Возникновение физической химии. М. В. Ломоносов.

Предмет изучения физической химии

Физическая химия является основным теоретическим фундаментом современной химии, использующим теоретические методы таких важнейших разделов физики, как квантовая механика, статистическая физика и термодинамика, нелинейная динамика, теория поля и др. Она включает учение о строении вещества, в том числе: о строении молекул, химическую термодинамику, химическую кинетику и катализ. В качестве отдельных разделов в физической химии выделяют также электрохимию, фотохимию, физическую химию поверхностных явлений (в том числе адсорбцию), радиационную химию, учение о коррозии металлов, физико-химию высокомолекулярных соединений и др. Весьма близко примыкают к физической химии и подчас рассматриваются как её самостоятельные разделы коллоидная химия, физико-химический анализ и квантовая химия. Большинство разделов физической химии имеет достаточно чёткие границы по объектам и методам исследования, по методологическим особенностям и используемому аппарату.

Различие между физической химией и химической физикой

Обе эти науки находятся на стыке между химией и физикой, иногда химическую физику включают в состав физической химии. Провести чёткую границу между этими науками не всегда возможно. Однако с достаточной степенью точности это отличие можно определить следующим образом:

физическая химия рассматривает суммарно процессы, протекающие с одновременным участием множества частиц;

химическая физика рассматривает отдельные частицы и взаимодействие между ними, то есть конкретные атомы и молекулы (таким образом, в ней нет места понятию «идеальный газ», которое широко используется в физхимии).

История физической химии

Возникновение физической химии. М. В. Ломоносов.

История развития науки показывает, что сочетание методов (и выводов) двух научных дисциплин часто бывает весьма плодотворным, в особенности при исследовании вопросов, относящихся к промежуточной области. Физическая химия возникла и развивалась в первое время на основе применения физических методов исследования и физических теорий для изучения химических свойств веществ и химических процессов, а также изучения влияния химического состава веществ, их строения и условий существования на их физические свойства. Впоследствии, обладая уже обширным фондом новых экспериментальных данных и развивая собственные теоретические обобщения и выводы, физическая химия продолжала успешно использовать вместе с тем и экспериментальные данные, методы эксперимента и теоретические выводы и физики, и химии.

Возникновение физической химии относится к середине XVIII в. — к тому периоду, когда развитие знаний в области физики и химии создало основу для выделения и дальнейшего развития физической химии как самостоятельной научной дисциплины. Первый в мире курс физической химии был создан нашим великим соотечественником Михаилом Васильевичем Ломоносовым (1711 —1765) на основе успешно проведенных им многочисленных физико-химических исследований.

Само определение химии как науки о качествах и изменениях тел, данное Ломоносовым (1741), принципиально отличалось от принятых в то время определений химии как науки о свойствах тел. Здесь, как и в других вопросах, Ломоносов подчеркивал значение изменения, т. е. движения материи.

Вместе с тем, рассматривая процессы движения, он указывал, что «никакое движение в природе не может происходить без материи» (1744).

Огромной заслугой Ломоносова было то, что он первый количественно обосновал основной закон химических превращений — закон сохранения массы вещества. Уже тогда Ломоносов подошел к обобщенному определению принципа сохранения материи и движения, получившего ныне всестороннее доказательство и признание как всеобщего закона природы. Впервые Ломоносов формулировал этот закон в 1748 г.

Огромное влияние на формирование правильных представлений о природе химической валентности и химическом строении вещества оказали работы Александра Михайловича Бутлерова (1828—1886). Он является создателем теории химического строения (1861), на основе которой развилась современная органическая химия. Его теория строения приводит к химическим формулам, отражающим относительное расположение и взаимосвязь атомов в молекулах данного соединения. Эта теория позволяет установить взаимное влияние атомов в молекуле, в том числе и тех, которые связаны между собой не непосредственно, а через другие атомы.

Для развития физической химии, как и вообще всей химии, огромное значение имели работы Дмитрия Ивановича Менделеева (1834—1907) и прежде всего открытие им знаменитого периодического закона (1869), впервые показавшего единство природы различных химических элементов. Этот закон дал возможность, пользуясь экспериментальными данными о свойствах одних элементов и их соединений, предвидеть эти свойства для других элементов и соединений.

Разделы физической химии

Содержание курса физической химии обычно делят на несколько основных разделов, характеризующих направление этой науки и определяющих ее предмет. Важнейшие из этих разделов охватывают ряд вопросов.

Учение о строении вещества, свойствах молекул, ионов, радикалов, природе химической связи — В этот раздел входит учение о строении атомов и молекул и учение об агрегатных состояниях вещества. Учение о строении атома, относящееся в большей степени к физике, в курсах физической химии необходимо для выяснения вопросов образования молекул из атомов, природы химической связи.

Химическая термодинамика — В этом разделе физической химии рассматриваются основные соотношения, вытекающие из первого закона термодинамики, которые позволяют рассчитать количество выделяемой или поглощаемой теплоты и определить, как будет влиять на него изменение внешних условий. На основе второго закона термодинамики определяется возможность самопроизвольного течения процесса, а также условия положения равновесия и его смещения под влиянием изменения внешних условий. Внутри данного раздела можно выделить несколько подразделов:

Термодинамика газов

Термодинамика растворов рассматривает природу растворов, их внутреннюю структуру и важнейшие свойства, зависимость свойств от концентрации и химической природы компонентов и вопросы растворимости.

Термодинамика адсорбции

Статистическая термодинамика позволяет получать термодинамические параметры системы исходя из строения компонентов системы и внешних условий.

Химическая кинетика — изучает скорость химических реакций, её зависимость от внешних условий (температура, концентрации). Является одним из важнейших разделов химии, показывает какой именно продукт образуется в сложной системе

Электрохимия изучает некоторые особенности свойств растворов электролитов, электропроводность растворов, процессы электролиза)

Звукохимия (акустохимия) изучает химические процессы, протекающие при действии звуковых волн.

Потенциометрия — междисциплинарная область физической химии, подразумевающая использование различных электрохимических и термодинамических методов, методов аналитической химии, — широко применяемых в научных исследованиях различной принадлежности, — в производственной практике; в том числе — ионометрии, pH-метрии, а также при создании измерительной аппаратуры используемой в них

Коллоидная химия

Колло́идная хи́мия (др.-греч. κόλλα — клей) — традиционное название физической химии дисперсных систем и поверхностных явлений, возникающих на границе раздела фаз.

Современная коллоидная химия — это наука «на стыке» химии, физики, биологии. Особое междисциплинарное положение коллоидной химии подчёркивается тем, что в зарубежной литературе часто используют название «коллоидная наука».

Коллоидная химия — наука о дисперсных системах и поверхностных явлениях. Изучает адгезию, адсорбцию, смачивание, коагуляцию, электрофорез. Разрабатывает технологии строительных материалов, бурения горных пород, зол-гель технологии. Играет фундаментальную роль в нанотехнологии.

Коллоидная химия как наука имеет небольшую историю, однако свойства коллоидных систем и коллоидно-химические процессы человек использовал с давних времён. Это, например, такие ремёсла, как получение красок, керамики, глазури, прядение льна, хлопка, шерсти, выделывание кож.

Основоположником коллоидной химии принято считать Т. Грэма, выполнившего в 60-х годах XIX века первые систематические исследования коллоидных систем (золей). Ему же принадлежит и введение термина «коллоид». Впоследствии коллоидная химия включила в себя результаты, полученные в других областях физики и химии, и в конце XIX — начале XX веков сформировалась в самостоятельный раздел химии.

СТРОЕНИЕ АТОМА

Атомно-молекулярное учение. Представление об атомах как о мельчайших неделимых уже дальше частицах, из которых состоят все вещества, возникло и сформировалось впервые в V в. до нашей эры в трудах древнегреческих философов Левкиппа, Демокрита и позднее Эпикура и др. Это представление было чисто умозрительным, не основанным на опытных данных. В дальнейшем оно было надолго вытеснено возникшим примерно в ту же эпоху учением Аристотеля об элементах. Длительному господству учения Аристотеля в немалой степени способствовало то, что оно было возведено в догмат католической церковью, которая всякие попытки возродить атомистические представления подавляла как еретические. Лишь в XVI в. с учением об атомах открыто выступил Джордано Бруно. В 1626 г. парижский парламент декретировал запрещение (под страхом смертной казни) заниматься корпускулярной теорией, как тогда называлось атомное учение. Однако, учение об атомах как научная гипотеза уже разрабатывалось в XVII в. Декартом, Гассенди, Ньютоном и другими учеными.

Дальнейшее значительное развитие атомное учение получило в работах М. В. Ломоносова, который считал атом не просто мельчайшей частицей, а частицей, обладающей определенными (для данного элемента) химическими свойствами. Он впервые указал на различие между атомами и молекулами и рассматривал молекулы как мельчайшие частицы данного вещества, обладающие тем же составом, что и вещество в целом. Ломоносов считал, что молекулы данного вещества одинаковы и состоят из одинакового числа соответствующих атомов, взаимно соединенных между собой одинаковым образом. Его работы в области атомно-молекулярного учения не были приняты учеными того времени, но нашли блестящее подтверждение в последующем развитии науки.

В первый период развития атомно-молекулярной теории основные положения ее в сущности мало отличались от взглядов, высказанных Ломоносовым.

Развитие количественных методов исследования в химии связано с определением относительных масс атомов и молекул и введением величин грамм-атома и грамм-молекулы (моля). В настоящее время термину «моль» присвоено более широкое содержание. Он охватывает теперь понятия грамм-молекулы, грамм-атома, грамм-иона, грамм-радикала, грамм-эквивалента и др.

Согласно решениям соответствующих международных организаций величина моль может быть определена следующим образом.

Моль — это такое количество вещества или частиц данного вида, которое содержит столько же частиц данного вида, сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода ¹²С.

Вводится следующее различие в употреблении понятий «масса» и «.количество» вещества.

Масса вещества выражается числом килограммов (или граммов и пр.), а количество вещества или частиц выражается числом молей (или киломолей и пр.).

Атом водорода.Первая количественная теория атома была разработана Бором для наиболее простого из атомов — атома водорода. В 1913 г. он опубликовал результаты теоретического расчета модели атома водорода, прекрасно подтверждающиеся экспериментальными данными о спектре водорода. Теория эта основывалась на некоторых допущениях (постулатах), которые нельзя было тогда доказать, но правильность их подтверждалась данными опыта. Позднее в несколько другой интерпретации эти постулаты получили обоснование в выводах квантовой механики. Указанные постулаты могут быть сведены к следующему: