XuMuK.ru - ФІЗИЧНА ХІМІЯ - Хімічна енциклопедія

Фізична ХІМІЯ , Наука про загальні закони, що визначають будову і хім. перетворення в-в при разл. зовн. умовах. Досліджує хім. явища за допомогою теоретич. і т фіз. методів фізики.

Як самостійно витягнути кліща, наука фізична хімія оформилася до сер . 18 в. Термін "фізична хімія "Належить М. В. Ломоносову, к-рий в 1752 вперше прочитав студентам Петербурзького університету курс фізичної хімії . Йому ж належить слід. визначення: "Фізична хімія є наука, що пояснює на основі положень і дослідів фізики те, що відбувається в змішаних тілах при хімічних операціях ". Перший науковий журнал, призначений для публікації статей з фізичної хімії , Був заснований в 1887 В. Ост-Вальді і Я. Вант-Гофф.

Ф изические хімія є основним теоретич. фундаментом суч. хімії , Що спирається на такі найважливіші розділи фізики, як квантова механіка , Статистич. фізика і термодинаміка , Нелінійна динаміка, теорія поля і ін. Вона включає вчення про будову в-ва, в т.ч. про будову молекул , хімічну термодинаміку , кінетику хімічну і каталіз . В якості окремих розділів у фізичній хімії часто виділяють також електрохімію , фотохімії , фізичну хімію поверхневих явищ (в т.ч. адсорбцію ), радіаційну хімію , Вчення про корозії металів , Фізико-хімію високомол. соед. та ін. Дуже близько примикають до фізичної хімії і часом розглядаються як її самостійно. розділи колоїдна хімія , фізико-хімічний аналіз і квантова хімія . Більшість розділів фізичної хімії має досить чіткі межі по об'єктах і методам дослідження, по методологич. особливостям і використовуваному апарату.

Суч. етапу розвитку фізичної хімії притаманні поглиблений аналіз загальних закономірностей хім. перетворень на мовляв. рівні, широке використання мат. моделювання , Розширення діапазону зовн. впливів на хім. систему (високі і криогенні т-ри, високі тиску , Сильні радиац. і магн. впливу), вивчення надшвидких процесів, способів нагромадження енергії в хім. в-вах і т. п.

Застосування квантової теорії, перш за все квантової механіки , При поясненні хім. явищ спричинило значить. посилення уваги до рівня інтерпретації та призвело до виділення двох напрямків в хімії . Напрям, що спирається на квантовомех. теорію і оперує на мікроскопіч. рівні пояснення явищ, часто називають хім. фізикою, а напрямок, що оперує з ансамблями великого числа частинок, де в силу вступають статистич. закони, - фізичної хімією . При такому підрозділі межа між фізичною хімія і хім. фізикою не м. б. проведена різко, що особливо проявляється в теорії швидкостей хім. р-ций.

Вчення про будову в-ва і будову молекул узагальнює великий експери. матеріал, отриманий при використанні таких фіз. методів, як молекулярна спектроскопія , Що вивчає взаємодій. електромагніт. випромінювання з в-вом в разл. діапазонах довжин хвиль, фото- і рентгеноелектронная спектроскопія , електронографія , нейтронографія і рентгенодіффракціонние методи, методи на основі магнітооптіч. ефектів і ін. Ці методи дозволяють отримувати структурні дані про електронну конфігурації молекул , Про рівноважних положеннях і амплітудах коливань ядер в молекулах і конденсується. в-ве, про систему енергетичних. рівнів молекул і переходах між ними, про зміну геом. конфігурацій при зміні оточення молекули або окремих її фрагментів і т.д.

Поряд із завданням співвіднесення властивостей в-в з їх будовою суч. фізична хімія активно займається і зворотного завданням прогнозування будови сполук з заданими св-вами.

Дуже важливим джерелом інформації про будову молекул , Їх характеристиках в разл. станах і особливості хім. перетворень служать результати квантовохім. розрахунків. квантова хімія дає систему понять і уявлень, к-раю використовується в фізичної хімії при розгляді поведінки хім. з'єднань на мовляв. рівні і при встановленні кореляцій між характеристиками молекул , Що утворюють в-во, і св-вами цього в-ва. Завдяки результатам квантовохім. розрахунків пов-стей потенційної енергії хім. систем в разл. квантових станах і т фіз. можливостям останніх років, перш за все розвитку лазерної хімії , фізична хімія впритул підійшла до всебічного вивчення св-в соед. в порушених і високозбуджених станах, до аналізу особливостей будови сполуки. в таких станах і специфіки прояву цих особливостей в динаміці хім. перетворень.

Хімічна термодинаміка становить істотну частину фізичної хімії і в значить. мірою визначає її структуру і розвиток. Багато видатних учених 2-й пол. 19 - поч. 20 ст. брали участь в розробці осн. принципів і рішень прикладних задач термодинаміки , Зокрема в додатку до завдань фізичної хіміія, яка перебувала тоді в період становлення. H. Карно, P. Клаузіус, Г.І. Гесс, Д.П. Коновалов, Г. Гельм-Гольц, Я. Вант-Гофф, Ф. Рауль, Дж. Гіббс, А. Ле Шательє, В. Оствальд, В. Нернст і мн. інші сформулювали закони, принципи, правила і ур-ня, к-які і по цього день зберігають своє неминуще значення.

Будучи наукою феноменологічної, термодинаміка грає у фізичній хімії двояку роль. Вона дозволяє, з одного боку, на основі загальних принципів розділити всі мислимі процеси в хім. системах на можливі і неможливі і дає ясні критерії такого поділу. З іншого боку, термодинаміка дозволяє отримувати співвідношення, в к-які входять вимірювані на досвіді величини, і за допомогою цих співвідношень розраховувати важливі характеристики досліджуваних систем, а також передбачати, які з сполуки. будуть наиб. перспективними для вирішення конкретних прикладних завдань в тих чи інших умовах. Важливий напрямок хім. термодинаміки -кількість. розрахунки рівноважного складу складних багатокомпонентних систем (Напр., Високотемпературних надпровідників ), Розрахунки діаграм фазового рівноваги , Многопи-раметріч. оцінка перспективних палив та ін. енергоносіїв і т. п.

Робочим інструментом хім. термодинаміки є ха-рактерістіч. ф-ції (внутр. енергія, ентропія , ентальпія , енергія Гіббса і енергія Гельмгольца ; Див. також термодинамічні потенціали ) І ур-ня, що зв'язують їх один з одним і з параметрами, що визначають зовн. умови, в яких брало знаходиться система. Як правило, вони виходять на основі експери. дослідження св-з в-в разл. термодинамич. методами, такими, як калориметрия , Метод електрорухомий сил. За допомогою типовий. ф-ций формулюються умови рівноваги і стійкості систем, визначаються кількостей, характеристики рівноважних станів і напрямки здійснення хім. процесів.

Классич. термодинаміка доповнюється таким важливим розділом науки, як статистична термодинаміка . Цей розділ не тільки дає обгрунтування феноменологіч. термодинаміки на мол.-статистич. рівні, а й істотно розширює її вирахує, можливості, дозволяючи залучати для знаходження термодинамич. величин т фіз. і квантовохім. дані про будову і енергетиці мовляв. систем.

Окремим розділом фізичної хімії , Що базуються на хім. термодинаміки , Є вчення про поверхневих явищах і адсорбції , Узагальнююче дані про св-вах міжфазних кордонів і рівноважних процесах в гетерогенних системах . поверхневі явища складають і предмет колоїдної хімії , К-раю має справу перш за все з проявами поверхневих явищ у дисперсних систем .

для адсорбції флюїд ( газ або рідина ) - тверде тіло зазвичай проводиться досить умовний поділ на фіз. адсорбцію і хемосорбцію . В основі такого поділу лежать експери. дані про енергетичних. характеристиках адсорбції і уявлення про характер взаємодій. молекул адсорбируемого в-ва з твердим тілом .

обмеженням звичайної термодинаміки є те, що вона дозволяє описувати тільки рівноважні стану та оборотні процеси. Реальні незворотні процеси становлять предмет виникла в 30-і рр. 20 в. термодинаміки незворотних процесів . Ця область фізичної хімії вивчає нерівноважні макроскопіч. системи, в яких брало швидкість виникнення ентропії локально зберігається постійної (такі системи локально близькі до рівноважних). Вона дозволяє розглядати системи з хім. р-ціями і перенесенням маси ( дифузією ), Тепла, електричні. зарядів і т. п.

Хімічна кінетика вивчає перетворення хім. в-в в часі, т. е. швидкості хім. р-ций, механізми цих перетворень, а також залежність хім. процесу від умов його здійснення. Вона встановлює закономірності зраді ня складу перетворюється системи в часі, виявляє зв'язок між швидкістю хім. р-ції і зовнішніми умовами, а також вивчає фактори, що впливають на швидкість і напрямок хім. р-ций.

Більшість хім. р-ций є складними багатостадійні процеси, що складаються з окремих елементарних актів хім. перетворення, транспорту реагентів і перенесення енергії. Теоретич. хім. кінетика включає вивчення механізмів елементарних р-ций і проводить розрахунок констант швидкостей таких процесів на основі ідей і апарату класичні. механіки і квантової теорії, займається побудовою моделей складних хім. процесів, встановлює зв'язок між будовою хім. з'єднань і їх реакц. здатністю. Виявлення кинетич. закономірностей для складних р-ций (формальна кінетика) базується часто на мат. моделюванні і дозволяє здійснювати перевірку гіпотез про механізми складних р-ций, а також встановлювати систему діфференц. ур-ний, що описують результати здійснення процесу при разл. зовн. умовах.

Для хім. кінетики характерно використання багатьох фіз. методів дослідження, що дозволяють проводити локальні порушення реагують молекул , Вивчати швидкі (аж до фемтосекундних) перетворення, автоматизувати реєстрацію кинетич. даних з одночасною обробкою їх на ЕОМ і т. п. Інтенсивно накопичується кинетич. інформація через банки кинетич. констант , в т.ч. для хім. р-ций в екстремальних умовах.

Дуже важливим розділом фізичної хімії , Тісно пов'язаним з хім. кінетикою, є вчення про каталізі , Т. Е. Про зміну швидкості і напряму хім. р-ції при впливі в-в ( каталізаторів ), Що беруть участь в р-ції, але залишаються хімічно незмінними після кожного циклу перетворень і тому не входять до складу кінцевих продуктів. при гомогенному каталізі каталізатор і реагують в-ва знаходяться в одній фазі в мовляв.-дисперсному стані, тоді як при гетерогенному каталізі каталізатор утворює самостійно витягнути кліща, фазу, відокремлену межею поділу від фази, в якій знаходяться реагують в-ва. Наявність кордону розділу фаз в гетерогенному каталізі означає його залежність від фіз. стану пов-сті каталізатора і його змін в ході р-ції. Як самостійно. типу розглядають мікрогетерогенний каталіз , Напр. ферментативний каталіз і мембранний каталіз , Які відіграють особливо важливу роль у біол . процесах. швидко розвивається металокомплексні каталіз , Що характеризується досить високою селективність і м'якими умовами здійснення р-ций.

вчення про каталізі дуже важливо для вирішення прикладних питань хім. технології, оскільки переважна більшість хім. процесів, що здійснюються в пром-сті, є каталітичними. Воно не менш важливо для розуміння більшості біол . процесів на мовляв. рівні. Багато стереос колективні р-ції, зокрема р-ції отримання практично тільки одного оптич. ізомери , Проводяться сьогодні за допомогою металокомплексів, що знаходяться в тій же фазі, де проходить хім. р-ція, або іммобілізованих на пов-сті твердих тіл .

Каталозі відіграє вирішальну роль в захисті довкілля від токсичних компонентів вихлопних газів автотранспорту і стаціонарних енергетичних. установок. Розробляються катали-тич. способи усунення небажаних антропогенних змін складу атмосфери , А також водних басейнів.

Літ .: Пригожин І., Введення в термодинаміку необоротних процесів , Пров. з англ., M., 1960; Пригожин І., Дефей Р., Хімічна термодинаміка , Пров. з англ., Новосиб., 1966; Даніельс Ф., Олберті Р., Фізична хімія , Пров. з англ., M., 1978; Николис Г., Пригожин І., самоорганізація в нерівноважних системах, пров. з англ., M., 1979; Еткінс П., Фізична хімія , Пров. з англ., т. 1-2, M., 1980; Розовський А.Я., Гетерогенні хімічні реакції , M., 1980; Смирнова Н.А., Методи статистичної термодинаміки у фізичній хімії , 2 изд., M., 1982; ЕйрінгГ., Лін С.Г., Лін С.М., Основи хімічної кінетики , Пров. з англ., M., 1883; Емануель Н.М., Кнорре Д.Г., Курс хімічної кінетики , 4 видавництва., M., 1984; Воронін Г.Ф., Основи термодинаміки , M., 1987; Дамаскін Б.Б., Петрий О.А., електрохімія , M., 1987; Стромберг А.Г., Семчія-ко Д.П., Фізична хімія , 2 изд., M., 188; Полторак OM, термодинаміка у фізичній хімії , M., 1991.

BM Грязнов, В.В. Громов, Н.Ф. Степанов.