В XVII и XVIII столетиях между физикой и химией проводилась резкая граница, и все явления природы четко делились на физические и химические. Однако в XIX веке

ВВЕДЕНИЕ


Предмет физической химии


В XVII и XVIII столетиях между физикой и химией проводилась резкая граница, и все явления природы четко делились на физические и химические. Однако в XIX веке, особенно во второй его половине, постепенно становилось все более ясным, что невозможно установить определенные границы между этими науками, так как нельзя отделить физические явления от химических.
Химические реакции всегда связаны с разнообразными физическими процессами: выделением или поглощением тепла, излучением или поглощением электромагнитных колебаний, возникновением электрического тока при прохождении реакции в гальваническом элементе, протеканием химических реакций при пропускании тока и т.д. Эту связь между физикой и химией отмечал уже Ломоносов, который писал: "Химик без знания физики подобен человеку, который всего должен искать ощупом. И сии две науки так едины между собой, что одна без другой в совершенстве быть не могут". Ломоносов назвал физической химией науку, "объясняющую на основании опытов физических причину того, что происходит через химические процессы в сложных телах".
Однако лишь спустя более века после Ломоносова идея о плодотворности слияния физики и химии в особой науке – физической химии – получила глубокое признание в трудах многих выдающихся ученых (Бекетов, Оствальд, Менделеев, Вант-Гофф и др.).
В 1863 г. Н.Н.Бекетов организовал в Харьковском университете отделение физической химии и начал читать студентам курс лекций по этой дисциплине, определив ее как науку, которая занимается "соотношением физических и химических свойств... Хотя мы и различаем физические и химические свойства тел, тем не менее и те и другие суть выражение строения и свойств мельчайших частиц... В природе эти два условия существования материи, конечно, не разделены".
Большое значение для становления физической химии как самостоятельной науки имела деятельность В.Оствальда, который в 1887 г. организовал кафедру физической химии и учебную лабораторию в Лейпцигском университете, а также начал издание первого журнала, посвященного этой науке: "Zeitschrift fur Physikalische Chemie".
Во второй половине XIX в. новая наука стала бурно развиваться благодаря трудам блестящей плеяды химиков (Оствальд, Вант-Гофф, Бекетов, Менделеев, Аррениус, Коновалов, Рауль, Фарадей, Гиббс, Нернст и многие другие). Быстрое развитие и растущее значение физической химии связано с ее пограничным положением между физикой и химией. Физическая химия, как пограничная наука, охватывает изучаемые ею явления с нескольких сторон и таким путем познает сложные и взаимосвязанные явления материального мира.
Физическая химия уделяет главное внимание исследованию законов протекания химических процессов во времени и законов химического равновесия. Основная общая задача физической химии – предсказание временного хода химического процесса и конечного состояния (состояния равновесия) в различных условиях на основании данных о строении и свойствах молекул веществ, составляющих изучаемую систему.
Современные неорганическая, аналитическая и органическая химии широко пользуются физико-химическими закономерностями и методами для разрешения общих и конкретных проблем, стоящих перед ними. Велико и постоянно возрастает значение физико-химических исследований в развитии химической промышленности (основной органический и неорганический синтез, нефтехимия, производство пластических масс и химического волокна и др.) и многих других отраслей (металлургия, нефтяная промышленность, производство полупроводников, разработка химических источников тока и т.д.), сельского хозяйства, биологии и медицины и др.
Из сказанного выше вытекает значение физической химии как важной учебной дисциплины, изучению которой уделяют большое внимание в химических, химико-технологических, горнометаллургических, сельскохозяйственных, медицинских и других высших учебных заведениях.
Разнообразие объектов и явлений, изучаемых физической химией, сложность связей между свойствами веществ и характером протекающих процессов привели к подразделению физической химии на отдельные основные разделы, некоторые из которых можно рассматривать сейчас и как отдельные науки. Естественно, что такое подразделение достаточно условно, так как невозможно провести четкие границы между разными разделами, но в то же время оно является полезным и облегчает систематическое изучение физической химии.
Ниже приводится перечисление и краткая характеристика этих основных разделов.
Строение вещества. Этот раздел включает в себя строение атомов, строение молекул и учение об агрегатных состояниях. В связи с тем, что вопросы этого раздела относятся в значительной степени к физике, а также рассматриваются в курсах общей химии и квантовой химии, в настоящий курс этот раздел не включен.
Химическая термодинамика. В этом разделе на основе законов общей термодинамики излагаются законы химического равновесия и учение о фазовых равновесиях, а также энергетика химических процессов. Законы химической термодинамики широко используются также в других разделах физической химии.
Учение о растворах. Целью этого раздела является объяснение и предсказание свойств растворов на основании свойств веществ, составляющих раствор. Важность этого раздела следует хотя бы из того, что подавляющее большинство химических реакций протекает в растворах. В нашем курсе основное внимание будет уделено термодинамическим свойствам растворов.
Электрохимия. Изучается взаимодействие электрических явлений и химических реакций (электролиз, химические источники электрического тока). В электрохимию также обычно включают учение о свойствах растворов электролитов и ионных равновесиях, которое можно было отнести и к учению о растворах.
Химическая кинетика и катализ. В этом разделе изучается скорость химических реакций, ее зависимость от внешних условий, связь скорости реакции со строением и энергетическим состоянием реагирующих молекул, влияние катализатора на скорость.
Учение о поверхностных явлениях. В нашем курсе кратко рассматриваются вопросы термодинамики поверхностного слоя и адсорбции. Более детально поверхностные явления изучаются в курсе коллоидной химии.
Приведенный перечень основных разделов физической химии не охватывает некоторых недавно возникших областей и более мелких разделов этой науки, которые можно рассматривать как самостоятельные разделы физической химии или как части более крупных разделов. Это, например, радиационная химия, физико-химия высокомолекулярных веществ, магнетохимия, газовая электрохимия, биотермодинамика и др. Значение некоторых из них в настоящее время быстро растет.
Методы физико-химического исследования. Основными методами физической химии являются, естественно, методы физики и химии.
Это прежде всего экспериментальный метод – исследование зависимости свойств веществ от внешних условий и экспериментальное изучение законов протекания химических реакций во времени и законов химического равновесия.
Теоретическое осмысливание экспериментального материала и создание стройной системы знаний основано на методах теоретической физики – термодинамическом, квантово-механическом, методе статистической физики.
Современные физико-химические исследования в любой конкретной области характеризуются применением разнообразных экспериментальных и теоретических методов. Вся совокупность данных и теоретических методов используется для достижения основной цели – выяснения зависимости направления, скорости и пределов протекания химических превращений от внешних условий и от строения молекул веществ, участвующих в реакции.

^ ГЛАВА 1. ПРЕДМЕТ И МЕТОД ТЕРМОДИНАМИКИ


1.1. Химическая термодинамика


Термодинамика представляет собой научную дисциплину, которая изучает: 1) переходы энергии из одной формы в другую, от одной части системы к другой; 2) энергетические эффекты, сопровождающие различные физические или химические процессы, их зависимость от условия протекания процессов;
3) возможность, направление и пределы протекания самопроизвольного (т.е. без затраты энергии извне) течения сами процессов в заданных условиях. Термодинамика базируется на нескольких постулатах, называемых законами (принципами) термодинамики. Наибольшее значение имеют первый и второй законы термодинамики.
Обычно принято различать общую (или физическую) термодинамику, техническую термодинамику и химическую термодинамику.
В общей термодинамике излагаются теоретические основы термодинамики и их приложение преимущественно к физическим явлениям (свойства твердых, жидких и газообразных тел, электрические и магнитные явления, излучение и т.д.).
В технической термодинамике рассматриваются приложения основных законов термодинамики к процессам взаимного превращения теплоты и работы; главной ее целью является разработка теории тепловых двигателей для их рационального проектирования и совершенствования.
В химической термодинамике изучается применение законов термодинамики к химическим и физико-химическим явлениям. В ней рассматриваются главным образом следующие вопросы:
1. Составление тепловых балансов процессов, включая тепловые эффекты физических изменений и химических процессов.
2. Расчеты фазовых равновесий.
3. Расчеты химических равновесий.
Знание законов, которым подчиняются химические и физические равновесия, позволяет решать многие важнейшие задачи, встречающиеся в научно-исследовательской работе и производственной практике. К ним относятся:
1.Определение условий, при которых данный процесс становится возможным.
2.Установление устойчивости изучаемого вещества или системы в тех или иных условиях.
3.Выбор оптимального режима процесса (температуры, давления, концентрации реагентов).
4.Выяснение, каким путем можно уменьшить или даже избежать образования нежелательных веществ, т.е. подавить или устранить побочные реакции, и т.д.
Например, восстановление оксида железа в доменном процессе можно представить суммарным уравнением
Fe3O4 + 4CO = 3Fe + 4CO2
Отходящие газы содержат много оксида углерода. Причиной неполноты восстановления считалось недостаточное время соприкосновения угля с рудой, поэтому стали строить высокие печи, однако результаты оказались отрицательными. Позднее термодинамическим расчетом было установлено, что эта реакция в условиях доменной печи не идет до конца и значительное содержание оксида углерода неизбежно.
Другой пример – процесс перехода графита в алмаз. В конце XIX века были предприняты безуспешные попытки получения искусственного алмаза из графита. Однако, после того как удалось определить термодинамические свойства графита и алмаза, выяснилось, что попытки получения алмаза были сделаны в условиях, в которых более устойчивой модификацией является графит.

^ 1.2. Основные понятия и определения


Термодинамической системой (или просто системой) называют тело или группу тел, находящихся во взаимодействии, и отделенных физическими границами раздела или мысленно от других тел, которые образуют внешнюю среду. В зависимости от связи системы со средой различают несколько видов систем. Система называется изолированной, если она не обменивается веществом и энергией с окружающей средой, объем системы постоянный. Система называется замкнутой, если для нее возможен обмен энергией со средою, но невозможен обмен веществом. Если указанные ограничения отсутствуют, т.е. возможен обмен веществом и энергией, то система является открытой. Иногда выделяют биологические системы, которые имеют оболочки, но обмениваются с внешней средой веществом и энергией.
Гомогенной называется такая система, внутри которой нет поверхностей раздела, отделяющих различные части системы, а термодинамические свойства одинаковы во всем объеме. Гомогенная система может быть однородной или неоднородной. В однородной системе состав, температура, давление и все другие свойства во всех точках объема одинаковы. В неоднородной системе свойства непрерывно меняются от точки к точке – например, если нагревать металлический стержень с одной стороны, температура будет изменяться вдоль стержня. С течением времени при отсутствии внешних воздействий свойства выравниваются и система становится однородной.
Если система состоит из нескольких частей с различными свойствами и отделенных друг от друга физическими поверхностями, то она называется гетерогенной.
Совокупность всех гомогенных частей системы с одинаковым cоставом и свойствами и отграниченных от других частей некоторыми поверхностями раздела, называют фазой. Например, система, состоящая из жидкой воды и льда, имеет две фазы – жидкая вода и лед, независимо от того находится ли лед в виде одного или нескольких кусков. Любая гомогенная система представляет собой одну фазу, гетерогенная же система состоит из двух или большего числа фаз.
Совокупность физических и химических свойств системы характеризуют ее состояние. Различают свойства экстенсивные, количественно пропорциональные массе (вес, объем, общая энергия, общая теплоемкость и т.п.), и свойства интенсивные, численно независимые от массы (температура, давление, концентрация, удельные и мольные величины). Поскольку интенсивные величины не зависят от количества вещества и одинаковы для всей системы и для любой ее конечной части, то состояние системы характеризуют совокупностью ее интенсивных свойств, которые называются термодинамическими параметрами состояния (температура, давление, концентрация и др.). В качестве параметра состояния используется также объем, который является экстенсивной величиной. Но если вместо общего брать мольный или удельный объем, то он уже не будет зависеть от массы системы.
Равновесным называют такое состояние системы, которое может сохраняться неизменным сколь угодно долго, если внешние условия не изменяются. Любое изменение одного или нескольких параметров состояния называют процессом. Так как термодинамические параметры характеризуют лишь данное ее состояние и никак не связаны с предшествующими, то при переходе системы из одного состояния в другое изменение ее свойств не зависит от пути перехода (процесса), а определяется лишь начальным (1) и конечным (2) ее состояниями. Величины Х, изменение которых Х в любом процессе зависит лишь от исходного и конечного состояний системы, называются функциями состояния:
Х = Х2 – Х1. (1.1)
Все функции состояния являются однозначными, непрерывными и конечными.
Если система, выйдя из некоторого начального состояния, после ряда изменений снова возвращается в это же состояние, т.е. совершает круговой процесс (цикл), то в конце цикла она имеет те же свойства, что и в исходном состоянии.
Свойства, определяющие состояние системы, связаны друг с другом и изменение одного из них влечет изменение других. Эта взаимосвязь выражается определенной функциональной зависимостью термодинамических параметров, которая называется уравнением состояния:
f(р, V, T, c, ...) = 0. (1.2)
Примером уравнения состояния может служить уравнение Менделеева – Клапейрона для идеальных газов:
pV = nRT. (1.3)
Для реальных систем известны лишь эмпирические или полуэмпирические уравнения, в основном для газов, которые справедливы для определенного интервала температур и давлений.
Работа A, совершаемая системой, обусловлена взаимодействием между системой и окружающей средой, в результате которого преодолеваются внешние силы, нарушившие равновесие в системе. Величина работы определяется суммой произведений действующих на систему сил на соответствующий путь. Если единственной действующей на систему силой является внешнее давление, то работа элементарного процесса A = – pdV, а для конечного процесса A = – , где индексы 1 и 2 обозначают начальное и конечное состояния системы.
В соответствии с рекомендациями IUPAC положительной (А > 0) считается работа, которую производят внешние силы над системой. Если работа производится системой, то такая работа считается отрицательной (A < 0). Заметим, что в большинстве учебников по физической химии до настоящего времени используется противоположная система знаков (работа системы А > 0, работа над системой А < 0).
Выделение или поглощение теплоты ^ Q системой является результатом нарушения термического равновесия между системой и внешней средой. Теплота, подводимая к системе, считается положительной (эндотермический процесс), а отдаваемая системой – отрицательной (экзотермический процесс). Эта термодинамическая система знаков отличается от термохимической, которая использовалась раньше, а иногда используется и теперь.
Внутренняя энергия системы U характеризует общий запас всех видов энергии – энергию поступательного и вращательного движения молекул, колебательного движения атомов в молекулах, энергию ядер и электронов, энергию межмолекулярных взаимодействий и т.д., за исключением кинетической энергии системы в целом и ее потенциальной энергии положения.

^ 1.3. Обратимые и необратимые процессы


Если на равновесную систему оказать какое-либо бесконечно малое внешнее воздействие, то в системе произойдут бесконечно малые изменения, приводящие ее в новое состояние равновесия. При таких непрерывных воздействиях в системе будет протекать равновесный процесс, при котором система непрерывно проходит последовательный ряд состояний, бесконечно близких к равновесным. Характерными особенностями равновесного процесса являются:
1. Двухсторонность, так как направление процесса определяется бесконечно малым воздействием на систему.
2. Отсутствие каких-либо потерь – при этом система совершает максимальную работу.
3. Равенство сил, действующих на систему и противодействующих со стороны системы, или точнее, бесконечно малая их разность.
4. Равенство температур (точнее, бесконечно малая их разность) системы и внешней среды, если система не изолирована адиабатной оболочкой.
5. Бесконечно большая длительность процесса для любого конечного изменения состояния системы из-за бесконечно малой скорости процесса.
Процесс является неравновесным, когда он протекает вследствие конечного воздействия на равновесную систему. Однажды возникнув, он будет проходить в системе до тех пор, пока в ней вновь не наступит новое положение равновесия, т.е. он является односторонним, а вследствие конечной его скорости и наличия потерь работа неравновесного процесса меньше работы равновесного процесса, протекающего для между теми же начальным и конечным состояниями.
Различия между равновесным и неравновесным процессами можно показать на примере следующего мысленного эксперимента.
Рис. 1.1. Схематическое изображение равновесного
и неравновесного процессов
В цилиндре с поршнем, движущимся без трения, находится газ. На поршне находится несколько гирь определенной массы, например, по 100 г каждая. В исходном состоянии температура и давление газа одинаковы с внешними температурой и давлением (точка а на рис. 1.1); система находится в равновесном состоянии. Если снять одну из гирь, давление мгновенно уменьшится, равновесие нарушается, газ расширяется до достижения нового равновесия (точка b). Эти изменения условно можно изобразить ломаной кривой а1b. При последующем снятии гирь эти процессы повторяются, а общий путь изображается кривой a1b2c3d4e. Как видно из рисунка, система находится в равновесии только в отдельные моменты – в точках а, b, c, d, e. Вообще работа определяется как произведение действующей силы на перемещение. Работа расширения газа , т.е. на графике она будет равна площади под кривой.
Если снова нагружать гири на поршень, путь процесса изобразится ломаной линией e5d6c7b8a, а работа внешних сил, затраченная на сжатие газа, равна площади под этой кривой, т.е. она больше работы расширения. Таким образом, хотя система и вернулась в исходное состояние, во внешней среде произошли изменения за счет различия работ расширения и сжатия газа.
Описанные процессы можно повторить, уменьшив вес каждой гири (например, 50 г каждая), но сохранив общую массу неизменной. Путь прямого процесса (расширения газа) тогда можно условно изобразить ломаной a1'b'2'b3'c'4'c5'd'6'd7'e'8'e. Работа расширения (площадь под крвой) будет больше, чем в предыдущем случае. Путь обратного процесса изображается линией e9'e'10'd11'd'12'c13'c'14'b15'b'16'a, а затраченная работа меньше предыдущей, т.е. работы расширения и сжатия сближаются.
Наконец, гири можно заменить песком с той же массой и снимать или нагружать песчинку за песчинкой. В этом случае отклонения системы от равновесного состояния в любой момент будут бесконечно малыми, а путь процесса в прямом и обратном направлениях будет описываться одной и той же плавной кривой ab'bc'cd'de'e. Такой процесс является равновесным, его работа максимальна и одинакова по абсолютной величине в том и другом направлениях.
Таким образом, система, совершившая равновесный процесс, может вернуться в исходное положение, пройдя в обратном направлении те же равновесные состояния, что и в прямом процессе. Это свойство равновесного процесса называется его обратимостью. Обратимым называется процесс, при котором система может вернуться в первоначальное состояние без каких-либо изменений как в самой системе, так и во внешней среде.
Примерами практически обратимых процессов могут служить агрегатные превращения веществ (испарение и конденсация, плавление и кристаллизация и т.п.) при соответствующих температурах, кристаллизация из насыщенных растворов.
Если же в результате протекания процесса в прямом и обратном направлениях в окружающей среде или в самой системе останутся какие-либо изменения, то процесс называется необратимым. Причиной необратимости процессов является их неравновесность.
В реальных условиях в подавляющем большинстве случаев протекают необратимые процессы, так как они идут с конечной скоростью при конечных разностях между силами, действующими на систему и им противодействующими, и сопровождаются неустранимыми потерями (трение, теплопередача и т.д.). Однако, использование в термодинамике понятия об обратимых процессах является целесообразным по ряду соображений.
Во-первых, любой реальный процесс всегда можно представить протекающим в условиях, сколь угодно близких к условиям протекания обратимого процесса, т.е. обратимый процесс можно рассматривать как предельный случай реального процесса. Этим же объясняется использование таких понятий как изолированная система, идеальный газ и т.п.
Во-вторых, сравнивая любой реальный процесс с обратимым, можно в каждом конкретном случае установить возможность повышения эффективности процесса.
В-третьих, только при обратимом процессе термодинамические параметры приобретают однозначность и становятся возможными термодинамические расчеты, определяющие изменения различных свойств системы в обратимом процессе. Найденные изменения в силу независимости изменения свойств системы от пути процесса будут совпадать с изменениями свойств в необратимом процессе при совпадении исходного и конечного состояний.
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат
Реферат