ՖԻԶԻԿԱԿԱՆ ՔԻՄԻԱ
Ֆիզիկական քիմիա առարկան. Դրա իմաստը
Քիմիական և ֆիզիկական երևույթների փոխհարաբերությունները ուսումնասիրում են ֆիզիկական քիմիա.Քիմիայի այս ճյուղը սահմանն է քիմիայի և ֆիզիկայի միջև: Օգտագործելով երկու գիտությունների տեսական և փորձարարական մեթոդները, ինչպես նաև սեփական մեթոդները, ֆիզիկական քիմիան զբաղվում է քիմիական ռեակցիաների և դրանց ուղեկցող ֆիզիկական գործընթացների բազմակողմանի ուսումնասիրությամբ։ Քանի որ, սակայն, նույնիսկ բազմակողմ ուսումնասիրությունը երբեք ամբողջական չէ և սպառիչ կերպով չի լուսաբանում երևույթը, ֆիզիկական քիմիայի օրենքներն ու օրինաչափությունները, ինչպես մյուս բնական գիտություններին, միշտ պարզեցնում են երևույթը և ամբողջությամբ չեն արտացոլում այն։
Ֆիզիկական քիմիայի արագ զարգացումը և աճող կարևորությունը կապված են ֆիզիկայի և քիմիայի միջև նրա սահմանային դիրքի հետ: Ֆիզիկական քիմիայի հիմնական ընդհանուր խնդիրը պրոցեսի ժամանակի ընթացքի և վերջնական արդյունքի (հավասարակշռության վիճակի) կանխատեսումն է տարբեր պայմաններում՝ հիմնվելով ուսումնասիրվող համակարգը կազմող նյութերի կառուցվածքի և հատկությունների տվյալների վրա:
Ֆիզիկական քիմիայի զարգացման պատմության համառոտ ուրվագիծը
«Ֆիզիկական քիմիա» տերմինը և այս գիտության սահմանումը առաջին անգամ տվել է Մ.Վ.Լոմոնոսովը, ով 1752-1754 թթ. Գիտությունների ակադեմիայի ուսանողների համար կարդացել է ֆիզիկական քիմիայի դասընթաց և թողել այս դասընթացի «Ներածություն իրական ֆիզիկական քիմիայի» ձեռագիրը (1752 թ.): Լոմոնոսովը կատարել է բազմաթիվ ուսումնասիրություններ, որոնց թեմաները համապատասխանում են նրա կազմած «Ֆիզիկական քիմիայի դասընթացի պլանին» (1752) և «Փորձ ֆիզիկական քիմիայում» (1754) փորձարարական աշխատանքի ծրագրին։ Նրա ղեկավարությամբ անցկացվել է նաև ֆիզիկական քիմիայի ուսանողական սեմինար։
Լոմոնոսովը տվել է ֆիզիկական քիմիայի հետևյալ սահմանումը. «Ֆիզիկական քիմիան գիտություն է, որը բացատրում է ֆիզիկայի դրույթների և փորձերի հիման վրա, թե ինչ է տեղի ունենում խառը մարմիններում քիմիական գործողությունների ժամանակ»։ Այս սահմանումը մոտ է ժամանակակիցին:
Ֆիզիկական քիմիայի զարգացման համար մեծ նշանակություն ունեցավ 19-րդ դարի կեսերին թերմոդինամիկայի երկու օրենքների հայտնաբերումը (Ս. Կարնո, Յու. Ռ. Մայեր, Գ. Հելմհոլց, Դ. Պ. Ջուլ, Ռ. Կլաուզիուս, Վ. Թոմսոն): կարևորությունը։
19-րդ դարում անընդհատ աճում էր հետազոտությունների քանակը և բազմազանությունը, որոնք գտնվում էին ֆիզիկայի և քիմիայի միջև սահմանակից ոլորտում: Մշակվել է քիմիական հավասարակշռության թերմոդինամիկական տեսությունը (K.M. Guldberg, P. Waage, D.W. Gibbs)։ Լ.Ֆ.Վիլհելմիի ուսումնասիրությունները հիմք դրեցին քիմիական ռեակցիաների արագությունների (քիմիական կինետիկա) ուսումնասիրությանը։ Ուսումնասիրվել է էլեկտրաէներգիայի փոխանցումը լուծույթներում (I.V. Gittorf, F.V.G. Kolrausch), ուսումնասիրվել են գոլորշու հետ լուծույթների հավասարակշռության օրենքները (Դ.Պ. Կոնովալով) և մշակվել լուծույթների տեսությունը (Դ.Ի. Մենդելեև)։
Ֆիզիկական քիմիայի ճանաչումը որպես անկախ գիտություն և ակադեմիական դիսցիպլին արտահայտվեց 1887 թվականին Լայպցիգի համալսարանում (Գերմանիա) հիմնադրելով ֆիզիկական քիմիայի առաջին բաժինը, որը ղեկավարում էր Վ. Օստվալդը և առաջին ֆիզիկական ամսագրի հիմնադրման մեջ։ քիմիա այնտեղ։ AT վերջ XIXդարում, Լայպցիգի համալսարանը ֆիզիկական քիմիայի զարգացման կենտրոնն էր, իսկ առաջատար ֆիզիկաքիմիկոսներն էին Վ. Օստվալդը, Յ. Հ. Վան Հոֆը, Ս. Արրենիուսը և Վ. Ներնստը։ Այս ժամանակաշրջանում սահմանվեցին ֆիզիկական քիմիայի երեք հիմնական բաժիններ՝ քիմիական թերմոդինամիկա, քիմիական կինետիկա և էլեկտրաքիմիա։
Դեպի ամենակարևոր ոլորտներըգիտությունները, որոնց զարգացումը տեխնիկական առաջընթացի անհրաժեշտ պայման է, ներառում է քիմիական գործընթացների ուսումնասիրությունը. Ֆիզիկական քիմիան առաջատար դեր է խաղում այս խնդրի զարգացման մեջ:
Ֆիզիկական քիմիայի բաժիններ. Հետազոտության մեթոդներ
Քիմիական թերմոդինամիկա. Այս բաժնում, ընդհանուր թերմոդինամիկայի օրենքների հիման վրա, բացատրվում են քիմիական հավասարակշռության օրենքները և փուլային հավասարակշռության վարդապետությունը:
Լուծումների մասին ուսմունքը նպատակ ունի բացատրել և կանխատեսել լուծույթների հատկությունները (մի քանի նյութերի միատարր խառնուրդներ)՝ հիմնվելով լուծումը կազմող նյութերի հատկությունների վրա։
Մակերեւութային երեւույթների ուսմունքը. Ուսումնասիրվում են պինդ և հեղուկների մակերևութային շերտերի (ֆազերի միջև միջերեսների) տարբեր հատկություններ. Մակերեւութային շերտերում ուսումնասիրված հիմնական երեւույթներից է adsorption(մակերեսային շերտում նյութի կուտակում):
Համակարգերում, որտեղ հեղուկ, պինդ և գազային փուլերի միջերեսները բարձր զարգացած են (էմուլսիաներ, մառախուղներ, ծուխ և այլն), մակերեսային շերտերի հատկությունները դառնում են առաջնային և որոշում ամբողջ համակարգի եզակի հատկություններից շատերը՝ որպես ամբողջ. Այդպիսին ցրված (միկրոհետերոգեն)համակարգերն ուսումնասիրվում են կոլոիդ քիմիա,որը ֆիզիկական քիմիայի հիմնական անկախ ճյուղն է։
Ֆիզիկական քիմիայի հիմնական բաժինների վերը նշված ցանկը չի ներառում այս գիտության որոշ ոլորտներ և ավելի փոքր բաժիններ, որոնք կարելի է համարել ավելի մեծ բաժինների կամ ֆիզիկական քիմիայի անկախ բաժիններ: Պետք է ևս մեկ անգամ ընդգծել ֆիզիկական քիմիայի տարբեր ճյուղերի սերտ փոխհարաբերությունները։ Ցանկացած երևույթ ուսումնասիրելիս պետք է օգտագործել գաղափարների, տեսությունների և մեթոդների զինանոց՝ քիմիայի բազմաթիվ ճյուղեր (և հաճախ՝ այլ գիտություններ) ուսումնասիրելու համար։ Միայն ֆիզիկական քիմիայի հետ նախնական ծանոթության դեպքում է հնարավոր ուսումնական նպատակներով նյութը բաշխել նշված բաժիններում:
Ֆիզիկական և քիմիական հետազոտության մեթոդներ. Ֆիզիկական քիմիայի հիմնական մեթոդները բնականաբար ֆիզիկայի և քիմիայի մեթոդներն են: Սա, առաջին հերթին, փորձարարական մեթոդ է՝ նյութերի հատկությունների կախվածության ուսումնասիրություն արտաքին պայմաններ, տարբեր պրոցեսների հոսքի օրենքների եւ քիմիական հավասարակշռության օրենքների փորձարարական ուսումնասիրություն։
Փորձարարական տվյալների տեսական ըմբռնումը և գիտելիքների համահունչ համակարգի ստեղծումը հիմնված են տեսական ֆիզիկայի մեթոդների վրա։
Թերմոդինամիկական մեթոդը, որը դրանցից մեկն է, հնարավորություն է տալիս քանակապես կապել նյութի տարբեր հատկություններ («մակրոսկոպիկ» հատկություններ) և հաշվարկել այդ հատկություններից մի քանիսը` հիմնվելով այլ հատկությունների փորձարարական արժեքների վրա:
ԳԼՈՒԽ I
ԹԵՐՄՈԴԻՆԱՄԻԿԱՅԻ ԱՌԱՋԻՆ ՕՐԵՆՔԸ
Ջերմություն և աշխատանք
Շարժման ձևերի փոփոխությունները մի մարմնից մյուսն անցնելիս և էներգիայի համապատասխան փոխակերպումները շատ բազմազան են։ Շարժման անցման ձևերը և դրա հետ կապված էներգիայի անցումները կարելի է բաժանել երկու խմբի.
Առաջին խումբը ներառում է շարժման անցման միայն մեկ ձև երկու հարակից մարմինների մոլեկուլների քաոսային բախումներով, այսինքն. հաղորդման միջոցով (և միևնույն ժամանակ ճառագայթման միջոցով): Այս կերպ փոխանցվող շարժման չափն է ջերմություն .
Երկրորդ խումբը ներառում է շարժման անցման տարբեր ձևեր, որոնց ընդհանուր հատկանիշը մակրոսկոպիկ զանգվածների շարժումն է ցանկացած արտաքին ուժերի գործողության ներքո, որոնք ունեն ուղղորդված բնույթ: Այդպիսիք են գրավիտացիոն դաշտում մարմինների վերելքը, էլեկտրաէներգիայի որոշակի քանակի անցումն ավելի մեծ էլեկտրաստատիկ պոտենցիալից փոքրի, ճնշման տակ գազի ընդարձակումը և այլն։ Նման միջոցներով փոխանցվող շարժման ընդհանուր չափումն է Աշխատանք .
Ջերմությունը և աշխատանքը որակապես և քանակապես բնութագրում են նյութական աշխարհի մի մասից մյուսը շարժման փոխանցման երկու տարբեր ձևեր:
Շարժման փոխանցումը նյութի բարդ շարժման տեսակ է, որի երկու հիմնական ձևերն առանձնացնում ենք։ Ջերմությունը և աշխատանքը նյութի շարժման այս երկու բարդ ձևերի չափումներ են, և դրանք պետք է դիտարկվեն որպես էներգիայի տեսակներ:
Ջերմության և աշխատանքի ընդհանուր հատկությունն այն է, որ դրանք նշանակություն ունեն միայն այն ժամանակային ընդմիջումներում, որոնցում տեղի են ունենում այդ գործընթացները: Նման պրոցեսների ընթացքում որոշ մարմիններում այս կամ այն ձևով շարժումը նվազում է, և համապատասխան էներգիան նվազում է, իսկ մյուս մարմիններում նույն կամ այլ ձևերով շարժումը մեծանում է, և էներգիայի համապատասխան տեսակները մեծանում են։
Խոսքը ոչ թե որևէ մարմնի ջերմության պաշարի կամ աշխատանքի մասին է, այլ միայն հայտնի գործընթացի ջերմության և աշխատանքի մասին։ Դրա ավարտից հետո մարմիններում ջերմության առկայության կամ աշխատանքի մասին խոսելն ավելորդ է։
Ներքին էներգիա
Ոչ շրջանաձև գործընթացի համար հավասարությունը (I, 1) չի պահպանվում, քանի որ համակարգը չի վերադառնում իր սկզբնական վիճակին: Փոխարենը, ոչ շրջանաձև գործընթացի հավասարությունները կարող են գրվել (բաց թողնելով գործակիցը կ):
Քանի որ ինտեգրման սահմանները հիմնականում կամայական են, ապա տարրական մեծությունների համար dWև dQ:
դ Ք¹ դ Վ,
Հետևաբար.
դ Ք– դ Վ ¹ 0
Նշեք տարբերությունը dQ - dWցանկացած տարրական թերմոդինամիկական գործընթացի միջոցով dU:
dUº դ Ք– դ Վ(I, 2)
կամ վերջնական գործընթացի համար.
– (I, 2a)
Վերադառնալով շրջանաձև գործընթացին, մենք ստանում ենք (I, 1 հավասարումից).
= – = 0 (I, 3)
Այսպիսով, արժեքը dUորոշակի համակարգի պետական ֆունկցիայի ընդհանուր դիֆերենցիալն է: Երբ համակարգը վերադառնում է իր սկզբնական վիճակին (ցիկլային փոփոխությունից հետո), այս ֆունկցիայի արժեքը ձեռք է բերում իր սկզբնական արժեքը։
Համակարգի վիճակի գործառույթ դու,սահմանված հավասարումներով (I, 2) կամ (I, 2a) կոչվում է ներքին էներգիա համակարգեր .
Ակնհայտ է, որ արտահայտությունը (I, 2a) կարելի է գրել հետևյալ կերպ.
\u003d U 2 - U 1 \u003d ∆U \u003d -(I, 2b)
U 2 – U 1 \u003d ∆U \u003d Q - Վ
Այս պատճառաբանությունը էմպիրիկորեն հիմնավորում է համակարգի վիճակի որոշակի ֆունկցիայի առկայությունը, որն ունի բոլոր շարժումների ընդհանուր չափման իմաստը, որին տիրապետում է համակարգը։
Այլ կերպ ասած, ներքին էներգիան ներառում է մոլեկուլների թարգմանական և պտտվող էներգիան, թրթռումային էներգիաատոմները և ատոմների խմբերը մոլեկուլում, էլեկտրոնների շարժման էներգիան, ներմիջուկային և էներգիայի այլ տեսակներ, այսինքն՝ համակարգում առկա բոլոր տեսակի մասնիկների էներգիայի ամբողջությունը, բացառությամբ հենց համակարգի պոտենցիալ և կինետիկ էներգիայի:
Ենթադրենք, որ ցիկլային պրոցեսն իրականացվել է այնպես, որ համակարգի սկզբնական վիճակին վերադառնալուց հետո համակարգի ներքին էներգիան ոչ թե վերցրել է սկզբնական արժեքը, այլ աճել է։ Այս դեպքում շրջանաձև պրոցեսների կրկնությունը կառաջացներ համակարգում էներգիայի կուտակում։ Այս էներգիան հնարավոր կլիներ վերածել աշխատանքի և այդ կերպ աշխատանք ստանալ ոչ թե ջերմության հաշվին, այլ «ոչնչից», քանի որ շրջանաձև գործընթացում աշխատանքը և ջերմությունը համարժեք են միմյանց, ինչը ցույց են տալիս ուղղակի փորձերը։ .
Նշված կառուցման ցիկլը ավարտելու անկարողություն perpetuum mobile (perpetuum mobile) առաջին տեսակի,որ տալիս է աշխատանք՝ առանց այլ տեսակի էներգիայի համարժեք քանակի ծախսելու, ապացուցվում է մարդկային հազարամյա փորձի բացասական արդյունքով։ Այս արդյունքը հանգեցնում է նույն եզրակացության, որը մենք ստացել ենք որոշակի, բայց ավելի խիստ ձևով՝ վերլուծելով Ջոուլի փորձերը:
Եվս մեկ անգամ ձևակերպենք ստացված արդյունքը. Համակարգի ընդհանուր էներգիայի մատակարարումը (դրա ներքին էներգիան) ցիկլային գործընթացի արդյունքում վերադառնում է իր սկզբնական արժեքին, այսինքն. տրված վիճակ, ունի մեկ կոնկրետ արժեք և կախված չէ նրանից, թե համակարգը ինչ փոփոխությունների է ենթարկվել մինչև այս վիճակին հասնելը։
Այլ կերպ ասած՝ համակարգի ներքին էներգիան համակարգի վիճակի միանշանակ, շարունակական և վերջավոր ֆունկցիա է։
Համակարգի ներքին էներգիայի փոփոխությունը որոշվում է արտահայտությամբ (I, 2b); արտահայտությունը (I, 3) վավեր է շրջանաձև գործընթացի համար: Համակարգի որոշ հատկությունների (պարամետրերի) անվերջ փոքր փոփոխության դեպքում համակարգի ներքին էներգիան նույնպես անսահմանորեն փոխվում է։ Սա շարունակական ֆունկցիայի հատկություն է։
Թերմոդինամիկայի շրջանակներում օգտագործման կարիք չկա ընդհանուր սահմանումՆերքին էներգիայի հայեցակարգ: Պաշտոնական քանակական սահմանումը (I, 2) կամ (I, 2a) արտահայտությունների միջոցով բավարար է հետագա բոլոր թերմոդինամիկ պատճառաբանությունների և եզրակացությունների համար:
Քանի որ համակարգի ներքին էներգիան նրա վիճակի ֆունկցիան է, ապա, ինչպես արդեն նշվեց, համակարգի վիճակների պարամետրերի անվերջ փոքր փոփոխություններով ներքին էներգիայի աճը վիճակի ֆունկցիայի ընդհանուր դիֆերենցիալն է։ (I, 3) հավասարման մեջ ինտեգրալը բաժանելով երկու ինտեգրալների՝ ուղու վիճակից եկող հատվածների վրա 1 մինչև պետությունը 2 (ուղի «ա») (տե՛ս նկ. I) և հակառակը՝ վիճակից 2 մինչև պետությունը 1 (այլ կերպ «բ» ), - ստանում ենք.
(Ես, 4)
(ես, 5)
Նույն արդյունքին կհասնենք՝ համեմատելով «ա» և «գ» կամ «բ» և «գ» ուղիները և այլն։
Բրինձ. I. Շրջանաձև (ցիկլային) գործընթացի սխեման.
Արտահայտությունը (I, 5) ցույց է տալիս, որ համակարգի ներքին էներգիայի ավելացումը մի վիճակից մյուսին անցնելու ժամանակ կախված չէ գործընթացի ուղուց, այլ կախված է միայն համակարգի սկզբնական և վերջնական վիճակներից:
Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը
Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը ուղղակիորեն կապված է էներգիայի պահպանման օրենքի հետ։ Այն թույլ է տալիս հաշվարկել էներգիայի հավասարակշռությունը տարբեր գործընթացների ընթացքում, ներառյալ քիմիական ռեակցիաները:
Էներգիայի պահպանման օրենքից հետևում է.
Q = ∆U + W
Փակ համակարգի արդյունքում ստացված արտահայտությունը կարելի է կարդալ հետևյալ կերպ. Համակարգին մատակարարվող ջերմությունը ծախսվում է միայն նրա ներքին էներգիան փոխելու և աշխատանք կատարելու վրա։
Վերոնշյալ պնդումը, որը կապված է (I, 3) և (I, 5) հավասարումների հետ, ծառայում է թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի ձևակերպումը(համակցված (I, 2) հավասարման հետ, որը քանակականացնում է ներքին էներգիան):
Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը էներգիայի պահպանման օրենքի քանակական ձևակերպումն է, որը կիրառվում է ջերմության և աշխատանքի փոխակերպման հետ կապված գործընթացների վրա:
Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի մեկ այլ ձևակերպում կարելի է ստանալ (I, 2a) արտահայտությունից։ Մեկուսացված համակարգում dQ = 0և dW = 0, ապա և dU=0; հետևաբար, մեկուսացված համակարգում տեղի ունեցող ցանկացած գործընթացի համար.
(I.6)
այսինքն. Մեկուսացված համակարգի ներքին էներգիան հաստատուն է . Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի այս ձևակերպումը էներգիայի պահպանման ընդհանուր օրենքի քանակական արտահայտությունն է, որը կիրառվում է հատուկ պայմանների և վերջավոր համակարգերի նկատմամբ, ըստ որի էներգիան չի ստեղծվում կամ անհետանում է։
Հարկ է նշել, որ թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը հնարավորություն չի տալիս որևէ վիճակում գտնել համակարգի ներքին էներգիայի ընդհանուր արժեքը, քանի որ առաջին օրենքը արտահայտող հավասարումները հանգեցնում են միայն էներգիայի փոփոխության հաշվարկին. համակարգը տարբեր գործընթացներում: Նմանապես, չի կարելի ուղղակիորեն չափել ներքին էներգիայի փոփոխությունը մակրոսկոպիկ գործընթացներում. միայն հնարավոր է այս փոփոխությունը հաշվարկել՝ օգտագործելով հավասարումը (I, 2b)՝ հաշվի առնելով չափելի մեծությունները՝ ջերմությունը և այս գործընթացի աշխատանքը։
Նկատի ունեցեք, որ ջերմությունը և աշխատանքը (յուրաքանչյուրն առանձին) չունեն (I, 3) կամ (I, 5) հավասարմամբ արտահայտված և ներքին էներգիային բնորոշ պետական ֆունկցիայի հատկություն։ Գործընթացի ջերմությունը և աշխատանքը, որը համակարգը տեղափոխում է 1 վիճակից 2 վիճակ, ընդհանուր դեպքում կախված է գործընթացի ուղուց և արժեքից. δQև δWպետական ֆունկցիայի դիֆերենցիալներ չեն, այլ ուղղակի անվերջ փոքր մեծություններ են, որոնք մենք կանվանենք տարրական ջերմությունև տարրական աշխատանք.
Այսպիսով, ներքին էներգիայի դիֆերենցիալը dUտարրական ջերմությունից բացի այլ մաթեմատիկական հատկություններ ունի dQև աշխատել dW. Սա էական նշանակություն ունի թերմոդինամիկայի համակարգի կառուցման համար:
Պետությունների հավասարումներ
Հավասարակշռության մեջ գտնվող համակարգի և դրա բաղկացուցիչ փուլերի շատ հատկություններ փոխկապակցված են: Դրանցից մեկի փոփոխությունն առաջացնում է մյուսների փոփոխություն: Համակարգի (փուլի) հատկությունների քանակական ֆունկցիոնալ կախվածությունը կարող է արտացոլվել տարբեր տեսակի հավասարումներով:
Այս հավասարումներից ամենակարևորն է վիճակի հավասարումըփուլ, որն ինտեգրալ ձևով միացնում է հավասարակշռության մեջ գտնվող համակարգի յուրաքանչյուր փուլի ճնշումը, ջերմաստիճանը, խտությունը (կամ ծավալը), կազմը և այլ հատկությունները:
Վիճակի հավասարումը սերտորեն կապված է համակարգի և դրա միատարր մասերի (փուլերի) թերմոդինամիկական հավասարումների հետ, բայց չի կարող կոնկրետ ձևով ստացվել թերմոդինամիկայի հիմնական հավասարումներից և պետք է գտնվի էմպիրիկ եղանակով կամ ստացվի վիճակագրական ֆիզիկայի մեթոդներով՝ հիմնված մոլեկուլային պարամետրերի վրա (այսինքն՝ առանձին մոլեկուլների կառուցվածքն ու հատկությունները բնութագրող մեծություններ): Վիճակի ամենապարզ հավասարումները ցածր ճնշման դեպքում գազերի հավասարումներն են՝ Կլապեյրոն-Մենդելեևի հավասարումը, վան դեր Վալսի հավասարումը և այլն։
Ֆազի տարբեր հատկությունների հետ կապված վիճակի և այլ հավասարումների առկայությունը հանգեցնում է նրան, որ համակարգի վիճակի միանշանակ բնութագրման համար բավական է իմանալ միայն մի քանի, մի քանի անկախ հատկություններ: Այս հատկությունները կոչվում են անկախ փոփոխականներկամ վիճակի պարամետրերհամակարգեր։ Մնացած հատկությունները վիճակի պարամետրերի գործառույթներ են և եզակիորեն որոշվում են, եթե տրված են վերջիններիս արժեքները: Այս դեպքում, շատ խնդիրների համար կարևոր չէ, թե արդյոք մենք գիտենք ուսումնասիրվող փուլերի վիճակի հատուկ հավասարումները. Կարևոր է միայն, որ համապատասխան կախվածություններն իսկապես միշտ լինեն։
Այսպիսով, համակարգի վիճակը որոշվում է անկախ փոփոխականներով (վիճակի պարամետրերով), որոնց թիվը կախված է բնույթից. կոնկրետ համակարգ, և նրանց ընտրությունը սկզբունքորեն կամայական է և կապված է նպատակահարմարության նկատառումներով։ Ամենապարզ համակարգերի վիճակը որոշելու համար՝ զանգվածով և բաղադրությամբ ժամանակի մեջ միատարր և հաստատուն (կազմված է մեկ փուլից և չի փոխվում քիմիապես), բավական է իմանալ երեքից երկու անկախ փոփոխական (ծավալ): V,ճնշում Պև ջերմաստիճանը Տ)Ավելին բարդ համակարգերանկախ փոփոխականները կարող են ներառել կոնցենտրացիաները, էլեկտրական լիցքը, էլեկտրաստատիկ պոտենցիալը, մագնիսական դաշտի ուժը և այլն:
Կալորիականության գործակիցները
Համակարգի ներքին էներգիան, լինելով վիճակի ֆունկցիա, հանդիսանում է համակարգի անկախ փոփոխականների (վիճակի պարամետրերի) ֆունկցիա։
Ամենապարզ համակարգերում
U = զ (Վ, Տ) (I, 7)
որտեղից ընդհանուր դիֆերենցիալ U :
dU = dV + dT (1,8)
Արժեքի փոխարինում dU(I, 8) հավասարումից մինչև (I, 2) հավասարումը մենք գտնում ենք.
δQ = dV + dT + δW(ես, 9)
Եթե ուսումնասիրվող համակարգում կատարվում են միայն ընդարձակման աշխատանքներ և չկան էլեկտրական աշխատանք, ձգողականություն, մակերեսային ուժեր և այլն, ապա դ. Վ = PDF.Հետո
δQ = + Պ dV + dT(I, 9a)
(I, 9a) հավասարման մեջ անկախ փոփոխականների դիֆերենցիալների գործակիցների նշանակումը խորհրդանիշներով. լև CV ,մենք ստանում ենք.
δQ = ldV + C V dT(1,10)
(I, 9a) և (I, 10) հավասարումները ենթադրում են.
= l = +P(I.11)
= C V =
Քանակներ և որևէ ֆունկցիայի ածանցյալ չեն: Առաջինն է իզոթերմային ընդարձակման ջերմությունմարմինը. Այս մեծությունը, որի չափը համընկնում է ճնշման չափի հետ, արտաքին ճնշման և տերմինի գումարն է. ; որն արտացոլում է մոլեկուլների փոխադարձ ձգողականությունը։ Այս տերմինը փոքր է իրական գազերի համար և շատ մեծ (համեմատած արտաքին ճնշման սովորական արժեքների հետ) հեղուկների և պինդ մարմինների համար:
Արժեք CV, ըստ հավասարման (I, 11), է ջերմային հզորություն մշտական ծավալով. Համակարգի կողմից հաստատուն ծավալով կլանված ջերմությունն ամբողջությամբ ծախսվում է ներքին էներգիայի ավելացման վրա (պայմանով, որ բոլոր տեսակի աշխատանքները, ներառյալ ընդլայնման աշխատանքները, բացակայում են):
Ներքին էներգիայի ընդհանուր դիֆերենցիալի գործակիցները փոփոխականներով Վև Տունեն պարզ ֆիզիկական իմաստինչպես ցույց է տրված վերևում:
Ընտրելով որպես անկախ փոփոխականներ Պև Տկամ Վև Պև դիտարկելով ներքին էներգիան որպես այս զույգ փոփոխականների ֆունկցիա, մենք կարող ենք նմանապես ստանալ.
դ Ք = hdP + C P dT(I, 10a)
դ Ք= գ dV+ լ dp(I, 10b)
որտեղ քանակները h, C P, c և l-ն կապված են ներքին էներգիայի ածանցյալների հետ ավելի բարդ հարաբերություններով, քան ներկայացված են հավասարման մեջ (I, 11): Նշենք, որ C p =կա մշտական ճնշման տակ ջերմային հզորություն,ա հ = – ճնշման իզոթերմային բարձրացման ջերմություն:Վերջին արժեքը ըստ էության բացասական է:
Հնարավորություններ լ, հ, ՔՎ , C P ,գ և λ կոչվում են կալորիականության հարաբերակցությունը.Ունենալով ինքնուրույն ֆիզիկական նշանակություն (հատկապես Գ Պ,Գ V և լ), դրանք նաև օգտակար օժանդակ մեծություններ են թերմոդինամիկական եզրակացություններում և հաշվարկներում։
Տարբեր գործընթացների շահագործում
Աշխատանքի անվան տակ միավորվում են բազմաթիվ էներգետիկ գործընթացներ. Այս գործընթացների ընդհանուր հատկությունը համակարգային էներգիայի ծախսումն է դրսից գործող ուժը հաղթահարելու համար: Նման գործընթացները ներառում են, օրինակ, զանգվածների տեղաշարժը պոտենցիալ դաշտում։ Եթե շարժումը հակառակ է ուժի գրադիենտին, ապա համակարգը էներգիա է ծախսում աշխատանքի տեսքով. աշխատանքի ծավալը դրական է. Ուժի գրադիենտով շարժվելիս համակարգը էներգիա է ստանում դրսից աշխատանքի տեսքով. աշխատանքի ծավալը բացասական է. Այդպիսին է գրավիտացիոն դաշտում հայտնի զանգվածը բարձրացնելու աշխատանքը: Տարրական աշխատանք այս դեպքում.
դ Վ = – մգդՀ
որտեղ մ- մարմնի զանգված; Հսկզբնական զրոյական մակարդակից բարձր բարձրությունն է: Երբ համակարգը ընդլայնվում է արտաքին ճնշման տակ Պ,համակարգը աշխատում է , տարրական աշխատանքը այս դեպքում հավասար է PdV (V 1և V 2 -համակարգի սկզբնական և վերջնական ծավալները համապատասխանաբար):
Երբ շարժվում է էլեկտրական լիցք քէլեկտրական դաշտում՝ պոտենցիալ անկման ուղղությամբ ժև այն տարածքում, որտեղ պոտենցիալ փոփոխությունը հավասար է դիջեյ,ինչպես նաև պոտենցիալ ունեցող մարմնի լիցքի ավելացմամբ ժ, ըստ արժեքի դքաշխատանք է կատարվում համակարգի վրա, դրա արժեքը առաջին դեպքում հավասար է. քդջ, իսկ երկրորդ դեպքում jdq.
Նման կերպ կարելի է արտահայտել միջերեսի մակերեսի մեծացման աշխատանքը Սհամակարգի միատարր մասերի (փուլերի) միջև՝ դ Վ=-s dS,
որտեղ s-ը մակերեսային լարվածությունն է:
Ընդհանրապես տարրական աշխատանք dWմի քանի որակապես տարբեր տարրական աշխատանքների գումարն է.
դ Վ = Pd V- մգդՀ-ս dS– ժ դ q + … (1.12)
Այստեղ P, -mg, -σ, -j ուժեր են ընդհանրացված իմաստով (ընդհանրացված ուժեր)կամ ինտենսիվության գործոններ; Վ, Հ, Ս, ք – ընդհանրացված կոորդինատներկամ հզորության գործոններ.
Յուրաքանչյուր կոնկրետ դեպքում անհրաժեշտ է որոշել, թե ուսումնասիրվող համակարգում աշխատանքի ինչ տեսակներ են հնարավոր, և համապատասխան արտահայտություններ կազմելով. dW, օգտագործեք դրանք հավասարման մեջ (I, 2a): Հավասարման ինտեգրումը (I, 12) և աշխատանքի հաշվարկը կոնկրետ գործընթացի համար հնարավոր է միայն այն դեպքերում, երբ գործընթացը գտնվում է հավասարակշռության մեջ և հայտնի է վիճակի հավասարումը։
Շատ համակարգերի համար հնարավոր է սահմանափակել հավասարումների շարքը (I, 12) մեկ տերմինով` ընդարձակման աշխատանքով:
Հավասարակշռության գործընթացներում ընդլայնման աշխատանքը արտահայտվում է վիճակի հավասարումից բխող տարբեր հավասարումներով։ Ահա դրանցից մի քանիսը.
1) գործընթացը շարունակվում է մշտական ծավալով (իզոխորիկ գործընթաց; V = կոնստ):
W = ∫δW = ∫PdV = 0(ես, 13)
2) գործընթացը շարունակվում է մշտական ճնշման տակ (իզոբարային գործընթաց; P = կոնստ):
W= = P (V 2 - V 1) \u003d PDV(ես, 14)
3) պրոցես, որը տեղի է ունենում հաստատուն ջերմաստիճանում (իզոթերմային գործընթաց, T = կոնստ) Իդեալական գազի ընդլայնման աշխատանքը, որի համար PV=nRT:
W = dV = nRT մատյան(ես, 15)
Էնթալպիա
Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի հավասարումը այն գործընթացների համար, որտեղ կատարվում է միայն ընդարձակման աշխատանք, ունի հետևյալ ձևը.
δQ = dU + PdV(ես, 19)
Եթե գործընթացը շարունակվում է մշտական ճնշման տակ, ապա ինտեգրվելով մենք ստանում ենք.
Q P \u003d U 2 - U 1 + P (V 2 - V 1)(ես, 20)
Q P \u003d (U 2 + PV 2) - (U 1 + PV 1)(ես, 21)
Որովհետեւ Պև Վ- վիճակի պարամետրեր, ա Uպետական ֆունկցիա է, ապա գումարը U+PVՆաև պետական գործառույթ է, և դրա փոփոխությունը գործընթացում կախված չէ գործընթացի ուղուց, այլ միայն սկզբնական և վերջնական վիճակներից: Այս ֆունկցիան կոչվում է էթալպիաև նշվում է նշանով Հ. Արժեքի որոշում Հինքնությունը ծառայում է.
H U + PV(ես, 22)
(I, 21) հավասարումից հետևում է, որ հաստատուն ճնշման ժամանակ կլանված ջերմությունը հավասար է D էնթալպիայի ավելացմանը. Հև կախված չէ գործընթացի ուղուց.
(I, 21a)
Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը
Ամենատարածված և անշուշտ ինքնաբուխ պրոցեսներն են ջերմության փոխանցումը տաք մարմնից սառը մարմնին (ջերմահաղորդում) և աշխատանքի անցումը ջերմության (շփում): Մարդկության դարավոր առօրյան, տեխնիկական և գիտական պրակտիկան ցույց է տվել այս գործընթացների առօրյա իրականությունը, ինչպես նաև հակադարձ պրոցեսների ինքնաբուխ առաջացման անհնարինությունը, որոնք շատ գայթակղիչ են գործնական տեսանկյունից (աշխատանքի դուրս գալը ջերմության հեռացման միջոցով): աշխատանքային մարմինը շրջապատող մարմիններից): Սա հիմք է տալիս պնդելու, որ որևէ պրոցեսների միակ արդյունքը չի կարող լինել ավելի քիչ տաքացած մարմնից ավելի տաքացած մարմնի ջերմության փոխանցումը։ (Կլաուզիուսի պոստուլատ).
Ջերմության նշված անցումը ավելի տաքացած մարմնից ավելի քիչ ջեռուցվող մարմնի հակառակը ջերմահաղորդման միջոցով ջերմության փոխանցման սովորական ոչ հավասարակշռված գործընթացն է: Այն չի կարող շրջվել, այսինքն՝ չի կարող հետ քաշվել վիճակների նույն հաջորդականությամբ: Բայց սա բավարար չէ. եթե համակարգում տեղի է ունեցել ուղղակի ջերմության փոխանցման գործընթացը, ապա ոչ մի կերպ չի կարող իրականացվել որևէ գործընթացի այնպիսի հաջորդականություն, որի արդյունքում ջերմափոխանակմանը մասնակցող բոլոր մարմինները կվերադառնան իրենց: սկզբնական վիճակ, և այլ մարմիններում փոփոխություններ չեն լինի: Ջերմահաղորդման գործընթացն անշրջելի է:
Այլ ընդհանուր դիրքը, որն ունի նույն փորձարարական հիմքը, նշում է հետևյալը. ցանկացած պրոցեսների միակ արդյունքը չի կարող լինել ջերմության փոխակերպումը աշխատանքի (այսինքն՝ համակարգի կողմից շրջակա միջավայրից ջերմության կլանումը և այս ջերմությանը համարժեք աշխատանքի արտազատումը։ ) Այսպիսով, աշխատանքը ջերմության փոխակերպելու ինքնաբուխ գործընթացը (շփման միջոցով) անշրջելի է (ճիշտ այնպես, ինչպես ջերմային հաղորդակցությունը):
Վերջին պնդումը կարելի է այլ կերպ արտահայտել՝ գործընթացին մասնակցող մարմիններից ամենացուրտի ջերմությունը չի կարող աշխատանքի աղբյուր լինել։ (Թոմսոնի պոստուլատ).
Երկու դիրքերն էլ (Կլաուզիուսի և Թոմսոնի պոստուլատները) թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի ձևակերպումներ են և համարժեք են միմյանց, այսինքն՝ դրանցից յուրաքանչյուրը կարող է ապացուցվել մյուսի հիման վրա։
Քանի որ ջերմության փոխանցումը կամ դրա վերածումը աշխատանքի համարվում է որպես գործընթացի միակ արդյունք, ակնհայտորեն անհրաժեշտ է, որ ջերմափոխանակմանը մասնակցող համակարգը գործընթացի կամ գործընթացների համակցության արդյունքում վերադառնա իր սկզբնական վիճակին: Նման ցիկլային գործընթացում համակարգի ներքին էներգիան չի փոխվի։
Ենթադրենք, որ վերը նշված ձևակերպումներից երկրորդը (հատկապես վերջին ձևով) սխալ է։ Այնուհետև հնարավոր կլինի կառուցել մի մեքենա, որն աշխատում է ցիկլերով, որի «աշխատանքային մարմինը» պարբերաբար կվերադառնա իր սկզբնական վիճակին, և այս մեքենան կաշխատի համակարգից ոչ ավելի տաք մարմնից արտաքինից ներծծվող ջերմության շնորհիվ։ ինքն իրեն և համակարգը շրջապատող մյուս մարմիններին... Նման գործընթացը կշարունակվի առանց խախտելու թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը (աշխատանք ջերմության պատճառով), բայց պրակտիկայի համար դա հավասարազոր է ոչնչից աշխատանք ստանալուն, քանի որ ցանկացած մեքենա կունենա շրջակա միջավայրում ջերմության գրեթե անսպառ աղբյուր: Այսպիսով, նավը կարող էր շարժվել՝ խլելով օվկիանոսի ջրի ջերմությունը և վառելիքի կարիք չունենալով: Նման մեքենան կոչվում է perpetuum mobile (perpetuum mobile) երկրորդ տեսակի.Այս սահմանման հիման վրա մենք կարող ենք ձևակերպել թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը՝ Թոմսոնի պոստուլատին տալով այլ ձև. երկրորդ տեսակի perpetuum mobile անհնար է։
Պետք է ընդգծել, որ և՛ Կլաուզիուսի և Թոմսոնի դրույթները, և՛ երկրորդ տեսակի perpetuum mobile-ի անհնարինության մասին պնդումը չեն կարող ապացուցվել այլ օրենքների կամ դրույթների հիման վրա։ Դրանք ենթադրություններ են, որոնք արդարացված են դրանցից բխող բոլոր հետևանքներով, բայց չեն կարող ապացուցվել բոլոր հնարավոր դեպքերի համար։
Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի ևս մեկ ձևակերպում տանք, որն, իհարկե, բավականին ճշգրիտ և հակիրճ է։ Այս ձևակերպումը պարունակում է նոր պետական ֆունկցիայի գոյության մասին պոստուլատ, որի միջոցով արտահայտվում է շրջելի և անշրջելի գործընթացների տարբերությունը.
Էնտրոպիայի հաշվարկման մեթոդներ
(II, 1) և (II, 1a) հավասարումները, որոնք որոշում են էնտրոպիան, համակարգի էնտրոպիայի փոփոխության թերմոդինամիկական հաշվարկի միակ սկզբնական հավասարումներն են։ Փոխարինելով (II, 1a) հավասարման տարրական ջերմությունը իր արտահայտություններով կալորիականության գործակիցներով (տես (I, 10) և (I, 10a) հավասարումները), մենք հավասարակշռության գործընթացների համար ստանում ենք.
կՋ / մոլ; հալման ջերմաստիճանը տքառ. \u003d 5,5 ° С ( Տ= 278,5 Դեպի) Հետևաբար, էնտրոպիայի փոփոխությունը 1 խալբենզոլը հալման ժամանակ (հալման էնտրոպիա) հավասար է.
ԴՍ քառ. = 35,06Ջ/մոլ
2. Ջեռուցում մշտական ճնշման տակ (իզոբարային պրոցես; P = կոնստ) (I, 18a) և (II, 1a) հավասարումներից ստանում ենք.
D.S. =(II, 6)
Եկեք գտնենք ալյումինի մեկ մոլի էնտրոպիայի փոփոխությունը, երբ տաքացվում է 25-ից մինչև 600°C: Ալյումինի իրական մոլային ջերմային հզորությունը կարող է արտահայտվել հետևյալ հավասարմամբ.
C p = 565,5 + 0,290 Տ.Համաձայն (II, 6) հավասարման՝ էնտրոպիայի փոփոխությունը հավասար կլինի.
DS = = 565,5 + 0,290 (873 - 298) = 607,8 + 166,8 = 774,6 Ջ/մոլԿ
Պլանկի պոստուլատը. Բացարձակ էնտրոպիայի արժեքներ
(II, 3) հավասարմամբ անհնար է հաշվարկել համակարգի էնտրոպիայի բացարձակ արժեքը։ Այս հնարավորությունն ապահովում է նոր, անապացուցելի դիրքորոշումը, որը չի բխում թերմոդինամիկայի երկու օրենքներից, որը ձեւակերպել է Մ.Պլանքը (1912 թ.)։ Այս դրույթի համաձայն, կոչված Պլանկի պոստուլատը, անհատի էնտրոպիա բյուրեղային նյութժամը բացարձակ զրոզրո:
Խստորեն ասած՝ Պլանկի պոստուլատը գործում է միայն առանձին նյութերի համար, որոնց բյուրեղները իդեալականորեն կառուցված են (բյուրեղային ցանցում բոլոր հանգույցները զբաղեցնում են մոլեկուլները կամ ատոմները՝ պարբերաբար փոփոխվող և կանոնավոր կողմնորոշված)։ Նման բյուրեղները կոչվում են իդեալական պինդ նյութեր.Իրական բյուրեղները այդպիսին չեն, քանի որ դրանց բյուրեղյա վանդակը կատարյալ չի կառուցված:
Որոշ չափով պատահականորեն կառուցված բյուրեղյա ցանցի էնտրոպիան ավելի մեծ է, քան կատարյալ կառուցված բյուրեղային ցանցի էնտրոպիան: Հետևաբար, իրական բյուրեղները նույնիսկ 0 K-ում ունեն զրոյից մեծ էնտրոպիա: Այնուամենայնիվ, առանձին նյութերի իրական լավ ձևավորված բյուրեղների էնտրոպիաները բացարձակ զրոյում փոքր են։
Պլանկի պոստուլատի համաձայն՝ իդեալի հավասարումը (II, 6): ամուր մարմինկընդունի ձևը՝
Պլանկի պոստուլատը օգտագործվում է քիմիական պրոցեսների թերմոդինամիկական ուսումնասիրության մեջ՝ քիմիական միացությունների էնտրոպիայի բացարձակ արժեքները հաշվարկելու համար. մեծ նշանակությունքիմիական հավասարակշռությունը հաշվարկելիս.
Էնտրոպիան լայնորեն կիրառվում է տեխնիկական թերմոդինամիկայի մեջ (ջերմային ճարտարագիտություն), որպես ջերմային շարժիչի աշխատանքային հեղուկի կարևոր պարամետրերից մեկը, օրինակ՝ ջրային գոլորշին։ Ջրի գոլորշիների էնտրոպիայի արժեքները տվյալ վիճակում հաշվարկվում են որոշ ստանդարտ վիճակի համեմատ՝ սովորաբար 0°C և 1: amԷնտրոպիայի այս արժեքներն օգտագործվում են այսպես կոչված կառուցելու համար էնտրոպիայի վիճակի դիագրամներջրի գոլորշիները կոորդինատներում Ս-Թկամ Ս-Հ(Մոլլիերի դիագրամ): Նման դիագրամներում, ինչպես դիագրամները V-Pհնարավոր է պատկերել տարբեր գործընթացներ, որոնք տեղի են ունենում ջերմային շարժիչի աշխատանքային մարմնում և կազմում են մեքենայի աշխատանքային ցիկլերը:
Եզրափակելով, հարկ է նշել, որ մենք պետք չէ խորանալ թերմոդինամիկայի բնագավառում։ Մեր նպատակն է միայն լուսաբանել այս գիտության հիմնական գաղափարները և բացատրել պատճառները, թե ինչու կարելի է հիմնվել դրա փաստարկների վրա:
Վերջապես, թերմոդինամիկայի երկու օրենքները հաճախ ձևակերպվում են հետևյալ կերպ.
Առաջին օրենքը. Տիեզերքի էներգիան միշտ հաստատուն է:
Երկրորդ օրենքը. Տիեզերքի էնտրոպիան միշտ մեծանում է:
Ֆիզիկական քիմիայի սկիզբը դրվել է 18-րդ դարի կեսերին։ «Ֆիզիկական քիմիա» տերմինը գիտության մեթոդաբանության և գիտելիքի տեսության հարցերի ժամանակակից ըմբռնման մեջ պատկանում է Մ.Վ. . Այս դասախոսությունների նախաբանում նա տալիս է հետևյալ սահմանումը. «Ֆիզիկական քիմիան գիտություն է, որը պետք է ֆիզիկական գիտնականների դրույթների և փորձերի հիման վրա բացատրի, թե ինչ է տեղի ունենում բարդ մարմիններում քիմիական գործողությունների միջոցով»: Գիտնականն իր ջերմության կորպուսկուլյար-կինետիկ տեսության աշխատություններում զբաղվում է վերոհիշյալ առաջադրանքներին և մեթոդներին լիովին համապատասխանող հարցերով։ Հենց սա է փորձարարական գործողությունների բնույթը, որոնք ծառայում են այս հայեցակարգի առանձին վարկածների և դրույթների հաստատմանը: Լոմոնոսովը հետևեց այս սկզբունքներին իր հետազոտության շատ ոլորտներում. իր հիմնադրած «ապակու գիտության» մշակման և գործնական իրականացման գործում, տարբեր փորձերում, որոնք նվիրված էին նյութի և ուժի (շարժման) պահպանման օրենքի հաստատմանը. - լուծումների վարդապետության հետ կապված աշխատանքներում և փորձերում - նա մշակել է այս ֆիզիկական և քիմիական երևույթի ուսումնասիրության ընդարձակ ծրագիր, որը մինչ օրս մշակման փուլում է:
Դրան հաջորդեց ավելի քան հարյուր տարվա ընդմիջում, և 1850-ականների վերջին Ռուսաստանում առաջին ֆիզիկաքիմիական հետազոտություններից մեկը սկսեց Դ. Ի. Մենդելեևը:
Ֆիզիկական քիմիայի հաջորդ դասընթացը դասավանդել է Ն. Ն. Բեկետովը Խարկովի համալսարանում 1865 թ.
Ռուսաստանում առաջին Ֆիզիկական քիմիայի բաժինը բացվել է 1914 թվականին Սանկտ Պետերբուրգի համալսարանի ֆիզիկամաթեմատիկական ֆակուլտետում, աշնանը Դ.Պ. Կոնովալովի ուսանող Մ.Ս. .
Առաջինը Գիտություն ամսագիր, որը նախատեսված է ֆիզիկական քիմիայի վերաբերյալ հոդվածների հրատարակման համար, հիմնադրվել է 1887 թվականին Վ. Օստվալդի և Ջ. վանտ Հոֆի կողմից։
Ֆիզիկական քիմիա առարկան
Ֆիզիկական քիմիան ժամանակակից քիմիայի հիմնական տեսական հիմքն է՝ օգտագործելով ֆիզիկայի այնպիսի կարևոր բաժինների տեսական մեթոդները, ինչպիսիք են քվանտային մեխանիկա, վիճակագրական ֆիզիկա և թերմոդինամիկան, ոչ գծային դինամիկան, դաշտի տեսությունը և այլն։ Այն ներառում է նյութի կառուցվածքի ուսմունքը, ներառյալ. մոլեկուլների կառուցվածքը, քիմիական թերմոդինամիկան, քիմիական կինետիկան և կատալիզը։ Որպես ֆիզիկական քիմիայի առանձին բաժիններ, առանձնանում են նաև էլեկտրաքիմիայի, ֆոտոքիմիայի, մակերևութային երևույթների ֆիզիկական քիմիան (ներառյալ կլանումը), ճառագայթային քիմիան, մետաղների կոռոզիայի ուսումնասիրությունը, մակրոմոլեկուլային միացությունների ֆիզիկական քիմիան (տե՛ս պոլիմերների ֆիզիկա) և այլն: Շատ մոտիկ են: ֆիզիկական քիմիայի նկատմամբ և երբեմն համարվում են որպես կոլոիդների քիմիայի, ֆիզիկաքիմիական վերլուծության և քվանտային քիմիայի անկախ բաժիններ։ Ֆիզիկական քիմիայի բաժիններից շատերը բավականին հստակ սահմաններ ունեն հետազոտության առարկաների և մեթոդների, մեթոդաբանական առանձնահատկությունների և օգտագործվող ապարատի առումով:
Տարբերությունը ֆիզիկական քիմիայի և քիմիական ֆիզիկայի միջև
Տարրական ռեակցիայի մոլեկուլյարությունը մասնիկների քանակն է, որոնք, ըստ փորձարարորեն հաստատված ռեակցիայի մեխանիզմի, մասնակցում են քիմիական փոխազդեցության տարրական գործողությանը։ Մոնոմոլեկուլային ռեակցիաներ- ռեակցիաներ, որոնցում տեղի է ունենում մեկ մոլեկուլի քիմիական փոխակերպում (իզոմերացում, դիսոցացիա և այլն). H 2 S → H 2 + S Բիմոլեկուլային ռեակցիաներ- ռեակցիաներ, որոնց տարրական գործողությունն իրականացվում է երկու մասնիկների (նույնական կամ տարբեր) բախման ժամանակ. CH 3 Br + KOH → CH 3 OH + KBr Տրիմոլեկուլային ռեակցիաներ- ռեակցիաներ, որոնց տարրական գործողությունն իրականացվում է երեք մասնիկների բախման ժամանակ. O 2 + NO + NO → 2NO 2 Երեքից ավելի մոլեկուլյարություն ունեցող ռեակցիաները անհայտ են։ Մեկնարկային նյութերի մոտ կոնցենտրացիաներով իրականացվող տարրական ռեակցիաների համար մոլեկուլյարության և ռեակցիայի կարգի արժեքները նույնն են: Մոլեկուլյարության և ռեակցիայի կարգի հասկացությունների միջև հստակ սահմանված հարաբերություն չկա, քանի որ ռեակցիայի կարգը բնութագրում է ռեակցիայի կինետիկ հավասարումը, իսկ մոլեկուլյարությունը՝ ռեակցիայի մեխանիզմը։ Քիմիական թերմոդինամիկայի հիմնական ոլորտներն են.
Քիմիական թերմոդինամիկան սերտորեն կապված է քիմիայի այնպիսի ճյուղերի հետ, ինչպիսիք են
Ֆիզիկաքիմիական վերլուծությունՖիզիկաքիմիական վերլուծության տեսությունը հիմնված է Ն.Ս. Կուրնակովի կողմից ձևակերպված համապատասխանության և շարունակականության սկզբունքների վրա: Շարունակականության սկզբունքը սահմանում է, որ եթե համակարգում նոր փուլեր չեն ձևավորվում կամ գոյություն ունեցողները չեն անհետանում, ապա համակարգի պարամետրերի շարունակական փոփոխությամբ առանձին փուլերի հատկությունները և համակարգի հատկությունները որպես ամբողջություն շարունակաբար փոխվում են։ . Համապատասխանության սկզբունքը նշում է, որ փուլերի յուրաքանչյուր համալիր համապատասխանում է կազմություն-հատկություն դիագրամի որոշակի երկրաչափական պատկերին։ Քիմիական միացությունների ռեակտիվության տեսությունԲարձր էներգիայի քիմիան (HVE) ուսումնասիրում է քիմիական ռեակցիաները և փոխակերպումները, որոնք տեղի են ունենում նյութում ոչ ջերմային էներգիայի ազդեցության տակ: Նման ռեակցիաների և փոխակերպումների մեխանիզմներն ու կինետիկան բնութագրվում են արագ, գրգռված կամ իոնացված մասնիկների էապես ոչ հավասարակշռված կոնցենտրացիաներով, որոնց էներգիան ավելի մեծ է, քան նրանց ջերմային շարժման էներգիան և, որոշ դեպքերում, քիմիական կապը: Նյութի վրա գործող ոչ ջերմային էներգիայի կրիչներ՝ արագացված էլեկտրոններ և իոններ, արագ և դանդաղ նեյտրոններ, ալֆա և բետա մասնիկներ, պոզիտրոններ, մյուոններ, պիոններ, ատոմներ և մոլեկուլներ գերձայնային արագությամբ, էլեկտրամագնիսական ճառագայթման քվանտաներ, ինչպես նաև իմպուլսային էլեկտրական, մագնիսական և ակուստիկ դաշտեր. Բարձր էներգիայի քիմիայի գործընթացները ժամանակային փուլերով տարբերվում են ֆիզիկականի, տեղի են ունենում ֆեմտովայրկյանների կամ ավելի քիչ ժամանակի ընթացքում, որի ընթացքում միջավայրում ոչ ջերմային էներգիան բաշխվում է անհավասարաչափ և ձևավորվում է «թեժ կետ»՝ ֆիզիկաքիմիական, ընթացքում։ որոնք անհավասարակշռություն և անհամասեռություն «թեժ կետում» դրսևորվում են և, վերջապես, քիմիական, որոնցում նյութի փոխակերպումները ենթարկվում են ընդհանուր քիմիայի օրենքներին։ Արդյունքում սենյակային ջերմաստիճանում ձևավորվում են այնպիսի իոններ և ատոմների և մոլեկուլների գրգռված վիճակներ, որոնք չեն կարող առաջանալ հավասարակշռության գործընթացների պատճառով։ CHE-ի արտաքին դրսևորումը սենյակային ջերմաստիճանում ատոմների և մոլեկուլների իոնների և գրգռված վիճակների ձևավորումն է, որի դեպքում այդ մասնիկները չեն կարող առաջանալ հավասարակշռության գործընթացների պատճառով: Ն.Է. Աբլեսիմովը ձևակերպել է թուլացման սկզբունք՝ ոչ հավասարակշռված ֆիզիկական և քիմիական համակարգերի հատկությունները վերահսկելու համար։ Այն դեպքում, երբ թուլացման ժամանակները շատ ավելի երկար են, քան ֆիզիկական ազդեցության տևողությունը, հնարավոր է վերահսկել քիմիական ձևերի, փուլերի և, որպես հետևանք, նյութերի (նյութերի) հատկությունների արտազատումը, օգտագործելով թուլացման մեխանիզմների մասին տեղեկատվությունը: ոչ հավասարակշռված խտացված համակարգերում թուլացման գործընթացների ֆիզիկաքիմիական փուլում (ներառյալ թիվը և շահագործման ընթացքում): HVE-ի հիմնական բաժինները
եւ ուրիշներ. լազերային քիմիաԻոնացնող հատկություն ունեն էլեկտրամագնիսական ճառագայթումը (ռենտգենյան ճառագայթներ, γ-ճառագայթում, սինքրոտրոնային ճառագայթում) և արագացված մասնիկների հոսքերը (էլեկտրոններ, պրոտոններ, նեյտրոններ, հելիոններ, ծանր իոններ, ծանր միջուկների տրոհման բեկորներ և այլն), էներգիան։ որը գերազանցում է ատոմների կամ մոլեկուլների իոնացման պոտենցիալը (շատ դեպքերում՝ 10-15 էՎ-ի սահմաններում): Ճառագայթային քիմիայի շրջանակներում համարվում են որոշ քիմիական գործընթացներ, որոնք անհնարին են ավանդական քիմիական մոտեցումների կիրառմամբ։ Իոնացնող ճառագայթումը կարող է զգալիորեն նվազեցնել քիմիական ռեակցիաների ջերմաստիճանը առանց կատալիզատորների և նախաձեռնողների օգտագործման: Ճառագայթային քիմիայի պատմություն Ճառագայթային քիմիան առաջացել է 1895 թվականին Վ. Ռենտգենի կողմից ռենտգենյան ճառագայթների և 1896 թվականին Ա. Բեքերելի ռադիոակտիվության հայտնաբերումից հետո, ովքեր առաջինն էին, որ նկատեցին ճառագայթման ազդեցությունը լուսանկարչական թիթեղներում։ Ճառագայթային քիմիայի վերաբերյալ առաջին աշխատանքները կատարվել են 1899-1903 թվականներին ամուսիններ Մ.Կյուրիի և Պ.Կյուրիի կողմից։ Հետագա տարիներին ամենաշատ հետազոտությունները նվիրված են եղել ջրի և ջրային լուծույթների ռադիոլիզին։ միջուկային քիմիաՄիջուկային քիմիայի հիմնական ուղղությունները.
ԷլեկտրաքիմիաԷլեկտրաքիմիան քիմիական գիտության ճյուղ է, որը դիտարկում է համակարգերը և միջֆազային սահմանները, երբ դրանց միջով հոսում է էլեկտրական հոսանք, ուսումնասիրվում են գործընթացները հաղորդիչներում, էլեկտրոդների վրա (մետաղներից կամ կիսահաղորդչներից, ներառյալ գրաֆիտը) և իոնային հաղորդիչներում (էլեկտրոլիտներ): Էլեկտրաքիմիան ուսումնասիրում է գործընթացները |
Կրթության նախարարություն Ռուսաստանի ԴաշնությունՏոմսկի պոլիտեխնիկական համալսարան _________________________________________________________________________________ N. A. Kolpakova, V. A. Kolpakov, S. V. Romanenko ՖԻԶԻԿԱԿԱՆ ՔԻՄԻԱ Դասագիրք Մաս I Tomsk 2004 UDC 541.1 Physical chemistry. Դասագիրք / N.A. Kolpakova, V.A. Kolpakov, S.V. Ռոմանենկո. - Տոմսկ: Էդ. TPU, 2004. - Մաս 1. - 168 էջ. AT ուսումնական ուղեցույց Դիտարկված են «Ֆիզիկական քիմիայի» հետևյալ բաժինները՝ թերմոդինամիկայի հիմնական օրենքները, քիմիական և ֆազային հավասարակշռությունը, ոչ էլեկտրոլիտային լուծույթների թերմոդինամիկան։ Ձեռնարկը պատրաստվել է ԹՊՀ-ի ֆիզիկական և անալիտիկ քիմիայի ամբիոնում և նախատեսված է քիմիական մասնագիտությունների գծով հեռակա դասընթացների ուսանողների համար: Հրատարակվել է Տոմսկի պոլիտեխնիկական համալսարանի խմբագրական և հրատարակչական խորհրդի պատվերով Գրախոսներ՝ Կուրինա Լ.Ն. – Պրոֆ. ԹՊՀ ֆիզիկական քիմիայի ամբիոն, քիմ. գիտություններ; Բուինովսկի Ա.Ս. - Գլուխ. սրճարան Քիմիա TPU STU, քիմ. գիտություններ. © Տոմսկի պոլիտեխնիկական համալսարան, 2004 © Հեղինակներ, 2004 ԳԼՈՒԽ 1. ՆԵՐԱԾՈՒԹՅՈՒՆ ՖԻԶԻԿԱԿԱՆ ՔԻՄԻԱՅԻՆ 1.1. ՖԻԶԻԿԱԿԱՆ ՔԻՄԻԱՅԻ ԶԱՐԳԱՑՄԱՆ ՀԱՄԱՌՈՏ ՊԱՏՄԱԿԱՆ ՈՒՐՎԱԾՔԸ Ֆիզիկական քիմիայի բովանդակության անվանումն ու սահմանումը առաջին անգամ տրվել է Մ.Վ.Լոմոնոսովի կողմից (1752 թ.). բացատրել, թե ինչ է տեղի ունենում բարդ մարմիններում քիմիական գործողությունների միջոցով»: Ֆիզիկական քիմիայի դասավանդումը Ռուսաստանում որպես ինքնուրույն գիտություն ներկայացրեց պրոֆ. Ն. Ն. Բեկետովը 1860 թվականին Խարկովի համալսարանում: Լոմոնոսովի ամենակարևոր տեսական և փորձարարական ուսումնասիրությունները նրան հանգեցրին բացահայտումների, որոնք նույնիսկ այժմ չեն կորցրել իրենց նշանակությունը։ Լոմոնոսովը մոտեցավ նյութի և շարժման պահպանման սկզբունքի, ջերմության կինետիկ բնույթի ճիշտ սահմանմանը, ինչպես նաև նշեց ավելի սառը մարմնից ջերմության ինքնաբուխ փոխանցման անհնարինությունը, ինչը ներկայումս ձևակերպումներից մեկն է։ թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքից։ Հաջորդ դարի ընթացքում իրականացվեցին հետազոտություններ, որոնց հիման վրա արվեցին բազմաթիվ կարևոր բացահայտումներ և ընդհանրացումներ։ Շելեն Շվեդիայում (1773) և Ֆոնտանան Ֆրանսիայում (1777) հայտնաբերել են գազերի կլանումը. T. E. Lovits-ը Ռուսաստանում (1785 թ.) հայտնաբերել է լուծույթներից կլանումը։ A. L. Lavoisier-ը և P. S. Laplace-ը Ֆրանսիայում (1779–1784) ուսումնասիրել են նյութերի ջերմային հզորությունները և ռեակցիաների ջերմային ազդեցությունները։ XIX դարի սկզբին։ G. Davy-ն Անգլիայում և L. J. Tenard-ը Ֆրանսիայում հայտնաբերեցին կատալիտիկ ռեակցիաներ, իսկ J. J. Berzelius-ը Շվեդիայում (1835) հետագայում զարգացրեցին կատալիզի գաղափարը: Էլեկտրաքիմիայի հիմքերը դրվել են գալվանական բջիջների, էլեկտրոլիզի և էլեկտրոլիտներում հոսանքի փոխանցման հետազոտություններով։ Գալվանին և Ա. Վոլտան Իտալիայում 1799 թվականին ստեղծել են գալվանական բջիջ: Վ.Վ. Պետրովը Ռուսաստանում (1802 թ.) հայտնաբերել է էլեկտրական աղեղի ֆենոմենը։ Տ. Գրոտգուսը Ռուսաստանում 1805 թվականին դրեց էլեկտրոլիզի տեսության հիմքերը։ 1800 թվականին Գ.Դեյվին առաջ մղեց նյութերի փոխազդեցության էլեկտրաքիմիական տեսությունը. նա լայնորեն օգտագործեց էլեկտրոլիզը քիմիական հետազոտությունների համար։ Մ.Ֆարադեյը, Դեյվիի աշակերտը, 1833-1834 թթ ձևակերպել է էլեկտրոլիզի քանակական օրենքները։ B. S. Jacobi- ն Ռուսաստանում, լուծելով էլեկտրոլիզի գործընթացի գործնական օգտագործման խնդիրները, հայտնաբերված 1836 թվականին գալվանոպլաստիկա: XIX դարի առաջին կեսին։ շնորհիվ Դ.Դալթոնի Անգլիայում (1801–1803), Ժ. զարգացած. Նույն շրջանին են պատկանում Գ. Ի. Հեսսի (1802–1856) աշխատությունները ջերմաքիմիայի վերաբերյալ։ Գուլդբերգը և Պ. Վաագը Նորվեգիայում (1864–1867), Ջ. Վ. Գիբսը ԱՄՆ–ում (1873–1878) մշակեցին քիմիական հավասարակշռության թերմոդինամիկական ուսմունքը, իսկ Ֆրանսիայում Ա. փոփոխվող արտաքին պայմանները. Հոլանդացի քիմիկոս J. H. van't Hoff-ի աշխատություններում մշակվել է քիմիական հավասարակշռության թերմոդինամիկական տեսությունը։ Մշակել է նաև նոսր լուծույթների քանակական տեսությունը (1885–1889)։ Էլեկտրաէներգիայի փոխանցումը լուծույթներում ուսումնասիրվել է Գերմանիայում I. V. Gittorf-ի և F. V. G. Kohlrausch-ի կողմից: Շվեդ գիտնական S. A. Arrhenius-ը զարգացել է 1883–1887 թթ. տեսություն էլեկտրոլիտիկ դիսոցացիա. Բուտլերովը, ով ստեղծել է օրգանական միացությունների կառուցվածքի տեսությունը, խորը հետք է թողել ֆիզիկական քիմիայի զարգացման վրա։ Ռուս մեծ քիմիկոս Դ. Ի. Մենդելեևը (1834–1907) հայտնաբերել է կրիտիկական ջերմաստիճանի առկայությունը (1860 թ.), եզրակացրել է. ընդհանուր հավասարումը գազերի վիճակները, (1874) և մշակել լուծույթների քիմիական տեսությունը (1887)։ Դ.Պ.Կոնովալովը (1889), Մենդելեևի աշակերտը, լուծումների տեսության հիմնադիրներից է։ XIX դարի վերջին։ Մի շարք խոշոր հայտնագործություններ են կատարվել նյութի կառուցվածքի ուսմունքի ոլորտում, որոնք ապացուցել են ատոմի կառուցվածքի բարդությունը և հսկայական դեր են խաղացել ֆիզիկական քիմիայի զարգացման գործում։ Դրանց թվում են Ջ.Բ.Պերինի (1895թ.) և Ջ.Թոմսոնի (1897թ.) էլեկտրոնի հայտնագործությունները, Ռ.Պլանկի (1900թ.) լույսի քվանտային բնույթը, Պ.Ն.Լեբեդևի լույսի ճնշման առկայությունը (1899թ.), ուսումնասիրությունը (սկսած 1898 թ.) ռադիոակտիվության երևույթներ Պ. Կյուրիի և Մ. Սկլոդովսկա-Կյուրիի կողմից։ XX դարի սկզբին. ֆիզիկական քիմիան սահմանվել է որպես գիտություն, որն ուսումնասիրում է նյութի կառուցվածքը, քիմիական թերմոդինամիկան, ներառյալ ջերմաքիմիան և հավասարակշռության տեսությունը, լուծումները, քիմիական կինետիկան և էլեկտրաքիմիան: Կիրառվեցին նոր տեսական մեթոդներ, և առաջին պլան եկան ատոմների, մոլեկուլների և բյուրեղների կառուցվածքի ուսումնասիրությունները։ Նյութի կառուցվածքի, հատկապես ատոմների և մոլեկուլների կառուցվածքի մասին ուսմունքը ամենաարագ զարգացավ 20-րդ դարում։ Այս ոլորտում հիմնական ձեռքբերումը ատոմի միջուկային տեսությունն էր, որն առաջարկել է Է. Ռադերֆորդը (1911 թ.) և մշակվել ջրածնի ատոմի առաջին քանակական տեսության մեջ, որը մշակվել է դանիացի ֆիզիկոս Ն. Բորի կողմից (1913 թ.): Քիմիական կապի բնույթի և մոլեկուլների կառուցվածքի ուսումնասիրությունը զարգացել է ատոմի կառուցվածքի ուսումնասիրությանը զուգահեռ։ 1920-ականների սկզբին Վ. Կոսելը և Գ. Ն. Լյուիսը մշակել էին քիմիական կապի էլեկտրոնային տեսության հիմունքները։ Վ.Գ. Գեյթլերը և Ֆ. Լոնդոնը (1927) մշակել են քիմիական կապի քվանտ-մեխանիկական տեսությունը։ Հիմնվելով ատոմային կառուցվածքի ոլորտում ֆիզիկայի ամենամեծ հայտնագործությունների վրա և օգտագործելով քվանտային մեխանիկայի և վիճակագրական ֆիզիկայի տեսական մեթոդները, ինչպես նաև նոր փորձարարական մեթոդները, ինչպիսիք են ռենտգենյան անալիզը, սպեկտրոսկոպիան, զանգվածային սպեկտրոսկոպիան, մագնիսական մեթոդները, մեթոդը. պիտակավորված ատոմները և այլք, ֆիզիկոսներն ու ֆիզիկաքիմիկոսները մեծ հաջողություններ են գրանցել մոլեկուլների և բյուրեղների կառուցվածքն ուսումնասիրելու և քիմիական կապի բնույթը հասկանալու գործում: Քիմիական ռեակցիաների արագության տեսությունը, այսինքն՝ քիմիական կինետիկան, մեծապես զարգացել է և այժմ կապված է հատկապես մոլեկուլների կառուցվածքի և մոլեկուլում ատոմների միջև կապերի ամրության ուսումնասիրությունների հետ: Ֆիզիկական քիմիայի նոր ճյուղեր են առաջացել և հաջողությամբ զարգանում. այն ժամանակաշրջաններում, երբ այս կամ այն գործնական կարիքը պահանջում էր արդյունաբերության որոշ ճյուղերի արագ զարգացում, և այդ զարգացումը պահանջում էր ամուր տեսական հիմքեր։ Այստեղ հարկ է նշել Ն.Ս. Կուրնակովի հիմնական ուսումնասիրությունները ֆիզիկաքիմիական անալիզի, Ա.Ն.Ֆրումկինի էլեկտրաքիմիայի ոլորտում աշխատանքը, Ն.Ն.Սեմենովի շղթայական ռեակցիաների տեսության ստեղծումը և Ա.Ա. Բալանդին. Ֆիզիկական քիմիան առաջատար դեր է խաղում քիմիական գիտության և պրակտիկայի առջև ծառացած բազմաթիվ խնդիրների լուծման գործում: Ներկայումս ֆիզիկական քիմիան անկախ գիտություն է իր հետազոտական մեթոդներով և հանդիսանում է կիրառական քիմիական ճարտարագիտության տեսական հիմքը: 1.2. ՖԻԶԻԿԱԿԱՆ ՔԻՄԻԱՅԻ ԵՎ ՆՊԱՏԱԿՆԵՐԸ Ֆիզիկական քիմիան քիմիական պրոցեսների և ֆիզիկական երևույթների օրինաչափությունների գիտություն է։ Ֆիզիկական քիմիայի հիմնական խնդիրն այն հիմնական օրինաչափությունների ուսումնասիրությունն ու բացատրությունն է, որոնք որոշում են քիմիական պրոցեսների ուղղությունը, դրանց արագությունը, միջավայրի ազդեցությունը, կեղտերը, ճառագայթումը և օգտակար արտադրանքի առավելագույն բերքատվություն ստանալու պայմանները։ Ֆիզիկական քիմիայի ուսումնասիրությունը հնարավորություն է տալիս հասկանալ քիմիայի օրենքները, ինչպես նաև կանխատեսել և վերահսկել քիմիական երևույթները։ Ժամանակակից ֆիզիկական քիմիան հնարավորություն է տալիս լուծել արտադրական արդյունավետ հսկողության, արտադրական գործընթացների ինտենսիվացման և ավտոմատացման խնդիրները։ Այն ծառայում է որպես տեսական հիմք քիմիական տեխնոլոգիա. Քիմիական տեխնոլոգիայի այնպիսի կարևոր արտադրական գործընթացները, ինչպիսիք են ամոնիակի սինթեզը և օքսիդացումը, ծծմբաթթվի կոնտակտային արտադրությունը, բնական գազից էթանոլի արտադրությունը, նավթի կրեկինգը և շատ ուրիշներ, հիմնված են այս գործընթացների հիմքում ընկած ռեակցիաների ֆիզիկաքիմիական ուսումնասիրությունների արդյունքների վրա։ 5 գործընթաց. Առանց ֆիզիկական քիմիայի անհնար է լուծել ցանկալի հատկություններով նյութեր ստեղծելու, նոր ընթացիկ աղբյուրների մշակման և արդյունավետ արտադրության բազմաթիվ այլ խնդիրներ։ Հետևաբար, ապագա գործընթացների ինժեներների համար ֆիզիկական քիմիայի իմացությունը մեծ հնարավորություններ է բացում գործարաններում և գիտահետազոտական ինստիտուտներում ինժեների գործնական գործունեության ընթացքում հանդիպող տարբեր խնդիրների լուծման համար: Գիտության անվանումը՝ «ֆիզիկական քիմիա», արտացոլում է ինչպես երկու գիտությունների՝ ֆիզիկայի և քիմիայի հանգույցում նրա ի հայտ գալու պատմությունը, այնպես էլ այն փաստը, որ այն լայնորեն օգտագործում է ֆիզիկայի տեսական օրենքներն ու փորձարարական մեթոդները ուսումնասիրության մեջ։ քիմիական երևույթներ. 1.3. ՖԻԶԻԿԱԿԱՆ ՔԻՄԻԱՅԻ ՄԵԹՈԴՆԵՐԻ ԴԱՍԱԿԱՐԳՈՒՄ Ֆիզիկական քիմիայում կիրառվում են մի քանի տեսական մեթոդներ. Քվանտաքիմիական մեթոդը քիմիական փոխակերպումները նկարագրելու համար օգտագործում է հատկությունները տարրական մասնիկներ. Օգտագործելով քվանտային մեխանիկայի օրենքները՝ նկարագրվում են մոլեկուլների հատկությունները և ռեակտիվությունը, ինչպես նաև քիմիական կապի բնույթը՝ հիմնված մոլեկուլները կազմող տարրական մասնիկների հատկությունների վրա։ Թերմոդինամիկական (ֆենոմենոլոգիական) մեթոդը հիմնված է մի քանի օրենքների (պոստուլատների) վրա, որոնք հանդիսանում են փորձարարական տվյալների ընդհանրացում։ Այն հնարավորություն է տալիս դրանց հիման վրա պարզել համակարգի էներգետիկ հատկությունները, կանխատեսել քիմիական գործընթացի ընթացքը և դրա արդյունքը հավասարակշռության պահով։ Քվանտ-վիճակագրական մեթոդը բացատրում է նյութերի հատկությունները՝ հիմնվելով այդ նյութերը կազմող մոլեկուլների հատկությունների վրա: Կինետիկ մեթոդը թույլ է տալիս հաստատել մեխանիզմը և ստեղծել քիմիական գործընթացների տեսություն՝ ուսումնասիրելով տարբեր գործոններից քիմիական ռեակցիաների արագության փոփոխությունը։ Ֆիզիկական քիմիան բնութագրվում է մաթեմատիկայի լայն կիրառմամբ, որը ոչ միայն հնարավորություն է տալիս առավել ճշգրիտ արտահայտել տեսական օրենքները, այլև անհրաժեշտ գործիք է դրանք հաստատելու համար։ 6 ԳԼՈՒԽ 2. ԹԵՐՄՈԴԻՆԱՄԻԿԱՅԻ ՀԻՄՆԱԿԱՆ ՕՐԵՆՔՆԵՐԸ «Թերմոդինամիկա» բառը ծագել է հունարեն therme - ջերմություն և dynamis - ուժից: Թերմոդինամիկան տարբեր տեսակի էներգիաների մեկից մյուսի փոխակերպման գիտություն է։ Քիմիական թերմոդինամիկան ուսումնասիրում է տարբեր տեսակի էներգիայի փոխակերպումը, որը տեղի է ունենում քիմիական ռեակցիաների ընթացքում։ 2.1. ՔԻՄԻԱԿԱՆ ՋԵՐՄՈԴԻՆԱՄԻԿԱՅԻ ՀԻՄՆԱԿԱՆ ՀԱՍԿԱՑՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐԸ Համակարգն իրենից ներկայացնում է առանձին մարմին կամ մարմինների խումբ, որոնք փոխազդում են և առանձնացված են շրջակա միջավայրից իրական կամ երևակայական թաղանթով (սահմանով): Բաց համակարգը արտաքին միջավայրի հետ նյութերի (զանգվածի) և էներգիայի (օրինակ՝ ջերմության) փոխանակման համակարգ է։ Մեկուսացված համակարգը (կամ փակ համակարգը) այն համակարգն է, որը չի փոխանակում ջերմությունը և չի աշխատում դրա հետ միջավայրը. Մեկուսացված համակարգի էներգիան և ծավալը ժամանակի մեջ հաստատուն են: Նման համակարգի օրինակ է, օրինակ, թերմոսը: Եթե սահմանը չի անցնում ջերմություն, ապա համակարգում տեղի ունեցող գործընթացը կոչվում է ադիաբատիկ: Երբ համակարգը ջերմություն է փոխանակում և աշխատում շրջակա միջավայրի հետ, փոփոխություններ են տեղի ունենում ինչպես համակարգում, այնպես էլ շրջակա միջավայրում: Թերմոդինամիկ համակարգերը կարող են լինել միատարր կամ տարասեռ: Եթե համակարգի ներսում չկան միջերեսներ, որոնք բաժանում են համակարգի մասերը տարբեր կազմով կամ կառուցվածքով, ապա այս համակարգը կոչվում է միատարր: Համապատասխանաբար, կառուցվածքով կամ քիմիական կազմով տարբեր մասերից բաղկացած համակարգը կոչվում է տարասեռ: Այս մասերը կոչվում են փուլեր: Այսպիսով, փուլը տարասեռ համակարգի մի մասն է, որը սահմանափակվում է միջերեսով և բնութագրվում է նույն ֆիզիկական և քիմիական հատկություններով բոլոր կետերում: Յուրաքանչյուր համակարգ բաղկացած է մեկ կամ մի քանի նյութերից: Առանձին քիմիական նյութերը, որոնք կարող են մեկուսացվել համակարգից և ինքնուրույն գոյություն ունենալ դրանից դուրս՝ որպես առանձին փուլ, կոչվում են համակարգի բաղկացուցիչ նյութեր: Օրինակ՝ բաժակի մեջ ջուր կա, որի մեջ իջեցված է պլատինե ափսե։ Ապակու վերևում գազերի խառնուրդ է՝ թթվածին, ջրածին և ազոտ: Այս համակարգը եռաֆազ է, այն պարունակում է հինգ բաղադրիչ. 7 Համակարգի թերմոդինամիկական վիճակը անկախ փոփոխականների (համակարգի պարամետրերի) արժեքների մի շարք է, որոնք որոշում են դրա հատկությունները: Համակարգի ցանկացած հատկություն կարելի է անվանել թերմոդինամիկական վիճակի պարամետր, եթե այն դիտարկվում է որպես համակարգի վիճակը որոշող անկախ փոփոխականներից մեկը։ Թերմոդինամիկան նյութը դիտարկում է որպես շարունակական միջավայր և հետազոտության համար օգտագործում է այնպիսի թերմոդինամիկական պարամետրեր, որոնք մեծ թվով մասնիկների (մակրոպարամետրերի) գործողության արդյունք են։ Օրինակ, մակրո պարամետրերը քիմիական ռեակցիա, հոսում են նույնիսկ «նորմալ պայմաններում»՝ ջերմաստիճանը, ճնշումը, ծավալը, կոնցենտրացիան, գրավիտացիոն, մագնիսական, էլեկտրական և էլեկտրամագնիսական դաշտերի ինտենսիվությունը և այլն։ մոտ 101 կՊա, ձգողականության արագացումը՝ միջինը մոտ 9,8 մ/վ2, մագնիսական դաշտի ուժը՝ միջինը մոտ 40 Ա/մ, էլեկտրական դաշտի ուժը՝ միջինը մոտ 130 Վ/մ, տեսանելի լույսի լուսավորությունը՝ միջինը մոտ 500 լյուքս։ Համակարգի թերմոդինամիկական վիճակը բնութագրելու համար անհրաժեշտ է իմանալ ոչ բոլոր հատկությունները, այլ միայն դրանց ամենափոքր թիվը, այսպես կոչված, համակարգի անկախ պարամետրերը։ Որպես կանոն, Երկրի վրա տեղի ունեցող քիմիական գործընթացը նկարագրելիս մենք չենք նշում դաշտի բնութագրերը, քանի որ դրանք հաստատուն են և, հետևաբար, չեն ազդում ռեակցիայի արտադրանքի կազմի և եկամտաբերության վրա: Եթե քիմիական գործընթացն իրականացվում է ուժեղ մագնիսական կամ էլեկտրական դաշտերի կամ ինտենսիվ ուլտրամանուշակագույն ճառագայթման պայմաններում, ռենտգենյան ճառագայթներկամ նույնիսկ տեսանելի լույսը, ապա դաշտի պարամետրերը զգալի ազդեցություն կունենան ռեակցիայի արտադրանքի կազմի և եկամտաբերության վրա: Այս դեպքում դաշտի պարամետրերը պետք է նշվեն: Թերմոդինամիկական պարամետրերը բաժանվում են ընդարձակ և ինտենսիվ: Դիտարկվող աշխատանքային հեղուկի կամ թերմոդինամիկական համակարգի զանգվածին (կամ նյութի քանակին) համաչափ մեծությունները կոչվում են ընդարձակ, դրանք են՝ ծավալը, ներքին էներգիան, էնթալպիան և այլն։ Ինտենսիվ մեծությունները կախված չեն թերմոդինամիկական համակարգի զանգվածից։ Դրանք են, օրինակ, ջերմաստիճանը և ճնշումը։ Ճնշումը ֆիզիկական մեծություն է, որը հավասար է մարմնի մակերևույթի վրա հավասարաչափ բաշխված ուժի հարաբերակցությանը և ուժին ուղղահայաց տեղակայված մակերեսին. 1 Ն ուժ, հավասարաչափ բաշխված 1 մ2 մակերեսի վրա, որը գտնվում է ուժի ուղղությանը ուղղահայաց՝ 1 Ն/մ2 = 1 Պա։ Գործնականում օգտագործվում են ճնշման բազմակի և ենթաբազմաթիվ միավորներ՝ kilopascal 8 (103 Pa = 1 kPa); մեգապասկալ (106 Պա = 1 ՄՊա); հեկտապասկալ (102 Պա = 1 հՊա), ինչպես նաև արտահամակարգային միավոր՝ բար (1 բար = 105 Պա): Ըստ մոլեկուլային-կինետիկ տեսության եզրակացությունների՝ գազի ճնշումը անոթի պատի վրա պատահական շարունակաբար շարժվող մոլեկուլների ազդեցության արդյունք է։ Իդեալական գազի համար ստացվել են պարամետրերի և մոլեկուլների վարքագծի միջև ամենապարզ հարաբերությունները։ Իդեալական գազ է համարվում առաձգական մոլեկուլներից բաղկացած գազը, որոնց միջև չկան փոխազդեցության ուժեր, որոնք ունեն աննշան փոքր ծավալ՝ գազի զբաղեցրած ծավալի համեմատ։ Համեմատաբար ցածր ճնշման (մթնոլորտին մոտ) ցանկացած իրական գազ գործնականում իրեն պահում է իդեալականի պես (խիստ p → 0): Իդեալական գազի վիճակի հավասարումը` Մենդելեև-Կլապեյրոնի հավասարումը ունի ձև` pV = nRT, որտեղ p գազի ճնշումն է, Pa; V - ծավալ, մ3; n-ը գազի քանակն է, մոլ; R-ը գազի համընդհանուր հաստատունն է, որը հավասար է 8,314 Ջ/(մոլ Կ); T-ը բացարձակ ջերմաստիճանն է, K. Ջերմաստիճանը բնութագրում է համակարգի ջերմային վիճակը: Փորձնականորեն կարելի է հաստատել ավելի տաք և սառը մարմնի հասկացությունները, սակայն ջերմաստիճանը ուղղակիորեն հնարավոր չէ չափել: Այն որոշվում է այլ ֆիզիկական պարամետրերի թվային արժեքներից, որոնք կախված են ջերմաստիճանից, ինչը հիմք է հանդիսանում էմպիրիկ ջերմաստիճանի սանդղակների կառուցման համար: Նման պարամետրերը (ջերմաչափական պարամետրերը) կարող են բազմազան լինել ֆիզիկական մեծություններ . Դրանցից են մարմնի ծավալը մշտական ճնշման տակ, ճնշումը հաստատուն ծավալով, էլեկտրական հաղորդունակությունը, ջերմաէլեկտրաշարժիչ ուժը, մարմինների երկրաչափական պարամետրերը, փայլի պայծառությունը և այլն։ Ջերմաստիճանը չափող սարքը կոչվում է ջերմաչափ։ Ջերմաստիճանի ցանկացած էմպիրիկ սանդղակ կառուցելու համար օգտագործվում են երեք ենթադրություններ. 2) ջերմաստիճանի զրոյի դիրքը էմպիրիկ մասշտաբներում կամայական է. 3) ենթադրվում է, որ ջերմաչափական ֆունկցիան գծային է տվյալ ջերմաստիճանի տիրույթում: Որպես հղման կետեր օգտագործվում են մաքուր նյութերի փուլային անցումները։ Օրինակ՝ Ցելսիուսի էմպիրիկ սանդղակի համար որպես հղման կետեր վերցված են ջրի հալման և եռման կետերը մթնոլորտային ճնշման տակ (համապատասխանաբար 0 և 100 աստիճան)։ Այս ջերմաստիճանների միջև ընկած միջակայքը բաժանված է հարյուր հավասար մասերի (Ցելսիուսի աստիճան - °C): Թեև օբյեկտիվ ջերմաստիճանի սանդղակը կարող է կառուցվել՝ օգտագործելով ցանկացած տեսականորեն սահմանված ջերմաչափական ֆունկցիա, թերմոդինամիկան օգտագործում է վիճակի իդեալական գազի հավասարումը որպես այդպիսի ֆունկցիա: Գազի ջերմաչափը հնարավորություն է տալիս իրականացնել առավել ճշգրիտ (բացարձակ ջերմաստիճանի սանդղակին մոտ՝ Քելվինի սանդղակը) ջերմաստիճանի չափումներ։ Այնուամենայնիվ, գազի ջերմաչափի սանդղակի վրա ջերմաստիճանը որոշելը բավականին բարդ աշխատանք է, որն իրականացվում է միայն փուլային անցումների մի քանի հղման կետերի բացարձակ ջերմաստիճանները հաստատելու համար, որոնք ընդունված են որպես հղում: Միջանկյալ ջերմաստիճանները սովորաբար որոշվում են էմպիրիկ ջերմաչափական մեթոդներով: Միջազգային գործնական ջերմաստիճանի սանդղակը (IPTS), որն ընդունվել է 1954 թվականին, ներկա փուլում բացարձակ ջերմաստիճանի սանդղակի ամենաճշգրիտ մոտարկումն է։ Ի տարբերություն էմպիրիկ սանդղակների, MPSH-ն օգտագործում է մեկ փորձնական հղման ջերմաստիճանի կետ: Որպես այդպիսի կետ օգտագործվել է ջրի եռակի կետի ջերմաստիճանը (երբ սառույցը, ջուրը և ջրի գոլորշին միաժամանակ հավասարակշռության մեջ են)։ Ջրի եռակի կետի ջերմաստիճանը IPTS-ում վերցված է 273,16 Կ (ճիշտ): Մթնոլորտային ճնշման դեպքում սառույցը հալչում է 0,01° ցածր: Ցելսիուսի սանդղակի վրա հղման կետը՝ 0 °C, համապատասխանում է 273,15 Կ։ Բոլոր մյուս հղման կետերի համար ջերմաստիճանների թվային արժեքը (բացառությամբ ջրի եռակի կետի) շարունակաբար զտվում է գազի ջերմաչափի հետ աշխատելու ճշգրտության բարձրացման հետ։ 1968-ին տասներկու հենակետեր առաջարկվեցին որպես հղման ջերմաստիճանի կետեր, որոնք ընդգրկում էին ջրածնի եռակի կետից մինչև ոսկու հալման կետը: Ներկայումս Ցելսիուսի ջերմաստիճանը (t) արտահայտվում է որպես կապ բացարձակ ջերմաստիճանի (T) հետ, որն է՝ T = 273,15 + t։ Համակարգի հատկությունները, որոնք կարող են միանշանակ արտահայտվել որպես համակարգը կազմող նյութերի ջերմաստիճանի, ճնշման և կոնցենտրացիայի ֆունկցիաներ, կոչվում են թերմոդինամիկական ֆունկցիաներ։ Օրինակ՝ ջերմային հզորություն, ներքին էներգիա, էնտրոպիա և այլն։ Եթե թերմոդինամիկական ֆունկցիայի փոփոխությունը կախված է միայն համակարգի սկզբնական և վերջնական վիճակից և կախված չէ գործընթացի ուղուց, ապա այդպիսի ֆունկցիան կոչվում է վիճակ։ համակարգի գործառույթը: Թերմոդինամիկական պրոցեսը համակարգում ցանկացած փոփոխություն է, որը կապված է թերմոդինամիկական պարամետրերից առնվազն մեկի փոփոխության հետ: Շրջանաձև պրոցեսը կամ ցիկլը գործընթաց է, որի ընթացքում թերմոդինամիկական համակարգը, թողնելով որոշ նախնական վիճակ և ենթարկվելով մի շարք փոփոխությունների, վերադառնում է նույն վիճակին. Այս գործընթացում ցանկացած վիճակի պարամետրի փոփոխությունը հավասար է զրոյի: տասը
Հոդվածի բովանդակությունը
ՔԻՄԻԱ ՖԻԶԻԿԱԿԱՆ,Քիմիայի մի ճյուղ, որն ուսումնասիրում է նյութերի քիմիական հատկությունները՝ հիմնվելով դրանց բաղկացուցիչ ատոմների և մոլեկուլների ֆիզիկական հատկությունների վրա։ Ժամանակակից ֆիզիկական քիմիան լայն միջառարկայական ոլորտ է, որը սահմանակից է ֆիզիկայի, կենսաֆիզիկայի և մոլեկուլային կենսաբանության տարբեր ճյուղերին: Այն ունի բազմաթիվ շփման կետեր քիմիական գիտության այնպիսի ճյուղերի հետ, ինչպիսիք են օրգանական և անօրգանական քիմիան։
Քիմիական մոտեցման (ի տարբերություն ֆիզիկական և կենսաբանական) տարբերակիչ առանձնահատկությունն այն է, որ մակրոսկոպիկ երևույթների նկարագրության հետ մեկտեղ, դրանց բնույթը բացատրվում է առանձին մոլեկուլների հատկությունների և նրանց միջև փոխազդեցությունների հիման վրա:
Ֆիզիկական քիմիայի ոլորտում նոր գործիքային և մեթոդական զարգացումները կիրառվում են քիմիայի և հարակից գիտությունների այլ ճյուղերում, ինչպիսիք են դեղաբանությունը և բժշկությունը: Օրինակները ներառում են էլեկտրաքիմիական մեթոդները, ինֆրակարմիր (IR) և ուլտրամանուշակագույն (ուլտրամանուշակագույն) սպեկտրոսկոպիան, լազերային և մագնիսական ռեզոնանսային տեխնիկան, որոնք լայնորեն կիրառվում են թերապիայի և տարբեր հիվանդությունների ախտորոշման համար:
Ֆիզիկական քիմիայի հիմնական բաժինները ավանդաբար համարվում են. 1) քիմիական թերմոդինամիկա. 2) կինետիկ տեսություն և վիճակագրական թերմոդինամիկա. 3) մոլեկուլների կառուցվածքի և սպեկտրոսկոպիայի հարցեր. 4) քիմիական կինետիկա.
Քիմիական թերմոդինամիկա.
Քիմիական թերմոդինամիկան ուղղակիորեն կապված է թերմոդինամիկայի՝ ջերմության և դրա փոխակերպումների գիտության կիրառման հետ քիմիական հավասարակշռության խնդրին։ Խնդրի էությունը ձևակերպված է հետևյալ կերպ. եթե կա ռեագենտների խառնուրդ (համակարգ) և հայտնի են այն ֆիզիկական պայմանները, որոնցում այն գտնվում է (ջերմաստիճան, ճնշում, ծավալ), ապա ի՞նչ ինքնաբուխ քիմիական և ֆիզիկական գործընթացներ կարող են բերել այս համակարգը։ հավասարակշռության? Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը ասում է, որ ջերմությունը էներգիայի ձև է, և որ համակարգի ընդհանուր էներգիան (իր միջավայրի հետ միասին) մնում է անփոփոխ։ Այսպիսով, այս օրենքը էներգիայի պահպանման օրենքի ձևերից մեկն է։ Համաձայն երկրորդ օրենքի, ինքնաբուխ տեղի ունեցող գործընթացը հանգեցնում է համակարգի և դրա շրջակա միջավայրի ընդհանուր էնտրոպիայի ավելացմանը: Էնտրոպիան էներգիայի քանակի չափումն է, որը համակարգը չի կարող օգտագործել օգտակար աշխատանք կատարելու համար: Երկրորդ օրենքը ցույց է տալիս այն ուղղությունը, որով ռեակցիան կգնա առանց որևէ արտաքին ազդեցության: Ռեակցիայի բնույթը (օրինակ՝ ուղղությունը) փոխելու համար հարկավոր է էներգիա ծախսել այս կամ այն ձևով։ Այսպիսով, այն խիստ սահմանափակումներ է դնում աշխատանքի քանակի վրա, որը կարող է կատարվել շրջելի գործընթացում արձակված ջերմության կամ քիմիական էներգիայի փոխակերպման արդյունքում:
Քիմիական թերմոդինամիկայի ոլորտում կարևոր ձեռքբերումների համար մենք պարտական ենք Ջ. Գիբսին, ով դրեց այս գիտության տեսական հիմքը, ինչը հնարավորություն տվեց նախորդ սերնդի բազմաթիվ հետազոտողների ստացած արդյունքները միավորել մեկ ամբողջության մեջ: Գիբսի մշակած մոտեցումը որևէ ենթադրություն չի անում նյութի մանրադիտակային կառուցվածքի վերաբերյալ, այլ դիտարկում է համակարգերի հավասարակշռության հատկությունները մակրո մակարդակում։ Ահա թե ինչու կարելի է մտածել, որ թերմոդինամիկայի առաջին և երկրորդ օրենքները համընդհանուր են և ուժի մեջ կմնան նույնիսկ այն ժամանակ, երբ մենք շատ ավելին իմանանք մոլեկուլների և ատոմների հատկությունների մասին:
Կինետիկ տեսություն և վիճակագրական թերմոդինամիկա:
Վիճակագրական թերմոդինամիկան (ինչպես նաև քվանտային մեխանիկան) թույլ է տալիս կանխատեսել հավասարակշռության դիրքը գազային փուլում որոշ ռեակցիաների համար: Քվանտային մեխանիկական մոտեցման օգնությամբ կարելի է նկարագրել հեղուկ և պինդ վիճակում գտնվող մի շարք նյութերի բարդ մոլեկուլների վարքը։ Այնուամենայնիվ, կան ռեակցիաներ, որոնց արագությունները չեն կարող հաշվարկվել ոչ կինետիկ տեսության շրջանակներում, ոչ էլ վիճակագրական թերմոդինամիկայի օգնությամբ։
Իսկական հեղափոխություն դասական վիճակագրական թերմոդինամիկայի մեջ տեղի ունեցավ 1970-ականներին։ Նոր հասկացությունները, ինչպիսիք են համընդհանուրությունը (հասկացությունը, որ միացությունների որոշ լայն դասերի անդամներն ունեն նույն հատկությունները) և նմանության սկզբունքը (հայտնի չափանիշների հիման վրա անհայտ մեծությունների գնահատում), հանգեցրել են ավելի լավ հասկանալու հեղուկների վարքագիծը կրիտիկականի մոտ: կետը, երբ տարբերությունը հեղուկի և գազի միջև: Համակարգչի միջոցով մոդելավորվել են կրիտիկական վիճակում գտնվող պարզ (հեղուկ արգոն) և բարդ (ջուր և սպիրտ) հեղուկների հատկությունները։ Բոլորովին վերջերս, հեղուկ հելիումի (որի վարքագիծը հիանալի նկարագրված է քվանտային մեխանիկայի շրջանակներում) և մոլեկուլային հեղուկներում ազատ էլեկտրոնների հատկությունները համակողմանիորեն ուսումնասիրվել են համակարգչային սիմուլյացիաների միջոցով (ԳԵՐհաղորդունակություն): Սա թույլ տվեց ավելի լավ հասկանալ սովորական հեղուկների հատկությունները: Համակարգչային մեթոդները՝ զուգորդված վերջին տեսական զարգացումներով, ինտենսիվորեն օգտագործվում են լուծույթների, պոլիմերների, միցելների (հատուկ կոլոիդային մասնիկներ), սպիտակուցների և իոնային լուծույթների վարքագիծը ուսումնասիրելու համար։ Ֆիզիկական քիմիայի խնդիրները լուծելու համար, մասնավորապես, կրիտիկական վիճակում գտնվող համակարգերի որոշ հատկություններ նկարագրելու և բարձր էներգիայի ֆիզիկայի հարցերն ուսումնասիրելու համար ավելի ու ավելի է օգտագործվում վերանորմալացման խմբի մաթեմատիկական մեթոդը։
Մոլեկուլների կառուցվածքը և սպեկտրոսկոպիան:
19-րդ դարի օրգանական քիմիկոսներ. մշակել է շատ քիմիական տարրերի վալենտությունը (համակցելու ունակությունը) որոշելու պարզ կանոններ։ Օրինակ՝ նրանք պարզել են, որ ածխածնի վալենտությունը 4 է (ածխածնի մեկ ատոմը կարող է կցել ջրածնի չորս ատոմ՝ ձևավորելով մեթանի մոլեկուլ CH 4), թթվածին՝ 2, ջրածինը՝ 1։ Փորձարարական տվյալների վրա հիմնված էմպիրիկ գաղափարների հիման վրա արվել են ենթադրություններ։ մոլեկուլներում տարածական դասավորվածության ատոմների մասին (օրինակ՝ մեթանի մոլեկուլն ունի քառանիստ կառուցվածք, մինչդեռ ածխածնի ատոմը կենտրոնում է եռանկյուն բուրգև ջրածինը նրա չորս գագաթներում): Այնուամենայնիվ, այս մոտեցումը թույլ չտվեց բացահայտել քիմիական կապերի ձևավորման մեխանիզմը և, հետևաբար, գնահատել մոլեկուլների չափերը, որոշել ատոմների միջև ճշգրիտ հեռավորությունը:
Օգտագործելով 20-րդ դարում մշակված սպեկտրոսկոպիկ մեթոդները, որոշվեց ջրի մոլեկուլների (H 2 O), էթանի (C 2 H 6), ապա շատ ավելի բարդ մոլեկուլների, օրինակ՝ սպիտակուցների կառուցվածքը։ Միկրոալիքային սպեկտրոսկոպիայի (EPR, NMR) և էլեկտրոնային դիֆրակցիայի մեթոդները հնարավորություն են տվել որոշել կապի երկարությունը, նրանց միջև եղած անկյունները (վալենտային անկյուններ) և ատոմների փոխադարձ դասավորությունը պարզ մոլեկուլներում, և ռենտգենյան դիֆրակցիոն վերլուծություննման պարամետրեր են ավելի մեծ մոլեկուլների համար, որոնք կազմում են մոլեկուլային բյուրեղներ: Մոլեկուլային կառուցվածքների կատալոգների կազմումը և վալենտության պարզ հասկացությունների կիրառումը դրեցին կառուցվածքային քիմիայի հիմքերը (Լ. Պոլինգը նրա առաջամարտիկն էր) և հնարավոր դարձրեց օգտագործել մոլեկուլային մոդելներ՝ բացատրելու բարդ երևույթները մոլեկուլային մակարդակում։ Եթե մոլեկուլները չունեին որոշակի կառուցվածք, կամ եթե քրոմոսոմներում C–C և C–H կապերի պարամետրերը խիստ տարբեր էին մեթանի կամ էթանի մոլեկուլների պարամետրերից, ապա պարզ երկրաչափական մոդելների օգնությամբ Ջ. Ուոթսոնը և Ֆ. Քրիքը չէին կարողանա 1950-ականների սկզբին կառուցել դեզօքսիռիբոնուկլեինաթթվի (ԴՆԹ) իր հայտնի կրկնակի պարուրաձև մոդելը: Ուսումնասիրելով ատոմների թրթռումները մոլեկուլներում, օգտագործելով IR և UV սպեկտրոսկոպիա, հնարավոր եղավ հաստատել մոլեկուլների բաղադրության մեջ ատոմները պահող ուժերի բնույթը, ինչը, իր հերթին, հանգեցրեց ներմոլեկուլային շարժման առկայության գաղափարին: և հնարավորություն տվեց ուսումնասիրել մոլեկուլների թերմոդինամիկական հատկությունները ( տես վերեւում) Սա քիմիական ռեակցիաների արագության որոշման առաջին քայլն էր: Ավելին, ուլտրամանուշակագույն շրջանում սպեկտրոսկոպիկ ուսումնասիրություններն օգնեցին էլեկտրոնային մակարդակում քիմիական կապի ձևավորման մեխանիզմ ստեղծել, ինչը հնարավորություն տվեց նկարագրել քիմիական ռեակցիաները՝ հիմնվելով ռեակտիվների հուզված վիճակի (հաճախ գործողության տակ) անցման գաղափարի վրա: տեսանելի կամ ուլտրամանուշակագույն լույս): Նույնիսկ մի ամբողջ գիտական ոլորտ կար՝ ֆոտոքիմիա։ Միջուկային մագնիսական ռեզոնանսային (NMR) սպեկտրոսկոպիան քիմիկոսներին հնարավորություն է տվել ուսումնասիրել բարդ քիմիական գործընթացների առանձին փուլերը և հայտնաբերել ակտիվ կենտրոնները ֆերմենտների մոլեկուլներում: Այս մեթոդը նաև հնարավորություն տվեց ստանալ անձեռնմխելի բջիջների և առանձին օրգանների եռաչափ պատկերներ։ ՖՈՏՈՔԻՄԻԱ.
Վալենտության տեսություն.
Օգտագործելով օրգանական քիմիկոսների կողմից մշակված վալենտության էմպիրիկ կանոնները, պարբերական համակարգտարրերը և Ռադերֆորդի ատոմի մոլորակային մոդելը, Գ. Լյուիսը գտավ, որ քիմիական կապը հասկանալու բանալին նյութի էլեկտրոնային կառուցվածքն է: Լյուիսը եկել է այն եզրակացության, որ կովալենտային կապը ձևավորվում է տարբեր ատոմներին պատկանող էլեկտրոնների սոցիալականացման արդյունքում; Դրանով նա բխում էր այն մտքից, որ կապող էլեկտրոնները գտնվում են խիստ սահմանված էլեկտրոնային թաղանթների վրա: Քվանտային տեսությունթույլ է տալիս կանխատեսել մոլեկուլների կառուցվածքը և ստացվածի բնույթը կովալենտային կապերամենաընդհանուր դեպքում.
Նյութի կառուցվածքի մասին մեր պատկերացումները, որոնք ձևավորվել են 20-րդ դարի առաջին քառորդում քվանտային ֆիզիկայի հաջողությունների շնորհիվ, կարելի է ամփոփել հետևյալ կերպ. Ատոմի կառուցվածքը որոշվում է վանման (էլեկտրոնների միջև) և ձգողականության (էլեկտրոնների և դրական լիցքավորված միջուկի միջև) էլեկտրական ուժերի հավասարակշռությամբ։ Ատոմի գրեթե ողջ զանգվածը կենտրոնացած է միջուկում, և դրա չափը որոշվում է միջուկների շուրջ պտտվող էլեկտրոնների զբաղեցրած տարածության քանակով։ Մոլեկուլները բաղկացած են համեմատաբար կայուն միջուկներից, որոնք միմյանց հետ պահում են արագ շարժվող էլեկտրոնները, այնպես որ նյութերի բոլոր քիմիական հատկությունները կարելի է բացատրել ատոմները և մոլեկուլները կազմող տարրական մասնիկների էլեկտրական փոխազդեցության տեսանկյունից: Այսպիսով, քվանտային մեխանիկայի հիմնական դրույթները, որոնք վերաբերում են մոլեկուլների կառուցվածքին և քիմիական կապերի ձևավորմանը, հիմք են ստեղծում նյութի էլեկտրոնային կառուցվածքի, քիմիական կապերի բնույթի և էմպիրիկ նկարագրության համար։ ռեակտիվությունատոմներ և մոլեկուլներ.
Բարձր արագությամբ համակարգիչների հայտնվելով հնարավոր եղավ հաշվարկել (ցածր, բայց բավարար ճշգրտությամբ) փոքր բազմատոմային մոլեկուլներում ատոմների միջև գործող ուժերը։ Վալենտության տեսությունը, որը հիմնված է համակարգչային սիմուլյացիայի վրա, ներկայումս աշխատանքային գործիք է քիմիական ուժերի կառուցվածքը, բնույթը և ռեակցիաները ուսումնասիրելու համար այն դեպքերում, երբ փորձերը դժվար են կամ ժամանակատար: Խոսքը վերաբերում է մթնոլորտում և կրակի մեջ առկա կամ որպես ռեակցիայի միջանկյալ ձևավորված ազատ ռադիկալների ուսումնասիրությանը: Հույս կա, որ մի օր համակարգչային հաշվարկների վրա հիմնված տեսությունը կկարողանա պատասխանել այն հարցին, թե ինչպես են քիմիական կառուցվածքները «հաշվում» իրենց ամենակայուն վիճակը պիկովայրկյանների կարգի ժամանակ՝ ստանալով համապատասխան գնահատականները, գոնե որոշակի մոտավորությամբ։ , պահանջում է մեքենայի հսկայական ժամանակ:
Քիմիական կինետիկա
զբաղվում է քիմիական ռեակցիաների մեխանիզմի ուսումնասիրությամբ և դրանց արագության որոշմամբ։ Մակրոսկոպիկ մակարդակում ռեակցիան կարող է ներկայացվել որպես հաջորդական փոխակերպումներ, որոնց ընթացքում մեկ նյութից ձևավորվում են մյուսները։ Օրինակ՝ պարզ թվացող փոխակերպումը
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O
իրականում բաղկացած է մի քանի հաջորդական փուլերից.
H + O 2 → OH + O
O + H 2 → HO + H
H + O 2 → HO 2
HO 2 + H 2 → H 2 O + OH
և նրանցից յուրաքանչյուրը բնութագրվում է իր արագության հաստատունով կ. S. Arrhenius առաջարկել է, որ բացարձակ ջերմաստիճանը Տև ռեակցիայի արագությունը հաստատուն կհարաբերակցությամբ կապված կ = Ա exp(- ԵԳործողություն)/ RT, որտեղ ԲԱՅՑ- նախնական էքսպոնենցիալ գործոն (այսպես կոչված հաճախականության գործակից), Եակտ - ակտիվացման էներգիա, Ռգազի հաստատունն է։ Չափման համար կև Տգործիքներ են անհրաժեշտ՝ հետևելու իրադարձություններին, որոնք տեղի են ունենում մի կողմից՝ մոտ 10–13 վայրկյան, մյուս կողմից՝ տասնամյակների (և նույնիսկ հազարամյակների) ընթացքում (երկրաբանական գործընթացներ). անհրաժեշտ է նաև չափել ծայրահեղ անկայուն ռեակտիվների չնչին կոնցենտրացիաներ: Քիմիական կինետիկայի խնդիրը ներառում է նաև բարդ համակարգերում տեղի ունեցող քիմիական գործընթացների կանխատեսումը (խոսքը կենսաբանական, երկրաբանական, մթնոլորտային գործընթացների, այրման և քիմիական սինթեզի մասին է)։
Գազաֆազային ռեակցիաները «մաքուր տեսքով» ուսումնասիրելու համար օգտագործվում է մոլեկուլային ճառագայթների մեթոդը. այս դեպքում խստորեն սահմանված քվանտային վիճակներով մոլեկուլները արձագանքում են արտադրանքների ձևավորմանը, որոնք նույնպես գտնվում են որոշակի քվանտային վիճակներում: Նման փորձերը տեղեկատվություն են տալիս այն ուժերի մասին, որոնք առաջացնում են որոշակի ռեակցիաներ: Օրինակ, մոլեկուլային ճառագայթների կարգավորմամբ, նույնիսկ այնպիսի փոքր մոլեկուլները, ինչպիսին CH 3 I-ն է, կարող են կողմնորոշվել որոշակի ձևով, և բախման արագությունը երկու «տարբեր» ռեակցիաներում կարող է չափվել.
K + ICH 3 → KI + CH 3
K + CH 3 I → KI + CH 3
որտեղ CH 3 խումբը տարբեր կերպ է կողմնորոշվում մոտեցող կալիումի ատոմի նկատմամբ:
Հարցերից մեկը, որով զբաղվում է ֆիզիկական քիմիան (ինչպես նաև քիմիական ֆիզիկան), ռեակցիայի արագության հաստատունների հաշվարկն է։ Այստեղ լայնորեն կիրառվում է 1930-ականներին մշակված անցումային վիճակի տեսությունը, որն օգտագործում է թերմոդինամիկական և կառուցվածքային պարամետրեր։ Այս տեսությունը, համակցված դասական ֆիզիկայի և քվանտային մեխանիկայի մեթոդների հետ, հնարավորություն է տալիս նմանակել ռեակցիայի ընթացքը, կարծես այն տեղի է ունենում մոլեկուլային ճառագայթների հետ փորձի պայմաններում։ Փորձարկումներ են կատարվում որոշակի քիմիական կապերի լազերային գրգռման վրա, որոնք հնարավորություն են տալիս ստուգել մոլեկուլների ոչնչացման վիճակագրական տեսությունների ճիշտությունը։ Մշակվում են տեսություններ, որոնք ընդհանրացնում են քաոսային գործընթացների (օրինակ՝ տուրբուլենտության) ժամանակակից ֆիզիկամաթեմատիկական հասկացությունները։ Մենք այնքան էլ հեռու չենք ինչպես ներմոլեկուլային, այնպես էլ միջմոլեկուլային փոխազդեցությունների բնույթը լիովին հասկանալուց, ցանկալի հատկություններով մակերևույթների վրա տեղի ունեցող ռեակցիաների մեխանիզմը բացահայտելուց և ֆերմենտների և անցումային մետաղների համալիրների կատալիտիկ կենտրոնների կառուցվածքը հաստատելուց: Մանրադիտակային մակարդակում կարելի է նշել այնպիսի բարդ կառուցվածքների ձևավորման կինետիկայի աշխատանքները, ինչպիսիք են ձյան փաթիլները կամ դենդրիտները (ծառի կառուցվածքով բյուրեղներ), որոնք խթանեցին ոչ գծային դինամիկայի տեսության պարզ մոդելների հիման վրա համակարգչային սիմուլյացիաների մշակումը. սա հեռանկարներ է բացում բարդ համակարգերի կառուցվածքն ու զարգացումը նկարագրելու նոր մոտեցումներ ստեղծելու համար:
1. Ֆիզիկական քիմիա՝ նպատակ, առաջադրանքներ, հետազոտության մեթոդներ. Ֆիզիկական քիմիայի հիմնական հասկացությունները.
Ֆիզ. քիմիա - քիմիական գործընթացների և քիմիական գործընթացների օրենքների գիտություն. երեւույթներ.
Ֆիզիկական քիմիայի առարկա բացատրություն քիմ. ֆիզիկայի ավելի ընդհանուր օրենքների վրա հիմնված երևույթներ։ Ֆիզիկական քիմիան դիտարկում է հարցերի երկու հիմնական խումբ.
1. Նյութի և դրա բաղկացուցիչ մասնիկների կառուցվածքի և հատկությունների ուսումնասիրություն.
2. Նյութերի փոխազդեցության գործընթացների ուսումնասիրությունը.
Ֆիզիկական քիմիան նպատակ ունի ուսումնասիրել փոխհարաբերությունները մ/տ քիմիական և ֆիզիկական երևույթների միջև: Նման հարաբերությունների իմացությունն անհրաժեշտ է բնության մեջ տեղի ունեցող և տեխնոլոգիայի մեջ օգտագործվող քիմիական ռեակցիաները ավելի խորը ուսումնասիրելու համար։ գործընթացները, վերահսկել ռեակցիայի խորությունն ու ուղղությունը։ Ֆիզիկական քիմիա առարկայի հիմնական նպատակը քիմիական նյութերի ընդհանուր հարաբերությունների և օրինաչափությունների ուսումնասիրությունն է: ֆիզիկայի հիմնարար սկզբունքների վրա հիմնված գործընթացներ։ Ֆիզիկական քիմիան կիրառվում է ֆիզիկական. Քիմիական երևույթների տեսություններ և մեթոդներ:
Այն բացատրում է, թե ԻՆՉՈՒ և ԻՆՉՊԵՍ տեղի են ունենում նյութերի փոխակերպումները. քիմ. ռեակցիաներ և փուլային անցումներ: ԻՆՉՈՒ - քիմիական թերմոդինամիկա: AS - քիմիական կինետիկա:
Ֆիզիկական քիմիայի հիմնական հասկացությունները
Հիմնական առարկան քիմ. թերմոդինամիկան թերմոդինամիկական համակարգ է։ Թերմոդինամիկ համակարգ - ցանկացած մարմին կամ մարմինների ամբողջություն, որն ունակ է էներգիա և նյութ փոխանակել իր և այլ մարմինների հետ: Համակարգերը բաժանվում են բաց, փակ և մեկուսացված: բացել եւ ես - թերմոդինամիկական համակարգը փոխանակվում է արտաքին միջավայրի հետ և՛ ներգործության, և՛ էներգիայի հետ: Փակված է եւ ես - համակարգ, որտեղ նյութի փոխանակում չկա շրջակա միջավայրի հետ, բայց այն կարող է էներգիա փոխանակել դրա հետ: մեկուսացված եւ ես -համակարգի ծավալը մնում է անփոփոխ և զրկված է շրջակա միջավայրի, էներգիայի և ներգործության հետ փոխանակվելու հնարավորությունից:
Համակարգը կարող է լինել միատարր (միատարր) կամ տարասեռ (տարասեռ ). Փուլ - սա համակարգի մի մասն է, որը արտաքին ուժային դաշտի բացակայության դեպքում իր բոլոր կետերում ունի նույն կազմը և նույն թերմոդինամիկականը: Սուրբ դուք և բաժանված է համակարգի այլ մասերից ինտերֆեյսի միջոցով: Փուլը միշտ միատարր է, այսինքն. միատարր, ուստի միաֆազ համակարգը կոչվում է միատարր: Մի քանի փուլերից բաղկացած համակարգը կոչվում է տարասեռ:
Համակարգի հատկությունները բաժանվում են երկու խմբի. ընդարձակ և ինտենսիվ:
Թերմոդինամիկայի մեջ հավասարակշռություն հասկացությունները և շրջելի գործընթացներ. հավասարակշռություն գործընթաց է, որն անցնում է հավասարակշռության վիճակների շարունակական շարքով: Շրջելի թերմոդինամիկ գործընթաց գործընթաց է, որը կարող է իրականացվել հակառակ ուղղությամբ՝ համակարգում և միջավայրում որևէ փոփոխություն չթողնելով:
2. Ջերմոդինամիկայի I-րդ օրենքը. Ներքին էներգիա, ջերմություն, աշխատանք։
Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքըուղղակիորեն կապված է էներգիայի պահպանման օրենքի հետ: Ելնելով այս օրենքից՝ հետևում է, որ ցանկացած մեկուսացված համակարգում էներգիայի մատակարարումը մնում է մշտական։ Ջերմոդինամիկայի առաջին օրենքի մեկ այլ ձևակերպում բխում է էներգիայի պահպանման օրենքից՝ առաջին տեսակի հավերժ շարժման մեքենայի (perpetuum mobile) ստեղծման անհնարինությունը, որը կարտադրեր աշխատանք՝ առանց դրա վրա էներգիա ծախսելու։ Ձևակերպումը, որը հատկապես կարևոր է քիմիական թերմոդինամիկայի համար,
Առաջին սկզբունքը դրա արտահայտումն է ներքին էներգիա հասկացության միջոցով. ներքին էներգիան պետական ֆունկցիա է, այսինքն. դրա փոփոխությունը կախված չէ գործընթացի ուղուց, այլ կախված է միայն համակարգի սկզբնական և վերջնական վիճակից։ Համակարգի ներքին էներգիայի փոփոխություն Uկարող է առաջանալ ջերմափոխանակության միջոցով Քև աշխատել Վշրջակա միջավայրի հետ։ Այնուհետև էներգիայի պահպանման օրենքից բխում է, որ համակարգի կողմից դրսից ստացվող Q ջերմությունը ծախսվում է ΔU ներքին էներգիայի և համակարգի կողմից կատարված W աշխատանքի ավելացման վրա, այսինքն. Q=Δ U+W. Տրված է ժամըհավասարեցում է
թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի մաթեմատիկական արտահայտությունը.
Իթերմոդինամիկայի սկիզբըդրա ձևակերպումը.
ցանկացած մեկուսացված համակարգում էներգիայի մատակարարումը մնում է անփոփոխ.
էներգիայի տարբեր ձևերը միմյանց մեջ անցնում են խիստ համարժեք քանակությամբ.
հավերժ շարժման մեքենա (perpetuum բջջային) առաջին տեսակի անհնար է.
ներքին էներգիան պետական ֆունկցիա է, այսինքն. դրա փոփոխությունը կախված չէ գործընթացի ուղուց, այլ կախված է միայն համակարգի սկզբնական և վերջնական վիճակից.
վերլուծական արտահայտություն. Ք = Դ U + Վ ; քանակների անվերջ փոքր փոփոխության համար դ Ք = dU + դ Վ .
Թերմոդինամիկայի 1-ին օրենքը սահմանում է հարաբերակցությունը. m / y ջերմություն Q, աշխատանքը A և փոփոխություն ինտ. համակարգի էներգիա ΔU. Փոխել ինտ. Համակարգի էներգիան հավասար է համակարգին հաղորդվող ջերմության քանակին` հանած համակարգի կողմից արտաքին ուժերի դեմ կատարված աշխատանքի քանակը:
Հավասարում (I.1) - թերմոդինամիկայի 1-ին օրենքի մաթեմատիկական նշում, հավասարում (I.2) - համեմատության անվերջ փոքր փոփոխության համար. համակարգեր։
Միջ. էներգետիկ վիճակի գործառույթ; սա նշանակում է, որ փոփոխությունը-e ext. էներգիան ΔU-ն կախված չէ համակարգի անցման ուղուց 1 վիճակից 2 վիճակ և հավասար է ext-ի արժեքների տարբերությանը։ U2 և U1 էներգիաները հետևյալ վիճակներում՝ (I.3)
Միջ. Համակարգի էներգիան փոխազդեցության պոտենցիալ էներգիայի գումարն է։ մարմնի բոլոր մասնիկները m / y և դրանց շարժման կինետիկ էներգիան (առանց հաշվի առնելու համակարգի կինետիկ և պոտենցիալ էներգիաները որպես ամբողջություն): Միջ. համակարգի էներգիան կախված է կղզու բնույթից, զանգվածից և համակարգի վիճակի պարամետրերից։ Նա տարիքի է: համակարգի զանգվածի աճով, քանի որ դա համակարգի ընդարձակ սեփականությունն է։ Միջ. էներգիան նշվում է U տառով և արտահայտվում է ջոուլներով (J): Ընդհանուր դեպքում՝ 1 մոլ քանակով համակարգի համար։ Միջ. էներգիա, ինչպես ցանկացած թերմոդինամիկ: համակարգում yavl-Xia ֆունկցիայի սբ. Անմիջապես փորձի մեջ, միայն ներքին փոփոխությունները էներգիա. Դրա համար էլ հաշվարկներում միշտ գործում են դրա փոփոխությամբ U2 –U1 = U։
Բոլոր փոփոխությունները ներքին էներգիաները բաժանվում են երկու խմբի. 1-ին խումբը ներառում է երկու հարակից մարմինների մոլեկուլների քաոսային բախումներով շարժման անցման միայն 1-ին ձևը, այսինքն. հաղորդման միջոցով (և միևնույն ժամանակ ճառագայթման միջոցով): Այս կերպ փոխանցվող շարժման չափը ջերմությունն է։ հայեցակարգ ջերմությունկապված հսկայական քանակությամբ մասնիկների՝ ատոմների, մոլեկուլների, իոնների վարքի հետ: Նրանք մշտական քաոսային (ջերմային) շարժման մեջ են։ Ջերմությունը էներգիայի փոխանցման ձև է: Էներգիայի փոխանակման երկրորդ եղանակն է Աշխատանք.Էներգիայի այս փոխանակումը պայմանավորված է համակարգի կատարած գործողությամբ կամ դրա վրա կատարված գործողությամբ: Սովորաբար աշխատանքը նշվում է խորհրդանիշով Վ. Աշխատանքը, ինչպես ջերմությունը, համակարգի վիճակի ֆունկցիա չէ, ուստի անվերջ փոքր աշխատանքին համապատասխանող արժեքը նշվում է մասնակի ածանցյալ նշանով. Վ.
