Лекция №1

Введение

Физическая химия — наука о закономерностях химических процессов и

химических явлений. Она объясняет эти явления: на основе фундаментальных положений физики и стремится к количественному описанию химических процессов. Объектами ее

Кглавным задачам физической химии можно отнести

изучение и объяснение основных закономе, определяющих направленость химических процессов, скорость их протекания, влияние на них среды, примесей, излучения и т.п.,

условия получения максимального выхода необходим продуктов. Для современной физической хими центральной

химической технологии.

Название науки — физическая химия — отражает как историю возникновения ее на стыке двух наук — физики и химии. Два теоретических метода физики давно и широко используются при решении основных задач физическая.

Термодинамический метод применяется для решенияпроблемы направленности процессов химического и фазового равновесия.

На современном этапе развития физической химии в ней всесторонне используется важнейшая физическая теория— квантовая механика. Все без исключения атомы, молекулы, ионы, радикалы и другие микрочастицы представляют собой квантово-механические системы. Поэтому изучение таких

механики. Широко используются в физической химии и

Характерная для физической химии особенность— применение теоретических и

экспериментальных методов физики при изучении химических явлений— отмечалась уже М.В.Ломоносовым, от которого ведет свое начало и само название науки "Физическая химия". Соот ветствующий курс впервые был прочитан М.В.Ломоносовым для студентов в 1752—1753 гг. Им же написан и первый учебник по физи-ческой химии— "истинной физической химии для учащейся молодежи". В физической химии Ломоносова были

предвосхищены ее будущие успехи, которые стали возможны благодаря развитию теоретических методов физики XIX в. Труды Карно, Майера, Джоуля, Гесса, Клаузиуса,

Гиббса, Вант-Гоффа, Нернста в области термодинамики, Максвелла, Больцмана. Гиббса в

химической термодинамики и кинетики способствовали выделению физической химии в самостоятельную науку. В XX в. революция в физике, связанная с трудами Планка,

Эйнштейна, Шредингера и других, в области квантовой статистики и квантовой механики атомов и молекул привела к рассмотрению химических процессов на атомно-

молекулярном уровне, к развитию учения о реакционной способности, центральным в котором стало исследование элементарного химического акта. Физическая химия успешно развивалась трудами наших ученых, таких, как Д.П.Коновалов др.

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ И ЕГО

ПРИЛОЖЕНИЕ

Предмет и задачи химической термодинамики

Термодинамика как наука возникла в конце первой половиныXIX столетия. В тот период времени цель термодинамики сводилась к установлению взаимосвязи между теплотой и работой и к разработке теории паровой машины. В дальнейшем цели термодинамики значительно расширяются, и во второй половине XIX столетия основные

ее положения уже широко используются в различных областях науки, в том числе и в химии. Термодинамика базируется на трех законах, из которых все остальные положения

данной науки можно получить путем логических рассуждений. Законы термодинамики

были раскрыты и затем сформулированы в результате обобщения человеческого опыта.

Первый закон термодинамики непосредственно связан с законом сохранения

энергии. Он позволяет рассчитывать тепловые балансы различных процессов, в том числе

и химических реакций.

предсказать, при каких внешних условиях возможен процесс, и в каком направлении он

будет протекать. Вопрос о возможности протекания того или иного процесса представляет

не только теоретический, но и большой практический интерес.

Третий закон термодинамики— закон об абсолютном значении энтропии,

который был сформулирован уже в началеXX столетия. Третий закон термодинамики

позволяет вычислить константу равновесия химической реакции, следовательно, и

максимально возможный выход продукта реакции, не прибегая к опытному ее

определению ни при одной из температур.

Объектами исследования в термодинамике являются только макроскопические системы, т.е. системы, состоящие из очень большого числачастиц. При термодинамических исследованиях любого процесса не рассматривается молекулярная структура вещества, характер сил взаимодействия между молекулами, механизм процесса, ничего не говорится и о скорости процесса. Та часть термодинамики, которая имеет дело с применением указанных трех законов к химическим процессам и фазовым переходам, называется химической термодинамикой.

определяет термодинамическую устойчивость индивидуальных веществ.

Химическая термодинамика особенно быстро развивалась XXв в. На ее основе

проведены фундаментальные исследования по синтезу аммиака, метанола и получения

ряда органических веществ, имеющих большое народнохозяйственное значение,

синтезированы искусственные алмазы и . дрБыли разработаны более совершенные установки для определения тепловых эффектов реакций и теплоемкостей, которые

позволили значительно снизить экспериментальные ошибки.

Основные понятия и определения химической термодинамики

Система. Под системой в термодинамике понимают тело или группу тел,

мысленно выделенных из окружающей среды. Представим себе, что требуется определить теплоту сгорания жидкого бензола. Опыт осуществляют в калориметрической бомбе,

которую можно рассматривать как систему. Если необходимо исследовать количественно теплоту сгорания при строго определенной температуре, то калориметрическая бомба должна быть помещена в калориметр. И тогда системой будет калориметрическая бомба вместе с калориметром.

Взависимости от рассматриваемого явления система может быть сложной

иразличного размера, но всегда она должна состоять из большого числа частиц, т.е. быть макроскопической. Только для макроскопических систем можно оперировать такими понятиями, как температура, давление, теплота и

Понятие изолированная система является понятием идеальным(абстрактным), так как на практике не существует материала, который абсолютно не проводил бы теплоту.

сталкиваемся с понятием фазы. Иногда достаточно определить фазу как часть системы,

которая отделена от других частей поверхностями раздела и механически отделима от них. Это определение фазы будет исчерпывающим, если она непрерывна. Если фаза прерывна, например совокупность кристаллов хлорида натрия или ртути, разлитой на поверхности, под фазой понимают совокупность телесных комплекс, обладающихв

одинаковым химическим составом и термодинамическими свойствами.

Система называется гомогенной (однородной), если она состоит из одной . фазы

Гетерогенная система обязательно содержит несколько фаз. Примерами гетерогенных

систем могут служить: а) система бензол — вода (система с непрерывными фазами). Эта система имеет поверхность раздела между верхним бензольным слоем и нижним водным слоем и может быть механически разделена на две составные части.

Совокупность всех физических и химических свойств системы называетсостоянием системы. В термодинамике обычно рассматривают те свойства, которые могут быть однозначно выражены через функции температуры, давления и концентрации веществ системы. Такие свойства называют термодинамическими; они являются частью общих свойств (физических и химических) системы.

изменяться какое-либо одно из термодинамических свойс, тво одновременно будут

изменяться и другие свойства системы. Для полного описания состояния системы

достаточно бывает знать некоторое наименьшее число термодинамических свойств,

которые можно рассматривать как внутренние параметры системы(параметры состояния системы). Обычно в качестве параметров состояния системы выбирают такие ее свойства,

которые наиболее легко определяются экспериментальным путем, например давление (Р),

объем (V), температура (Т) и концентрации (q) компонентов. Если состояние системы полностью описывается с помощью термодинамических параметров, то такую систему называют термодинамической.

Параметры состояния системы связаны между собой-соотношением, которое называется уравнением состояния. Если система состоит из одного вещества и в качестве

параметров выбраны Р," V и Т, то уравнение состояния в общем виде можно записать:

Так, для п молей идеального газа уравнением состояния является уравнение

состояния, т.е. их изменения при переходе из одного состояния системы в другое определяются исходным и конечным ее состоянием и не зависят от пути перехода из начального в конечное состояние системы.

Окружающая среда (она может состоять из нескольких ),телтак же как и система,

обладает соответствующими свойствами, а следовательно, и параметрами. Параметры состояния окружающей среды по отношению к исследуемой системе являются внешними параметрами. Из внешних параметров при термодинамических исследованиях обычно интерес представляют только два: давление (Р) и температура (Т). Давление связано с работой, которая совершается системой или над системой; температура обусловливает теплообмен между системой и окружающей средой.