физическая химия

Физическая химия Физ. химия представляет самостоятельный и важный раздел химии, посвященный изучению теории строения и св-в различных в-в, теоретических основ многообразных хим. явлений и процессов, имеющих научное и практическое значение. М.В. ломоносов, определяя задачи физ. химии, писал, что физ.химия есть наука, объясняющая на основании положений и опытов физики то, что происходит в смешанных телах при хим. операциях.Физическая химия, используя опытные данные других хим-ких дисциплин, устанавливают общие закономерности, и способствует тем самым развитию всех хим. наук. Для познания этих общих закономерностей хим-ких явлений физическая химия широко пользуется разработанными физикой теоретическими и экспериментальными методами исследования.

Физ. химия имеет не только важное теоретическое, но и практическое значение.Знание основ физ. химии помогают использовать природные богатства и усовершенствовать методы пр-ва. Так, например, технология различных в-в, использование катализа в промышленности и др. пр-ва основаны на законах физической химии.

Физ. химия составляет научную основу хим-кой технологии. Физ. химия включает следующие основные разделы 1. Строение в-ва, т.е учение о строении атомов и мол-л и об агрегатном состоянии в-в. 2. Хим-кая термодинамика изучает связь между изменением теплоты и др. видов энергии, происходящих при хим-ких реакциях, с одной стороны, и направлением р-ий с другой.На основе законов термодинамики рассчитывают также условия равновесия и его смещение при заданных параметрах температуры, давления, концентраций и др. 3. Учение о растворах рассматривают природу растворов, их внутреннюю структуру, важнейшее св-ва, зависимость последних от к4онцетрации и хим кой природы компонентов, входящих в состав р - ров, а также вопросы растворимости. 4. Химическая кинетика изучает скорость и механизм хим. реакций.

В этот раздел входит также учение о катализе.Физ. химия как научная дисциплина возникла в середине XVIII в. Основоположник ее великий русский ученый М.В.Ломоносов 1711 - 1765. Им была составлена программа по физ. химии и в 1752 1754 гг. прочитан Курс истиной физической.

Исследования Ломоносова в области физ. химии были весьма многообразны. Из них на 1 ое место следует поставить открытие з-на сохранения массы в-ва. В основу всех работ М.В Ломоносова положены атомистические представления, которые послужили началом созданию атомно молекулярного учения о строении в-в и привели к выводу о михан-кой природе теплоты.

В развитии физ. химии большую роль сыграли работы и др. русских ученых. Такие как Н.Н Бекетов 1826 - 1911,открытия которого привели к созданию алюминотермии, широко используемой в металлургической пром-ти. Бекетовым установлен ряд хим. активности Ме, названный вытеснительным рядом.Экспериментально установил зависимость направления хим. процесса от концентрации реагирующих в-в, что впоследствии в матем кой форме было выражено как закон действия масс. Одним из основателей термохимии, был Герман Ив. Гесс 1805 - 1850. В 1840г опубликовал з-н постоянства сумм теплот, являющийся следствием з-на сохранения энергии.

Д.И. Менделеев открыл периодический з-н, разработал сольватную теорию р-ров, где показал, что р-ры суть хим-кие соединения, определяемые силами, действующими между растворителем и растворенным телом , с изменяющими соответственно составу св-ми. Теория хим-го строения Александра Михайловича Бутлерова 1828-1886 формирует правильное представление о природе хим. связи и хим. строениями в-ва. В физ. химию внес вклад Дмитрий Петрович Коновалов 1856-1929, к-ый в диссертации об упругости пара р-ров сделал важные выводы, известные под з-ном Коновалова.

Большой интерес представляют работы по физ. химии Ивана Алексеевича Каблукова 1857-1942. Он установил явление сольватации ионов электролитов в водных р-рах и показал значение хим.кого взаимодействия в процессах электролитической диссоциации.С. Аррениусом 1887 в результате изучения р-ров электролитов была сформулирована теория электролитической диссоциации, к-ая получила дальнейшее развитие в трудах П.Дебая и Э. Гюккеляю они разработали основы сильных электролитов.

Из советских ученых, исследования которых в области физ. химии имеют большое значение, следует отметить В.А. Кистяковского, Н.А Изгарышева, А.Н. Фрумикина, Н.Н. Семенова, П.А. Ребиндера.Большую роль сыграли исследования зарубежных ученых Гиббса учение о равновесиях в че-ых системах, В. Нернста установил важные закономерности в области хим. термодинамики и электрохимии.

Я.Г. Вант Гоффа разработал кол-yю теорию разбавленных р-ров, изучивший хим. равновесие и кинетическую хим. р-ий. Тема 1. Строение в-в. Рассмотрим теорию хим-кого строения, разработанный Бутлеровым, состоящий из след-щих положений 1. Атомы в мол-лах соединены друг с другом в определенной последовательности.Изменение этой последовательности приводит к образованию нового вещества с новыми связями. 2. Соединение атомов происходит в соответствии с их валентностью. 3. свойства вещества зависят не только от их состава, но и от их химического строения, т.е от порядка соединения атомов в молекулах и характера их взаимного влияния.

Т.о, согласно теории Бутлерова свойства вещества определяются не только их качественным и количественным составом, но и внутренней структурой молекул, определенным порядком соединения между собой атомов образующих молекулу.

Эту внутреннюю структуру Бутлеров назвал химическим строением.Так, свойства атома Н2 существенно меняются в зависимости от того, соединен ли он с атомом CL в молекуле HCL, кислорода в молекуле Н2О или азота в молекуле NН3. В первом случае в водных растворах атом Н2 сравнительно легко отщепляется от молекулы HCL в виде иона Н, что и обуславливает кислотные свойства хлористого водорода от молекулы Н2О ион Н отщепляется с гораздо большим трудом, так что кислотные свойства выражены у Н2О весьма слабо так для молекулы NН3 отщепление Н еще менее характерно аммиак ведет себя как основание особенно многообразно проявляется взаимное влияние атомов в молекулах органических соединений.

Дж. Льюис высказал предположение, что химическая связь возникает путем обр-ия электронной пары, одновременно принадлежащей двум атомам эта идея послужила исходным пунктом для разработки современной теории ковалентной связи.Немецкий ученый В. Коссель предположил, что при взаимодействии двух атомов один из них отдает, а другой принимает е- при этом 1ый атом превращается в положительно заряженный, а 2ой в отрицательно заряженный ион взаимное электростатическое притяжение образовавшихся ионов и приводит к образованию устойчивого соединения.

Это привело к созданию представлений об ионной связи. Физическая химия Физическая химия ставит своей целью изучение связи между физическими и химическими явлениями, которые протекают часто одновременно и неотделимы друг от друга.

Значение этих связей необходимо для того, чтобы вскрыть сущность процессов, протекающих в природе, технике при обработке пищевых продуктов.В коллоидной химии уч-ся изучают процессы, происходящие при измельчении многих материалов, образование пен и эмульсий, используемых при изготовлении различных пищевых продуктов изделий из теста, соусов, бульонов т.д В связи с тем, что сырье, используемое на предприятиях общественного питания представляет собой коллоидные5 и высокомолекулярные системы, технологический процесс переработки пищевого сырья м.б. принят и рационально настроен в значительной степени на основе знаний физической и коллоидной химии.

Физическая химия имеет не только теоретическое, но и практическое значение.Законом физ. химии подчиняется большинство технологических процессов. Так, например, пр-во Ме и сплавов, получение пластмасс, хим. волокон, удобрений, каучука и т.д. Технология пр-ва пищевых продуктов полностью основывается на физико-химических процессах, поэтому физическая и особенно коллоидная химия играют ведущую роль в этой отрасли производства.

Используемое а пищевой промышленности и общественном питании сырье представляет собой преимущественно коллоидные и высокомолекулярные системы, поэтому для рационального построения технологического процесса переработки такого сырья и объективной оценки качества полученной продукции необходимо знать и уметь применять на практики законы физической и коллоидной химии.Строение атомов и молекул К началу XX столетия было доказано, что атомы всех элементов имеют сложное строение и представляют собой электронейтральные системы, состоящие из положительно заряженного ядра и выражающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Ядро имеет малые размеры, но в них сосредоточена почти вся масса атома 99,97. Состав атомных ядер. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов.

Протон ядерная частица с массой 1,00782 у.е и зарядом 1в условных единицах.Заряд протона по вел-не и противоположен по знаку заряду электрона заряд е- условно принят равным -1. Протон принято обозначать символом р. Нейтрон ядерная частица с массой 1,00866 у.е без электрического заряда.

Нейтрон обозначается символом n. Число атомов в ядре и, следовательно, значение его положительного заряда равны порядковому номеру элемента в периодической системе элементов. Электронная структура атомов. Основу атому составляет ядро, но в процессе хим. превращений оно остается без изменений.Хим. р-ции сопровождаются перестройкой лишь е оболочек и особенности хим. свойств элементов определения особенностями е- ного строения их атомов. Английский физик Резерфорд предложения ядерную планетарную модель атома, согласно которой ядро находится в центре атома, а е- вращаются вокруг ядра по орбите.

Однако теория Резерфорд не объяснила у стобчивости атома. В 1913г. Нильс Бор Дания разработал теорию строения атома водорода с привлечение квантовых представлений об излучении энергии.В 1900г немецкий физик М.Планк предположил, что энергия излучается не непрерывно, а определенными теориями квантами.

Кванты лучистой энергии называются фотонами.Величина кванта энергии Е определяется ур. имени Планка Eh7 Где h постоянная Планка, или квант действия 6,625Ч10-34Джc. 7 - частота излучения, которая связана со скоростью света с и длинной л соотношением 7 в основу свой теории Бор положил следующие постулаты 1. Электрон может двигаться вокруг ядра атома не по любым, а только по вполне определенным стационарным орбитам.

Почему е- не падает- объясняется тем, что кулоновские силы притяжения между ядром и е- уравниваются центробежной силой вращающегося вокруг него е- 2. электроны, двигаясь по стационарным орбитам энергии не излучают, их общий запас энергии остается постоянным. Поглащение и излучение энергии происходит при переходе е- с одной орбиты на другую. Электронные облака.Квантовомеханическая теория заставила отказаться от принятых представлений о том, что е- в атоме движется по определенным траекториям.

Движение е- представляется в виде облака отрицательного электричества. Область пространства вокруг ядра где оказывается е называется электронным облаком. Формула е- -ных облаков может быть различной сферической, гантелеобразной и более сложной. Электроотрицательность.При химических реакциях атомы различных элементов превращаются в положительную или отрицательно заряженные ионы. Атом, потерявший е превращается в заряженный ион Э-n е- Эn атом, присоединивший е становится отрицательно заряженным ионом Эn е- Эn- как потеря, так и присоединение атомами е- сопровождается энергетическим эффектом, т.е поглощением или выделением энергии.

Энергия, которую необходимо затратить для отрыва е- от атома и превращения его в положительный ион, называется энергией ионизации. У различных элементов энергия ионизации имеет различное значение.Самые большие энергии ионизации имеют атомы инертных газов, наименьшие атомы щелочных Ме. Чем больше радиус атома, тем слабее притягиваются е- к ядру и, следовательно, тем меньше энергия ионизации, т.е тем меньше энергии нужно затратить на отрыв е- и превращение радиуса атома в положительно заряженный ион. С уменьшение радиуса атома энергии ионизации возрастает.

Энергия, которая выделяется при присоединении е- к нейтральному атому с обр-ем отрицательно заряженного иона, называется энергией сродства к электрону.С уменьшением радиуса атома энергия сродства к е- увеличивается, с увеличением радиуса -уменьшатся.

Электроотрицательность ЭО представляет собой сумму величин энергии ионизации I и энергии сродства к электрону Е ЭОIЕ ЭО элемента имеет ту де размерность, что и энергия ионизации и энергия сродства к е- эВмоль электрон-вольт, кДЖмоль или ккалмоль киллоджоуаль или ккал на моль. Чем меньше значение ЭО, тем сильнее выражены у элемента металлические свойства. Чем больше значение ЭО, тем сильнее выражены неметаллические свойства элемента. Химическая связь и строение молекул.Атом мельчайшая частица химического элемента. Молекула образуется из атомов, между которыми действуют химические силы притяжения химическая связь свойства молекул зависят не только от их состава, но и от типа химической связи.

Химическая связь имеет электрическое происхождение, но при этом в разнообразных химических соединениях м.б различают виды внутримол-ных связей. Ковалентная связь.Образование мол-к Н2, CL2, N2,O2 В создании е- пар принимают участие оба атома, отдавая на образование каждой пары по одному е CL CL CL CL CL CL N N N N N N и две связи.

Химическая связь, образованная за счет общих е- пар взаимодействующих атомов называется ковалентной. В зависимости от расположения области перекрывания е- облаков относительно оси, соединяющей ядра атомов, различают и связи. Энергия химической связи. Прочность связи оценивается энергией необходимой для ее разрыва. эВсвязь электрон-вольт на связь и кДЖмоль ккалмоль.Энергия связи зависит от степени взаимного перекрывания е- облаков, а также от межъядерного расстояния и краткости связи.

Полярные и неполярные ковалентные связи. В неполярной ковалентной связи общая е- пара в одинаковой мере принадлежит обоим соединяющимся атомам. Неполярные когда атомы, образующие мол-лу значениями по своей химической природе, т.е с одинаковыми значениями электроотрицательности. Например Н2, CL2, N2, O2, F2, r2, Br2, J2. в полярной ковалентной связи общая е- пара смещена к более электроотрицательному из соединяющихся атомов.Смещение общей е- пары называется поляризацией.

Например Н CL Н CL В результате у ат. CL возникает некоторый из тыточный отрицательный заряд, который принято называть эффективным зарядом, а у ат. Н2 равный по величине, но противоположный по знаку эффект. положит. заряда. Т.О. молекула Н CL является полярной. Она сохраняя свою электроотрицательность, приобретает два полюса и Такие молекулы называются диполями.Для количественной оценки полярности связи служит электрический момент диполя молекулы, или дипольный момент еl l- длина диполя кулон на метр или в Дебаях е заряд е- 1,60210-19Кл 1Д 3,33610-30кл м Дипольные моменты некоторых веществ приведены в таб х. однотипные молекулыHF, HCL, HBr, HI, H2O, H2S, NO, CO. Ионная связь.

Атомы большинства Ме имеют на внешнем слое один, 2 ил 3 е для атомов Ме характерно способность легко отдавать е Атомы не Ме во внешнем слое имеют от 4 до 7 е- они обладают преимущественной способностью присоединять е Образование ионной связи возможно только при взаимодействии атомов активных Ме с ат. Активных не Ме. Типичные ионные связи образуются в молекулах галогенидов щелочных Ме. Например NaCL Электронная конфигурация атома Na 1S2 2S2 2p6 3S . Он легко отдает 3S -е- -н, т.к имеет малую энергию ионизации и значит невысокую относительную электроотрицательность Na -е- Na Электронная конфигурация ат. CL - 1S2 2S2 2p6 3S2 3р5. до усто1чивого состояния не хватает одного е CLе- CL- Возникает устойцчив. е- конфигурация 3S2 3р6. ионная связь осуществляется путем электростатического взаимодействия разноименно заряженных ионов.

Na CL- NaCL- Межмолекулярное взаимодействие.

Между молекулами газообразных, жидких и твердых веществ действуют силы сцепления. Эти силы называются вандерваальсовыми силами по имени голландского ученого Вандер - Ваальса.Вандерваальсовые силы проявляются между молекулами лишь на очень малом расстоянии, примерно 10-7 см. На больших расстояниях эти силы ничтожно малы. Поэтому в газах при обычном давлении нмежмол-ное взаимодействие практически отсутствует. Однако, если газы находятся под повышенным давление, силы межмол-ного взаимодействия следует учитывать.

В жидеостях расстояние между молекулами меньше, чем в газах, а поэтому вандервоальсовы силы проявляются в большей степени. В твердых телах расстояние между молекулами достигает min- ма, поэтому силы межмол-ного взаимодействия в этом агрегатном состоянии имеют наибольшее значение.Энергия межмолекулярного взаимодействия невилика и обычно в 10 100 раз меньше энергии химического взаимодействия. Различают три вида межмолекулярного взаимодействия ориентационное, индукционное и дисперсионное.

Ориентационное взаимодействие наблюдается при сближении полярных молекул, которые стремятся ориентироватся относительно дрег друга противоположно заряженными кольцамидиполей.Индукционное взаимодействие осуществляетсямежду полярными и неполярными молекулами . под влиянием электрического поля полярной модекулы в неполярной индуцируется наводятся временный дипольный момент. Между постоянным диполем одной мол-лы и на веденнымдиполем другой возникает меж-молекулярная связь.

Дисперсионное взаимодействие. Характерно для неполярных молекул. Дипольный момент у общих неполярных молекул равен нулю, но вследствие постоянного движения е- возможно перераспределение зарядов и появление мгновенных диполей.Между ними возникает дисперсионное взаимодействие. На этом типе взаимодействия основан процесс снижения благородных и двухатомных газов молекулы, которых не имеют дипольного момента.

Вандер Вальсовы силы значительно уступают по вел-не химическим силам, однако они обеспечивают относительно прочные связи и существенно влияют на агрегатное состояние вещества.