Электронно – методический комплекс по химии

Лекция 1. Физическая и коллоидная химия, содержание и задачи. Основные понятия и законы термодинамики. Термохимия.

1.Физическая химия – наука, объясняющая строение и химические превращения веществ на основе законов физики. Основная задача физической химии- исследование закономерностей протекания химических реакций во времени и установление химического равновесия при различных внешних условиях, что позволяет оптимально проводить химический процесс.

Для исследования химических явлений физхимия использует теоретические и экспериментальные методы физики и собственные методы:

1. квантово- механический – основан на свойствах частиц, составляющих молекулы, позволяет определить свойства молекул и природу химической связи;

2. термодинамический- основан на законах термодинамики, позволяющие выяснить свойства системы, не используя сведения о строении молекул и механизме процессов;

3. статистический- объясняет свойства веществ на основе свойств, составляющих эти вещества частиц;

4.кинетический- изучает зависимость скорости химических реакций от различных факторов, позволяет установить их механизм и создать теорию химических процессов.

Физическая химия является научной основой химической технологии, она позволяет:

- создавать вещества с определёнными заданными свойствами;

- создавать особо чистые вещества;

- разрабатывать новые источники энергии;

- решать проблемы очистки отходов различных производств;

- решать проблемы охраны окружающей среды;

- решать вопросы освоения малоиспользуемых пространств (Мировой океан, космос и т.д.)

18 век. М.В.Ломоносов (1752-1754гг) «Химик без знаний физики подобен человеку, который всего искать должен ощупом. И это две науки так едины между собой, что одна без другой в совершенстве быть не могут».

19век. Учёные отечественные:

Бекетов Н.Н.- Харьков,

Ф.М.Флавицкий- Казань,

В.Освальд- Тарту (Лейпциг)

И.А.Каблуков – Москва,

Д.И.Менделеев- С- Петербург.

Зарубежные учёные- Гиббс, Вант- Гофф, Аррениус, Нернст.

Конец 19- начало 20 вв.

Курнаков, Коновалов, Каблуков.

Физхимия – наука, изучающая строение веществ, химическую термодинамику, химическую кинетику, электрохимию.

20 век. Семёнов Н.Н. – Нобелевская премия 1956г.,

А.Н.Фрумкин, П.А.Ребиндер, А.А.Баландин.

Коллоидная химия (лат «колло»- клей)- наука, изучающая поверхностные явления и дисперсные системы. Дисперсные системы- окружающие реальные природные тела, состоящие из двух и более фаз.

Поверхностные явления- процессы, происходящие на границе раздела фаз; поверхностные явления обусловлены различием свойств самих контактирующих фаз, а также свойств поверхностного слоя, который образуется в результате таких взаимодействий.

Поверхностные явления распространены в химической техенологии:

- получение адсорбентов и катализаторов;

- очистка сточных вод;

- обогащение руд и т д.

Большую роль играют коллоидно - химические явления: смачивание, адсорбция, седиментация (осаждение), коагуляция и другие.

2.Термодинамика- наука, о термодинамических системах, находящихся в энергетическом или материальном взаимодействии.

Виды систем:

1. открытая система- возможен обмен веществом и энергией между системой и окружающей средой;

2. закрытая система- не существует обмена с окружающей средой веществом, но остался обмен энергией;

3. изолированная система- нет обмена веществом и энергией с окружающей средой.

Система, не имеющая внутренних поверхностей раздела, называется гомогенной.

Система, состоящая из нескольких фаз, отделённых поверхностями, называется гетерогенной. В гетерогенной системе каждая фаза является гомогенной.

1 закон термодинамики (закон сохранения энергии, применяемый к процессам, которые сопровождаются совершением работы, выделением или поглощением энергии):

- разные формы энергии переходят друг в друга в строго эквивалентных количествах;

- в любой изолированной системе общий запас энергии сохраняется постоянным;

- при постоянстве кинетической и потенциальной энергии теплота Q, поглощённая системой, расходуется на увеличение её внутренней энергии U и совершение системой работы A.

Q= дельтаU+A, где

Q- теплота, приведённая к системе или отведённая от системы,

дельтаU= U2-U1- изменение внутренней энергии в начале и конце процесса,

A- работа.

Процессы могут быть:

1. изобарный, т. е. давление постоянно, p= const, Qp=U2-U1+p(V2-V1), Q=H2-H1=дельтаH,

H- энтальпия, дельтаH=H2-H1.

2. изохорный, т. е. объём постоянен, V=const, Qv=дельтаU=U2-U1.

3. адиабатный, т. е. нет теплообмена, A=дельтаU=U2-U1.

Энтальпия- тепловой эффект процесса при постоянном давлении.

дельтаH(реакции)=? H(продукты реакции) -? H(исходных веществ).

дельтаH положительного значения указывает на эндотермический процесс,

дельтаH отрицательного значения указывает на экзотермический процесс.

3.Термохимия- раздел термодинамики, изучающий тепловые эффекты, сопровождающие химические реакции и фазовые превращения.

1 закон термодинамики (1780-1784гг.А.Л.Лавуазье, П.Лаплас)

Тепловой эффект образования данного соединения в точности равен, но обратен по знаку, тепловому эффекту его разложения.

2 закон термодинамики (Г.И.Гесс, 1840г)

Тепловой эффект- химической реакции не зависит от характера и последовательности отдельных её стадий и определяется только начальными и конечными продуктами реакции и их физическим состоянием (при постоянном давлении и объёме).

Стандартный тепловой эффект реакции протекает при стандартном давлении 1, 013 Па (760 мм.рт.ст.=1 атм), Т= 298, 15 К, 25 0С.

Энтропия- функция состояния системы, пропорциональна массе (количество вещества) и при наличии в системе нескольких компонентов.

дельтаS=S2-S1.

Sтв.в.> Sж> Sг. Энтропия- характеристика беспорядка (хаотичности) системы.

Если система изолирована U= const, v=const, дельтаU=0, дельтаV=0, дельтаS> 0.

Если система неизолирована 0 < дельтаS> 0.

Теплота (энтальпия) образования- количество теплоты, которое выделяется или поглощается при образовании 1 моль сложного вещества из простых веществ.

Ca (k)+1/2 O2(г)= CaO(k); дельтаH=-635 кДж/моль

1/2N2+1/2O2= NO; дельтаH=90, 4 кДж/моль

Теплота разложения- количество теплоты, которое выделяется или поглощается при разложении 1 моль сложного вещества на простые.

H2O=H2+1/2O2; дельтаH=285, 9 кДж/моль

NO=1/2N2+1/2O2; дельтаH=-90, 4 кДж/моль

Теплота сгорания- количество теплоты, которое выделяется при сгорании 1 моль вещества в токе кислорода.

С2Н2+21/2О2= 2СО2+Н2О; дельтаН=1301, 5 кДж/моль

Закон Гесса: тепловой эффект реакции равен разности между суммой теплот образования продуктов реакции и суммой теплот образования исходных веществ с учётом коэффициентов перед формулами веществ.

aA+ bB=cC+ dD, дельтаH= (c дельтаHC+d дельтаHD)- (a дельтаHA+b дельтаHB).

По 2 закону теплота и внутренняя энергия не могут полностью переходить в работу. При постоянной температуре U=F+G, где

F- полезная внутренняя энергия (свободная энергия),

G- непроизвольная внутренняя энергия (связанная).

Мерой связанной энергии является энтропия.

Изобарный потенциал G=H-TS, дельтаG=дельтаH-T дельтаS

если дельтаS< 0, дельтаH> 0, дельтаG> 0, процесс эндотермический,

если дельтаS> 0, дельтаH< 0, дельтаG< 0, процесс экзотермический.

Вопросы и задания для самоподготовки:

1. Что изучает физическая химия, задачи физической химии.

2. Сущность термодинамики, виды систем.

3. Понятие теплового эффекта химической реакции, сгорании, образования и разрушения вещества.

4. Законы термодинамики.

5. Термохимия.

6. Энтропия; экзо- и эндотермические процессы.