Введение. Физическая химия. I. Элементы учения о строении вещества. Молекула. Потенциальная поверхность. Равновесная конфигурация

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 (E_мол) равна сумме электронной (Е_эл), колебательной (Е_кол) и вращательной (Е_вр) энергии:

Е_эл обусловлена движением электронов в поле ядра;

Е_кол обусловлена колебанием ядра около положения равновесия;

Е_вр обусловлена вращением молекулы вокруг оси, проходящей через центр масс.

Причем: .

Энергия электронов (Е_эл) 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 D_e (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 Т_е).

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.