§ 4. Эффект Киркендаля |
349 |
|
§ 5. Связь свойств растворов и диффузионной подвижности |
352 |
|
§ 6. Дефекты в твердом теле и диффузионная подвижность |
355 |
|
§ 7. Жидкое состояние |
366 |
|
§ 8. Флуктуации |
375 |
|
Глава XV. Поверхностные явления | |
|
§ 1. Поверхностное сгущение |
378 |
|
§ 2. Роль поверхностных явлений в различных процессах |
380 |
|
§ 3. Адсорбция газов |
384 |
|
§ 4. Изотерма Лангмюра |
387 |
|
§ 5. Адсорбция на неоднородной поверхности |
389 |
|
§ 6. Учет взаимодействия адсорбированных молекул |
391 |
|
§ 7. Полимолекулярная адсорбция |
393 |
|
§ 8. Адсорбция паров |
396 |
|
§ 9. Газовая хроматография |
400 |
|
§ 10. Адсорбция на поверхности жидкости |
407 |
|
§11. Зависимость поверхностного натяжения от состава раствора |
411 |
|
§ 12. Смачиваемость |
414 |
|
Часть третья. КИНЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ | |
|
Глава XVI. Кинетика гомогенных химических реакций |
416 |
|
§ 1. Формальная кинетика |
417 |
|
§ 2. Применение кинетической теории газов |
427 |
|
§ 3. Теория переходного состояния |
439 |
|
§ 4. Кинетика реакций в растворах |
450 |
|
Глава XVII. Цепные реакции | |
|
§ 1. Общие характеристики цепных реакций |
453 |
|
§ 2. Основы количественной теории цепных реакций |
461 |
|
Глава XVIII. Кинетика гетерогенных процессов | |
|
§ 1. Введение |
467 |
|
§ 2. Внешняя массопередача |
474 |
|
§ 3. Внешняя массопередача в некоторых конкретных процессах |
485 |
|
§ 4. Внутренняя массопередача |
493 |
|
§ 5. Кинетика кристаллизации |
498 |
|
§ 6. Реакции с участием твердых тел |
507 |
|
Глава XIX. Катализ | |
|
§ 1. Общие сведения о катализе |
520 |
|
§ 2. Гомогенный катализ |
522 |
|
§ 3. Гетерогенный катализ |
524 |
|
Глава XX. Термодинамика необратимых процессов | |
|
§ 1. Введение |
533 |
|
§ 2. Аксиомы термодинамики необратимых процессов |
534 |
|
§ 3. Перенос через барьер |
536 |
|
Часть четвертая. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА | |
|
Глава XXI. Волновая механика | |
|
§ 1. Уравнение Шредингера |
540 |
|
§ 2. Соотношение неопределенности |
550 |
|
Глава XXII. Применение волновой механики | |
|
§ 1. Движение частиц в потенциальном поле |
553 |
|
§ 2. Ротатор |
563 |
|
§ 3. Атом водорода |
565 |
|
§ 4. Квантовые числа электронов |
570 |
|
§ 5. Векторная модель атома |
573 |
|
§ 6. Периодическая система элементов Д. И. Менделеева |
576 |
|
Глава XXIII. Химическая связь | |
|
§ 1. Два представления о природе связи |
589 |
|
§ 2. Гетерополярная связь |
591 |
|
§ 3. Гомеополярная связь |
594 |
|
§ 4. Насыщаемость связи |
603 |
|
§ 5. Направленность связей |
605 |
|
§ 6. Структурные формулы и аддитивная схема |
610 |
|
§ 7. Полярность связи |
617 |
|
§ 8. Молекулярные силы |
619 |
|
Глава XXIV. Связь в твердых телах | |
|
§ 1. Кристаллы |
628 |
|
§ 2. Энергия образования кристаллической решетки |
634 |
|
§ 3. Металлы |
637 |
|
§ 4. Сплавы |
649 |
|
§ 5. Полупроводники |
653 |
|
Глава XXV. Экспериментальные методы исследования характеристик молекул | |
|
§ 1. Молекулярные спектры |
661 |
|
§ 2. Электронный, парамагнитный и ядерный магнитный резонанс |
669 |
|
§ 3. Диэлектрические свойства молекул |
674 |
|
§ 4. Плазма |
676 |
|
Рекомендательный библиографический список |
680 |
|
Предметный указатель |
|
ВВЕДЕНИЕ
Как показывает само название, физическая химия рассматривает вопросы, находящиеся на стыке физики и химии.
Химические (связанные с изменением состава) процессы сопровождаются и инициируются физическими.
Химические реакции могут быть источником тепла, света, электрической энергии, а также приводить к взрыву. Течение и конечный результат химических реакций существенно зависят от подвода тепловой, световой или электрической энергии и от физического состояния реагентов.
Механизм химических процессов может быть понят лишь на основе физических теорий, описывающих движение реагирующих молекул и осуществляющих акт химической реакции электронов. Физические свойства тел существенно зависят от их химического состава.
Физическая химия охватывает все вопросы теории химических превращений и рассматривает влияние физических параметров на химические процессы и химического состава на физические свойства.
Существует множество типичных проблем физической химии, среди которых можно выделить основные: проблему химического равновесия, основой которой является расчет максимально возможного выхода химической реакции как функции параметров (температуры, давления и др.); проблему скорости химической реакции, состоящую в необходимости интенсификации процесса, определяемой скоростью химических превращений; проблему связи свойств тела с его структурой и химическим составом, заключающуюся в определении и достижении определенных прочностных свойств; проблему химической связи, состоящую в определении реакционной способности, структуры, формы, электрической и энергетической характеристик молекул.
Развитие научно-технической революции требует применения и развития физической химии. Это относится к изысканию новых энергетических и сырьевых ресурсов, а также к синтезу питательных веществ. Охрана окружающей среды, освоение богатств мирового океана, а также покорение космоса непосредственно связаны с решением ряда конкретных физико-химических задач.
Развитие химической и металлургической промышленностей,
8
получение новых продуктов, а также увеличение производительности и автоматизация процессов тесно связаны с развитием физической химии. Это относится, например, к получению материалов с заданными эксплуатационными свойствами, к получению особо чистых материалов, разделению и анализу смесей, применению сверхвысоких температур и давлений.
Все большую роль играет физическая химия в развитии биологии и биотехнологии.
Металлургия и металловедение непосредственно опираются на физическую химию, обосновывающую теорию химических процессов в металлургических агрегатах, позволяющую рассчитать скорости этих процессов и определить пути их интенсификации.
Свойства реальных сплавов зависят от их структуры, от того, какие процессы прошли при их получении. Физическая химия дает теоретические основы для характеристики структуры сплавов и скоростей идущих в них процессов.
Физическая химия как наука начала складываться во второй половине прошлого века, хотя уже М.В. Ломоносов впервые указал на важность этой дисциплины и создал первый курс физической химии. Ряд важнейших основ современной физической химии был заложен в России. А.М. Бутлерову принадлежат важнейшие идеи, положенные в основу химических структурных формул, Д.И. Менделееву - открытие периодической системы элементов. В наше время большое значение имеют работы автора теории цепных взрывов Н.Н. Семенова и одного из создателей современной электрохимии А.Н. Фрумкина.
Физическая химия, как наука, опирается на диалектический материализм и, в частности, на ленинскую теорию отражения.
Можно назвать три основных метода, которые характеризуют направление этой науки и определяют ее предмет.
Первый из этих методов - термодинамика. Она является опытной и формальной дисциплиной. Все законы и понятия формулируются в термодинамике как результат описания опыта без проникновения в молекулярный механизм процессов. Это обусловливает ограниченность ее применения, несмотря на большую практическую ценность ее методов расчета.
Второй метод - статистическая механика, опирающаяся на учение о молекулярной природе тел. Рассмотрение тел как больших коллективов частиц, подчиняющихся законам
9
механики, позволяет обосновать понятия и законы термодинамики и значительно расширить область описываемых явлений. Статистическая механика позволяет связать макроскопические свойства тел с микроскопическими свойствами молекул.
Третий метод физической химии основывается на учении о строении атома и молекул. Он позволяет объяснить свойства молекул и твердых тел на основе законов движения и свойств составляющих их частиц, в первую очередь электронов.
Каждому из приведенных трех методов соответствует свой круг понятий, законов и экспериментальных методик (в последние годы физическая химия стала пользоваться экспериментальными методами ядерной физики).
Рассмотренные методы развиваются наряду с развитием физической химии и определяют этапы последовательного решения основных ее проблем. На этом принципе построено изложение учебника.
Первая часть посвящена термодинамике, вторая - статистической механике, третья - учению о скоростях химических процессов, непосредственно опирающемуся на статистическую механику. В четвертой части освещены основы и физико-химические применения учения о строении атома и молекулы. Однако уже в первой части при изложении физического смысла основных понятий и законов используются молекулярные представления.
10
Часть перваяТЕРМОДИНАМИКА