Лекція 1 Фізична хемія як наука і предмет. Хемічна термодинаміка

Зв’язок та обумовленість фізичних та хемічних процесів. Фізична хемія як наука. Мета і завдання, які вирішує фізична хемія. Особливости фізичної хемії. Наукові і технічні проблеми, які розв’язує фізична хемія. Предмет фізичної хемії. Основні розділи предмету фізичної хемії. Теоретичні методи досліджень фізичної хемії.

Хемічна термодинаміка. Науковий фундамент термодинаміки. Термодинаміка як наука і метод. Класична термодинаміка. Феноменологічний метод. Загальна (фізична), технічна і хемічна термодинаміка. Завдання хемічної термодинаміки. Статистична термодинаміка.

1.1. Зв’язок та обумовленість фізичних та хемічних процесів

Світ уявляє собою сукупність енергії, матерії та інформації, які існують у безконечній багатообразности форм, неперервно перетворюючих одна в одну. Ці постійні зміни і рух – невід’ємні властивости Всесвіту і, отже, матерії. Енергія є характеристикою цього руху як з кількісної, так із якісної сторони, тобто його мірою (енергія – міра руху матерії, а маса – міра її інертности). Енергія і маса системи при всіх її перетвореннях не змінюються, інформація неперервно накопичується.

1. Хемічні процеси супроводжуються та ініціюються фізичними. З іншого боку, фізичні властивости тіл суттєво залежать від їх хемічного складу.

Механізм хемічних процесів може бути зрозумілий лише на основі фізичних теорій. Фізичні та хемічні явища взаємообумовлені. Ці явища не випадкові: вони підлягають певним закономірностям, які зв’язані з різними формами руху матерії. Хемічні реакції можуть бути джерелом тепла, світла, електричної енергії, а також приводити до вибуху. Течія і кінцевий результат хемічної реакції суттєво залежать від підведення чи відведення теплової, електричної, механічної, електромаґнітної форм енергії.

2. Багато фізичних явищ не зумовлені хемічними процесами. Наприклад, при охолодженні тіл хемічні реакції можуть і не відбуватися. Але є багато фізичних явищ, які зумовлені хемічними процесами, наприклад:

а) у ґальванічному елементі електричний струм створюється за рахунок енергії хемічних реакцій;

б) під час горіння органічного палива виділяється енергія у формі тепла;

в) у двигунах внутрішнього згоряння за рахунок енергії горіння палива виконується механічна робота.

3. Вивчення фотохемічних реакцій дозволяє глибоко зрозуміти суть складних процесів фотосинтезу.

4. Теоретичні основи фізичної хемії лежать в основі фізіології рослин, мікробіології, біохемії, агрохемії, захисту рослин, ґрунтознавства, тощо.

5. Знання фізичної хемії потрібні лікарю, який постійно стикається з фізико-хемічними процесами, що протікають в організмі як здорової, так і хворої людини.

1.2. ФІЗИЧНА ХЕМІЯ – наука, яка пояснює хемічні явища на основі фізичних принципів та законів і займається дослідженням хемічних реакцій та хемічних процесів, що супроводжують їх.

1. Таким чином, фізична хемія вивчає невід’ємний зв’язок між фізичними і хемічними формами руху матерії, охоплює всі питання теорії хемічних перетворень і розглядає вплив фізичних параметрів на хемічні процеси та хемічного складу на фізичні властивости, розкриває яким чином хемічні реакції пов’язані з різними фізичними процесами – поглинанням і виділенням тепла, теплопередачею, поглинанням та випромінюванням електромаґнітної енергії, електричними явищами, тощо.

2. Як вказує сама назва «фізична хемія», ця наука охоплює питання і проблеми, що знаходяться на межі між хемією та фізикою. Тому, явної межі між фізикою і хемією, між фізичною хемією та іншими хемічними науками встановити не можна. Взаємопроникливість наявна.

1.3. ЗАВДАННЯ, ЩО ВИРІШУЄ ФІЗИЧНА ХЕМІЯ, є передбачення ходу хемічного процесу, його кінцевого результату та складу кінцевих продуктів; розкриття можливости керування хемічними процесами, тобто забезпечення найбільш швидкого та повного оптимального проведення хемічних процесів, а також кількісний опис хемічних явищ і процесів.

Нехай, наприклад, відбувається реакція

ab + cd ↔ ac + bd (1.1)

Цей процес можна вивчити так:

1. проаналізувати склад речовин, що вступили в реакцію та які утворилися в її наслідок (хемічний метод дослідження);

2. вивчити теплові ефекти реакції (фізичний метод дослідження).

Нехай, наприклад, два ґази, які реагують між собою, перебувають у замкнутому об’ємі. В міру перебігу хемічної реакції змінюється тиск суміші ґазів. Вимірюючи цей тиск, можна зробити висновки про перебіг реакції (фізичний метод дослідження).

1.4. МЕТОЮ ВИВЧЕННЯ ФІЗИЧНОЇ ХЕМІЇ є пізнання та застосування законів фізики, що прикладені до хемічних явищ.