Введение. Физическая химия
Физическая химия – наука о закономерностях химических процессов и химических явлений. Опираясь на основные фундаментальные положения физики, она стремится к их количественному описанию. Объектами физической химии являются системы, в которых протекают химические превращения. Физическая химия служит теоретическим основанием химической и пищевой технологии.
К главным задачам физической химии относятся: установление связи между строением вещества и его реакционной способностью; изучение и объяснение основных закономерностей, определяющих направленность химических процессов, скорость их протекания, влияние на них среды, примесей, излучения; условия получения максимально выхода необходимых продуктов.
I. Элементы учения о строении вещества. Молекула. Потенциальная поверхность. Равновесная конфигурация
Молекула – наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами, способная к самостоятельному существованию.
|
|
Энергия молекулы (Eмол) равна сумме электронной (Еэл), колебательной (Екол) и вращательной (Евр) энергии:
Еэл обусловлена движением электронов в поле ядра;
Екол обусловлена колебанием ядра около положения равновесия;
Евр обусловлена вращением молекулы вокруг оси, проходящей через центр масс.
Причем: .
Энергия электронов (Еэл) при фиксированном положении ядер (R) включает кинетическую энергию электронов, энергию взаимодействия электронов друг с другом и энергию взаимодействия электронов с ядрами. Энергия электронов зависит от межъядерного расстояния. Для двухатомной молекулы АВ вид функции Е (R) изображает кривая а, называемая потенциальной кривой. (Рис 1.1)
Если атомы А и В удалены на бесконечно большое расстояние, то электронная энергия молекулы равна сумме электронных энергий невзаимодействующих атомов А и В в основном состоянии. – межъядерное расстояние отвечающее | Рис 1.1. |
минимуму потенциальной кривой называется равновесным (равнодействующая всех сил притяжения и отталкивания равна нулю). Молекула находится в устойчивом, стационарном состоянии. Этому состоянию отвечает строго определенное значение электронной энергии молекулы . Разность между суммой энергии невзаимодействующих атомов и электронной энергией молекулы называется энергией химической связи, отсчитанной от минимума потенциальной кривой и обозначается De (глубина потенциальной ямы)
(1.2)
Мерой прочности химической связи служит энергия диссоциации , отсчитанная от уровня нулевых колебаний. . Так как ядра не зафиксированы, а совершают колебания, реальная энергия молекулы выше на величину энергии «нулевых колебаний» .
|
|
D0 определяется как изменение энергии в процессе: АВ = А + В при 0 К в идеально газовом состоянии.
Для многоатомной молекулы электронная энергия молекулы является функцией нескольких пространственных координат и изображается потенциальной поверхностью.
Устойчивому состоянию молекулы отвечает минимальное состояние его энергии и относительное расположение ядер в пространстве, называемое равновесной конфигурацией молекулы.
Если потенциальная поверхность имеет два или более минимума, для молекулы возможны два или более изомера, отличающиеся параметрами равновесной конфигурации и энергией. Если минимума нет, система нестабильна и распадается на невзаимодействующие атомы.
Молекулу можно перевести в возбужденное электронное состояние (кривая б, рис. 1.1) (энергия возбуждения Те).
Двухатомные молекулы подразделяются на молекулы с одинаковыми ядрами – гомонуклеарные (Н2) и с неодинаковыми ядрами – гетеронуклеарные (HCl) свойства симметрии их различны.
Симметрия равновесной конфигурации определяется и симметрией электронного облака молекулы, поэтому гомонуклеарные и гетеронуклеарные молекулы различаются по электрическим и оптическим свойствам.
По перечисленным молекулярным параметрам можно рассчитать термодинамические свойства веществ и константы равновесия химических реакций.