Также по теме

ХИМИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ

ХИМИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, раздел химии, в котором изучаются химические свойства веществ на основе физических свойств составляющих их атомов и молекул. Современная физическая химия – широкая междисциплинарная область, граничащая с различными разделами физики, биофизики и молекулярной биологии. Она имеет множество точек соприкосновения и с такими разделами химической науки, как органическая и неорганическая химия.

Отличительная особенность химического подхода (в противоположность физическому и биологическому) заключается в том, что в его рамках, наряду с описанием макроскопических явлений, объясняется их природа исходя из свойств отдельных молекул и взаимодействий между ними.

Новые инструментальные и методологические разработки в области физической химии находят применение в других разделах химии и смежных науках, например фармакологии и медицине. В качестве примеров можно привести электрохимические методы, инфракрасную (ИК-) и ультрафиолетовую (УФ-) спектроскопию, лазерную и магниторезонансную технику, которые широко используются в терапии и для диагностики различных заболеваний.

Основными разделами физической химии традиционно считаются: 1) химическая термодинамика; 2) кинетическая теория и статистическая термодинамика; 3) вопросы строения молекул и спектроскопия; 4) химическая кинетика.

Химическая термодинамика.

Химическая термодинамика непосредственно связана с применением термодинамики – науки о теплоте и ее превращениях – к проблеме химического равновесия. Суть проблемы формулируется следующим образом: если имеется смесь реагентов (система) и известны физические условия, в которых она находится (температура, давление, объем), то какие самопроизвольные химические и физические процессы могут привести эту систему к равновесию? Первый закон термодинамики гласит, что теплота есть одна из форм энергии и что полная энергия системы (вместе с ее окружением) остается неизменной. Таким образом, этот закон является одной из форм закона сохранения энергии. Согласно второму закону, самопроизвольно протекающий процесс приводит к возрастанию общей энтропии системы и ее окружения. Энтропия – это мера того количества энергии, которое система не может потратить на совершение полезной работы. Второй закон указывает направление, по которому пойдет реакция без каких-либо внешних воздействий. Чтобы изменить характер реакции (например, ее направление), нужно затратить энергию в той или иной форме. Таким образом, он налагает строгие ограничения на величину работы, которая может быть совершена в результате преобразования теплоты или химической энергии, выделяющихся в обратимом процессе.

Важными достижениями в химической термодинамике мы обязаны Дж.Гиббсу, который заложил теоретический фундамент этой науки, позволившей объединить в единое целое результаты, полученные многими исследователями предыдущего поколения. В рамках разработанного Гиббсом подхода не делается никаких допущений о микроскопической структуре материи, а рассматриваются равновесные свойства систем на макроуровне. Вот почему можно думать, что первый и второй законы термодинамики носят универсальный характер и останутся справедливыми даже тогда, когда мы узнаем гораздо больше о свойствах молекул и атомов.

Несмотря на то что законы химической термодинамики уже установлены, на макроскопическом уровне термодинамика – активно развивающаяся область науки. Большой практический интерес представляет термодинамическое описание некоторых необычных химических реакций и систем, а также применение термодинамических концепций к решению таких жизненно важных проблем, как получение энергии, утилизация отходов, использование теплоты, выделяющейся в некоторых технологических процессах. По мере того как синтезируются новые химические соединения и на их основе создаются новые материалы, возникает необходимость в определении их термодинамических характеристик (см. также ТЕПЛОТА; ТЕРМОДИНАМИКА; ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА).

Кинетическая теория и статистическая термодинамика.

Каковы изменения энергии и энтропии в ходе химических реакций? Ответ на этот вопрос дают кинетическая теория и статистическая термодинамика. Согласно кинетической теории, все вещества, в каком бы состоянии они ни находились – жидком, твердом или газообразном, – состоят из атомов, находящихся в постоянном движении. В твердых телах и жидкостях атомы так или иначе связаны друг с другом, а в газах практически свободны. Термодинамические свойства систем – уравнения состояния (соотношения, связывающие давление, объем, температуру и число атомов), теплоемкость, энтропия и другие величины – выводятся из представления о том, что движение атомов подчиняется законам классической, ньютоновской механики. Статистическая термодинамика расширяет это представление, полагая, что молекулы – основные единицы материи – ведут себя в соответствии с законами квантовой механики, а не классической физики. Квантовая механика - это математическая теория, описывающая свойства микромира исходя из допущения об их вероятностном характере. Так, физики говорят не о точном положении частицы в пространстве, а о вероятности нахождения ее в определенной области пространства. Кинетическая теория и статистическая термодинамика трактуют понятие энтропии на молекулярном уровне как меру неупорядоченности системы; эта мера определяется уравнением Больцмана, где S – энтропия, k – постоянная Больцмана W – число микроскопических состояний системы (см. также ЖИДКОСТЕЙ ТЕОРИЯ; КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА).