Введение.

Физическая химия занимается рассмотрением главным образом двух групп вопросов:

1. изучением свойств и строения различных веществ в зависимости от их химического состава, химического строения и от условий существования;

2. изучением химических реакций и других форм взаимодействия между веществами или частицами в зависимости от их химического состава, строения, условий, в которых происходит процесс, а также от внешних воздействий (электрических, световых и др.).

Содержание курса физической химии обычно делят на несколько основных разделов, характеризующих направление этой науки и определяющих ее предмет.

Строение вещества. В этот раздел входит учение о строении атомов и молекул и учение об агрегатных состояниях вещества. Учение о строении атомов в курсе физической химии необходимо для выяснения вопросов образования молекул из атомов, природы химической связи, внутренней структуры молекул.

В учении об агрегатных состояниях рассматривается зависимость строения и важнейших свойств веществ, находящихся в газообразном, кристаллическом и жидком состояниях, от их состава.

Химическая термодинамика. В этом разделе физической химии рассматриваются основные соотношения, вытекающие из первого закона термодинамики. Они позволяют рассчитать количество выделяемой или поглощаемой теплоты химического процесса и определить, как будет влиять на него изменения внешних условий.

На основе второго закона термодинамики определяется возможность самопроизвольного течения процесса в интересующем нас направлении, а так же условия и положение равновесия и его смещения под влиянием изменения внешних условий.

Учение о растворах рассматривает природу растворов, их внутреннюю структуру и важнейшие свойства, зависимость свойств растворов от концентрации и химической природы компонентов и вопросы растворимости.

Электрохимия изучает некоторые особенности свойств растворов электролитов, электропроводность растворов, процесса электролиза, работу ГЭ и электрохимическую коррозию металлов.

Химическая кинетика изучает скорость и молекулярный механизм химических реакций как в гомогенной, так и в гетерогенной среде, включая и явления катализа.

Учение о коллоидном состоянии веществ и поверхностных явлениях – самостоятельный раздел. Коллоидная химия ставит своей целью раскрытие особенностей строения и свойств систем (и протекающих в них процессах), связанных с их дисперсным состоянием. Роль коллоидной химии в изучении свойств реальных сложных объектов определяет в значительной степени её место как дисциплины, завершающей химическое образование.

1. ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ. ПРАВИЛО ФАЗ..

Фазовыми равновесиями называются равновесия, которые устанавливаются между отдельными фазами при физических процессах перехода веществ из одной фазы в другую. К числу таких переходов относятся плавление и кристаллизация индивидуальных веществ, кристаллизация веществ из растворов, испарение и сублимация, конденсация газообразных веществ, аллотропические превращения веществ, превращения ферромагнетика в парамагнетик и др.

Фазовые равновесия определяются соотношением термодинамических параметров (концентрация, t , Р, напряженность магнитного поля, напряженность электрического поля) и описываются уравнением Клаузиуса – Клайперона и формулой Дж.Гиббса (1876 г.)

С = К – Ф + n (1)

Эта формула получила название правила фаз. Она связывает число термодинамических степеней свободы, число независимых компонентов и число фаз системы.

Фазой называется однородная часть системы, обладающая одинаковыми интенсивными свойствами и отделенная от других частей системы поверхностью раздела.

Например, система из насыщенного раствора NaCl и монокристалла NaCl состоит из двух фаз. Если вместо монокристалла в системе будет порошок кристалликов NaCl, то все эти кристаллики вместе составят одну фазу, т.к. они представляют собой совокупность частей системы, одинаковых по всем интенсивным свойствам.

При фазовых переходах происходит выравнивание химических потенциалов. Например, если химический потенциал компонента в растворе выше, чем его химический потенциал в паре, то будет происходить испарение этого компонента из жидкого раствора, пока химические потенциалы не сравняются. В результате пар станет насыщенным, и в системе установится равновесие.

Число фаз в системе будем обозначать символом Ф.

Числом независимых компонентов К называется наименьшее число индивидуальных веществ в системе, достаточное для образования всех фаз данной системы. Из этого определения следует, что понятие «независимый компонент» не тождественно с понятием «индивидуальное вещество». Число независимых компонентов может совпадать и не совпадать с числом индивидуальных веществ.

Например, в трехфазной системе С₆ Н ₁₂ О_6(к) кристаллы сахара + насыщенный водный раствор + водяной пар имеется два индивидуальных вещества - вода и сахар и два независимых компонента 1 фаза - сахар, вторая - сахар + вода, третья - вода.

В системе, состоящей из трех индивидуальных веществ СаО, СаСО₃, СО₂ число независимых компонентов равно не трем а только двум (безразлично каким именно).

Выберем в качестве независимых компонентов СаО и СО₂, тогда первая фаза образована СаО, вторая СаО и СО₂, которые в результате реакции дают СаСО₃ и третья фаза - СО₂.

Система, состоящая из NH₄Cl в смеси с NH₃ + HCl в эквимолярных количествах, состоит из трех индивидуальных веществ, но только из одного независимого компонента - NH₄Cl , достаточного для образования всех фаз данной системы (твердой фазы NH₄Cl и газообразной, получаемой термическим разложением NH₄Cl → NH₃ + HCl)

Т.о. число независимых компонентов К равно числу индивидуальных веществ минус число уравнений, связывающих эти вещества.

В примере первом К = 2 - 0 = 2 , во втором К = 3 – 1 = 2 , К = 3 – 2 = 1 в третьем (здесь вторым уравнение является условие [NH₃] =[HCl]).

Число степеней свободы определяется как число условий ( t, Р, концентрация), которые можно произвольно менять (в известных пределах), не изменяя числа или вида фаз системы.

Сумма числа степеней свободы системы и числа фаз ее равна сумме независимых компонентов и числу внешних факторов, влияющих на равновесие этой системы:

С + Ф = К + n (2)

Если на систему воздействуют два фактора t, Р, то правило фаз запишется в виде

С = К – Ф + 2 (3)

Число степеней свободы равновесной термодинамической системы, на которую из внешних факторов влияют только температура и давление, равно числу независимых компонентов системы минус число фаз плюс два.

Правило фаз показывает, что число степеней свободы возрастает с увеличением числа компонентов и уменьшается с увеличением числа фаз системы.

Число степеней свободы не может быть отрицательным, поэтому правило фаз нередко выражают так же следующим соотношением:

Ф ≤ К + 2 (4)

Число степеней свободы определяется как вариантность системы. По этому признаку - числу степеней свободы, системы разделяют на инвариантные или безвариантные (при С = 0) , моновариантные или одновариантные (при С = 1), (би-) дивариантные или двухвариантные (при С = 2). Поливариантными или многовариантными, называются системы с большим числом степеней свободы.