Молекулярная физика
Химическая
термодинамика
Органическая химия
Квантовая механика
Неорганическая химия
Кинетика и катализ
Биохимия
Производство
продуктов питания
Биотехнологии
Физическая химия
Прикладные науки и производство
Фундаментальные науки
Термодинамика
Учение о растворах
Кристаллохимия
Фазовые переходы
и равновесия
Поверхностные
явления
Электрохимия
Геологические науки
Переработка
сырья минерального
Коллоидная химия
Химическая
промышленность
Экология
Машиностроение
ВВЕДЕНИЕ
7
На схеме показаны разделы физической химии, важные для понимания
специальных дисциплин, которые определяют существо технологических процессов. <...> Химическая термодинамика это метод физики, который в химии используют для изучения закономерностей превращения химической энергии в
другие виды энергии. <...> Термодинамическое исследование позволяет предсказать возможности самопроизвольного протекания химического процесса в заданном направлении и пределы его протекания. <...> Химическая кинетика и катализ – основной раздел физической химии,
который занимается исследованием механизмов химических процессов и их
скоростей. <...> Электрохимия рассматривает физико-химические свойства ионных систем (растворы электролитов, расплавы), а также кинетику и механизмы процессов, возникающих на границе двух фаз с участием заряженных частиц
(ионов и электронов). <...> В 1869 году он открыл периодический закон химических
элементов, а в 1887 году сформулировал гидратную теорию растворов. <...> Значительный вклад в развитие химической кинетики, теории растворов, электрохимии внесли В. <...> Глава 1
СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
ХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Физическая химия имеет дело с количественными законами химии, и поэтому одной
из ее основных задач является детальное
описание состояния любого вида атомов, ионов и молекул. <...> Простым системам отвечают идеальные растворы, которые количественно характеризуются законами Рауля и Вант-Гоффа (см. табл. <...>
Физическая_химия._Краткий_курс.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Б.Д. ЖУКОВ
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Краткий курс
Утверждено
Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2008
Стр.1
УДК 541.1(075.8)
Ж 86
Инновационная образовательная программа НГТУ
«Высокие технологии»
Рецензенты: С.И. Главчева, канд. эконом. наук, зав. каф. ТОПП;
А.В. Каменская, канд. физ.-мат. наук, доц.;
Н.Ф. Уваров, д-р хим. наук, проф.,
ведущий научн. сотрудник ИХТТМ СО РАН
Жуков Б.Д.
Ж 86 Физическая химия : краткий курс : учеб. пособие / Б.Д. Жуков.
Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2008. – 352 с. (Серия «Учебники НГТУ»).
ISBN 978-5-7782-1325-8
Излагаются основы равновесной химической термодинамики, химической
кинетики, учения о растворах, теории фазовых переходов и электрохимии.
Даны методические указания к решению задач по физической
химии и подборка контрольных заданий для самоконтроля. Словарь химических
терминов поможет лучше освоить учебный материал.
Пособие предназначено для студентов направлений «Новые материалы
и технологии», «Технология продуктов общественного питания»,
но может быть полезно студентам других специальностей, изучающим
основы физической химии.
УДК 541.1(075.8)
ISBN 978-5-7782-1325-8
© Жуков Б.Д., 2008
© Новосибирский государственный
технический университет, 2008
Стр.2
ОГЛАВЛЕНИЕ
От автора ............................................................................................................................... 5
Введение ............................................................................................................................... 6
Глава 1. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ ...... 9
1.1. Классификация химических систем .................................................................... 9
1.2. Характеристика важнейших химических систем ............................................ 15
1.2.1. Газовые смеси ............................................................................................... 18
1.2.2. Дисперсные системы .................................................................................... 19
1.2.3. Твердое тело .................................................................................................. 21
1.2.4. Истинные растворы ....................................................................................... 23
Примечания к главе 1 ................................................................................................. 29
Глава 2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ 31
2.1. Основные определения ........................................................................................ 32
2.2. Первый закон термодинамики ........................................................................... 49
2.2.1. Основные формулировки ............................................................................. 50
2.2.2. Термохимия ................................................................................................... 52
2.3. Второй закон термодинамики ............................................................................ 66
2.3.1. Формулировки второго закона термодинамики ......................................... 66
2.3.2. Статистический характер второго закона термодинамики ....................... 68
2.4. Третий закон термодинамики ............................................................................ 70
2.5. Основное уравнение термодинамики ................................................................ 72
2.5.1. Вывод основного уравнения термодинамики ............................................ 72
2.5.2. Использование термодинамических функций для построения
математического аппарата термодинамики ............................................... 74
2.5.3. Химический потенциал ................................................................................ 77
2.5.4. Общая формула термодинамических функций .......................................... 80
2.5.5. Свойства термодинамических функций ..................................................... 81
2.5.6. Соотношения физико-химических свойств системы и термодинамических
параметров ........................................................................... 84
Примечания к главе 2 ................................................................................................. 86
Глава 3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ ................ 90
3.1. Основные определения ....................................................................................... 92
3.2. Закон действующих масс ................................................................................... 97
Примечания к главе 3 ............................................................................................... 100
Стр.347
350
Глава 4. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ ................................................................. 101
4.1. Природа химического равновесия .................................................................. 102
4.2. Изотерма химической реакции ....................................................................... 105
4.3. Изобара химической реакции (зависимость константы равновесия
от температуры) ................................................................................................ 107
Глава 5. ТЕРМОДИНАМИКА МЕЖФАЗНЫХ ПЕРЕХОДОВ
И РАВНОВЕСИЙ ........................................................................................... 112
5.1 Основные понятия. Правило фаз ...................................................................... 112
5.2. Испарение и конденсация ................................................................................ 120
5.3. Растворение ....................................................................................................... 133
5.4. Плавление и кристаллизация ........................................................................... 140
5.5. Экстракция ......................................................................................................... 147
5.6.Физико-химический анализ .............................................................................. 150
Примечания к главе 5 ............................................................................................... 156
Глава 6. ИСТИННЫЕ РАСТВОРЫ ........................................................................... 159
6.1. Растворы неэлектролитов ................................................................................. 160
6.1.1. Обзор теорий растворов неэлектролитов .................................................. 160
6.1.2. Структура раствора и природа взаимодействий в растворе
неэлектролита ............................................................................................. 162
6.2. Растворы электролитов ..................................................................................... 163
6.2.1. Терминология, классификация и основные понятия ............................... 163
6.2.2. Специфика равновесия в растворах слабых электролитов ..................... 165
6.2.3. Обзор теорий растворов электролитов ..................................................... 167
6.2.4. Современная теория сильных электролитов ............................................ 168
6.2.5. Гидролиз солей ............................................................................................ 174
6.2.6. Буферирование физико-химических характеристик растворов ............. 177
6.2.7. Транспортные явления в растворах электролитов .................................... 183
Примечания к главе 6 ............................................................................................... 191
Глава 7. МЕХАНИЗМЫ И КИНЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ ................ 194
7.1. Кинетика простых химических реакций ......................................................... 194
7.2. Кинетика сложных химических реакций ......................................................... 200
7.2.1. Основные типы механизмов сложных химических реакций .................. 200
7.2.2. Характеристика стадий массообмена и адсорбции ................................. 202
7.2.3. Теории элементарного акта химических стадий ...................................... 206
7.3. Формальная кинетика ....................................................................................... 216
7.3.1. Основные принципы формальной кинетики ............................................ 216
7.3.2. Простые реакции ......................................................................................... 217
7.4. Каталитические реакции .................................................................................. 220
Стр.348
351
7.4.1.Общие признаки каталитических реакций ................................................ 220
7.4.2. Гетерогенный катализ ................................................................................ 221
7.4.3. Гомогенный катализ ................................................................................... 223
7.4.4. Ферментативный катализ ........................................................................... 224
7.5. Температурная зависимость скорости химической реакции ......................... 227
Примечания к главе 7 ............................................................................................... 230
Глава 8. Электрохимические процессы ..................................................................... 233
8.1. Общие понятия, представления об электродах .............................................. 233
8.2. Гальванические цепи ........................................................................................ 239
8.3. Соглашение о гальванических цепях и знаках электродных
потенциалов........................................................................................................ 243
8.4. Электропроводность растворов электролитов ............................................... 246
8.5. Соотношения электрических и термодинамических характеристик
гальванических цепей ....................................................................................... 253
8.6. Электролиз водных растворов .......................................................................... 257
8.7. Коррозия ............................................................................................................ 261
Примечания к главе 8 ............................................................................................... 268
Глава 9. Методические указания к решению задач ................................................. 270
9.1. Выбор алгоритма решения задачи .................................................................... 270
9.2. Термодинамика ................................................................................................. 271
9.2.1. Расчеты изменений энтальпий.................................................................... 273
9.2.2. Расчеты изменения энтропии ..................................................................... 277
9.2.3. Расчеты изменения энергии Гиббса ........................................................... 280
9.2.4. Типовые задачи ............................................................................................ 281
9.3. Химическая кинетика ....................................................................................... 288
9.3.1. Определение порядка химической реакции ............................................. 288
9.3.2. Типовые задачи ........................................................................................... 291
9.4. Химическое равновесие .................................................................................... 294
9.5. Электрохимия ..................................................................................................... 296
Комментарий к контрольным заданиям ......................................................................... 299
Ответы группы «а» ................................................................................................... 299
Ответы группы «б» ................................................................................................... 311
Ответы группы «в» .................................................................................................... 324
Библиографический список ..................................................................................... 330
Именной указатель ................................................................................................... 333
Глоссарий .................................................................................................................. 335
Стр.349