Физическая химия

Информация о курсе

В данном разделе представлены конспекты лекций по физической химии, которые читаются на химическом факультете ИЕНиМ УрФУ.

Преподаватель: д.х.н, проф. Зуев Андрей Юрьевич

Год: 2015

Рекомендуемая литература:

1. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика / М.: Мир, 2002 г. PDF
2. Петров А. Н. Химическая термодинамика / УрГУ, 2007 г. PDF
3. Эткинс П. Физическая химия, том 1 / М.: Мир PDF
4. Еремин В.В., Каргов С.И. Основы физической химии - Теория и задачи / М.: Экзамен, 2005 г.
5. Стромберг А. Г. Задачник по физической химии

Основные определения физической химии

Предметом физической химии является установление основных закономерностей и принципов, которым подчиняются физические и химические процессы с участием вещества.

Физическим процессом называют такие процессы, которые протекают без изменения внешних (валентных) электронных оболочек атома вещества. А химические процессы — с изменением.

Также предметом физической химии является установление взаимосвязей между изменением энергии и протеканием физических и химических процессов.

• установление направления, в котором протекают все процессы (определение критериев направленности процессов);
• установление того, на какую глубину протекают все процессы (определение критериев достижения предельной глубины протекания процессов);
• установление скорости и механизма протекания процессов;
• установление фундаментальной взаимосвязи в цепочке: состав - структура - свойства вещества.

Методы физической химии:

• феноменологический (термодинамический);
• статистический;
• квантово-механический.

В результате применения различных методов для решения задач физическая химия разделилась на несколько дисциплин:

1. Химическая термодинамика;
2. Кинетика и катализ;
3. Электрохимия;
4. Кристаллохимия;
5. Коллоидная химия;
6. Физическая химия ВМС;
7. Квантовая химия и строение вещества;
8. Статистическая термодинамика.

Термодинамическая система — совокупность материальных тел, находящихся внутри заданной границы раздела. Границы могут быть реальными (физическими), а могут быть воображаемыми.

Термодинамическая система состоит из огромного числа частиц. Все что находится за пределами границы — окружающая среда.

Виды систем:

1. Изолированная. Не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Границы абсолютно непроницаемы.
2. Открытая. Обменивается с окружающей средой как веществом, так и энергией.
3. Закрытая. Не обменивается с окружающей средой веществом, но обменивается энергией.

Закрытые системы разделяют на:

• адиабатические - не обмениваются с окружающей средой веществом, теплотой, а обмениваются только работой;
• замкнутые - не обмениваются с окружающей средой веществом, работой, а обмениваются только теплотой.

Энергия — это количественная мера различных форм движения.

Полная энергия системы — сумма кинетической и потенциальной энергий взаимодействия различных частиц системы.

Формы изменения энергии:

1. Упорядоченная (работа);
2. Неупорядоченная (теплота).

В учебниках работа обозначается по-разному: А (немец. arbeit), W (англ. work). Мы будем обозначать работу буквой W.

Температура — количественная мера степени нагретости вещества.

• 1597 г. Галилео Галилей изобрел термоскоп. Температура измерялась не количественно, т.к. не было единиц измерений.
• 1701 г. Исаак Ньютон: шкала в 12 делений (от температуры замерзания воды до температуры "здорового мужчины".
• 1715 г. Даниель Габриель Фаренгейт предложил свою единицу измерений: 0 °F — температура таяния смеси снега и поваренной соли, 32 °F — температура таяния льда, 96 °F — температура "здорового мужчины".
• Затем Андерс Цельсий предложил шкалу, в которой температура плавления льда принималась за 100 °С, а температура кипения воды за 0 °. В 1745 г. Шкала была перевернута Карлом Линеем и в таком виде используется до нашего времени.
• 1848 г. Уильям Томсон (лорд Кельвин) пишет в своей работе «Об абсолютной термометрической шкале» о необходимости шкалы, нулевая точка которой будет соответствовать предельной степени холода (абсолютному нулю), а ценой деления будет градус Цельсия.
• 1954 — международная шкала температур Цельсия.

1939 г. Фаулер сформулировал принцип транзитивности (перенесение) химического равновесия (иногда его называют нулевым началом термодинамики): Если два тела А и B независимо друг от друга находятся в термическом равновесии с третьим телом C, то они находятся в термическом равновесии друг с другом.

Параметр системы — это физическое свойство системы, заданное количественно.

1813г. Гегель "Наука логики"

Эстенсивное свойство определяется через само себя.

Экстенсивное свойство — такое свойство системы, которое характеризует систему в целом и обладает принципом аддитивности. Экстенсивное свойство системы складывается из значений этого свойства для отдельных подсистем, на которое эта система раскладывается.

Интенсивное свойство — такое свойство, которое не обладает принципом аддитивности и определяется в окрестностях некоторой точки, выбранной внутри системы.

Состояние системы определено, если задан набор параметров с известными значениями.

Если процесс переводит систему из начального состояния в конечное так, что начальное состояние совпадает с конечным, то говорят о циклическом процессе.

Состояние равновесия системы определяется тогда, когда значение всех параметров не изменяется во времени и это постоянство параметров не обусловлено протеканием компенсирующих процессов либо в самой системе, либо в окружающей среде.

Истинное состояние равновесия системы имеет необходимое и достаточное условие:

• необходимым условием является условие стационарности. т.е. неизменности значений параметров во времени;
• достаточным условием является достижимость равновесия с нескольких сторон.

Обратимым процессом называется такой процесс, который развивается через последовательность состояний равновесия бесконечно близко примыкающих друг к другу.