Физическая химия

Физи́ческая хи́мия(часто в литературе сокращённо —физхимия) — раздел химии,наукаоб общих законах строения, структуры и превращенияхимических веществ. Исследуетхимическиеявления с помощью теоретических и экспериментальных методовфизики. Наиболее обширный раздел химии.
Термин «физическая химия» впервые был использован немецким алхимикомГенрихом Кунратомв 1598-м году; в XVII—XVIII вв. этот термин являлся общепринятым для обозначения того, что сегодня мы называем «теоретической химией».
В отечественной историографии химии считается, что начало физической химии было положено в серединеXVIII века. Термин «Физическая химия», в современном пониманииметодологии наукии вопросовтеории познания, принадлежитМ. В. Ломоносову, который в1752 годувпервые читал студентамАкадемического университета«Курс истинной физической химии». В преамбуле к этим лекциям он даёт такое определение: «Физическая химия — наука, которая должна на основании положений и опытов физических объяснить причину того, что происходит через химические операции в сложных телах». Учёный в трудах своейкорпускулярно-кинетической теории теплакасается вопросов, в полной мере отвечающих вышеизложенным задачам и методам. Именно такой характер носят и экспериментальные действия, служащие подтверждению отдельных гипотез и положений настоящей концепции. М. В. Ломоносов следовал таким принципам во многих направлениях своих исследований: в разработке и практической реализации основанной им же «науки о стекле», в различных опытах, посвящённых подтверждению закона сохранения вещества и силы (движения); — в работах и экспериментах, имеющих отношение к учению о растворах — им была разработана обширная программа исследований настоящего физико-химического феномена, находящаяся в процессе развития до настоящего времени.
Затем последовал более чем столетний перерыв и одним из первых в России физикохимические исследования в конце 1850-х годов началД. И. Менделеев.
Следующий курс физической химии читал ужеН. Н. Бекетовв Харьковском университете в 1865 году.
Во второй половине XIX века значительный вклад в развитие физической химии сделал американецГиббс.
Первый научный журнал, предназначенный для публикации статей по физической химии («Zeitschrift für physikalische Chemie»), был основан в 1887 годуВ. ОствальдомиЯ. Вант-Гоффом.
Первая в России кафедра физической химии была открыта в 1914 году на физико-математическом факультете Санкт-Петербургского университета, осенью приступил к чтению обязательного курса и практическим занятиям по физической химии ученикД. П. КоноваловаМ. С. Вревский.
Физическая химия является основным теоретическим фундаментом современной химии, использующим теоретические методы таких важнейших разделов физики, какквантовая механика,статистическая физикаитермодинамика,нелинейная динамика,теория поляи др. Она включает учение о строении вещества, в том числе: о строении молекул,химическую термодинамику,химическую кинетикуикатализ. В качестве отдельных разделов в физической химии выделяют такжеэлектрохимию,фотохимию,физическую химию поверхностных явлений(в том числеадсорбцию),радиационную химию, учение окоррозии металлов,физико-химию высокомолекулярных соединений(см.физика полимеров) и др. Весьма близко примыкают к физической химии и подчас рассматриваются как её самостоятельные разделыколлоидная химия,физико-химический анализиквантовая химия. Большинство разделов физической химии имеет достаточно чёткие границы по объектам и методам исследования, по методологическим особенностям и используемому аппарату.
Обе эти науки находятся на стыке междухимиейифизикой, иногда химическую физику включают в состав физической химии. Провести чёткую границу между этими науками не всегда возможно. Однако с достаточной степенью точности это отличие можно определить следующим образом:
Колло́идная хи́мия(др.-греч.κόλλα‘клей’) — традиционное название физической химии дисперсных систем и поверхностных явлений, возникающих на границе раздела фаз. Она изучает адгезию, адсорбцию, смачивание, коагуляцию, электрофорез и разрабатывает технологии строительных материалов, бурения горных пород, золь-гель-технологии. Современная коллоидная химия представляет собой науку, которая находится на стыке химии, физики, биологии.
Основные направления современной коллоидной химии:
Кристаллохи́мия— это наука о кристаллических структурах и их связи с природой вещества. Будучи разделом химии, кристаллохимия тесно связана с кристаллографией и изучает пространственное расположение и химическую связь атомов в кристаллах, а также зависимость физических и химических свойств кристаллических веществ от их строения. С помощью рентгеноструктурного анализа, структурной электронографии и нейтронографии кристаллохимия определяют абсолютные величины межатомных расстояний и углы между линиями химических связей (валентные углы). Кристаллохимия располагает обширным материалом о кристаллических структурах более 425 тысяч соединений, более половины из которых составляют неорганические соединения.
В задачи кристаллохимии входит:
Радиохимияведёт работу со сверхмалыми количествами веществ и с очень сильно разбавленными растворами, а также с источниками ионизирующих излучений. Радиоактивность изучаемых радиохимией веществ позволяет и требует использовать специфические высокочувствительные методы измерения их микроскопических количеств, дистанционные автоматизированные методы анализа.
Термохи́мия— раздел химической термодинамики, в задачу которой входит:
Основными экспериментальными методами термохимии являются:
А́том(от др.-греч. ἄτομος — неделимый) — частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. В некоторых случаях под атомами понимают только электронейтральные системы, в которых заряд ядра равен суммарному заряду электронов, тем самым противопоставляя их электрически заряженным ионам.
Ядро, несущее более чем 99,9 % массы атома, состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: число протонов Z соответствует порядковому номеру атома в периодической системе и определяет его принадлежность к некоторому химическому элементу, а число нейтронов N — определённому изотопу этого элемента. Число Z также определяет суммарный положительный электрический заряд (Ze) атомного ядра и число электронов в нейтральном атоме, задающее его размер. Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.
Корро́зия(от лат. corrosio — разъедание) — это самопроизвольное разрушение металлов в результате физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Причиной коррозии служит термодинамическая неустойчивость конструкционных материалов к воздействию веществ, находящихся в контактирующей с ними среде. В повседневной жизни для сплавов железа (сталей) чаще используют термин «ржавление». Менее известны случаи коррозии полимеров. Применительно к ним существует понятие «старение», аналогичное термину «коррозия» для металлов. Скорость коррозии, как и всякой химической реакции, очень сильно зависит от температуры. Повышение температуры на 100 градусов может увеличить скорость коррозии на несколько порядков.
Раство́р— однородная смесь, состоящая из частиц растворённого вещества, растворителя и продуктов их взаимодействия. Образование того или иного типа раствора обусловливается интенсивностью межмолекулярного, межатомного, межионного или другого вида взаимодействия, то есть, теми же силами, которые определяют возникновение того или иного агрегатного состояния. Отличия: образование раствора зависит от характера и интенсивности взаимодействия частиц разных веществ. Растворы бывают газовыми, жидкими и твёрдыми.
Химическая кинетикаили кинетика химических реакций — раздел физической химии, изучающий закономерности протекания химических реакций во времени, зависимости этих закономерностей от внешних условий, а также механизмы химических превращений.
Молекулярность элементарной реакции — число частиц, которые, согласно экспериментально установленному механизму реакции, участвуют в элементарном акте химического взаимодействия.
Мономолекулярные реакции— реакции, в которых происходит химическое превращение одной молекулы (изомеризация, диссоциация и т. д.):
Бимолекулярные реакции— реакции, элементарный акт которых осуществляется при столкновении двух частиц (одинаковых или различных):
Тримолекулярные реакции— реакции, элементарный акт которых осуществляется при столкновении трёх частиц:
Реакции с молекулярностью более трёх неизвестны.
Для элементарных реакций, проводимых при близких концентрациях исходных веществ, величины молекулярности и порядка реакции совпадают. Чётко определённой взаимосвязи между понятиями молекулярности и порядка реакции нет, так как порядок реакции характеризует кинетическое уравнение реакции, а молекулярность — механизм реакции.
Катализ— процесс, заключающийся в изменении скорости химических реакций в присутствии веществ, называемых катализаторами. Каталитические реакции —реакции, протекающие в присутствии катализаторов.
Положительным называют катализ, при которомскорость реакциивозрастает, отрицательным (ингибированием) — при котором она убывает. Примером положительного катализа может служить процесс окисленияаммиаканаплатинепри полученииазотной кислоты. Примером отрицательного — снижение скоростикоррозиипри введении в жидкость, в которой эксплуатируется металл, нитрита натрия, хромата и дихромата калия.
Многие важнейшие химические производства, такие, как получение серной кислоты,аммиака,азотной кислоты,синтетического каучука, рядаполимерови др., проводятся в присутствии катализаторов.
Фотохи́мия— часть химии высоких энергий, раздел физической химии — изучает химические превращения (химия возбуждённых состояний молекул, фотохимические реакции), протекающие под действием света в диапазоне от дальнего ультрафиолета до инфракрасного излучения. Многие важнейшие процессы, происходящие вокружающей средеи внас самих, имеют фотохимическую природу. Достаточно назвать такие явления, какфотосинтез,зрениеи образованиеозонаватмосферепод действием УФ-излучения.
Хими́ческая термодина́мика— раздел физической химии, изучающий процессы взаимодействия веществ методамитермодинамики.
Основными направлениями химической термодинамики являются:
Химическая термодинамика тесно соприкасается с такими разделамихимии, как
Физико-химический анализ— комплекс методов анализа физико-химическихсистемпутём построения и геометрического анализадиаграмм состоянияидиаграмм состав-свойство. Этот метод позволяет обнаружить существование соединений (например,медистого золотаCuAu), существование которых невозможно подтвердить другими методами анализа. Первоначально исследования в области физико-химического анализа были сосредоточены на изучении зависимостейтемпературфазовых переходовот состава. Однако на рубеже XIX—XX вековН. С. Курнаковпоказал, что любое физическое свойствосистемыявляется функцией состава, а для изучения фазового состояния можно использоватьэлектропроводность,вязкость,поверхностное натяжение,теплоёмкость,коэффициент рефракции,упругостьи другие физические свойства.
В основе теории физико-химического анализа лежат сформулированные Н. С. Курнаковым принципы соответствия и непрерывности. Принцип непрерывности утверждает, что если всистемене образуются новыефазыили не исчезают существующие, то при непрерывном изменении параметров системы свойства отдельныхфази свойствасистемыв целом изменяются непрерывно. Принцип соответствия утверждает, что каждому комплексуфазсоответствует определённый геометрический образ надиаграмме состав-свойство.
Тео́рия реакцио́нной спосо́бности хими́ческих соедине́ний(ТРСХС) — научная дисциплина, занимающаяся изучением механизма химических реакций и механики элементарного акта химического превращения. ТРСХС — относительно молодая отрасль химической науки, активно развивающаяся в последние десятилетия, что связано с прогрессом в областях вычислительной и квантовой химии, а также физико-химических методов анализа.
Экспериментальные методы ТРСХС:
Химия высоких энергий— раздел физической химии, описывающий химические и физико-химические процессы, происходящие в веществе при воздействии нетепловыми энергетическими агентами — ионизирующим излучением, светом, плазмой, ультразвуком, механическим ударом и другими.
Химия высоких энергий (ХВЭ) изучает химические реакции и превращения, происходящие в веществе под воздействием нетепловой энергии. Механизмы и кинетика таких реакций и превращений характеризуются существенно неравновесными концентрациями быстрых, возбуждённых или ионизированных частиц с энергией большей, чем энергия их теплового движения и в ряде случаев химической связи. Носители нетепловой энергии, воздействующей на вещество: ускоренные электроны и ионы, быстрые и медленные нейтроны, альфа- и бета-частицы, позитроны, мюоны, пионы, атомы и молекулы при сверхзвуковых скоростях, кванты электромагнитного излучения, а также импульсные электрические, магнитные и акустические поля.
Процессы химии высоких энергий различают по временны́м стадиям на физическую, протекающую за время фемтосекунд и менее, в течение которого нетепловая энергия распределяется в среде неравномерно и образуется «горячее пятно», физико-химическую, в течение которой проявляется неравновесность и негомогенность в «горячем пятне» и, наконец, химическую, в которой превращения вещества подчиняются законам общей химии. В результате образуются такие ионы и возбуждённые состояния атомов и молекул при комнатных температурах, которые не могут возникнуть за счёт равновесных процессов.
Внешним проявлением ХВЭ служит образование ионов и возбуждённых состояний атомов и молекул при комнатных температурах, при которых эти частицы не могут возникнуть за счёт равновесных процессов.Н. Е. Аблесимовсформулировал релаксационный принцип управления свойствами неравновесных физико-химических систем. В случае, когда времена релаксации много больше длительности физического воздействия, существует возможность управления выходом химических форм, фаз и, как следствие, свойствами веществ (материалов), используя сведения о механизмах релаксации в неравновесных конденсированных системах на физико-химической стадии релаксационных процессов (в том числе и в процессе эксплуатации).
Основные разделы ХВЭ
и другие.
Лазерная химия— раздел физической химии, изучающий химические процессы, которые возникают под действиемлазерногоизлучения и в которых специфические свойства лазерного излучения играют решающую роль, а также хемолазерные процессы (химические лазеры).Монохроматичностьлазерного излучения позволяет селективно возбуждатьмолекулыодного вида, при этом молекулы других видов остаются невозбуждёнными. Селективность возбуждения при этом процессе ограничена лишь степенью перекрывания полос вспектре поглощениявещества. Таким образом подбирая частоту возбуждения, удаётся не только осуществлять избирательную активацию молекул, но и менять глубину проникновения излучения в зону реакции.
Возможность фокусировки лазерного излучения позволяет вводить энергию локально, в определённую область объёма, занимаемого реагирующей смесью. Лазерное воздействие на химические реакции может быть тепловым и фотохимическим.
Лазерная офтальмология и микрохирургия, в конечном счёте, та же лазерная химия, но для медицинских целей.
Радиационная химия— частьхимии высоких энергий, раздел физической химии — изучает химические процессы, вызываемые воздействием ионизирующих излучений на вещество.
Ионизирующей способностью обладаютэлектромагнитные излучения(рентгеновское излучение,γ-излучение,синхротронное излучение) и потоки ускоренных частиц (электронов,протонов,нейтронов,гелионов, тяжёлых ионов; осколки деления тяжёлых ядер и др.), энергия которых превышаетпотенциал ионизацииатомов или молекул (в большинстве случаев, лежащий в пределах 10-15эВ).
В рамках радиационной химии рассматриваются некоторые химические процессы, невозможные при использовании традиционных химических подходов. Ионизирующие излучения могут сильно снижать температуру протекания химических реакций без применения катализаторов и инициаторов.
Радиационная химия возникла после открытияx-лучейВ. Рентгеномв 1895 году ирадиоактивностиА. Беккерелемв 1896 году, которые первыми наблюдали радиационные эффекты в фотопластинках.
Первые работы по радиационной химии были выполнены в 1899—1903 годах супругамиМ.КюрииП. Кюри. В последующие годы наибольшее число исследований было посвященорадиолизуводыиводных растворов.
Ядерная химия— частьхимии высоких энергий, раздел физической химии — изучаетядерные реакциии сопутствующие им физико-химические процессы, устанавливает взаимосвязь между физико-химическими и ядерными свойствами вещества. Часто под ядерной химией подразумевают области исследованиярадиохимии(иногда как её раздел) ирадиационной химии. Это разные науки, но ядерная химия является для них теоретическим фундаментом. Термин ядерная химия даже в настоящее время не является общепринятым по причине того, что превращение атомных ядер это изначально областьядерной физики, ахимияпо определению изучает толькохимические реакциипри которых ядра атомов остаются неизменными. Ядерная химия зародилась на стыкерадиохимии,химической физикииядерной физики
Основные направления ядерной химии:
Электрохи́мия— разделхимическойнауки, в котором рассматриваются системы имежфазныеграницы при протекании через нихэлектрического тока, исследуются процессы впроводниках, наэлектродах(изметалловилиполупроводников, включаяграфит) и в ионных проводниках (электролитах). Электрохимия исследует процессыокисленияивосстановления, протекающие на пространственно-разделённых электродах, переносионовиэлектронов. Прямой переносзарядасмолекулына молекулу в электрохимии не рассматривается.
Традиционно электрохимию разделяют на теоретическую и прикладную.
Звукохимия(сонохимия) — раздел химии, который изучает взаимодействие мощных акустических волн и возникающие при этом химические и физико-химические эффекты. Звукохимия исследует кинетику и механизм звукохимических реакций, происходящих в объёме звукового поля. К области звукохимии так же относятся некоторые физико-химические процессы в звуковом поле:сонолюминесценция, диспергирование вещества при действии звука, эмульгирование и другие коллоидно-химические процессы.
Основное внимание сонохимия уделяет исследованию химических реакций, возникающих под действием акустических колебаний —звукохимическим реакциям. Как правило, звукохимические процессы исследуют в ультразвуковом диапазоне (от 20 кГц до нескольких МГц). Звуковые колебания в килогерцовом диапазоне иинфразвуковойдиапазон изучаются значительно реже. Звукохимия исследует процессыкавитации.
Для изучения звукохимических реакций применяют следующие методы:
Структурная химия— раздел, область химии, изучающая связь различных физических и физико-химических свойств различных веществ с их химическим строением и реакционной способностью. Структурная химия рассматривает не только геометрическое строение молекул; изучению подвергается следующее — длины химических связей, валентные углы, координационные числа, конформации и конфигурации молекул; эффекты их взаимного влияния, ароматичность.
Структурная химия базируется на следующих экспериментальных способах изучения веществ:
Раздел, изучающий процессы в металлургических агрегатах.
Потенциометрия—междисциплинарнаяобласть физической химии, подразумевающая использование различных электрохимических и термодинамических методов, методов аналитической химии, — широко применяемых в научных исследованиях различной принадлежности, — в производственной практике; в том числе — ионометрии,pH-метрии, а также при создании измерительной аппаратуры используемой в них (см. также:периодический закон (окислительный потенциал),водородный показатель,редокс-потенциал,pH-метр,стеклянный электрод).