Лекция 1. Кубанский государственный технологический университет

КУРС ЛЕКЦИЙ

ГОУ

Кубанский государственный технологический университет

Кафедра физической, коллоидной химии и управления качеством

по дисциплине "ФИЗКОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ" часть 1

для специальностей технологического направления

Лектор к.х.н, доцент Боровская Л.В.

1. Предмет и значение физической химии. Методы физико-химических исследований. Основные разделы физической химии.

2. Основные понятия термодинамики: термодинамическая система, параметры состояния, фаза, компонент, изолированные, открытые, закрытые термодинамические системы. Экстенсивные и интенсивные свойства системы.

3. Термодинамический процесс. Понятие обратимости и необратимости. Равновесные и неравновесные термодинамические процессы.

Все химические явления, происходящие в природе, чрезвычайно разнообразны и всегда сопровождаются физическими процессами: теплопередачей, поглощением или излучением электромагнитных колебаний, возникновением электрического тока и другими.

С другой стороны, все физические процессы вызывают определенные химические явления: например, повышение температуры при нагревании (теплопередаче) приводит к росту интенсивности колебательного движения внутри молекул, происходит ослабление связи между атомами, что приводит к диссоциации молекулы, т.е. идет химическая реакция. Прохождение электрического тока через раствор сопровождается явлением электролиза, т.е. протекает процесс окисления-восстановления, приводящий к получению новых продуктов.

Физическую химию можно считать пограничной наукой между химией и физикой, поскольку она изучает законы взаимопревращения химических и физических форм движения материи

Таким образом, предметом физической химии является изучение взаимосвязи физических процессов и химических явлений, которые их сопровождают, и установление закономерности между химическим составом, строением и свойствами веществ и условиями протекания физических процессов и химических превращений.

Физическая химия устанавливает законы протекания химических процессов до установлении равновесия, т.е. конца химической реакции, и таким образом описывает закономерность протекания любой химической реакции, что является теоретической основой любого химико-технологического процесса получения того или иного продукта.

В связи с этим физическая химия играет исключительно важную роль в различных областях индустрии: органический синтез, производство пластических масс и химических волокон, металлургия, производство новых строительных материалов, медицинская и биологическая промышленность.

Методы физико-химического исследования

Для обобщения экспериментального материала и теоретического вывода закономерностей химического процесса физическая химия использует три независимых метода теоретической физики: квантово-механический, статистический и термодинамический.

Квантово-механический метод основан на корпускулярно-волновом представлении о строения материи, дискретности энергии и применяется для установления структуры вещества, строения атомов, молекул. Сведения о строении получают с помощью специальных методов исследования, таких, как спектроскопия, оптические методы, рентгеноскопия и т.д.

Статистический метод основан на расчете общих (макроскопических) свойств вещества по свойствам отдельных молекул, так как рассматривает вещество как скопление большого множества хаотически движущихся молекул, применяя к ним теорию вероятности.

Термодинамический метод позволяет количественно связывать различные (макроскопические) свойства веществ в закономерности и использовать эти закономерности для расчета свойств по экспериментальным величинам других свойств без рассмотрения механизма процесса.

Все эти методы теоретической физики и экспериментальные данные о свойствах веществ используются физической химией для достижения одной цели – выяснения зависимости направления и предела протекания химических реакций от внешних условий и от строения веществ – участников реакций.

Основные разделы физической химии

Выделение основных разделов физической химии является чисто условным, поскольку физические и химические формы проявления материи тесно связаны между собой. Тем не менее, принято выделять следующие основные разделы физической химии:

строение вещества, изучается строение атомов и молекул и агрегатные состояния веществ;

химическая термодинамика, Объектом общей термодинамики являются количественные соотношения между теплотой и различными формами энергии, химическая термодинамика отличается тем, что она изучает формы превращения химической энергии в теплоту, механическую работу и другие формы энергии. Объектом химической термодинамики являются тепловые балансы физико-химических процессов, фазовые и химические равновесия. Частью химической термодинамики является термохимия, которая изучает тепловые эффекты химических реакций;

фазовые равновесия, общие закономерности, которым подчиняются равновесные гетерогенные системы, состоящие из любого числа фаз и любого числа веществ. Руководствуясь правилом фаз, устанавливают диаграммы состояния веществ, наглядно показывающие изменение свойств системы в зависимости от состава и внешних параметров, действующих на эту систему. Применение диаграмм состояния является необходимым при прогнозировании свойств любой гетерогенной системы в условиях изменения внешних воздействий или изменения ее состава;

растворы. Теория растворов ставит своей целью объяснение и предсказание свойств раствора в зависимости от свойств растворенного вещества и чистого растворителя;

электрохимия, раздел физической химии, изучающий физико-химические процессы, происходящие при действии на раствор или расплав электрического тока или процессы, сопровождающиеся появлением электрического тока;

кинетика и катализ, раздел, изучающий скорость химических реакций и ее зависимость от внешних условий, а также влияние на скорость реакции катализаторов.

2. Основные понятия термодинамики: термодинамическая система, параметры состояния, фаза, компонент, изолированные, открытые, закрытые термодинамические системы. Экстенсивные и интенсивные свойства системы.

Термодинамика изучает взаимодействие тел с окружающей средой, в результате которого происходит обмен теплом и совершается перераспределение энергии, т.е. предметом классической термодинамики является изучение законов взаимных превращений различных видов энергии, связанных с переходом энергии между телами в форме теплоты и работы.

Предметом химической термодинамики является применение законов классической термодинамики к физико-химическим процессам, она рассматривает тепловые эффекты химических реакций, фазовые переходы индивидуальных веществ и смесей, химические равновесия.

Объектом изучения в термодинамике является термодинамическая система.

Системой называют отдельное тело или группу тел, фактически или мысленно отделенных от окружающей среды.

Систему называют термодинамической, если между телами ее составляющими может происходить обмен теплотой, веществом, и если система полностью описывается термодинамическими параметрами (кипящий чайник)

Окружающая среда – не принадлежащая системе часть физического мира называется окружающей средой. Это то, что находится в прямом или косвенном контакте с системой. Принято считать, что окружающая среда имеет такие размеры, что отдача или приобретение ею теплоты не изменяет ее температуру.

В зависимости от взаимодействия систем с окружающей средой их делят на изолированные, закрытые, и открытые термодинамические системы.

Изолированной термодинамической системой называют систему, не имеющую обмена веществом и энергией с окружающей средой. Внутри системы может происходить передача теплоты от более нагретой части системы к более холодной, взаимное превращение энергий, выравнивание концентраций, однако внутренняя энергия системы остается постоянной. Примером такой системы является химическая реакция, идущая в термостате.

Закрытой системой называют систему, которая не может обмениваться веществом с окружающей средой, но может обмениваться теплотой и работой. (плотно закрытая колба с раствором, которая нагревается или охлаждается окружающей средой.

Открытая термодинамическая система – это такая система, которая может обмениваться с окружающей средой энергией и веществом, (например, кипящий чайник). Примером открытой системы может являться наша солнечная система, Галактика и уже доказано, Вселенная.

Система может быть гомогенной или гетерогенной. Гомогенная система – система, состоящая из одной фазы.

Гетерогенная - система, состоящая из нескольких фаз.

Фаза – это часть гетерогенной системы, отделенная поверхностью раздела и обладающая одинаковыми физическими свойствами во всех своих точках.

Разные фазы всегда отделены друг от друга фазовыми границами, на которых свойства веществ меняются скачкообразно.

Система может состоять из одного или нескольких компонентов. Компонентом называется индивидуальное химическое вещество, которое является составной частью системы, может быть выделено из нее и существовать самостоятельно.

Совокупность всех физических и химических свойств системы называют состоянием системы.

Свойства, которые изменяются пропорционально массе системы, называют экстенсивными свойствами системы. К ним относятся объем, масса, теплоемкость, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, термодинамические потенциалы.

Свойства системы, не зависящие от массы, называются интенсивными свойствами. К ним относятся: температура, давление, плотность, концентрация, химический потенциал.