МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

Дальневосточный государственный университет

Кафедра физической химии и физико-химических проблем экологии

Физическая химия

Методические указания

для студентов нехимических специальностей ДВФУ

Владивосток

Издательство Дальневосточного федерального университета

2013 Содержание

Введение 2

Программа курса «Физическая химия» 3

1. Краткая характеристика газов 3

2. Основы химической термодинамики и термохимии 4

3. Химическое равновесие. Фазовое равновесие 9

4. Свойства разбавленных растворов 12

5. Химическая кинетика и катализ 16

6. Электрохимия 20

Рекомендуемая литература 23

Введение

«Физическая и коллоидная химия» – дисциплины, изучением которых завершается химическая подготовка специалистов биологов и биохимиков. Физическая химия является основой для дальнейшего изучения специальных дисциплин, поскольку предусматривает изучение связи между физическими процессами и химическими превращениями, протекающими при производстве, транспортировке, хранении, а также и в реализации полиграфической продукции.

Физическая химия – наука, которая, основываясь на законах физики, изучает химические превращения, происходящие в сложных физико-химических системах. Наиболее полезно изучение таких разделов физической химии, как термодинамика, фазовые равновесия, кинетика, свойства растворов электролитов и неэлектролитов, электрохимия.

Физическая химия обеспечивает преемственность и связь с неорганической, органической, аналитической химией, а также некоторыми разделами физики, т. е. обеспечивает целостную систему физико-химической подготовки специалиста.

Цель дисциплины – дать будущим специалистам знания, необходимые для профессионального решения вопросов производства, транспортировки, хранения и реализации полиграфической продукции.

В результате изучения дисциплины студент должен:

• знать основные законы физической и коллоидной химии, методику расчета термодинамических и кинетических величин для определения направленности и условий протекания химических процессов, методы экспериментального определения основных физических и химических параметров процесса;

• уметь применять полученные знания в профессиональной деятельности.

Программа курса «Физическая химия»

1. Краткая характеристика газов

Энергетическое взаимодействие между частицами вещества (атомами, молекулами, ионами) определяет существование его в твердом, жидком или газообразном состояниях (агрегатное состояние вещества). Взаимодействия между частицами у вещества в газообразном состоянии очень слабые, они усиливаются, когда вещество переходит в жидкое или твердое состояние. Если силы межчастичного притяжения больше энергии тепловых колебаний – вещества находятся в твердомсостоянии. Твердое кристаллическое состояние характеризуется упорядоченной структурой (геометрически правильное расположение частиц в пространстве).

Если силы взаимодействий между частицами уже не способны преодолевать тепловые колебания, существующие связи между частицами рвутся и образуются новые, частицы смещаются относительно друг друга, и хотя контакт между ними сохраняется, нарушается геометрически правильная структура – это жидкое состояние. Таким образом, частицы в жидкости взаимосвязаны, но структура ее не определена, хотя на близком расстоянии от определенной частицы расположение других частиц может быть упорядоченным. Твердое и жидкое состояния называютконденсированным состоянием.

Если же частицы вещества не связаны друг с другом – это газообразное состояние.

Идеальный газ– это идеализированное состояние реальных газов при бесконечно малом давлении (концентрации). Принимается, что между частицами идеального газа нет никаких взаимодействий – ни притяжения, ни отталкивания. Частицы свободны и перемещаются беспрепятственно (неупорядоченное состояние), причем собственный объем молекул газа настолько мал по сравнению с объемом, в котором эти молекулы располагаются, что его можно не учитывать. Понятиеидеальноесостояниепринято для упрощения первичного математического описания систем, а переход креальному состояниюосуществляется путем введения в уравнения для идеального газа необходимых поправок (учитывая межчастичные взаимодействия и объем частиц).

В твердом состоянии вещество с трудом изменяет объем и форму (слабо сжимается и ничтожно мало деформируется), в жидком – с трудом изменяет объем, но легко может менять форму (чрезвычайно слабо сжимается, но свободно деформируется), а в газообразном – легко изменяет как объем, так и форму.

При очень высокой температуре (сотни тысяч градусов) энергия столкновений между частицами газа настолько велика, что молекулы разрушаются, а атомы теряют электроны, в результате чего образуется плазма, состоящая из ядер и электронов. Плазма рассматривается как четвертое – плазменноесостояние материи (например, вещества внутри Солнца).

Газовые системы являются наиболее наглядными моделями при изучении законов термодинамики и кинетики. От свойств идеальных газов легко перейти к свойствам идеальных жидких растворов, а затем и к свойствам реальных растворов.

Уравнение состояния идеального газаопределяет соотношение между давлением, температурой и объемом газа. Так, для случая переменных параметров состоянияP,VиTони связаны между собой следующим образом:

(1.1)

где n– число моль идеального газа в объемеV, т.е., здесьm– масса газа, г;

M– молярная масса газа, г/моль;

R – универсальная газовая постоянная (коэффициент пропорциональности), которую для 1 моль идеального газа (из уравнения 1.1) можно выразить:

. (1.2)

В численном выражении (в системе СИ) универсальная газовая постоянная равна 8,31 Дж/моль^.К, а учитывая, что 1 кал = 4,18 Дж,R= 1,987 кал/моль·К. Во внесистемных единицахR= 0,082 л·атм/моль·К.

Если в объеме Vсмешано несколько идеальных газов, то каждый из них будет оказывать на стенки сосуда свое собственное (парциальное) давление – такое, как если бы только один газ занимал весь объем. Тогда наблюдаемое полное давление будет равно сумме парциальных давлений каждого газа(закон Дальтона),и уравнение состояния для смеси газов А, В и С в объемеVпри температуреТпримет вид:

PV = (P_А + Р_В + Р_С)V = (n_А + n_В + n_C)RT, (1.3)

где Р_А, Р_В и Р_С– парциальное давление индивидуальных газовА, В и С, Па;

n_A, n_B и n_C– количество моль отдельных газовА, В и С.

Отметим, что для реальныхгазов (с более высокими, т.е. реальными, концентрациями молекул) должны учитываться взаимные притяжения газовых молекул и их собственный объем, который будет занимать уже заметную долю от всего объема. Тогда объем, в котором движутся молекулы реального газа, будет неV, аV–b, где константаb– учет суммарного собственного объема молекул и их взаимного отталкивания (на малых расстояниях). Кроме того, вследствие наличия в реальном газе сил межмолекулярного притяжения, давление реального газа должно быть ниже давления идеального газа, что также необходимо учитывать, т.е. вводить еще один дополнительный коэффициента, относящийся к свойству молекул конкретного реального газа. Тогда уравнение состояния (1.4) для реального газа принимает вид (Ван-дер-Ваальс):

, (1.4)

где a иb– константы, характеризующие свойства молекул данного реального газа; находятся экспериментальным путем.