Курс лекций по физической химии Учебно-методическое пособие (стр. 1 из 16)
Федеральное агентство по образованию
Московская государственная академия
тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова
Кафедра физической химии
Курс лекций по физической химии
Учебно–методическое пособие
Москва, 2006
1. Предмет, структура и методы физической химии.
1.1. Физическая химия изучает общие вопросы химического строения веще-ства, общие количественные закономерности химического равновесия и химических процессов, а также физических явлений, которые их сопро-вождают.
1.1.1. Термин физическая химия введен М. В. Ломоносовым. «Физическая химия - наука, которая должна на основе положений и опытов физических объяснить причину того, что происходит через химические операции в сложных телах.» Т.е. ФХ изучает связь между физическими и хими-ческими явлениями, физические процессы, которыми сопровождаются химические реакции.
1.1.2. Физическая химия – это теоретическая химия, которая рассматривает общие законы, определяющие химические процессы, а именно направление химических реакций, условия равновесия, протекание во времени, влияние различных факторов на химические реакции. ФХ дает математическое описание химических процессов, что позволяет перевести изучение химических явлений на компьютерную основу.
1.1.3. Физическая химия – основа химической технологии, она позволяет оптимизировать протекание химических реакций, сделать их более экологически безопасными.
1.1.4. Физическая химия изучает строение веществ, связь между структурой и физико-химическими свойствами веществ, т.е. дает основу материаловедения, науки, которая определяет технический прогресс.
1.1.5. Физическая химия - основа аналитической химии, т.к. она имеет дело с методами изучения структуры вещества, а, следовательно, его идентификации физическими методами.
1.2. Основные разделы физической химии
1.2.1. Химическая термодинамика – как часть научной дисциплины общей термодинамики – исследует условия равновесия в физико-химических процессах и химических реакциях..
1.2.2. Строение вещества – теории химической связи и расчетные и экспериментальные методы изучения строения.
1.2.3. Химическая кинетика – протекание во времени и механизмы химических реакций
1.2.4. Электрохимия
1.2.5. Промежуточные, объединяющие разделы:
Статистическая термодинамика
Теория реакционной способности
Термодинамика необратимых процессов
Электрохимическая кинетика
2. Основные понятия химической термодинамики
2.1. Термодинамические системы .
2.1.1. Термодинамическая система – это часть материального мира, отделенная от окружающей среды реальными или воображаемыми границами и являющаяся объектом исследования. Окружающая среда значительно больше по объему, и поэтому изменения в ней незначительны по сравнению с изменением состояния системы. В отличие от механических систем, которые состоят из одного или нескольких тел, термодинамическая система содержит очень большое число частиц, что порождает совершенно новые свойства и требует иных подходов к описанию состояния и поведения таких систем. Термодинамическая система представляет собой макроскопический объект.
2.1.2. Классификация термодинамических систем
2.1.2.1. По составу
Термодинамическая система состоит из компонентов. Компонент - это вещество, которое может быть выделено из системы и существовать вне ее, т.е. компоненты – это независимые вещества.
2.1.2.1.1. Однокомпонентные.
2.1.2.1.2. Двухкомпонентные, или бинарные.
2.1.2.1.3. Трехкомпонентные – тройные.
2.1.2.1.4. Многокомпонентные.
2.1.2.2. По фазовому составу – гомогенные и гетерогенные
2.1.2.2.1. Гомогенные системы имеют одинаковые макроскопические свойства в любой точке системы, прежде всего температуру, давление, концентрацию, а также многие другие, например, показатель преломления, диэлектрическую проницаемость, кристаллическую структуру и др. Гомогенные системы состоят из одной фазы.
Фаза – это однородная часть системы, отделенная от других фаз поверхностью раздела и характеризующаяся своим уравнением состояния. Фаза и агрегатное состояние – перекрывающиеся, но не идентичные понятия. Агрегатных состояний только 4 , фаз может быть гораздо больше.
2.1.2.2.2. Гетерогенные системы состоят минимум из двух фаз.
2.1.2.3. По типам связей с окружающей средой (по возможностям обмена с окружающей средой)
2.1.2.3.1. Изолированная система не обменивается с окружающей ни энергией, ни веществом. Это идеализированная система, которую, в принципе нельзя экспериментально изучать.
2.1.2.3.2. Закрытая система может обмениваться с окружающей средой энергией, но не обменивается веществом.
2.1.2.3.3. Открытая система обменивается и энергией, и веществом
2.2. Состояние ТДС
2.2.1.Определение.
Состояние ТДС – это совокупность всех ее измеримых макроскопических свойств, имеющих, следовательно, количественное выражение. Макроскопический характер свойств означает, что их можно приписать только к системе в целом, а не отдельным частицам, которые составляют ТДС ( Т, р, V, c, U, nk). Количественные характеристики состояния связаны между собой. Поэтому существует минимальный набор характеристик системы, называемых параметрами, задание которых позволяет полностью описать свойства системы. Количество этих параметров зависит от типа системы. В простейшем случае для закрытой гомогенной газовой системы в состоянии равновесия достаточно задать только 2 параметра. Для открытой системы кроме этих 2 характеристик системы требуется задать число молей каждого компонента.
2.2.2. Равновесие
Классическая термодинамика обычно ограничивается рассмотрением равновесных состояний ТДС. Равновесие - это такое состояние, к которому самопроизвольно приходит ТДС, и в котором она может существовать бесконечно долго в отсутствие внешних воздействий. Для определения равновесного состояния всегда требуется меньшее количество параметров, чем для неравновесных систем.
2.2.3. Уравнение соcтояния связывает параметры состояния и относится к фазе. Общий вид его f (p,V, T) = 0. Простейший вид уравнения состояния имеет идеальный газ pV = nRT, (1.1)
где R = 8.314 Дж/(моль.К) = 1,987 кал/(моль.К) = 0,082 л.атм/(моль.К) .
[p] = Па, 1атм = 1,013*105 Па = 760 мм рт.ст.,
[V ] = м3, 1 м3 = 103 л,
[T] = К,
[n] = моль, N = 6.02*1023 моль-1= 6,02*1026 кмоль-1 .
2.2.4. Функции сост ояния – это характеристики системы, которые зависят только от параметров состояния, но не зависят от способа его достижения.
∙ F (x,y), например, F(V,T)
= 0, dF – полный дифференциал 
dF = 
dV + 
dT, (1.2)
F2 – F1 = DF. (1.3)Изменение функции состояния не зависит от пути перехода, а определяется только начальным и конечным состоянием, DF – всегда разность между конечным (F2) и начальным (F1) состоянием.
2.2.5. Классификация параметров и функций состояния
2.2.5.1. Интенсивные свойства при контакте двух систем выравниваются
(температура, давление, поверхностное натяжение, электрический потен-циал) Y’1 < Y’’1
Y2 = Y’2 = Y’’2, Y’1 < Y2 < Y’’1. (1.4)
2.2.5.2. Экстенсивные свойства при объединении (контакте) двух систем складываются ( Объем, число молей, энергия, теплоемкость и т. д.)
X = X’ + X’’ (1.5)
Экстенсивные свойства зависят от массы. Чтобы описать экстенсивные свойства, их относят к определенному количеству вещества, например,
к одному молю X/n = X – мольные величины,
к единице массы X/m = Xуд. – удельные величины,
к единице объема X/V = r – плотности.
Мольные величины не зависят от массы, поэтому их иногда относят к интенсивным свойствам, он они не обладают главной особенностью интенсивных величин – они не выравниваются при контакте.
2.3. Термодинамический процесс - изменение состояния системы при взаимодействии с окружающей средой.
2.3.1. Классификация термодинамических процессов
2.3.1.1. Циклические и нециклические
2.3.1.2. Обратимые и необратимые
2.3.1.2.1. Необратимые – это реальные процессы в термодинамических системах.
2.3.1.2.2. Обратимые – это идеализированные процессы, которые проходят в прямом и обратном направлении через одни и те же промежуточные состояния, и после завершения цикла ни в системе, ни в окружающей среде не наблюдается никаких изменений. Обратимые процессы называют часто равновесными, так как в каждый момент промежуточного состояния внешние и внутренние силы должны быть почти скомпенсированы (последнее характерно для состояния равновесия), т.е. они должны отличаться на бесконечно малую величину. Такой процесс происходит бесконечно медленно, поэтому время не учитывается в термодинамике обратимых процессов, и их также называют квазистатическими. Пример – обратимое изотермическое расширение идеального газа. В обратимом процессе работа, полученная в прямом направлении должна быть численно равна работе, затраченной в обратном процессе. По сравнению с необратимыми процессами обратимый процесс дает возможность получить максимальную работу.