Роль русских ученых в развитии физической химии.

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Физическая химия — наука, объясняющая химические явления на основании физических принципов и зако­нов. В настоящее время она определилась как самостоятельная отрасль науки, обладающая специфическими методами исследова­ния. Физическая химия занимается многосторонним исследованием различных химических реакций и сопутствующих им физических процессов. Как пограничная наука, она изучает объект с несколь­ких сторон, учитывая диалектический характер взаимосвязи и взаимодействия сложных явлений материального мира.

Химические реакции тесно связаны с такими физическими про­цессами, как электрические явления, теплопередача, поглощение или излучение электромагнитных колебаний. Например, химические реакции, протекающие в гальванических элементах и аккумулято­рах, являются причиной возникновения электрического тока. Мно­гие химические реакции сопровождаются выделением или поглоще­нием энергии в виде теплоты, а возникновение других реакций обусловлено действием света. Так, поглощение солнечного света зе­леными растениями вызывает сложные реакции фотосинтеза, в результате которых из двуокиси углерода и воды образуются раз­личные органические соединения. Таким образом, физическая хи­мия решает наиболее общие вопросы химии, опираясь на физиче­ские законы и методы исследования.

Физическая химия включает несколько основных разделов.

Строение вещества. Этот раздел физической химии изучает связь между строением веществ и их физическими и химическими свойствами, а также агрегатные состояния веществ. Благодаря достижениям физики и квантовой механики при изучении атомов и молекул в этой области в последние годы наблюдаются значитель­ные успехи. Применение в экспериментальных работах новейших методов молекулярной спектроскопии (включая радиоспектроско­пию), а также рентгеноструктурного, электроннографического, электронномикроскопического и других методов исследования дало возможность получить новые данные о строении атомов и молекул, о природе сил, действующих между ними.

В учении об агрегатных состояниях рассматриваются вопро­сы взаимодействия молекул и важнейшие свойства веществ в га­зообразном, жидком и кристаллическом состояниях. Это учение получило свое развитие на базе кинетической теории материи и статистической физики.

Химическая термодинамика. На основе законов термодинамики осуществляются энергетические расчеты химических реакций и химического равновесия, а также определяется возможность и на­правление самопроизвольного течения того или иного химического процесса. Химическая термодинамика изучает фазовые переходы (растворение, испарение, кристаллизацию и др.), адсорбцию и т. п. Важным разделом химической термодинамики является термохи­мия, которая изучает тепловые эффекты химических реакций. Этот раздел физической химии имеет большое значение в народном хо­зяйстве, особенно в области промышленного синтеза.

Учение о растворах. В этом разделе изучаются молекулярные структуры растворов, различные их свойства, процессы образова­ния растворов и особенности протекающих в них реакций, а также вопросы растворимости.

Электрохимия. Рассматривает важнейшие процессы взаимного превращения электрической и химической форм движения материи, а также свойства и строение растворов электролитов, процессы электролиза, работу гальванических элементов, электрохимическую коррозию металлов, электросинтез веществ и др. В настоящее вре­мя электрохимические методы исследования и анализа приобрета­ют все большее значение в практике заводских, агрохимических, почвенных и других лабораторий.

Химическая кинетика. Она изучает скорости химических реак­ций и их зависимости от температуры, давления, концентрации, среды, перемешивания и т. д., а также вопросы катализа гомоген­ных и гетерогенных химических реакций и способы, позволяющие регулировать и направлять течение различных химических процес­сов и выход продуктов реакции. В этом разделе физической химии рассматривается также механизм действия биологических катали­заторов — ферментов.

Фотохимия. Фотохимия изучает процессы воздействия электро­магнитных излучений на ход химических превращений. Важными фотохимическими реакциями являются фотосинтез, люминесценция, фотографические и многие другие процессы. Фотохимия тесно свя­зана с учением о строении молекул, а также с химической кине­тикой.

Таковы основные разделы физической химии. Приведенное де­ление условно, поскольку каждый физико-химический процесс не только многогранен, но и тесно связан с целым рядом других яв­лений. Марксистско-ленинский диалектический метод учит, что любое явление материального мира необходимо рассматривать в его тесной и неразрывной связи с окружающими явлениями. Этим объясняется и возникновение физической химии и тесная взаимо­связь различных ее разделов.

Необходимо учесть, что всякое реальное движение материи сложно и едино, а разделение его на отдельные формы движения условно и относительно. В силу этого границы между основными разделами физической химии также приблизительны и условны.

Перечисленные разделы не охватывают всех областей физиче­ской химии. В последние годы в самостоятельные разделы выделе­ны магнетохимия, радиационная химия, физикохимия высокомоле­кулярных соединений и др.

Физическая химия не только всесторонне изучает и обобщает материал по различным разделам химии, она объединяет его, ана­лизирует и выводит общие закономерности развития вечно дви­жущейся материи. В этом заключается общенаучное значение фи­зической химии. Законы, открываемые ею, широко используются общей химией, биологией, геологией, агрохимией, почвоведением и многими прикладными науками.

Велико значение физической химии и методов ее исследования в развитии химической технологии. Знание физической химии дает инженеру возможность не только глубоко понять сущность хими­ческого процесса, лежащего в основе производства, но и созна­тельно выбирать и регулировать условия, наиболее благоприят­ные для проведения нужных процессов. Физическая химия позволя­ет предвидеть направление химической реакции, а также рассчи­тать теоретически выход ее продуктов.

. Производство новых и высокоэффективных удобрений, разработка и внед­рение химических способов борьбы с вредителями и болезнями рас­тений, улучшение водно-физических свойств почвы — эти вопросы могут быть успешно решены лишь на основе знания физической химии. Это убедительно доказали работы советских агрохимиков К. К. Гедройца и Д. Н. Прянишникова. На основании их обшир­ных и разносторонних исследований с применением методов физи­ческой химии было создано учение о почвенном поглощающем комп­лексе, которое получило широкое признание в нашей стране и за рубежом.

В настоящее время все большее распространение получают та­кие физико-химические методы исследования, как термический, рентгенографический, электронномикроскопический, инфракрасно-спектроскопический и многие другие, с помощью которых были получены весьма ценные данные о природе и строении почвенного поглощающего комплекса. Методы электрической проводимости, потенциометрии, криоскопии, фотометрии, эмиссионного анализа и другие также широко применяются в решении основных проблем агрономии.

Изучение с помощью физической химии фотохимических реак­ций позволяет глубже вникать в сущность сложных процессов фо­тосинтеза.

Как известно, из всей солнечной энергии, доходящей до поверх­ности Земли, энергия, усваиваемая в процессе фотосинтеза всей растительностью земного шара, составляет в среднем только 0,3%. Культурные растения используют солнечную энергию полнее, чем дикие. Используемая ими доля солнечной энергии составляет при­мерно 0,5—1,5%, а для таких культур, как рис, соевые бобы, сахарная свекла, сахарный тростник, кукуруза и некоторых других, 4— 5% от общего количества солнечной энергии, попадающей на посе­вы за вегетационный период. Есть основание считать, что полное раскрытие наукой механизма процесса фотосинтеза и овладение управлением им даст возможность повысить коэффициент исполь­зования солнечной энергии растениями в два-три раза и более.

Такие дисциплины, как агрохимия, почвоведение, физиология растений, микробиология, биохимия, земледелие, защита растений и многие другие, широко используют методы и основные теоретиче­ские положения физической химии.

Преподавание физической химии в сельскохозяйственных выс­ших учебных заведениях имеет свою специфику. Основной задачей курса является изучение теоретических основ этой науки, знаком­ство с физико-химическими методами исследования с целью их применения в решении основных вопросов сельского хозяйства.

Роль русских ученых в развитии физической химии.

Основателем физической химии является великий русский ученый М. В. Ло­моносов (1711 —1765). Ему принадлежит сам термин «физическая химия»; опре­деление задач этой науки было дано им еще в 1752 г., когда он приступил к чте­нию систематического курса физической химии для студентов Академии наук. Ломо­носовым было написано первое учебное пособие «Введение в истинную физическую химию», а также составлена программа экспериментальных работ — «Опыт физи­ческой химии» (1754).

Задачи, которые должна решать физическая химия, Ломоносов сформулиро­вал следующим образом: «Физическая химия есть наука, объясняющая на осно­вании положений и опытов физики то, что происходит в смешанных телах при химических операциях». Это определение очень близко к современному.

Ломоносов выдвинул и обосновал целый ряд положений, которые легли в ос­нову физической химии. Им впервые был открыт закон сохранения материи и движения — один из величайших законов природы.

Ломоносов создал стройную кинетическую теорию материи и объяснил тепло­ту как проявление движения молекул. Он первым указал на невозможность пере­хода теплоты от холодного тела к горячему и тем самым вплотную подошел к фор­мулировке второго закона термодинамики. Ломоносов впервые ввел в науку представление о молекулах и установил четкое различие между молекулами и атомами. Он объяснил природу газового состояния, высказал мысль о существо­вании абсолютного нуля температуры, дал правильное толкование процесса рас­творения как проявления взаимодействия молекул растворенного вещества с. мо­лекулами растворителя, выполнил целый ряд обстоятельных работ по изучению растворов.

Русский ученый Г. И. Гесс (1802—1850), профессор Горного института в Пе­тербурге, впервые сформулировал основной закон термохимии «о постоянстве сумм тепла» при химических реакциях. Этот закон, впоследствии названный его именем, следует рассматривать как одно из выражений открытого позднее перво­го закона термодинамики применительно к химическим реакциям.

Большая заслуга в развитии физической химии принадлежит русскому учено­му Н. Н. Бекетову (1826—1911), который с 1865 г. возобновил после Ломоносо­ва чтение курса физической химии; он впервые (1865) дал частную формулиров­ку закона действующих масс. Ему принадлежат работы по изучению восстанав­ливающей способности одних металлов по отношению к другим.

Первый в мире учебник по физической химии также был создан в России Н. Н. Любавиным (1845—1918).

Ценный вклад в развитие представлений о строении вещества внес основопо­ложник теории химического строения органических соединений А. М. Бутлеров (1828—1886).

Для развития химической науки вообще и для физической химии в частности огромное значение имело открытие Д. И. Менделеевым (1834—1907) периодиче­ского закона химических элементов (1869), впоследствии названного его именем. Этот закон позволил на основании знания химических свойств одних элементов предвидеть свойства других. Оценивая это открытие Д. И. Менделеева, Ф. Эн­гельс писал: «Менделеев, применив бессознательно гегелевский закон о переходе количества в качество, совершил научный подвиг, который смело можно поставить рядом с открытием Леверье, вычислившего орбиту еще не известной планеты — Нептуна». Менделеев является также автором гидратной теории растворов, на которой основаны современные исследования в области растворов.

Большое значение для развития сельского хозяйства в России имели труды Д. И. Менделеева в области агрохимии. Он впервые поставил задачу широкого ис­пользования химии для подъема отечественного сельского хозяйства. Если бы Мен­делеев не открыл и не разработал периодический закон химических элементов, его имя вошло бы в историю науки и народного хозяйства благодаря фундаменталь­ным трудам в области сельского хозяйства, особенно в области удобрений.

Известный русский ученый К. А. Тимирязев проходил сельскохозяйственную практику под руководством Д. И. Менделеева, а Д. Н. Прянишников был учени­ком и последователем К. А. Тимирязева. Благодаря такой преемственности воз­никло целое направление в отечественной агрохимии, которое сыграло выдающую­ся роль в широком творческом проникновении химии в сельское хозяйство, в его всесторонней химизации (выражение Д. Н. Прянишникова).

Большое значение для развития физической химии имели работы И. А. Каблукова (1857—1942), который, исходя из гидратной теории Д. И. Менделеева, ус­тановил явление гидратации ионов электролитов в водных растворах и сущность химического взаимодействия в процессах электролитической диссоциации (1891). Им впервые были выполнены работы по исследованию поведения электролитов в неводных растворах. Каблуков организовал первую кафедру физической химии в сельскохозяйственном вузе и начал читать систематический курс физической хи­мии будущим агрономам.

Работы Н. С. Курнакова — создателя физико-химического анализа, Н. Д. Зе­линского — основателя научной школы органического катализа, Н. А. Шилова, В. А. Кистяковского, Н. А. Изгарышева, а также других ученых заложили проч­ный фундамент в развитии физической химии. Крупный вклад в развитие физиче­ской химии внесли исследования Н. Н. Семенова, разработавшего теорию цепных разветвленных реакций, П. А. Ребиндера, А. Н. Фрумкина, М. М. Дубинина и дру­гих ученых, охватывающие область поверхностных и капиллярных яв­лений. В развитии коллоидной химии большое значение имеют исследования В. А. Каргина, С. М. Липатова, М. М. Дубинина, А. В. Думанского и Н. П. Пес­кова. Огромное практическое значение для повышения плодородия почв имели ис­следования К. К. Гедройца — создателя учения о почвенном коллоидно-химиче­ском комплексе, а также Д. Н. Прянишникова, основателя русской школы агрохимиков.

Изучение курса физической и коллоидной химии дает теоретическую основу для понимания таких дисциплин, как биохимия, микробиология, агрохимия, почвоведение и др., а знакомство с физико-химическими методами исследования позволяет шире использовать их для решения многих вопросов сельскохозяйственного производства.

Настоящее пособие включает в себя описание лабораторных работ по наиболее важным разделам курса физической и коллоидной химии. Кроме того, изучение физической и коллоидной химии дает богатейший материал для формирования научного мировоззрения студентов.

Перед выполнением лабораторных работ студенту необходимо изучить основные теоретические положения темы (руководствуясь вопросами самоподготовки), а также ознакомиться с методикой выполнения работы.

На занятиях, рассчитанных на 4 часа, осуществляется контроль знаний студентов, после чего дается индивидуальное задание. Составление отчета по выполненной работе делается по следующей форме:

1. Тема, название раздела.

2. Сущность и краткое описание теоретических положений (см. вопросы самоподготовки).

3. Задание. Название лабораторной работы.

4. Цель работы.

5. Методика выполнения работы, зарисовка схем установки и приборов.

6. Результаты экспериментальных измерений в таблицах.

7. Расчеты и, если требуется, графические построения.

8. Анализ результатов наблюдений.

9. Выводы согласно цели задания.

При работе в лабораториях физической и коллоидной химии необходимо соблюдать правила.

ПРАВИЛА РАБОТЫ В ЛАБОРАТОРИЯХ ФИЗИЧЕСКОЙ И КОЛЛОИДНОЙ ХИМИИ

В лаборатории необходимо находиться в халате, во время работы соблюдать чистоту и правила техники безопасности (см. плакаты и инструкции по технике безопасности).

Концентрированные кислоты и щелочи содержатся в склянках, снабженных капельницами.

Растворы разбавленных кислот и щелочей, аммиака и других вредных веществ следует отбирать цилиндрами или пипетками, непременно снабженными грушами.

Перед включением устройств и приборов необходимо проверить правильность составления схемы, исправность приборов, розеток и выключателей. Строго выполнять указания преподавателя.

Оборудование, детали к приборам и методические указания для выполнения работ получает дежурный группы у лаборанта или сам студент под студенческий билет или зачетную книжку.

По всем вопросам отсутствия на рабочих местах реактивов, посуды, а также неисправности приборов обращаться к дежурному лаборанту.

Бережно относиться к лабораторному оборудованию, приборам и посуде. Экономно расходовать реактивы, дистиллированную воду, фильтровальную бумагу и т.п. Экономить электроэнергию, холодную и горячую воду. По окончании работ не забывать выключать приборы, вымыть посуду, убрать рабочее место и сдать его лаборанту.