Введение
В настоящее время физическая химия - самостоятельная дисциплина, имеющая огромное значение для ряда смежных как теоретических, так и прикладных дисциплин.
"Физическая химия - наука, изучающая на основе положений и опытов физических, причину того, что происходит через химические операции в сложных телах", - так определил суть предмета великий русский ученый М. В. Ломоносов. Им же впервые в 1752 г. Был прочитан курс лекций по физической химии но лишь в 1860 г. профессором Бекетовым Н. Н. в ХГУ было введено преподавание курса физической химии. С этого времени, т. е. со II половины XIX века физическая химия начинает складываться как наука трудами русских, советских и зарубежных ученых.
Содержание курса физической химии обычно делят на несколько основных разделов, характеризующих направления этой науки и ее содержание.
Основные разделы физической химии таковы:
строение вещества;
химическая термодинамика;
растворы;
электрохимия;
химическая кинетика;
поверхностные явления;
колоидные растворы.
Это деление условно, т. к. реальный процесс обычно представлен несколькими явлениями.
Физическая химия пользуется, главным образом, тремя методами теоретического обобщения и лишь их совместное использование дает достаточно полное решение задачи.
Это следующие методы:
статистический, в основе которого лежит наука статистическая физика;
термодинамический, являющийся выражением суммарного результата статистических закономерностей;
квантово-механический, объясняющий ряд основных явлений физической химии, которые оставались непонятыми.
Типичными проблемами физической химии являются:
проблема химического равновесия, решение задач в рамках которой позволяет установить условия максимально полного разрешения химической реакции;
проблема скорости химической реакции, решение которой позволяет обеспечивать высокую производительность технологических процессов;
проблема химической связи, в рамках которой появляются сведения о внутреннем устройстве молекул, атомов и их реакционной способности;
проблема связи свойств веществ с их структурой и химическим составом, обсуждение которой позволяет прогнозировать получение материалов с заданным уровнем служебных характеристик.
Глава I. Химическая термодинамика
Термодинамика представляет собой научную дисциплину, которая изучает:
а) переходы энергии из одной формы в другую, от одной системы (части системы) к другой;
б) энергетические эффекты, сопровождающие различные физические или химические процессы;
в) возможность, направление и пределы самопроизвольного течения процессов в заданных условиях.
Термодинамика
базируется на двух основных законах,
называемых I
и II
началами термодинамики. Простота и
удобство термодинамики состоит в том,
что ее представления и вы
,
(2.1)
где
и называется истинной теплоемкостью.
Истинная теплоемкость показывает, какое количество теплоты следует подвести к системе для заданного повышения ее температуры.
Часто, особенно при решении практических задач, пользуются величиной средней теплоемкости:
,
(2.2)
где
- средняя теплоемкость;
- изменение
температуры системы.
В зависимости от того, к какому количеству (массе) вещества относится рассматриваемая теплоемкость, различают:
а) удельную теплоемкость, определяющую то количество теплоты, которое необходимо сообщить системе массой 1 кг для ее нагрева в заданном температурном интервале, Дж/кг К;
б) молярную теплоемкость, характеризующую то количество теплоты, которое необходимо сообщить системе с количеством вещества 1 моль, для ее нагрева в заданном температурном интервале, Дж/моль К.
Функция q не является функцией состояния, поэтому и теплоемкость так же зависима от условий совершения процесса теплопередачи.
В этой связи различают изобарическую (СР) и изохорическую (СV) теплоемкости.
Из уравнения (2.1) следует, что для условий V = const (изохорический процесс) справедливо следующее:
,
(2.3)
где dV = 0, поэтому:
.
(2.4)
Для изобарических условий ведения процесса (р = const):
.
(2.5)
Сравним СV и СР:
.
(2.6)
Из уравнения состояния идеального газа:
.
(2.7)
Тогда (2.6) с учетом (2.7) запишется в виде (2.8):
,
т. е.
СР - СV = R. (2.8)
Соотношение (2.8) называется формулой Майера для идеальных газов.
Для твердых веществ различие между СР и СV невелико, а их взаимозависимость описывается более сложным соотношением:
,
(2.9)
где Т - температура;
- изобарический
коэффициент линейного расширения;
-
изотермический коэффициент сжатия;
V0 - молярный объем вещества при 0 К.