Mga pangunahing formula at konsepto ng pisikal na kimika. Pisikal na kimika

Ministri ng Edukasyon ng Russian Federation Tomsk Polytechnic University ________________________________________________________________________________ N. A. Kolpakova, V. A. Kolpakov, S. V. Romanenko PHYSICAL CHEMISTRY Textbook Part I Tomsk 2004 UDC 541.1 Pisikal na kimika. Teksbuk / N.A. Kolpakova, V.A. Kolpakov, S.V. Romanenko. - Tomsk: Ed. TPU, 2004. - Bahagi 1. - 168 p. Sinasaklaw ng textbook ang mga sumusunod na seksyon ng "Physical Chemistry": ang mga pangunahing batas ng thermodynamics, chemical at phase equilibrium, thermodynamics ng mga non-electrolyte solution. Ang manwal ay inihanda sa Department of Physical and Analytical Chemistry ng TPU at inilaan para sa mga mag-aaral ng mga kurso sa pagsusulatan sa mga espesyalidad ng kemikal. Nai-publish sa pamamagitan ng utos ng Editoryal at Publishing Council ng Tomsk Polytechnic University Reviewers: Kurina L.N. – Prof. Department of Physical Chemistry, TSU, Doctor of Chem. mga agham; Buinovsky A.S. - Ulo. cafe Chemistry TPU STU, doktor ng chem. Mga agham. © Tomsk Polytechnic University, 2004 © Authors, 2004 KABANATA 1 . INTRODUKSYON SA PHYSICAL CHEMISTRY 1.1. ISANG MAIKLING BALANGKAS SA KASAYSAYAN NG PAG-UNLAD NG PHYSICAL CHEMISTRY Ang pangalan at kahulugan ng nilalaman ng physical chemistry ay unang ibinigay ni M.V. Lomonosov (1752): “Ang physical chemistry ay isang agham na dapat, batay sa mga posisyon at eksperimento ng mga pisikal na siyentipiko. , ipaliwanag ang dahilan kung ano ang nangyayari sa pamamagitan ng mga operasyong kemikal sa mga kumplikadong katawan” . Ang pagtuturo ng physical chemistry sa Russia bilang isang malayang agham ay ipinakilala ni prof. N. N. Beketov noong 1860 sa Kharkov University. Ang pinakamahalagang teoretikal at eksperimentong pag-aaral ni Lomonosov ay humantong sa kanya sa mga pagtuklas na hindi pa nawawalan ng kahalagahan kahit ngayon. Lumapit si Lomonosov sa tamang kahulugan ng prinsipyo ng pag-iingat ng bagay at paggalaw, ang kinetic na katangian ng init, at nabanggit din ang imposibilidad ng isang kusang paglipat ng init mula sa isang mas malamig na katawan patungo sa isang mas mainit, na kasalukuyang isa sa mga pormulasyon. ng ikalawang batas ng thermodynamics. Sa susunod na siglo, isinagawa ang pananaliksik, batay sa kung saan maraming mahahalagang pagtuklas at paglalahat ang ginawa. Natuklasan ni K. V. Scheele sa Sweden (1773) at Fontana sa France (1777) ang adsorption ng mga gas; Natuklasan ng T. E. Lovits sa Russia (1785) ang adsorption mula sa mga solusyon. Pinag-aralan nina A. L. Lavoisier at P. S. Laplace sa France (1779–1784) ang mga kapasidad ng init ng mga sangkap at ang mga epekto ng init ng mga reaksyon. Sa simula ng siglo XIX. Natuklasan ni G. Davy sa England at L. J. Tenard sa France ang mga catalytic na reaksyon, at higit na binuo ni J. J. Berzelius sa Sweden (1835) ang ideya ng catalysis. Ang mga pundasyon ng electrochemistry ay inilatag sa pamamagitan ng pananaliksik sa galvanic cells, electrolysis, at kasalukuyang paglipat sa electrolytes. Galvani at A. Volta sa Italya ay lumikha noong 1799 ng isang galvanic cell. Natuklasan ni VV Petrov sa Russia (1802) ang phenomenon ng isang electric arc. Inilatag ni T. Grotgus sa Russia noong 1805 ang mga pundasyon para sa teorya ng electrolysis. Noong 1800, isinulong ni G. Davy ang electrochemical theory ng interaksyon ng mga substance: malawak niyang ginamit ang electrolysis para sa kemikal na pananaliksik. M. Faraday, isang estudyante ni Davy, noong 1833-1834 bumalangkas ng mga quantitative laws ng electrolysis. B. S. Jacobi sa Russia, paglutas ng mga problema ng praktikal na paggamit ng proseso ng electrolysis, na natuklasan noong 1836 galvanoplasty. Sa unang kalahati ng siglo XIX. salamat sa mga gawa ni D. Dalton sa England (1801–1803), J. L. Gay-Lussac sa France (1802) at A. A. Avogadro sa Italy (1811), na natuklasan ang pinakamahahalagang batas ng gas na estado, ang mga ideyang atomistiko ay malawak. umunlad. Ang mga gawa ni G. I. Hess (1802–1856) sa thermochemistry ay nabibilang sa parehong panahon. Sina C. Guldberg at P. Waage sa Norway (1864–1867), J. W. Gibbs sa USA (1873–1878) ay bumuo ng thermodynamic na doktrina ng chemical equilibrium, at natuklasan ni A. L. Le Chatelier sa France (1884) ang pangkalahatang prinsipyo ng displacement equilibrium sa ilalim ng pagbabago ng mga panlabas na kondisyon. Sa mga gawa ng Dutch chemist na si J. H. van't Hoff, nabuo ang thermodynamic theory ng chemical equilibrium. Binuo din niya ang quantitative theory ng dilute solutions (1885–1889). Ang paglipat ng kuryente sa mga solusyon ay pinag-aralan sa Germany nina I. V. Gittorf at F. V. G. Kohlrausch. Ang Swedish scientist na si S. A. Arrhenius ay binuo noong 1883–1887. teorya ng electrolytic dissociation. Si A. M. Butlerov, na lumikha ng teorya ng istraktura ng mga organikong compound, ay nag-iwan ng malalim na marka sa pag-unlad ng pisikal na kimika. Ang mahusay na Russian chemist na si D. I. Mendeleev (1834–1907) ay natuklasan ang pagkakaroon ng isang kritikal na temperatura (1860), nakuha ang pangkalahatang equation ng estado para sa mga gas (1874) at binuo ang kemikal na teorya ng mga solusyon (1887). Si D. P. Konovalov (1889), isang mag-aaral ng Mendeleev, ay isa sa mga tagapagtatag ng teorya ng mga solusyon. Sa pagtatapos ng siglo XIX. ang isang bilang ng mga pangunahing pagtuklas ay ginawa sa larangan ng doktrina ng istraktura ng bagay, na pinatunayan ang pagiging kumplikado ng istraktura ng atom at gumaganap ng isang malaking papel sa pagbuo ng pisikal na kimika. Kabilang dito ang mga pagtuklas ng electron nina J. B. Perrin (1895) at J. Thomson (1897), ang quantum nature ng liwanag ni R. Planck (1900), ang pagkakaroon ng light pressure ni P. N. Lebedev (1899), ang pag-aaral (mula noong 1898 ng ) phenomena ng radioactivity P. Curie at M. Sklodowska-Curie. Sa simula ng XX siglo. Ang pisikal na kimika ay tinukoy bilang ang agham na nag-aaral ng istruktura ng bagay, kemikal na thermodynamics, kabilang ang thermochemistry at ang teorya ng equilibrium, mga solusyon, kemikal na kinetika at electrochemistry. Ang mga bagong teoretikal na pamamaraan ay inilapat, at ang mga pag-aaral ng istruktura ng mga atomo, molekula, at mga kristal ay nauna. Ang doktrina ng istruktura ng bagay, lalo na ang istruktura ng mga atomo at molekula, ay pinakamabilis na nabuo noong ika-20 siglo. Ang isang malaking tagumpay sa lugar na ito ay ang nuclear theory ng atom, na iminungkahi ni E. Rutherford (1911) at binuo sa unang quantitative theory ng hydrogen atom, na binuo ng Danish physicist na si N. Bohr (1913). Ang pag-aaral ng likas na katangian ng bono ng kemikal at ang istraktura ng mga molekula ay binuo kasabay ng pag-aaral ng istraktura ng atom. Noong unang bahagi ng 1920s, binuo nina W. Kossel at G. N. Lewis ang mga batayan ng elektronikong teorya ng pagbubuklod ng kemikal. Binuo nina VG Geitler at F. London (1927) ang quantum-mechanical theory ng chemical bonding. Batay sa pinakamalaking pagtuklas ng pisika sa larangan ng atomic na istraktura at paggamit ng mga teoretikal na pamamaraan ng quantum mechanics at statistical physics, pati na rin ang mga bagong eksperimentong pamamaraan, tulad ng X-ray analysis, spectroscopy, mass spectroscopy, magnetic method, ang paraan ng may label na mga atom at iba pa, ang mga physicist at physical chemist ay gumawa ng malalaking hakbang sa pag-aaral ng istruktura ng mga molekula at kristal at sa pag-unawa sa likas na katangian ng chemical bond. Ang teorya ng mga rate ng mga reaksiyong kemikal, ibig sabihin, mga kinetika ng kemikal, ay lubos na binuo, at ngayon ay partikular na nauugnay sa mga pag-aaral ng istruktura ng mga molekula at ang lakas ng mga bono sa pagitan ng mga atomo sa isang molekula. Ang mga bagong sangay ng pisikal na kimika ay lumitaw at matagumpay na umuunlad: magnetochemistry, radiation chemistry, pisikal na kimika ng mataas na polimer, pisikal na kimika ng silicates, gas electrochemistry, atbp. Tulad ng iba pang mga agham, ang pisikal na kimika at ang mga indibidwal na sangay nito ay lumitaw o nagsimulang bumuo lalo na matagumpay sa mga panahong iyon kung saan ang isa o isa pang praktikal na pangangailangan ay nangangailangan ng mabilis na pag-unlad ng ilang sangay ng industriya, at ang pag-unlad na ito ay nangangailangan ng matatag na teoretikal na pundasyon. Narito kinakailangang tandaan ang mga pangunahing pag-aaral ng N. S. Kurnakov sa pagsusuri ng physicochemical, ang gawain sa larangan ng electrochemistry ni A. N. Frumkin, ang paglikha ng teorya ng mga reaksyon ng chain ni N. N. Semenov, at ang pagbuo ng teorya ng heterogenous catalysis ni A. A. Balandin. Ang pisikal na kimika ay gumaganap ng isang nangungunang papel sa paglutas ng maraming mga problema na kinakaharap ng kemikal na agham at kasanayan. Sa kasalukuyan, ang pisikal na kimika ay isang independiyenteng disiplina na may sariling mga pamamaraan ng pananaliksik at ang teoretikal na batayan para sa mga inilapat na disiplina sa kemikal na inhinyero. 1.2. PAKSA AT MGA LAYUNIN NG PHYSICAL CHEMISTRY Ang physical chemistry ay ang agham ng regularidad ng mga prosesong kemikal at pisikal na phenomena. Ang pangunahing gawain ng pisikal na kimika ay ang pag-aaral at pagpapaliwanag ng mga pangunahing regularidad na tumutukoy sa direksyon ng mga proseso ng kemikal, ang kanilang bilis, ang impluwensya ng daluyan, mga impurities, radiation, at ang mga kondisyon para sa pagkuha ng maximum na ani ng isang kapaki-pakinabang na produkto. Ginagawang posible ng pag-aaral ng pisikal na kimika na maunawaan ang mga batas ng kimika, gayundin ang hulaan at kontrolin ang mga phenomena ng kemikal. Ginagawang posible ng modernong pisikal na kimika na malutas ang mga problema ng mahusay na kontrol sa produksyon, pagtindi at pag-automate ng mga proseso ng produksyon. Ito ay nagsisilbing teoretikal na pundasyon ng teknolohiyang kemikal. Ang mga mahahalagang proseso ng produksyon sa teknolohiyang kemikal tulad ng synthesis at oxidation ng ammonia, ang contact production ng sulfuric acid, ang produksyon ng ethanol mula sa natural gas, oil cracking, at marami pang iba ay batay sa mga resulta ng physicochemical studies ng mga reaksyong pinagbabatayan ng mga prosesong ito. 5 proseso. Kung walang pisikal na kimika, imposibleng malutas ang problema ng paglikha ng mga sangkap na may ninanais na mga katangian, bumuo ng mga bagong kasalukuyang mapagkukunan, at maraming iba pang mga isyu ng mahusay na produksyon. Samakatuwid, ang kaalaman sa pisikal na kimika para sa hinaharap na mga inhinyero ng proseso ay nagbubukas ng mahusay na mga pagkakataon para sa paglutas ng iba't ibang mga problema na nakatagpo sa mga praktikal na aktibidad ng isang inhinyero sa mga pabrika at mga instituto ng pananaliksik. Ang pangalan ng agham - "pisikal na kimika" - ay sumasalamin sa parehong kasaysayan ng paglitaw nito sa junction ng dalawang agham - pisika at kimika, pati na rin ang katotohanan na malawakang ginagamit nito ang mga teoretikal na batas at eksperimentong pamamaraan ng pisika sa pag-aaral ng phenomena ng kemikal. 1.3. CLASSIFICATION OF METHODS OF PHYSICAL CHEMISTRY Ilang theoretical method ang ginagamit sa physical chemistry.  Ginagamit ng quantum chemical method ang mga katangian ng elementary particles upang ilarawan ang mga pagbabagong kemikal. Gamit ang mga batas ng quantum mechanics, ang mga katangian at reaktibiti ng mga molekula ay inilalarawan, gayundin ang likas na katangian ng kemikal na bono batay sa mga katangian ng elementarya na mga particle na bumubuo sa mga molekula.  Ang thermodynamic (phenomenological) na pamamaraan ay batay sa ilang mga batas (postulates), na isang generalization ng eksperimental na data. Ginagawang posible, sa kanilang batayan, upang malaman ang mga katangian ng enerhiya ng system, upang mahulaan ang kurso ng proseso ng kemikal at ang resulta nito sa sandali ng ekwilibriyo.  Ang pamamaraang quantum-statistical ay nagpapaliwanag ng mga katangian ng mga sangkap batay sa mga katangian ng mga molekula na bumubuo sa mga sangkap na ito.  Binibigyang-daan ka ng kinetic method na itatag ang mekanismo at lumikha ng teorya ng mga prosesong kemikal sa pamamagitan ng pag-aaral ng pagbabago sa bilis ng mga reaksiyong kemikal mula sa iba't ibang salik. Ang pisikal na kimika ay nailalarawan sa pamamagitan ng malawakang paggamit ng matematika, na hindi lamang ginagawang posible na pinakatumpak na ipahayag ang mga teoretikal na batas, ngunit ito rin ay isang kinakailangang kasangkapan para sa pagtatatag ng mga ito. 6 KABANATA 2 . MGA BATAYANG BATAS NG THERMODYNAMICS Ang salitang "thermodynamics" ay nagmula sa Greek therme - init at dynamis - puwersa. Ang Thermodynamics ay ang agham ng pagbabago ng iba't ibang uri ng enerhiya mula sa isa't isa. Pinag-aaralan ng thermodynamics ng kemikal ang pagbabago ng iba't ibang uri ng enerhiya na nagaganap sa panahon ng mga reaksiyong kemikal. 2.1. MGA BATAYANG KONSEPTO NG CHEMICAL THERMODYNAMICS Ang sistema ay isang hiwalay na katawan o grupo ng mga katawan na nakikipag-ugnayan at nahihiwalay sa kapaligiran ng isang tunay o haka-haka na shell (hangganan). Ang isang bukas na sistema ay isang sistema na nagpapalitan ng mga sangkap (mass) at enerhiya (halimbawa, init) sa panlabas na kapaligiran. Ang isang nakahiwalay na sistema (o saradong sistema) ay isang sistema na hindi nakikipagpalitan ng init at gumagana sa kapaligiran. Ang enerhiya at dami ng isang nakahiwalay na sistema ay pare-pareho sa oras. Ang isang halimbawa ng naturang sistema ay, halimbawa, isang termos. Kung ang hangganan ay hindi pumasa sa init, kung gayon ang prosesong nagaganap sa sistema ay tinatawag na adiabatic. Kapag ang isang sistema ay nagpapalitan ng init at gumagana sa kapaligiran, ang mga pagbabago ay nangyayari kapwa sa sistema at sa kapaligiran. Ang mga thermodynamic system ay maaaring homogenous o heterogenous. Kung walang mga interface sa loob ng system na naghihiwalay sa mga bahagi ng system na may iba't ibang komposisyon o istraktura, kung gayon ang sistemang ito ay tinatawag na homogenous. Alinsunod dito, tinatawag na heterogenous ang isang sistemang binubuo ng iba't ibang bahagi na naiiba sa istraktura o kemikal na komposisyon. Ang mga bahaging ito ay tinatawag na mga yugto. Kaya, ang isang bahagi ay isang bahagi ng isang heterogenous na sistema na limitado ng interface at nailalarawan ng parehong pisikal at kemikal na mga katangian sa lahat ng mga punto. Ang bawat sistema ay binubuo ng isa o higit pang mga sangkap. Ang mga indibidwal na kemikal na maaaring ihiwalay mula sa system at umiiral sa labas nito nang mag-isa bilang isang hiwalay na yugto ay tinatawag na mga sangkap na bumubuo ng system. Halimbawa, sa isang baso mayroong tubig kung saan ibinababa ang isang platinum plate. Sa itaas ng salamin ay isang halo ng mga gas: oxygen, hydrogen at nitrogen. Ang sistemang ito ay tatlong yugto, naglalaman ito ng limang sangkap na bumubuo. 7 Ang thermodynamic na estado ng isang sistema ay isang hanay ng mga halaga ng mga independiyenteng variable (mga parameter ng system) na tumutukoy sa mga katangian nito. Anumang pag-aari ng isang sistema ay maaaring tawaging isang thermodynamic na parameter ng estado kung ito ay itinuturing na isa sa mga independiyenteng variable na tumutukoy sa estado ng system. Itinuturing ng Thermodynamics ang bagay bilang isang tuluy-tuloy na daluyan at ginagamit para sa pagsasaliksik ng mga thermodynamic na parameter na resulta ng pagkilos ng isang malaking bilang ng mga particle (macroparameters). Halimbawa, ang mga macroparameter ng isang kemikal na reaksyon na nagpapatuloy kahit sa ilalim ng "normal na mga kondisyon" ay ang temperatura, presyon, dami, konsentrasyon, lakas ng gravitational, magnetic, electric at electromagnetic field, atbp. Ang "Normal na kondisyon" ay isang temperatura na 20–25 °C, atmospheric pressure, i.e. tungkol sa 101 kPa, acceleration ng gravity - sa average na tungkol sa 9.8 m/s2, magnetic field lakas - sa average na tungkol sa 40 A/m, electric field lakas - sa average na tungkol sa 130 V/m, nakikitang ilaw na pag-iilaw - tungkol sa 500 lux sa average. Upang makilala ang termodinamikong estado ng isang sistema, kinakailangang malaman hindi lahat ng mga katangian, ngunit ang pinakamaliit na bilang lamang ng mga ito, ang tinatawag na mga independiyenteng mga parameter ng system. Bilang isang patakaran, kapag naglalarawan ng isang proseso ng kemikal na nagaganap sa Earth, hindi namin ipinapahiwatig ang mga katangian ng patlang, dahil ang mga ito ay pare-pareho at samakatuwid ay hindi nakakaapekto sa komposisyon at ani ng mga produkto ng reaksyon. Kung ang proseso ng kemikal ay isinasagawa sa ilalim ng mga kondisyon ng malakas na magnetic o electric field, o sa ilalim ng matinding pag-iilaw na may ultraviolet, X-ray, o kahit na nakikitang liwanag, kung gayon ang mga parameter ng field ay magkakaroon ng makabuluhang epekto sa komposisyon at ani ng mga produkto ng reaksyon. . Sa kasong ito, dapat na tukuyin ang mga parameter ng field. Ang mga parameter ng thermodynamic ay nahahati sa malawak at intensive. Ang mga dami na proporsyonal sa masa (o dami ng substance) ng itinuturing na working fluid o thermodynamic system ay tinatawag na malawak, ang mga ito ay volume, internal energy, enthalpy, atbp. Ang mga intensive quantity ay hindi nakadepende sa masa ng thermodynamic system. Ito ay, halimbawa, temperatura at presyon. Ang presyon ay isang pisikal na dami na katumbas ng ratio ng isang puwersa na pantay na ipinamahagi sa ibabaw ng isang katawan sa lugar ng ibabaw na matatagpuan patayo sa puwersa: p \u003d S Ang yunit ng presyon sa SI - pascal (Pa) ay ang presyon na dulot ng isang puwersa ng 1 N, pantay na ibinahagi sa isang ibabaw na 1 m2 na matatagpuan patayo sa direksyon ng puwersa: 1 N/m2 = 1 Pa. Sa pagsasagawa, maramihan at sub-multiple unit ng presyon ang ginagamit: kilopascal 8 (103 Pa = 1 kPa); megapascal (106 Pa = 1 MPa); hectapascal (102 Pa = 1 hPa), pati na rin ang isang off-system unit - bar (1 bar = 105 Pa). Ayon sa mga konklusyon ng molecular-kinetic theory, ang presyon ng isang gas ay resulta ng mga epekto ng random na patuloy na paglipat ng mga molekula laban sa pader ng sisidlan. Ang pinakasimpleng ugnayan sa pagitan ng mga parameter at pag-uugali ng mga molekula ay nakuha para sa isang perpektong gas. Ang perpektong gas ay nauunawaan bilang isang gas na binubuo ng nababanat na mga molekula, kung saan walang mga puwersa ng pakikipag-ugnayan, na mayroong maliit na intrinsic na volume kumpara sa volume na inookupahan ng gas. Anumang tunay na gas sa medyo mababang presyon (malapit sa atmospheric) ay kumikilos tulad ng isang perpektong gas (mahigpit sa p → 0). Ang equation ng estado ng isang perpektong gas - ang Mendeleev - Clapeyron equation ay may anyo: pV = nRT, kung saan ang p ay ang presyon ng gas, Pa; V - dami, m3; n ay ang halaga ng gas, mol; R ay ang unibersal na gas constant na katumbas ng 8.314 J/(mol K); Ang T ay ang ganap na temperatura, K. Ang temperatura ay nagpapakilala sa thermal state ng system. Sa eksperimento, ang mga konsepto ng isang mas mainit at mas malamig na katawan ay maaaring maitatag, ngunit ang temperatura ay hindi masusukat nang direkta. Natutukoy ito mula sa mga numerical na halaga ng iba pang mga pisikal na parameter na nakasalalay sa temperatura, na siyang batayan para sa pagbuo ng mga empirical na sukat ng temperatura. Maaaring magsilbi ang iba't ibang pisikal na dami bilang mga parameter (mga thermometric na parameter). Kabilang sa mga ito ay ang dami ng isang katawan sa pare-pareho ang presyon, presyon sa isang pare-pareho ang dami, electrical conductivity, thermoelectromotive force, geometric parameters ng mga katawan, liwanag ng glow, atbp. Ang isang aparato para sa pagsukat ng temperatura ay tinatawag na thermometer. Upang bumuo ng anumang empirical na sukat ng temperatura, tatlong pagpapalagay ang ginagamit: 1) ang laki ng isang degree ay itinakda sa pamamagitan ng pagpili ng numerical na halaga ng ∆T sa pagitan ng dalawang reference na temperatura point - mga pamantayan ng temperatura; 2) ang posisyon ng temperatura zero sa mga empirical na kaliskis ay arbitrary; 3) ipinapalagay na ang thermometric function ay linear sa isang ibinigay na hanay ng temperatura. Ang mga phase transition ng mga purong sangkap ay ginagamit bilang mga reference point. Halimbawa, para sa empirical Celsius scale, ang natutunaw at kumukulo na mga punto ng tubig sa atmospheric pressure (0 at 100 degrees, ayon sa pagkakabanggit) ay kinukuha bilang mga reference point. Ang pagitan sa pagitan ng mga temperaturang ito ay nahahati sa isang daang pantay na bahagi (degrees Celsius - °C). Bagama't ang isang layunin na sukat ng temperatura ay maaaring mabuo gamit ang anumang teoretikal na tinukoy na thermometric function, ginagamit ng thermodynamics ang perpektong gas equation ng estado bilang isang function. Ginagawang posible ng gas thermometer na isagawa ang pinakatumpak (malapit sa absolute temperature scale - ang Kelvin scale) na mga sukat ng temperatura. Gayunpaman, ang pagtukoy ng temperatura sa sukat ng isang gas thermometer ay isang medyo mahirap na trabaho, na isinasagawa lamang upang maitaguyod ang ganap na temperatura ng ilang mga reference point ng mga phase transition, na kinuha bilang mga sanggunian. Ang mga intermediate na temperatura ay karaniwang tinutukoy ng mga empirical thermometric na pamamaraan. Ang International Practical Temperature Scale (IPTS), na pinagtibay noong 1954, ay ang pinakatumpak na pagtatantya sa ganap na sukat ng temperatura sa kasalukuyang yugto. Sa kaibahan sa mga empirical na kaliskis, ang MPSH ay gumagamit ng isang pang-eksperimentong reference na temperatura point. Ang temperatura ng triple point ng tubig (kapag ang yelo, tubig, at singaw ng tubig ay nasa equilibrium sa parehong oras) ay ginamit bilang isang punto. Ang temperatura ng triple point ng tubig ay kinukuha sa IPTS bilang 273.16 K (eksaktong). Sa presyon ng atmospera, natutunaw ang yelo nang mas mababa ng 0.01°. Ang reference point sa Celsius scale - 0 °C - ay tumutugma sa 273.15 K. Ang numerical value ng mga temperatura para sa lahat ng iba pang reference point (maliban sa triple point ng tubig) ay patuloy na pinipino habang tumataas ang katumpakan ng pagtatrabaho sa isang gas thermometer. Noong 1968, labindalawang reference point ang inirerekomenda bilang reference temperature point, na sumasaklaw sa pagitan mula sa hydrogen triple point hanggang sa natutunaw na punto ng ginto. Sa kasalukuyan, ang temperatura ng Celsius (t) ay ipinahayag bilang isang relasyon sa ganap na temperatura (T), na: T = 273.15 + t. Ang mga katangian ng isang sistema na maaaring malinaw na ipahayag bilang mga function ng temperatura, presyon, at konsentrasyon ng mga sangkap na bumubuo sa system ay tinatawag na thermodynamic function. Halimbawa, ang kapasidad ng init, panloob na enerhiya, entropy, atbp. Kung ang pagbabago sa thermodynamic function ay nakasalalay lamang sa paunang at panghuling estado ng system at hindi nakasalalay sa landas ng proseso, kung gayon ang naturang function ay tinatawag na estado. function ng system. Ang prosesong thermodynamic ay anumang pagbabago sa isang sistema na nauugnay sa isang pagbabago sa kahit isa sa mga thermodynamic na parameter. Ang pabilog na proseso o cycle ay isang proseso kung saan ang isang thermodynamic system, na umalis sa ilang paunang estado at sumasailalim sa isang serye ng mga pagbabago, ay bumalik sa parehong estado; sa prosesong ito, ang pagbabago sa anumang parameter ng estado ay katumbas ng zero. sampu

Ang simula ng pisikal na kimika ay inilatag sa kalagitnaan ng ika-18 siglo. Ang terminong "Physical chemistry", sa modernong pag-unawa sa pamamaraan ng agham at mga tanong ng teorya ng kaalaman, ay kabilang kay M. V. Lomonosov, na sa unang pagkakataon ay nagbasa ng "Course of True Physical Chemistry" sa mga mag-aaral ng St. Petersburg University . Sa paunang salita sa mga lekturang ito, binigay niya ang sumusunod na kahulugan: "Ang pisikal na kimika ay isang agham na dapat, batay sa mga probisyon at eksperimento ng mga pisikal na siyentipiko, ipaliwanag ang dahilan kung ano ang nangyayari sa pamamagitan ng mga operasyong kemikal sa mga kumplikadong katawan." Ang siyentipiko sa mga gawa ng kanyang corpuscular-kinetic theory of heat ay tumatalakay sa mga isyu na ganap na nakakatugon sa mga gawain at pamamaraan sa itaas. Ito ang tiyak na katangian ng mga pang-eksperimentong aksyon na nagsisilbing kumpirmahin ang mga indibidwal na hypotheses at mga probisyon ng konseptong ito. Si M. V. Lomonosov ay sumunod sa mga prinsipyong ito sa maraming lugar ng kanyang pananaliksik: sa pagbuo at praktikal na pagpapatupad ng "agham ng salamin" na itinatag niya, sa iba't ibang mga eksperimento na nakatuon sa pagkumpirma ng batas ng konserbasyon ng bagay at puwersa (motion); - sa mga gawa at eksperimento na may kaugnayan sa doktrina ng mga solusyon - bumuo siya ng isang malawak na programa ng pananaliksik sa pisikal at kemikal na hindi pangkaraniwang bagay na ito, na nasa proseso ng pag-unlad hanggang sa kasalukuyan.

Sinundan ito ng pahinga ng higit sa isang daang taon, at ang isa sa mga unang pag-aaral ng physicochemical sa Russia noong huling bahagi ng 1850s ay sinimulan ni D. I. Mendeleev.

Ang susunod na kurso sa pisikal na kimika ay itinuro ni N. N. Beketov sa Kharkov University noong 1865.

Ang una sa Russia Department of Physical Chemistry ay binuksan noong 1914 sa Faculty of Physics and Mathematics ng St. Petersburg University, sa taglagas, isang estudyante ng D.P. Konovalov, M.S. Vrevsky, ay nagsimulang magbasa ng sapilitang kurso at praktikal na mga klase sa pisikal na kimika .

Ang unang siyentipikong journal na nilayon na mag-publish ng mga artikulo sa pisikal na kimika ay itinatag noong 1887 nina W. Ostwald at J. van't Hoff.

Ang paksa ng pisikal na kimika

Ang pisikal na kimika ay ang pangunahing teoretikal na pundasyon ng modernong kimika, gamit ang mga teoretikal na pamamaraan ng mga mahahalagang seksyon ng pisika gaya ng quantum mechanics, statistical physics at thermodynamics, nonlinear dynamics, field theory, atbp. Kabilang dito ang doktrina ng istruktura ng bagay, kabilang ang: ang istraktura ng mga molecule, chemical thermodynamics, chemical kinetics at catalysis. Bilang magkahiwalay na mga seksyon sa pisikal na kimika, electrochemistry, photochemistry, physical chemistry ng surface phenomena (kabilang ang adsorption), radiation chemistry, ang pag-aaral ng metal corrosion, physical chemistry ng macromolecular compounds (tingnan ang polymer physics), atbp. ay nakikilala rin. Napakalapit na katabi sa pisikal na kimika at kung minsan ay isinasaalang-alang bilang mga independiyenteng seksyon nito ng colloid chemistry, physico-chemical analysis at quantum chemistry. Karamihan sa mga seksyon ng pisikal na kimika ay may medyo malinaw na mga hangganan sa mga tuntunin ng mga bagay at pamamaraan ng pananaliksik, mga tampok na pamamaraan at ang kagamitang ginamit.

Ang pagkakaiba sa pagitan ng pisikal na kimika at kemikal na pisika

Ang nilalaman ng artikulo

CHEMISTRY PISIKAL, isang sangay ng kimika na nag-aaral ng mga kemikal na katangian ng mga sangkap batay sa mga pisikal na katangian ng kanilang mga bumubuo na mga atomo at molekula. Ang modernong pisikal na kimika ay isang malawak na interdisciplinary na larangan na may hangganan sa iba't ibang sangay ng pisika, biophysics, at molecular biology. Ito ay may maraming mga punto ng pakikipag-ugnayan sa mga sangay ng kemikal na agham tulad ng organic at inorganic na kimika.

Ang isang natatanging tampok ng diskarte sa kemikal (kumpara sa pisikal at biyolohikal) ay, kasama ang paglalarawan ng macroscopic phenomena, ang kanilang kalikasan ay ipinaliwanag batay sa mga katangian ng mga indibidwal na molekula at ang mga pakikipag-ugnayan sa pagitan nila.

Ang mga bagong instrumental at metodolohikal na pag-unlad sa larangan ng pisikal na kimika ay ginagamit sa ibang mga sangay ng kimika at mga kaugnay na agham, tulad ng pharmacology at medisina. Kabilang sa mga halimbawa ang mga electrochemical method, infrared (IR) at ultraviolet (UV) spectroscopy, laser at magnetic resonance techniques, na malawakang ginagamit sa therapy at para sa pagsusuri ng iba't ibang sakit.

Ang pangunahing mga seksyon ng pisikal na kimika ay tradisyonal na isinasaalang-alang: 1) kemikal thermodynamics; 2) kinetic theory at statistical thermodynamics; 3) mga katanungan ng istraktura ng mga molekula at spectroscopy; 4) kinetika ng kemikal.

Kemikal na thermodynamics.

Ang kemikal na thermodynamics ay direktang nauugnay sa aplikasyon ng thermodynamics - ang agham ng init at ang mga pagbabago nito - sa problema ng chemical equilibrium. Ang kakanyahan ng problema ay nabuo tulad ng sumusunod: kung mayroong isang halo ng mga reagents (sistema) at ang mga pisikal na kondisyon kung saan ito matatagpuan (temperatura, presyon, dami) ay kilala, kung gayon kung anong kusang kemikal at pisikal na mga proseso ang maaaring magdala ng sistemang ito. sa ekwilibriyo? Ang unang batas ng thermodynamics ay nagsasaad na ang init ay isang anyo ng enerhiya at ang kabuuang enerhiya ng isang sistema (kasama ang kapaligiran nito) ay nananatiling hindi nagbabago. Kaya, ang batas na ito ay isa sa mga anyo ng batas ng konserbasyon ng enerhiya. Ayon sa pangalawang batas, ang isang kusang nagaganap na proseso ay humahantong sa isang pagtaas sa kabuuang entropy ng system at sa kapaligiran nito. Ang entropy ay isang sukatan ng dami ng enerhiya na hindi magagamit ng isang sistema upang makagawa ng kapaki-pakinabang na gawain. Ang pangalawang batas ay nagpapahiwatig ng direksyon kung saan pupunta ang reaksyon nang walang anumang panlabas na impluwensya. Upang baguhin ang likas na katangian ng reaksyon (halimbawa, ang direksyon nito), kailangan mong gumastos ng enerhiya sa isang anyo o iba pa. Kaya, ito ay nagpapataw ng mahigpit na mga limitasyon sa dami ng trabaho na maaaring gawin bilang isang resulta ng conversion ng init o kemikal na enerhiya na inilabas sa isang reversible na proseso.

May utang kaming mahahalagang tagumpay sa chemical thermodynamics kay J. Gibbs, na naglatag ng teoretikal na pundasyon ng agham na ito, na naging posible upang pagsamahin ang mga resulta na nakuha ng maraming mananaliksik ng nakaraang henerasyon sa isang solong kabuuan. Ang diskarte na binuo ni Gibbs ay hindi gumagawa ng anumang mga pagpapalagay tungkol sa mikroskopikong istraktura ng bagay, ngunit isinasaalang-alang ang mga katangian ng equilibrium ng mga sistema sa antas ng macro. Iyon ang dahilan kung bakit maaaring isipin ng isa na ang una at pangalawang batas ng thermodynamics ay unibersal at mananatiling wasto kahit na mas marami tayong natutunan tungkol sa mga katangian ng mga molekula at atomo.

Kinetic theory at statistical thermodynamics.

Ang statistic thermodynamics (pati na rin ang quantum mechanics) ay nagbibigay-daan sa isa na mahulaan ang posisyon ng equilibrium para sa ilang mga reaksyon sa bahagi ng gas. Sa tulong ng quantum mechanical approach, posibleng ilarawan ang pag-uugali ng mga kumplikadong molekula ng isang bilang ng mga sangkap na nasa likido at solidong estado. Gayunpaman, may mga reaksyon na ang mga rate ay hindi maaaring kalkulahin alinman sa loob ng balangkas ng kinetic theory o sa tulong ng statistical thermodynamics.

Isang tunay na rebolusyon sa classical statistical thermodynamics ang naganap noong 1970s. Ang mga bagong konsepto tulad ng universality (ang paniwala na ang mga miyembro ng ilang malawak na klase ng mga compound ay may parehong mga katangian) at ang prinsipyo ng pagkakapareho (pagtantiya ng hindi kilalang dami mula sa mga kilalang pamantayan) ay humantong sa isang mas mahusay na pag-unawa sa pag-uugali ng mga likido malapit sa isang kritikal na punto, kapag walang pagkakaiba sa pagitan ng likido at gas. Gamit ang isang computer, ang mga katangian ng simple (liquid argon) at complex (tubig at alkohol) na likido sa isang kritikal na estado ay ginagaya. Kamakailan lamang, ang mga katangian ng mga likido tulad ng likidong helium (na ang pag-uugali ay perpektong inilarawan sa balangkas ng quantum mechanics) at mga libreng electron sa mga molekular na likido ay komprehensibong sinisiyasat gamit ang mga simulation ng computer (SUPERCONDUCTIVITY). Pinahintulutan nito ang isang mas mahusay na pag-unawa sa mga katangian ng mga ordinaryong likido. Ang mga pamamaraan ng computer na sinamahan ng mga pinakabagong teoretikal na pag-unlad ay masinsinang ginagamit upang pag-aralan ang pag-uugali ng mga solusyon, polymer, micelles (mga partikular na colloidal particle), mga protina at ionic na solusyon. Upang malutas ang mga problema ng pisikal na kimika, sa partikular, upang ilarawan ang ilang mga katangian ng mga sistema sa isang kritikal na estado at upang pag-aralan ang mga isyu ng mataas na enerhiya na pisika, ang pamamaraang matematika ng pangkat ng renormalisasyon ay lalong ginagamit.

Ang istraktura ng mga molekula at spectroscopy.

Mga organikong chemist noong ika-19 na siglo. nakabuo ng mga simpleng panuntunan para sa pagtukoy ng valency (kakayahang pagsamahin) ng maraming elemento ng kemikal. Halimbawa, nalaman nila na ang valence ng carbon ay 4 (isang carbon atom ay maaaring mag-attach ng apat na hydrogen atoms upang bumuo ng methane molecule CH 4), oxygen - 2, hydrogen - 1. Batay sa mga empirical na ideya batay sa eksperimentong data, ang mga pagpapalagay ay ginawa tungkol sa spatial arrangement atoms sa mga molecule (halimbawa, ang methane molecule ay may tetrahedral structure, habang ang carbon atom ay nasa gitna ng triangular pyramid, at ang hydrogen ay nasa apat na vertices nito). Gayunpaman, hindi pinahintulutan ng pamamaraang ito na ibunyag ang mekanismo ng pagbuo ng mga bono ng kemikal, at samakatuwid, upang tantiyahin ang laki ng mga molekula, upang matukoy ang eksaktong distansya sa pagitan ng mga atomo.

Gamit ang mga spectroscopic na pamamaraan na binuo noong ika-20 siglo, natukoy ang istruktura ng mga molekula ng tubig (H 2 O), ethane (C 2 H 6), at pagkatapos ay mas kumplikadong mga molekula, gaya ng mga protina. Ang mga pamamaraan ng microwave spectroscopy (EPR, NMR) at electron diffraction ay naging posible upang maitatag ang mga haba ng bono, ang mga anggulo sa pagitan ng mga ito (valence angles) at ang magkaparehong pag-aayos ng mga atomo sa mga simpleng molekula, at X-ray diffraction analysis - katulad na mga parameter para sa mas malalaking molekula na bumubuo ng mga molekular na kristal. Ang pagsasama-sama ng mga katalogo ng mga istrukturang molekular at ang paggamit ng mga simpleng konsepto ng valence ay naglatag ng mga pundasyon ng structural chemistry (L. Pauling ang pioneer nito) at naging posible na gumamit ng mga molekular na modelo upang ipaliwanag ang mga kumplikadong phenomena sa antas ng molekular. Kung ang mga molekula ay walang tiyak na istraktura, o kung ang mga parameter ng C-C at C-H na mga bono sa mga kromosom ay ibang-iba sa mga molekula ng methane o ethane, kung gayon sa tulong ng mga simpleng geometric na modelo, ang J. Hindi makakagawa sina Watson at F. Crick sa simula ng 1950s para sa kanyang sikat na double helix na modelo ng deoxyribonucleic acid (DNA). Sa pamamagitan ng pag-aaral ng mga panginginig ng boses ng mga atomo sa mga molekula gamit ang IR at UV spectroscopy, posible na maitaguyod ang likas na katangian ng mga puwersa na humahawak ng mga atomo sa komposisyon ng mga molekula, na, naman, ay humantong sa ideya ng pagkakaroon ng intramolecular motion. at ginawang posible na pag-aralan ang mga thermodynamic na katangian ng mga molekula ( tingnan sa itaas). Ito ang unang hakbang patungo sa pagtukoy ng mga rate ng mga reaksiyong kemikal. Dagdag pa, ang mga spectroscopic na pag-aaral sa rehiyon ng UV ay nakatulong upang maitaguyod ang mekanismo ng pagbuo ng bono ng kemikal sa antas ng elektroniko, na naging posible upang ilarawan ang mga reaksiyong kemikal batay sa ideya ng paglipat ng mga reactant sa isang nasasabik na estado (madalas sa ilalim ng pagkilos. ng nakikita o UV na ilaw). Mayroong kahit isang buong pang-agham na larangan - photochemistry. Ang nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy ay naging posible para sa mga chemist na pag-aralan ang mga indibidwal na yugto ng mga kumplikadong proseso ng kemikal at makilala ang mga aktibong sentro sa mga molekula ng enzyme. Ginawa rin ng pamamaraang ito na makakuha ng tatlong-dimensional na larawan ng mga buo na selula at mga indibidwal na organo. PHOTOCHEMISTRY.

Teorya ng Valency.

Gamit ang empirical rules of valency na binuo ng mga organic chemist, ang periodic system of elements at ang planetary model ni Rutherford ng atom, nalaman ni G. Lewis na ang susi sa pag-unawa sa chemical bond ay ang electronic structure ng matter. Dumating si Lewis sa konklusyon na ang isang covalent bond ay nabuo bilang isang resulta ng pagsasapanlipunan ng mga electron na kabilang sa iba't ibang mga atomo; sa paggawa nito, nagpatuloy siya mula sa ideya na ang mga nagbubuklod na electron ay matatagpuan sa mahigpit na tinukoy na mga shell ng elektron. Ginagawang posible ng teorya ng quantum na mahulaan ang istraktura ng mga molekula at ang likas na katangian ng mga covalent bond na nabuo sa pinaka-pangkalahatang kaso.

Ang aming mga ideya tungkol sa istruktura ng bagay, na nabuo dahil sa mga tagumpay ng quantum physics sa unang quarter ng ika-20 siglo, ay maaaring ibuod bilang mga sumusunod. Ang istraktura ng isang atom ay natutukoy sa pamamagitan ng balanse ng mga de-koryenteng puwersa ng pagtanggi (sa pagitan ng mga electron) at pagkahumaling (sa pagitan ng mga electron at isang positibong sisingilin na nucleus). Halos lahat ng masa ng isang atom ay puro sa nucleus, at ang laki nito ay tinutukoy ng dami ng espasyong inookupahan ng mga electron na umiikot sa nuclei. Ang mga molekula ay binubuo ng medyo matatag na nuclei na pinagsasama-sama ng mga mabilis na gumagalaw na mga electron, upang ang lahat ng mga kemikal na katangian ng mga sangkap ay maipaliwanag sa mga tuntunin ng elektrikal na interaksyon ng elementarya na mga particle na bumubuo sa mga atomo at molekula. Kaya, ang mga pangunahing probisyon ng quantum mechanics, tungkol sa istruktura ng mga molekula at ang pagbuo ng mga kemikal na bono, ay lumikha ng batayan para sa isang empirical na paglalarawan ng elektronikong istraktura ng bagay, ang likas na katangian ng kemikal na bono, at ang reaktibiti ng mga atomo at molekula.

Sa pagdating ng mga high-speed na computer, posibleng kalkulahin (na may mababang ngunit sapat na katumpakan) ang mga puwersang kumikilos sa pagitan ng mga atomo sa maliliit na polyatomic molecule. Ang teorya ng valence, batay sa computer simulation, ay kasalukuyang isang gumaganang tool para sa pag-aaral ng mga istruktura, kalikasan ng mga puwersa ng kemikal at mga reaksyon sa mga kaso kung saan ang mga eksperimento ay mahirap o matagal. Ito ay tumutukoy sa pag-aaral ng mga libreng radikal na naroroon sa atmospera at apoy o nabuo bilang mga intermediate ng reaksyon. May pag-asa na balang araw ang isang teorya batay sa mga kalkulasyon ng computer ay makakasagot sa tanong: paano "kinakalkula" ng mga istrukturang kemikal ang kanilang pinaka-matatag na estado sa isang oras ng pagkakasunud-sunod ng mga picosecond, habang kinukuha ang kaukulang mga pagtatantya, hindi bababa sa ilang pagtatantya , ay nangangailangan ng malaking halaga ng oras ng makina.

Mga kinetika ng kemikal

tumatalakay sa pag-aaral ng mekanismo ng mga reaksiyong kemikal at ang pagpapasiya ng kanilang mga rate. Sa antas ng macroscopic, ang reaksyon ay maaaring kinakatawan bilang sunud-sunod na mga pagbabagong-anyo, kung saan ang iba ay nabuo mula sa isang sangkap. Halimbawa, ang tila simpleng pagbabago

H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O

aktwal na binubuo ng ilang magkakasunod na yugto:

H + O 2 → OH + O

O + H 2 → HO + H

H + O 2 → HO 2

HO 2 + H 2 → H 2 O + OH

at ang bawat isa sa kanila ay nailalarawan sa pamamagitan ng sarili nitong rate constant k. Iminungkahi ni S. Arrhenius na ang absolute temperature T at pare-pareho ang rate ng reaksyon k nauugnay sa ratio k = A exp(- E Act)/ RT, saan PERO– pre-exponential factor (tinatawag na frequency factor), E kumilos - activation energy, R ay ang gas constant. Para sa pagsukat k at T kailangan ng mga instrumento para subaybayan ang mga kaganapang nagaganap sa loob ng humigit-kumulang 10–13 s, sa isang banda, at sa paglipas ng mga dekada (at kahit millennia), sa kabilang banda (mga prosesong geological); ito ay kinakailangan din na magagawang sukatin ang napapabayaang mga konsentrasyon ng lubhang hindi matatag na mga reagents. Kasama rin sa gawain ng chemical kinetics ang hula ng mga proseso ng kemikal na nagaganap sa mga kumplikadong sistema (pinag-uusapan natin ang tungkol sa biological, geological, atmospheric na proseso, combustion at chemical synthesis).

Upang pag-aralan ang mga reaksyon ng gas-phase "sa purong anyo" ang paraan ng mga molecular beam ay ginagamit; sa kasong ito, ang mga molekula na may mahigpit na tinukoy na mga estado ng quantum ay tumutugon sa pagbuo ng mga produkto na nasa ilang partikular na estado ng quantum. Ang ganitong mga eksperimento ay nagbibigay ng impormasyon tungkol sa mga puwersa na nagdudulot ng ilang mga reaksyon na mangyari. Halimbawa, sa isang molecular beam setup, kahit na ang mga maliliit na molekula gaya ng CH 3 I ay maaaring i-orient sa isang partikular na paraan at ang mga rate ng banggaan sa dalawang "iba't ibang" reaksyon ay maaaring masukat:

K + ICH 3 → KI + CH 3

K + CH 3 I → KI + CH 3

kung saan ang pangkat ng CH 3 ay iba ang oriented na may kinalaman sa papalapit na potassium atom.

Ang isa sa mga isyu na tinatalakay ng pisikal na kimika (pati na rin ang pisika ng kemikal) ay ang pagkalkula ng mga constant ng rate ng reaksyon. Dito, malawakang ginagamit ang teorya ng transition state na binuo noong 1930s, na gumagamit ng thermodynamic at structural parameters. Ang teoryang ito, na sinamahan ng mga pamamaraan ng klasikal na pisika at quantum mechanics, ay ginagawang posible na gayahin ang kurso ng isang reaksyon na parang ito ay nangyayari sa ilalim ng mga kondisyon ng isang eksperimento na may mga molecular beam. Ang mga eksperimento ay isinasagawa sa laser excitation ng ilang mga kemikal na bono, na ginagawang posible upang masuri ang kawastuhan ng mga istatistikal na teorya ng pagkasira ng mga molekula. Binubuo ang mga teorya na nagsa-generalize ng modernong pisikal at matematikal na mga konsepto ng magulong proseso (halimbawa, kaguluhan). Hindi tayo malayo sa ganap na pag-unawa sa likas na katangian ng parehong intra- at intermolecular na pakikipag-ugnayan, na inilalantad ang mekanismo ng mga reaksyon na nagaganap sa mga ibabaw na may ninanais na mga katangian, at pagtatatag ng istraktura ng mga catalytic center ng mga enzyme at transition metal complex. Sa antas ng mikroskopiko, maaaring mapansin ang mga kinetika ng pagbuo ng mga kumplikadong istruktura tulad ng mga snowflake o dendrite (mga kristal na may istraktura ng puno), na pinasigla ang pagbuo ng mga simulation ng computer batay sa mga simpleng modelo ng teorya ng nonlinear dynamics; nagbubukas ito ng mga prospect para sa paglikha ng mga bagong diskarte sa paglalarawan ng istraktura at pag-unlad ng mga kumplikadong sistema.

3rd ed., rev. - M.: Higher School, 2001 - 512 p., 319 p.

Ang aklat-aralin ay pinagsama-sama alinsunod sa programa sa pisikal na kimika.

Ang mga sumusunod na seksyon ng kurso ay detalyado sa unang libro: quantum mechanical foundations ng theory of chemical bonding, the structure of atoms and molecules, spectral method for studying molecular structure, phenomenological at statistical thermodynamics, thermodynamics ng mga solusyon at phase equilibria.

Sa ikalawang bahagi ng seksyon ng kurso ng pisikal na kimika, ang electrochemistry, chemical kinetics at catalysis ay ipinakita sa batayan ng mga ideya na binuo sa unang bahagi ng libro - ang istraktura ng bagay at statistical thermodynamics. Ang seksyong `Catalysis` ay sumasalamin sa kinetics ng heterogenous at diffusion na mga proseso, adsorption thermodynamics at mga tanong ng reaktibiti.

Para sa mga mag-aaral sa unibersidad na naka-enroll sa mga specialty sa chemical engineering.

Aklat 1.

Format: djvu

Ang sukat: 11.2 MB

I-download: drive.google

Aklat 2.

Format: djvu

Ang sukat: 7 MB

I-download: drive.google

TALAAN NG NILALAMAN Aklat 1.
Paunang Salita. 3
Panimula 6
Section one. Quantum-mechanical substantiation ng theory of molekular structure at chemical bond
Kabanata 1. Ang istraktura ng atom 9
§ 1.1. Quantum mechanical features ng microparticles 9
§ 1.2. Hydrogen atom 11
§ 1.3. Atomic orbitals ng isang hydrogen-like atom 14
§ 1.4. Iikot ng elektron 21
§ 1.5. Multielectron atoms 23
§ 1.6. Prinsipyo ni Pauli 26
§ 1.7. Mga elektronikong pagsasaayos ng mga atom 28
Kabanata 2. Molecules. Teoretikal na pamamaraan na ginagamit sa pag-aaral ng istruktura ng mga molekula at kemikal na pagbubuklod 34
§ 2.1. Molecule. potensyal na ibabaw. Equilibrium configuration 34
§ 2.2. Teorya ng bono ng kemikal at mga problema nito. Schrödinger equation para sa mga molekula 39
§ 2.3. Variational na paraan para sa paglutas ng Schrödinger equation 42
§ 2.4. Dalawang pangunahing pamamaraan ng teorya ng istraktura ng mga molekula. Paraan ng Valence bond at molecular orbital method 44
§ 2.5. Mga pangunahing ideya ng molecular orbital method 49
§ 2.6. Tinatayang paglalarawan ng molecular orbital sa MO LCAO 50 na pamamaraan
§ 2.7. Ang molekula ng II sa pamamaraang MO LCAO. Pagkalkula ng energy at wave function sa pamamagitan ng variational method 53
§ 2.8. Molecule H sa MO LCAO method. Covalent bond 58
Kabanata 3. Diatomic molecules sa MO LCAO method 62
§ 3.1. Molecular orbitals ng homonuclear diatomic molecules 62
§ 3.2. Mga elektronikong pagsasaayos at katangian ng mga molekulang homonuklear na nabuo ng mga atomo ng mga elemento ng una at ikalawang yugto 65
§ 3.3. Heteronuclear diatomic molecules 73
§ 3.4. koneksyon ng polar. Electric dipole moment ng isang molekula 78
§ 3.5. Saturation ng isang covalent bond 81
§ 3.6. Bono ng donor-acceptor 82
§ 3.7. Ionic na bono. Ang antas ng polarity ng chemical bond 84
Kabanata 4. Mga polyatomic molecule sa MO method 88
§ 4.1. Molecular orbitals sa polyatomic molecules. Simetrya ng orbital. Mga delocalized at localized na orbital. HgO 88 molekula
§ 4.2. Paglalarawan ng methane molecule. Mga delokalisado at naisalokal na MO. Hybridization ng mga orbital 95
§ 4.3. Sa hula ng mga pagsasaayos ng balanse ng mga molekula 99
§ 4.4. Mga Hindi Matibay na Molekul 101
§ 4.5. Mga molekula na may maraming mga bono sa pamamaraang MO LCAO 104
§ 4.6. Pamamaraan ng Hückel 108
§ 4.7. Paglalarawan ng mga aromatic system sa pamamaraang MOX 110
§ 4.8. Ang kemikal na bono sa mga compound ng koordinasyon. Ligand field theory 117
§ 4.9. Ionic bonding sa isang kristal 126
Kabanata 5. Intermolecular na pakikipag-ugnayan 129
§ 5.1. Mga puwersa ng Van der Waals. Iba pang mga uri ng di-tiyak na pakikipag-ugnayan 129
§ 5.2. Bono ng hydrogen 136
Ikalawang seksyon. Spectral na pamamaraan para sa pag-aaral ng istraktura at mga estado ng enerhiya ng mga molekula
Kabanata 6. Pangkalahatang impormasyon tungkol sa molecular spectra. Mga elemento ng teorya ng molecular spectra 141
§ 6.1. Intramolecular motion at electromagnetic spectrum. 141
§ 6.2. Molecular spectra ng emission, absorption at Raman scattering. EPR at NMR spectra 145
§ 6.3. Rotational spectrum ng isang diatomic molecule (rigid rotator approximation) 150
§ 6.4. Vibrational-rotational spectrum ng isang diatomic molecule. Harmonic Oscillator Approximation 156
§ 6.5. Ang molekula ay isang anharmonic oscillator. Istraktura ng vibrational spectrum 162
§ 6.6. Electronic spectra. Pagpapasiya ng dissociation energy ng mga diatomic molecule 169
§ 6.7. Rotational spectra at mahigpit na polyatomic molecules.... 171
§ 6.8. Vibrations, spectrum at istraktura ng polyatomic molecules 175
§ 6.9. Paggamit ng vibrational spectra upang matukoy ang istruktura ng mga molekula 180
§ 6.10. Impluwensiya ng intermolecular interaction ng medium at state of aggregation sa vibrational spectrum 183
Ikatlong seksyon. Kemikal na thermodynamics
Kabanata 7. Pangkalahatang konsepto. Ang unang batas ng thermodynamics at ang aplikasyon nito 186
§ 7.1. Paksa at mga gawain ng chemical thermodynamics 186
§ 7.2. Pangunahing konsepto at kahulugan ng chemical thermodynamics 188
§ 7.3. Unang batas ng thermodynamics. Mga di-circular na proseso 199
§ 7.4. Kapasidad ng init 202
§ 7.5. Impluwensya ng temperatura sa kapasidad ng init. Serye ng temperatura.. 208
§ 7.6. Quantum theory ng heat capacity ng crystalline matter 211
§ 7.7. Quantum-statistical theory ng heat capacity ng isang gaseous substance 215
§ 7.8. thermal effect. Batas ng Hess 217
§ 7.9. Paglalapat ng batas ni Hess sa pagkalkula ng mga thermal effect 220
§ 7.10. Pag-asa ng thermal effect sa temperatura. Kirchhoff equation 227
Kabanata 8. Ang ikalawang batas ng thermodynamics at ang paggamit nito 235
§ 8.1. Kusang at hindi kusang mga proseso. Ang Ikalawang Batas ng Thermodynamics 235
§ 8.2. Entropy 236
§ 8.3. Pagbabago ng entropy sa mga di-static na proseso 239
§ 8.4. Pagbabago ng entropy bilang criterion ng directionality at equilibrium sa isang nakahiwalay na "system 240
§ 8.5. Mga katangiang pag-andar. Mga potensyal na thermodynamic 241
§ 8.6. Pamantayan para sa posibilidad ng isang kusang proseso at ekwilibriyo sa mga saradong sistema 249
§ 8.7. Pagbabago ng entropy sa ilang proseso 251
§ 8.8. Gibbs na enerhiya ng pinaghalong mga ideal na gas. Mga potensyal na kemikal 261
§ 8.9. Pangkalahatang kondisyon ng ekwilibriyong kemikal 265
§ 8.10. Ang batas ng aktibong masa. Equilibrium constant para sa gas phase reactions 266
§ 8.11. Reaction isotherm equation 271
§ 8.12. Gamit ang batas ng mass action upang kalkulahin ang komposisyon ng isang equilibrium mixture 273
§ 8.13. Epekto ng temperatura sa chemical equilibrium. Reaction isobar equation 282
§ 8.14. Integral na anyo ng dependence ng Gibbs energy at equilibrium constant sa temperatura 284
§ 8.15. Equilibrium ng kemikal sa mga heterogenous na sistema 286
Kabanata 9. Ang Ikatlong Batas ng Thermodynamics at ang Pagkalkula ng Chemical Equilibrium 289
§ 9.1. Thermal Nernst theorem. Ikatlong batas ng thermodynamics 289
§ 9.2. Pagkalkula ng pagbabago sa karaniwang Gibbs na enerhiya at equilibrium constant sa pamamagitan ng pamamaraan ng Temkin - Schwartzman 294
§ 9.3. Pagkalkula ng pagbabago sa karaniwang Gibbs energy at ang equilibrium constant gamit ang mga function ng pinababang Gibbs energy 297
§ 9.4. Mga reaksiyong adiabatic 299
Kabanata 10. Equilibrium ng kemikal sa mga tunay na sistema 303
§ 10.1. Fugacity at coefficient ng fugacity ng mga gas 303
§ 10.2. Pagkalkula ng chemical equilibrium sa isang real gas system sa matataas na presyon 312
§ 10.3. Pagkalkula ng ekwilibriyong kemikal sa mga sistema kung saan ang ilang mga reaksyon ay nangyayari nang sabay-sabay 314
Kabanata 11. Panimula sa statistical thermodynamics 320
§ 11.1. Statistical physics at statistical thermodynamics. Macroscopic at mikroskopiko na paglalarawan ng estado ng system 320
§ 11.2. Microscopic na paglalarawan ng estado sa pamamagitan ng pamamaraan ng klasikal na mekanika 323
§ 11.3. Ang mikroskopikong paglalarawan ng estado sa pamamagitan ng pamamaraan ng quantum mechanics. Quantum statistics 324
§ 11.4. Dalawang uri ng average (microcanonical at canonical average) 325
§ 11.5. Relasyon sa pagitan ng entropy at istatistikal na timbang. Istatistikong katangian ng ikalawang batas ng thermodynamics 326
§ 11.6. Sistema ng thermostat. Pamamahagi ng Canonical Gibbs. 330
§ 11.7. Ang kabuuan ng mga estado ng system at ang koneksyon nito sa enerhiya. Helmholtz 335
§ 11.8. Sum over particle states 337
§ 11.9. Pagpapahayag ng mga thermodynamic function sa mga tuntunin ng kabuuan sa mga estado ng system 340
§ 11.10. Ang kabuuan sa mga estado ng isang sistema ng mga one-dimensional na harmonic oscillator. Thermodynamic properties ng isang monatomic solid ayon sa teorya ni Einstein 343
§ 11.11. Boltzmann quantum statistics. Batas ni Maxwell sa pamamahagi ng molecular velocity 346
§ 11.12. Fermi - Dirac at Bose - Einstein statistics 352
§ 11.13 Mga pangkalahatang formula para sa pagkalkula ng mga thermodynamic na function mula sa molecular data 353
§ 11.14 Pagkalkula ng mga thermodynamic function ng isang ideal na gas sa ilalim ng pagpapalagay ng mahigpit na pag-ikot at harmonic vibrations ng mga molekula 357
Apat na seksyon. Mga solusyon
Kabanata 12. Pangkalahatang katangian ng mga solusyon 365
§ 12.1. Pag-uuri ng mga mortar 365
§ 12.2. Konsentrasyon ng mga solusyon 367
5 12.3. Pagtitiyak ng mga solusyon. Ang papel na ginagampanan ng intermolecular at chemical interaction, ang konsepto ng solvation 368
§ 12.4. Ang mga pangunahing direksyon sa pagbuo ng teorya ng mga solusyon 372
§ 12.5. Thermodynamic na kondisyon para sa pagbuo ng mga solusyon 374
§ 12.6. Mga bahagyang halaga ng molar 375
§ 12.7. Mga Pangunahing Paraan para sa Pagtukoy ng Mga Bahagyang Halaga ng Molar 379
§ 12.8. Partial at relative partial molar enthalpies 381
§ 12.9. Mga init ng dissolution at dilution 382
§ 12.10 Thermodynamic na mga katangian ng perpektong likidong solusyon 386
§ 12.11.3 Raoult law 390
§ 12.12. Boiling point ng perpektong solusyon 392
§ 12.13. Nagyeyelong punto ng perpektong solusyon 395
§ 12.14.0 smotic pressure ng perpektong solusyon 397
§ 12.15 Mga hindi perpektong solusyon 400
§ 12.16. Labis na dilute, regular at athermal na solusyon 402
§ 12.17. Aktibidad. Koepisyent ng aktibidad. Karaniwang estado 404
§ 12.18.0smotic coefficient 407
§ 12.19 Mga pamamaraan para sa pagtukoy ng mga aktibidad 409
§ 12.20. Kaugnayan ng aktibidad at koepisyent ng aktibidad sa mga thermodynamic na katangian ng solusyon at labis na thermodynamic function 412
Ikalimang Seksyon. Phase Equilibria
Kabanata 13. Thermodynamic theory ng phase equilibria 415
§ 13.1. Pangunahing konsepto 415
§ 13.2. Mga kondisyon ng ekwilibriyo ng phase 418
§ 13.3. Gibbs phase rule 419
Kabanata 14 Single Component Systems 421
§ 14.1. Paglalapat ng Gibbs phase rule sa isang bahaging sistema 421
§ 14.2. Mga phase transition ng una at pangalawang uri 422
§ 14.3. Equation ng Clapeyron - Clausius 425
§ 14.4. Saturated steam pressure 423
§ 14.5. Mga diagram ng estado ng mga sistemang may isang bahagi 429
§ 14.6. Diagram ng estado ng carbon dioxide 431
§ 14.7. Diagram ng Katayuan ng Tubig 432
§ 14.8. Tsart ng estado ng asupre 433
§ 14.9. Enantiotropic at monotropic phase transition 435
Kabanata 15. Mga sistemang may dalawang bahagi 436
§ 15.1. Paraan ng pagsusuri sa pisikal at kemikal 436
§ 15.2. Paglalapat ng Gibbs phase rule sa dalawang bahagi na sistema 437
§ 15.3. Equilibrium gas - likidong solusyon sa dalawang bahagi na sistema 438
§ 15.4. Equilibrium liquid - likido sa dalawang bahagi na sistema 442
§ 15.5. Equilibrium vapor - likidong solusyon sa dalawang bahagi na sistema 444
§ 15.6. Mga pisikal at kemikal na base ng distillation ng solusyon 453
§ 15.7. Equilibrium crystals - likidong solusyon sa dalawang bahagi na sistema 457
§ 15.8. Equilibrium liquid - gas at crystals - gas (steam) sa dalawang bahagi na sistema 476
§ 15-9. Mga Pagkalkula ng State Diagram 476
Kabanata 16. Mga sistemang may tatlong bahagi 482
§ 16.1. Paglalapat ng Gibbs phase rule sa tatlong bahaging sistema 482
§ 16.2. Graphical na representasyon ng komposisyon ng isang tatlong-bahaging sistema 482
§ 16.3. Equilibrium crystals - likidong solusyon sa tatlong bahagi na sistema 484
§ 16.4. Equilibrium liquid - likido sa tatlong bahagi na sistema 489
§ 16.5. Pamamahagi ng isang solute sa pagitan ng dalawang phase ng likido. Pagkuha 491
Apendise 495
Index 497

TALAAN NG NILALAMAN Aklat 2.
Paunang Salita 3
Seksyon anim. Electrochemistry
Kabanata 17. Mga solusyon, electrolytes 4
§ 17.1. Paksa ng electrochemistry 4
§ 17.2. Pagtitiyak ng mga solusyon sa electrolyte 5
§ 17.3. Electrolytic dissociation sa solusyon 6
§ 17.4. Average na ionic na aktibidad at salik ng aktibidad 10
§ 17.5. Pangunahing konsepto ng electrostatic theory ng malalakas na electrolyte na sina Debye at Hückel 13
§ 17.6. Pangunahing konsepto ng teorya ng asosasyon ng ion 22
§ 17.7. Thermodynamic na katangian ng mga ion 24
§ 17.8. Thermodynamics ng ionic solvation 28
Kabanata 18. Non-equilibrium phenomena sa electrolytes. Electrical conductivity ng electrolytes 30
§ 18.1. Pangunahing konsepto. Mga batas ni Faraday 30
§ 18.2. Ang paggalaw ng mga ion sa isang electric field. Mga numero ng transportasyon ng ion. 32
§ 18.3. Electrical conductivity ng electrolytes. Electrical conductivity 37
§ 18.4. Electrical conductivity ng electrolytes. Molar electrical conductivity 39
§ 18.5. Molar electrical conductivity ng hydronium at hydroxide ions 43
§ 18.6. Electrical conductivity ng mga di-may tubig na solusyon 44
§ 18.7. Electrical conductivity ng solid at molten electrolytes 46
§ 18.8. Conductometry 47
Kabanata 19. Equilibrium electrode na mga proseso 49
§ 19.1. Pangunahing konsepto 49
§ 19.2. EMF ng isang electrochemical system. Electrode potential 51
§ 19.3. Ang paglitaw ng isang potensyal na pagtalon sa solusyon-metal na interface 53
§ 19.4. Potensyal sa pagsasabog 55
§ 19.5. Ang istraktura ng electrical double layer sa solusyon-metal interface 56
§ 19.6. Thermodynamics ng reversible electrochemical system 60
§ 19.7. Pag-uuri ng mga nababaligtad na electrodes 64
§ 19.8. Mga potensyal ng electrode sa mga di-may tubig na solusyon 74
§ 19.9. Mga electrochemical circuit 75
§ 19.10. Paglalapat ng teorya ng mga electrochemical system sa pag-aaral ng ekwilibriyo sa mga solusyon 82
§ 19.11. Potentiometry 85
Ikapitong seksyon. Kinetics ng mga reaksiyong kemikal
Kabanata 20. Mga batas ng kemikal na kinetika 93
§ 20.1. Pangkalahatang konsepto at kahulugan 93
§ 20.2. Bilis ng reaksyon ng kemikal 95
§ 20.3. Ang batas ng aksyong masa at ang prinsipyo ng kalayaan ng mga reaksyon 101
Kabanata 21. Mga kinetika ng mga reaksiyong kemikal sa mga saradong sistema. 105
§ 21.1. Unilateral first order reactions 105
§ 21.2. Unilateral Second Order Reactions 109
§ 21.3. Mga one-way na reaksyon ng ika-111 na order
§ 21.4. Mga pamamaraan para sa pagtukoy ng pagkakasunud-sunod ng reaksyon 112
§ 21.5. Bilateral na reaksyon ng unang order 113
§ 21.6. Mga bilateral na reaksyon ng pangalawang order 116
§ 21.T. Parallel one-way na reaksyon 117
§ 21.8. Unilateral sequential reactions 119
§ 21.9. Paraan ng quasi-stationary concentrations 125
Kabanata 22. Kinetika ng mga reaksyon sa mga bukas na sistema 127
§ 22.1. Reaction kinetics sa isang perpektong halo-halong reactor 127
§ 22.2. Reaction kinetics sa isang plug flow reactor 129
Kabanata 23. Ang teorya ng elementarya na pagkilos ng pakikipag-ugnayang kemikal 133
§ 23.1. Batas sa elementarya sa kemikal 133
§ 23.2. Teorya ng aktibong banggaan 137
§ 23.3. Teorya ng activated complex 141
§ 23.4. Preexponential factor sa Arrhenius equation ayon sa transition state theory 154
§ 23.5. MO symmetry at activation energy ng mga kemikal na reaksyon 159
Kabanata 24. Kinetics ng mga reaksyon sa mga solusyon, chain at photochemical reactions 166
§ 24.1. Mga tampok ng kinetics ng mga reaksyon sa mga solusyon 166
§ 24.2. Impluwensya ng daluyan sa pare-pareho ang rate ng reaksyon 170
§ 24.3. Kinetics ng mga ionic na reaksyon sa mga solusyon 178
§ 24.4. Mga chain reaction 181
§ 24.5. Mga reaksyong photochemical 189
Kabanata 25. Kinetics ng mga proseso ng electrode 196
§ 25.1. Ang bilis ng isang electrochemical reaction. palitan ng kasalukuyang 196
§ 25.2. Electrode polarization 197
§ 25.3. Diffusion overvoltage 199
§ 25.4. Electrochemical overvoltage 205
§ 25.5. Iba pang mga uri ng overvoltage 210
5 25.6. Paraan ng temperatura-kinetic para sa pagtukoy ng likas na katangian ng polariseysyon sa mga prosesong electrochemical 211
§ 25.7. Overvoltage sa panahon ng electrolytic hydrogen evolution 213
§ 25.8. Electrolysis. Decomposition boltahe 217
§ 25.9. Polarization phenomena sa mga kemikal na pinagmumulan ng electric current 220
§ 25.10. Electrochemical corrosion ng mga metal. pagiging pasibo ng mga metal. Mga paraan ng proteksyon ng kaagnasan 222
Ika-walong seksyon. Catalysis
Kabanata 26. Mga Prinsipyo ng catalytic action 228
§ 26.1. Pangunahing konsepto at kahulugan 228
§ 26.2. Mga tampok ng kinetics ng catalytic reactions 232
§ 26.3. Enerhiya ng pag-activate ng mga catalytic na reaksyon 237
§ 26.4. Pakikipag-ugnayan ng mga reagents sa isang catalyst at mga prinsipyo ng catalytic action 241
Kabanata 27. Homogeneous catalysis 245
§ 27.1. Acid-base catalysis 246
§ 27.2. Redox catalysis 255
§ 27.3. Enzymatic catalysis 260
§ 27.4. Autocatalysis, inhibition at panaka-nakang catalytic reactions 266
§ 27.5. Application sa industriya at mga prospect para sa pagbuo ng homogenous catalysis 271
Kabanata 28. Heterogenous catalysis. 273
§ 28.1. Istraktura sa ibabaw ng mga heterogenous catalyst 273
§ 28.2. Adsorption bilang isang yugto ng heterogenous catalytic reactions 277
§ 28.3. Mekanismo ng heterogenous catalytic reactions 282
§ 28.4. Kinetics ng heterogenous catalytic reactions sa isang pantay na naa-access na ibabaw 285
§ 28.5. Macrokinetics ng heterogenous catalytic na proseso 292
§ 28.6. Application ng heterogenous catalysis sa industriya 300
Panitikan 303
Appendix 305
Index 312
Nilalaman 316

MGA KAUGNAY NA ARTIKULO