🗊Презентация Введение. Физическая и коллоидная химия, ее содержание, задачи, объекты и методы их изучения

Лекция 1 Введение

Разделы дисциплины ХИМИЯ Физическая химия Органическая химия Аналитическая химия

Физическая и коллоидная химия, ее содержание, задачи, объекты и методы их изучения. Физическая и коллоидная химия, ее содержание, задачи, объекты и методы их изучения. Роль российских и зарубежных ученых в становлении развитии физической и коллоидной химии. Структурные дисциплины. Значение физической и коллоидной химии при изучении товароведения, физиологии питания, микробиологии, технологии приготовления пищи и других спец. дисциплин.  

Физическая химия – наука, которая изучает общие закономерности физических процессов и является теоретической основой всей химической науки и технологии химических производств. Физическая химия – наука, которая изучает общие закономерности физических процессов и является теоретической основой всей химической науки и технологии химических производств. Предметом физической химии является объяснение химических явлений на основе более общих законов физики. Физическая химия рассматривает две основные группы вопросов: 1. Изучение строения и свойств вещества и составляющих его частиц; 2. Изучение процессов взаимодействия веществ.

Разделы физхимии Строение вещества. Химическая термодинамика Химическая кинетика Учение о растворах Электрохимия Коллоидная химия

Строение вещества. В этот раздел входят учение о строении атомов и молекул и учение об агрегатных состояниях вещества. Изучение строение вещества необходимо для выяснения важнейших вопросов об образовании молекул из атомов, о природе химической связи, о строении и взаимодействии молекул. Именно в этой своей части физическая химия очень тесно переплетается со всеми направлениями современной химии, поскольку изучение химических свойств вещества вне связи со строением атомов и молекул на современном уровне невозможно.

Химическая термодинамика изучает энергетические эффекты химических процессов; позволяет определить возможность, направление и глубину протекания химического процесса в конкретных условиях

Химическая кинетика. В этом разделе физической химии изучается скорость и механизм протекания химических процессов в различных средах при различных условиях.

Учение о растворах рассматривает процессы образования растворов, их внутреннюю структуру и важнейшие свойства, зависимость структуры и свойств от природы компонентов раствора.  

Электрохимия изучает особенности свойств растворов электролитов, явления электропроводности, электролиза, коррозии, работу гальванических элементов.

Коллоидная химия изучает поверхностные явления и свойства мелкодисперсных гетерогенных систем. Все разделы физической химии объединяет единая основа – общие законы природы, которые применимы к любым процессам и любым системам, независимо от их строения.

Строение вещества Строение атома Строение молекулы, иона. Агрегатное состояние. Уравнение реакций и расчеты по ним. Атомная масса, молекулярная масса.

Термодинамика Термодинамика – один из важнейших разделов физики и физической химии, предметом изучения которого являются: А) основные соотношения, позволяющие рассчитать количество выделенного или поглощенного тепла в физических и химических превращениях и совершаемую при этом работу; Б) выявление возможного самопроизвольного течения процессов в определенном направлении, их равновесие. К этому следует добавить, что термодинамика исследует также переходы энергии из одной формы в другую.

Термодинамика построена Термодинамика построена: на двух основных законах называемых первым и вторым началами, на по­стулате Планка, который часто рассматривают как третий закон термодинамики

термодинамика покоится на методе дедуктивного мышления (от общего – к частному). она действует по принципу «черного ящика», когда исследуются только начал дает ответ лишь о направлении протекания процессов, условиях равновесия системы, начальное и конечное состояния системы.

Предметом химической термодинамики Предметом химической термодинамики служит термодинамическое рассмотрение явлений, относящихся к области химии. Термодинамика приложима только к системе с достаточно большим числом атомов или молекул, к закрытой системе, для которой действительны статистические законы. Однако ее нельзя применять к Вселенной, ибо термодинамика соз­дана на основании обобщения опытных данных для закрытых систем и только для них безоговорочно справедлива.

Система Одно из основных понятий термодинамики связано с определением «системы». Система – тело или группа тел, находящихся во взаимодействии и мысленно обособляемых от окружающей среды. Границы системы можно выбирать произвольно, в том числе физические поверхности разде­ла. Границы очерчивают так, чтобы исследуемая термодинамическая зада­ча решалась правильно и наиболее легко. По степени однородности свойств системы делят на гомогенные и гетерогенные. В последнем случае они включают несколько фаз. По степени взаимодействия с окружающей средой различают системы изолированные и неизолированные, закрытые и открытые.

Изолированные системы Изолированные системы – это системы, имеющие постоянный объем, через границы которых не происходит обмена веществом или энергией с окружающей средой. В противном случае мы имеем дело с неизолирован­ной системой. Закрытые системы не обмениваются веществом с другими система­ми. Их взаимодействие с ними ограничивается только передачей теплоты и работы. Предметом термодинамического изучения являются только закрытые системы.

Состояние системы Состояние системы определяется ее свойствами (термодинамическими параметрами). Свойства системы зависят только от ее начального и конечного состояния и не зависят от пути перехода из одного состояния в другое. Различают интенсивные и экстенсивные свойства. Экстенсивные свойства пропорциональны количеству вещества. К их числу относятся масса и объем системы. Если к веществу массой 1 кг или объемом 1 л добавить еще такую же массу и объем, то масса и объем объе­диненной системы составят 2 кг и 2 л. Другими словами, экстенсивные свойства системы являются аддитивными, т. е. суммирующимися.

Интенсивные свойства не зависят от количества вещества, не адди­тивны. К ним относятся температура, давление, плотность. Исходя из. понятия аддитивности, можно представить, что, какое бы неограниченно большое число источников тепла с температурой, например, 100°С ни бы­ло составлено рядом и ни соединено тем или иным способом, температура системы не будет отличаться от 100°С. Интенсивные свойства не зависят от количества вещества, не адди­тивны. К ним относятся температура, давление, плотность. Исходя из. понятия аддитивности, можно представить, что, какое бы неограниченно большое число источников тепла с температурой, например, 100°С ни бы­ло составлено рядом и ни соединено тем или иным способом, температура системы не будет отличаться от 100°С. Наиболее важными и часто используемыми свойствами системы яв­ляются давление, объем, температура и состав.

Переход системы Переход системы из одного состояния в другое называют процессом. Если при его проведении изменяется состав, то такой процесс именуют химической реакцией.

понятия теплоты и работы К весьма важным в термодинамике относятся понятия теплоты и работы. Они не являются функциями состояния и проявляются только при проведении процесса, служат формами передачи энергии (общей меры всех видов движения) от системы к окружающей среде и обратно. Не бу­дучи функцией состояния, работа и теплота зависят от пути проведения процесса. В соответствии с современными термодинамическими представ­лениями работа есть упорядоченная форма передачи энергии, а теплота является неупорядоченной формой ее передачи.

внутренняя энергия U Одним из наиболее фундаментальных термодинамических понятий является внутренняя энергия U. Она относится к параметрам состояния и в физическом смысле характеризует общий запас энергии системы, включая энергию: поступательного и вращательного движения молекул; внутримо­лекулярного колебательного движения атомов и атомных групп, состав­ляющих молекулы; вращения электронов в атоме; ядер атомов и т. д., но без учета кинетической энергии тела в целом и его потенциальной энергии положения. Термодинамика еще не умеет определять абсолютную величи­ну внутренней энергии системы, но может измерять изменение внутренней энергии AU в том или ином процессе. Этого достаточно для успешного применения понятия внутренней энергии. Изменение внутренней энергии является термодинамическим параметром системы. Величина AU прини­мается положительной, если в рассматриваемом процессе она возрастает.

Первый закон термодинамики Первый закон термодинамики устанавливает связь между количест­вом получаемой или выделяемой теплоты, количеством произведенной или полученной работы и изменением внутренней энергии системы при проведении термодинамического процесса. Во всех случаях в закрытой термодинамической системе отношение поглощенного тепла Q к совершенной работе А есть величина постоянная (Q/A = const). Это отношение не зависит от свойств системы и пути ее пе­рехода из одного со стояния в другое, т. е. является термодинамическим параметром, и составляет 427 кгм/ккал. При измерении Q и А в одинако­вых единицах Q/A = 1, в том числе и в круговом процессе. Таким образом, во всяком круговом процессе работа, совершенная системой, точно равна поглощенной ею теплоте. Следовательно, если в круговом процессе тепло не поглощается, то не производится и работа. Из сказанного вытекает одна из наиболее ярких формулировок первого закона термодинамики: вечный двигатель первого рода невозможен.

Имеются и другие, равноценные, формулировки первого закона. Одна из них – формулировка закона сохранения энергии: если в каком-либо про­цессе энергия одного вида исчезает, то вместо нее в строго эквивалентном количестве появляется энергия другого вида. Математическое выражение первого закона термодинамики может быть дано в различных формах. Наиболее общая: U = Q – A Иными словами, в любом процессе приращение внутренней энергии какой-либо системы равно сообщаемой системе теплоте за минусом рабо­ты, совершаемой системой.

Второй закон термодинамики показывает, в каком направлении в за­данных условиях (температура, давление, концентрация и т. д.) может про­текать самопроизвольно, т. е. без затраты работы извне, тот или иной про­цесс. Во-вторых, закон определяет предел возможного самопроизвольного течения процессов, т. е. его равновесное в данных условиях состояние. Для различных термодинамических процессов существуют свои кри­терии, характеризующие направление и предел их протекания.

В общем случае самопроизвольное развитие взаимодействия между различными частями системы возможно только в направлений выравнива­ния интенсивных свойств (температуры, давления, электрического потен­циала и др.) всех ее частей. Достижение этого состояния является преде­лом самопроизвольного течения процесса, условием равновесия. Для изолированных систем критерием, определяющим самопроиз­вольное течение процесса, служит термодинамический параметр, полу­чивший название энтропии S. В этих системах при протекании необрати­мых процессов энтропия возрастает и достигает максимальных значений при равновесии процесса: S2 – S1 > 0.

В курсах термодинамики показывается, что энтропия является мерой беспорядка в изолированной системе, мерой ее термодинамической веро­ятности, возрастающей в самопроизвольном процессе. В неизолированных системах о направлении процесса судят по изме­нению термодинамических потенциалов, также являющихся функциями состояния. Так, для процессов, протекающих при постоянных температуре и дав­лении, направление и предел самопроизвольного протекания процесса оп­ределяются с помощью изобарно-изотермического потенциала (сокра­щенно – изобарного потенциала) или, как принято в современной физиче­ской химии, энергии Гиббса G: AG < 0. (1.10)

Другими словами, в системе с постоянными температурой и давлени­ем самопроизвольно могут протекать только процессы, сопровождаемые уменьшением G, а условием равновесия служит достижение некоторого минимального для данных условий значения этой функции. Реакции, кото­рые сопровождались бы увеличением G, как самопроизвольные в принци­пе невозможны. Для термодинамических процессов, протекающих при постоянной температуре и объеме, роль аналогичную энергии Гиббса выполняет энер­гия Гельмгольца, или изохорно-изотермический потенциал (изохорный по­тенциал).

Второй закон термодинамики указывает направление возможного процесса но ничего не сообщает о его скорости. Между тем термодинами­чески неустойчивые (метастабильные) системы могут существовать неог­раниченно долгое время. Основной смысл третьего закона сводится к утверждению, что при абсолютном нуле температуры энтропия правильно образованного кри­сталла любого соединения в чистом состоянии равна нулю. При любом другом состоянии вещества его энтропия больше нуля.

Лекция №2 Химическая термодинамика. Химическая кинетика и катализ ПЛАН 1. Основные понятия термодинамики. 2. Термохимия. 3. Химическое равновесие. 4. Скорость химических реакций. 5. Влияние температуры на скорость реакций. 6. Явление катализа.

Термодинамика – это раздел физики, изучающей взаимные преобразования различных видов энергии, связанных с переходом энергии в форме теплоты и работы. Термодинамика – это раздел физики, изучающей взаимные преобразования различных видов энергии, связанных с переходом энергии в форме теплоты и работы. Большое практическое значение термодинамики в том, что она позволяет рассчитать тепловые эффекты реакции, заранее указать возможность или невозможность осуществления реакции, а также условия ее прохождения.

Основные термодинамические понятия Система

Внутренняя энергия Внутренняя энергия - кинетическая энергия всех частиц системы (молекул, атомов, электронов) и потенциальная энергия их взаимодействий, кроме кинетической и потенциальной энергии системы в целом. Внутренная энергия является функцией состояния, т.е. ее изменение определяется заданным начальным и конечным состояниями системы и не зависит от пути процесса: ∆U = U2 – U1

Первый закон термодинамики Энергия не исчезает бесследно и не возникает из ничего, а только переходит из одного вида в другой в эквивалентном количестве. Вечный двигатель первого рода, то есть периодически действующая машина, которая дает работу, не тратя при этом энергии, невозможен. В любой изолированной системе общий запас энергии сохраняется неизменным. Q = ∆U + W

Энтропия – термодинамическая функция состояния, поэтому ее изменение не зависит от пути процесса, а определяется только начальным и конечным состояниями системы. тогда Энтропия – термодинамическая функция состояния, поэтому ее изменение не зависит от пути процесса, а определяется только начальным и конечным состояниями системы. тогда S2 - S1 = ΔS Физической смысл энтропии - это количество связанной энергии, которая отнесенная к одному градусу: в изолированных системах, направление течения самопроизвольных процессов определяется изменением энтропии.