УДК 544(075) ББК 24.5я73 К88

Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Физическая химия» подготовлен в рамках реализации Программы развития федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» (СФУ) на 2007–2010 гг.

Рецензенты:

Красноярский краевой фонд науки; Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов дисциплин

К88	Кудряшева, Н. С.		[Электронный ресурс] : электрон. учеб.		пособие /
	Физическая	химия
	Н. С. Кудряшева. – Электрон. дан. (2 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, 2009. –
	(Физическая	химия :	УМКД № 144-2007 / рук.	творч.	коллектива
	Н. С. Кудряшева). – 1 электрон. опт. диск (DVD). – Систем. требования : Intel
	Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ; 512 Мб
	оперативной памяти ;		50 Мб свободного дискового	пространства ; привод

DVD ; операционная система Microsoft Windows XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Adobe Reader 7.0 (или аналогичный продукт для чтения файлов формата pdf).

ISBN 978-5-7638-1636-5 (комплекса)

ISBN 978-5-7638-1734-8 (учебного пособия)

Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320902460 (комплекса)

Настоящее издание является частью электронного учебно-методического комплекса по дисциплине «Физическая химия», включающего учебную программу дисциплины, методические указания по самостоятельной работе, методические указания к семинарским занятиям, контрольно-измерительные материалы «Физическая химия. Банк тестовых заданий», наглядное пособие «Физическая химия. Презентационные материалы».

В учебном пособии рассматриваются классические разделы физической химии: химическая термодинамика, понятие о фазовых равновесиях, химическое равновесие, термодинамика растворов, электрохимические процессы, кинетика химических реакций, коллоидные системы, приводятся примеры решения задач, связанных с биохимическими процессами, изложение материала адаптировано для студентов биологических специальностей.

Предназначено для студентов направления подготовки бакалавров 010700.62 «Физика» укрупненной группы 010000 «Физико-математические науки и фундаментальная информатика».

© Сибирский федеральный университет, 2009

Рекомендовано к изданию

Инновационно-методическим управлением СФУ Редактор И. Н. Байкина

Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр технологий электронного обучения Информационно-телекоммуникационного комплекса СФУ; лаборатория по разработке мультимедийных электронных образовательных ресурсов при КрЦНИТ

Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного продукта запрещается. Встречающиеся названия программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрированными товарными знаками тех или иных фирм.

Подп. к использованию 30.11.2009 Объем 2 Мб

Красноярск: СФУ, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ...................................................................	6
1. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА........................	8
1.1. Основныепонятияиопределения.....................................................	8
1.2. Идеальныегазы. Уравнениясостояниягазов.................................	9
1.3. Внутренняяэнергия, теплота, работа...............................................	10
1.4. Первыйзаконтермодинамики...........................................................	12
1.5. ЗаконГесса. СледствияиззаконаГесса........................................	15
ЗаконГесса...............................................................................................................	16
Стандартныетепловыеэффекты........................................................................	17
ПервоеследствиеиззаконаГесса.......................................................................	19
ВтороеследствиеиззаконаГесса.......................................................................	21
1.6. УравнениеКирхгофа. Зависимостьтепловогоэффектареакции
оттемпературы.............................................................................................	23
1.7. Второйзаконтермодинамики............................................................	26
Понятиеобэнтропии. Статистическаятермодинамикаифизическийсмысл
энтропии...................................................................................................................	27
Классическоевведениеэнтропиикактермодинамическойфункции............	30
Изменениеэнтропиикаккритерийсамопроизвольногопротеканияпроцесса
визолированнойсистеме......................................................................................	31
1.8. Абсолютноезначениеэнтропии. ПостулатПланка
(Третийзаконтермодинамики)..................................................................	33
1.9. ФундаментальноеуравнениеГиббса.
Термодинамическиепотенциалы.............................................................	35
1.10. ИзменениеэнергииГиббсавхимическихреакциях....................	37
1.11. Химическийпотенциал.......................................................................	43
2. ПОНЯТИЕ О ФАЗОВЫХ РАВНОВЕСИЯХ.............	45
2.1. ПравилофазГиббса............................................................................	45
2.2. Однокомпонентныесистемы.............................................................	46
Фазоваядиаграммаводы......................................................................................	47
Фазоваядиаграммасеры......................................................................................	49
2.3. УравнениеКлаузиуса– Клапейрона.................................................	50
2.4. Энтропияиспарения.............................................................................	52
3. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ...............................	53
3.1. Закондействиямасс. Константыравновесия................................	54
3.2. Изотермахимическойреакции(УравнениеВант-Гоффа)............	56

 Физическая химия. Учеб. пособие

3

ОГЛАВЛЕНИЕ
3.3. Зависимостьконстантыравновесияоттемпературы. Изобараи
изохорахимическойреакции....................................................................	58
4. ТЕРМОДИНАМИКА РАСТВОРОВ .........................	61
4.1. Образованиерастворов. Растворимость........................................	62
Растворимостьгазоввгазах.................................................................................	63
Растворимостьгазоввжидкостях.......................................................................	63
Взаимнаярастворимостьжидкостей...................................................................	64
Растворимостьтвердыхвеществвжидкостях.................................................	65
Связьмеждусоставомжидкогораствораипара. ЗаконыКоновалова........	66
4.2. Растворынеэлектролитов..................................................................	70
Давлениенасыщенногопараразбавленныхрастворов. ЗаконРауля..........	70
Давлениепараидеальныхиреальныхрастворов.
ОтклоненияотзаконаРауля.................................................................................	71
Температуракристаллизацииразбавленныхрастворов.................................	73
Температуракипенияразбавленныхрастворов...............................................	74
Осмотическоедавлениевразбавленныхрастворах.......................................	75
Понятиеактивностирастворенноговещества...................................................	78
Коллигативныесвойстварастворов...................................................................	78
4.3. Растворыэлектролитов......................................................................	79
Теорияэлектролитическойдиссоциации. Степеньдиссоциации..................	79
Слабыеэлектролиты. Константадиссоциации.................................................	80
Сильныеэлектролиты...........................................................................................	81
Электропроводностьрастворовэлектролитов.................................................	83
5. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ..................	85
5.1. Электрическиепотенциалынафазовыхграницах.......................	85
5.2. Гальваническийэлемент. ЭДСгальваническогоэлемента.........	86
5.3. Электродныйпотенциал. УравнениеНернста................................	88
5.4. Классификацияэлектродов................................................................	90
Электродыпервогоивторогорода.....................................................................	90
Электродысравнения............................................................................................	90
Индикаторныеэлектроды.....................................................................................	92
Окислительно-восстановительныеэлектроды.................................................	93
6. КИНЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ..................	95
6.1. Скоростьхимическойреакции...........................................................	95
6.2. Основнойпостулатхимическойкинетики
(закондействиямассвхимическойкинетике)......................................	97
Реакциинулевогопорядка....................................................................................	98
Реакциипервогопорядка......................................................................................	98
Реакциивторогопорядка.......................................................................................	98
Реакциитретьегопорядка.....................................................................................	99
6.3. Уравненияодностороннихреакцийразличныхпорядков..........	99
Реакциинулевогопорядка....................................................................................	99
 Физическая химия. Учеб. пособие	4

ОГЛАВЛЕНИЕ
Реакциипервогопорядка....................................................................................	100
Реакциивторогопорядка.....................................................................................	101
6.4. Молекулярностьэлементарныхреакций......................................	103
6.5. Методыопределенияпорядкареакции.........................................	104
6.6. Сложныереакциииихклассификация..........................................	105
Последовательныереакции................................................................................	105
Параллельныереакции........................................................................................	105
Сопряженныереакции.........................................................................................	105
Цепныереакции....................................................................................................	106
6.7. Зависимостьскоростиреакцииоттемпературы.
УравненияВант-ГоффаиАррениуса....................................................	107
6.8. Фотохимическиереакции..................................................................	110
6.9. Катализ..................................................................................................	112
6.10. Ферментативныереакции. УравнениеМихаэлиса....................	114
7. КОЛЛОИДНЫЕ СИСТЕМЫ .................................	118
7.1. Основныепонятия..............................................................................	118
7.2. Получениеисвойствадисперсныхсистем..................................	120
Методыполучения................................................................................................	120
Молекулярно-кинетическиесвойствадисперсныхсистем...........................	120
7.3. Молекулярныевзаимодействияиособыесвойстваповерхности
разделафаз. Поверхностноенатяжение..............................................	122
7.4. Адсорбция............................................................................................	125
УравнениеГиббса.................................................................................................	125
Адсорбциянаграницетвердоетело– газ........................................................	125
Адсорбцияизрастворов. Поверхностно-активныевещества(ПАВ)...........	126
7.5. Мицеллообразование.........................................................................	128
7.6. Двойнойэлектрическийслойиэлектрокинетическиеявления130
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.........................	133
ГЛОССАРИЙ............................................................	134

 Физическая химия. Учеб. пособие

5

ВВЕДЕНИЕ

Все известные химические реакции независимо от природы реагирующих веществ сопровождаются различными физическими явлениями – выделением или поглощением теплоты, света, изменением объема, возникновением электрического тока. В свою очередь, на химические реакции влияют и физические факторы – температура, давление, свет, радиация и т.д. Так, например, химические реакции в гальванических элементах являются причиной появления электрического тока, горение сопровождается выделением теплоты и света. Пример действия электрического тока – различные химические реакции при электролизе. Свет вызывает многие химические реакции, в том числе и сложные превращения, в результате которых из воды и диоксида углерода синтезируются углеводы (фотосинтез). Все это указывает на тесную взаимосвязь физических и химических явлений. Установление этой связи – основная задача физической химии.

Современная физическая химия разделяется на практически самостоятельные области – химическую термодинамику, химическую кинетику, электрохимию, фотохимию, учение о газах, растворах, химических и фазовых равновесиях, катализ. В качестве самостоятельных разделов физическая химия включает также квантовую, радиационную химию, фотохимию, кристаллохимию, учение о строении вещества, физико-химический анализ и др. Физическая химия является теоретической основой для исследований в областях неорганической химии, органической химии и аналитической химии, в разработке химической технологии.

Раздел физической химии – коллоидная химия – превратился в самостоятельную науку. Коллоидная химия изучает физико-химические свойства систем, в которых одно вещество в виде отдельных мелких частиц (от 10-4 до 10-7см) распределено в другом веществе. Частицы в таких системах имеют большую суммарную поверхность, что и определяет особые свойства коллоидных систем. Именно особые свойства поверхности раздела фаз и являются предметом изучения коллоидной химии. Коллоидную химию иногда называют «химией поверхностных явлений». В одном из ее разделов рассматривается физикохимия высокомолекулярных соединений. Природные полимеры (белки, целлюлоза, крахмал) и синтетические (полиэтилен, поливинилхлорид и др.) имеют молекулы, которые по размерам приближаются к коллоидным частицам.

Возникновение физической химии относится к средине XVIII в. и связано с именем Ломоносова. Он впервые дал определение физической химии как науки: «Физическая химия есть наука, объясняющая на основании положений и опытов физики то, что происходит в сложных телах при химических

 Физическая химия. Учеб. пособие

6

ВВЕДЕНИЕ

операциях». В 1752–1754 гг. Ломоносов читал лекции, содержание которых приведено в его работе «Введение в истинную физическую химию». Во всех своих работах по химии Ломоносов применял количественные методы исследования и указывал на необходимость знания физики и математики при изучении химии: «Химик без знания физики подобен человеку, который всего искать должен ощупом. И сии две науки так соединены между собой, что одна без другой в совершенстве быть не могут».

Впервые после Ломоносова преподавание курса физической химии ввел Бекетов, профессор Харьковского университета в 1860 г. Первый учебник по физической химии был издан также в России в 1876 г. профессором МГУ Н.Н. Любавиным.

ВЗападной Европе в 1887 г. (более чем через столетие после Ломоносова) немецкий ученый В. Оствальд начал читать курс физической химии в Лейпцигском университете. В этом же году начал издаваться журнал по физической химии, и эта наука получила официальное всемирное признание.

Годом возникновения коллоидной химии как науки считают 1861 г., когда английским ученым Гремом сформулированы основные представления

околлоидных системах и введен термин «коллоид». В России основоположником коллоидной химии был ботаник и химик Киевского университета И.Г. Борщов (1833–1878). В 1905 г. Д.И.Менделеев писал, что вопросы коллоидной химии «должно считать передовыми и могущими иметь большое значение во всей физике и химии». Большие заслуги в развитии физической и коллоидной химии принадлежат русским ученым Д.И. Менделееву, Д.П. Коновалову, Н.С. Курнакову, Н.А. Курнакову, Н.Н. Семенову, П.А. Ребиндеру, Н.А. Шилову, Н.П. Пескову, А.Н. Фрумкину, В.А. Каргину.

Изучение физической химии является одной из важнейших составляющих образовательного процесса современных специалистов, т.к. этот предмет предполагает выявление количественных связей между физическими и химическими явлениями, обеспечивает фундаментальные основы понимания механизмов функционирования природных объектов и механизмов воздействия токсичных соединений на различные процессы живой и неживой природы.

Вданном пособии освещены основные классические разделы физической химии, изложены ее основные законы, приводятся примеры их применения, как к химическим, так и биохимическим процессам. Уделяется внимание роли равновесий и самопроизвольных процессов в экосистемах, свойствам растворов, каталитическим процессам, включая ферментативные. Автор надеется, что данное пособие будет полезно студентам, специализирующимся в изучении биологических и экологических дисциплин.

 Физическая химия. Учеб. пособие

7