Перейти до вмісту

Фізична хімія

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Фазова діаграма, яка ілюструє термодинамічну рівновагу між твердою, рідкою та газоподібною фазами води.

Фізи́чна хі́мія — галузь науки, яка вивчає хімічні явища та процеси на основі загальних принципів фізики з використанням фізичних експериментальних методів.

На відміну від хімічної фізики, яка використовує мікроскопічний підхід, фізична хімія застосовує фізичні поняття для вивчення макро- і мезоскопічних систем. Проте, оскільки фізична хімія є міждисциплінарною наукою, класифікувати конкретне дослідження як чисто фізичне, хімічне, приналежне до фізичної хімії чи до хімічної фізики, часто доволі складно.

Історія

[ред. | ред. код]

Термін «фізична хімія», використаний Михайлом Ломоносовим у назві свого рукописного конспекта у XVIII столітті (рос. «Курс истинной физической химии», 1752 рік), мав описово-філософський зміст і означав спробу якісно пояснювати хімічні явища через загальні фізичні уявлення того часу (рух, тепло, вага, механіка). Він не базувався і не міг базуватися на законах, методах і математичному апараті, які визначають сучасну фізичну хімію, і яка почала зароджуватися в другій половині XIX ст. Хіміки того часу поділялися на «органіків» і «неорганіків», які постійно конфліктували. Хіміки-органіки дедалі більше зосереджувалися на синтезі нових сполук та їхньому композиційному аналізі. Розуміння між ними було ускладнене відсутністю таких понять, як стереохімія та ізомерія, нерозумінням природи хімічної спорідненості, не існувало узгодженої атомної теорії. 1860 року німецький хімік Авґуст Кекуле організував у Карлсруе, можливо, першу міжнародну наукову конференцію, яка мала узгодити трактування основних хімічних понять. Близько 140 хіміків, які приїхали на конференцію, так і не змогли прийти до згоди. Хіміки здебільшого не цікавилися такими питаннями, як природа та міцність хімічного зв'язку або швидкість реакцій; всі їхні зусилля були спрямовані на методи синтезу та складні спроби визначити кількість різних атомів у щойно синтезованій сполуці.[1]

Та був один вчений, Вільгельм Оствальд, який вважав, що хіміки занадто вузько зосереджуються на складі, структурі та властивостях речовин, які беруть участь у хімічних процесах, натомість потрібно вивчати умови, за яких утворюються та розкладаються сполуки, враховуючи хімічну спорідненість, рівноваги, швидкості реакції. 1887 року, у молодому віці 34 років, він посів кафедру хімії в Лейпцизькому університеті, одному з центрів німецьких досліджень. Він спочатку назвав свій інститут (так у Німеччині тоді називали кафедри) Інститутом загальної хімії; назва «фізична хімія» з'явилася трохи пізніше, і вже до кінця 1890-х років була широко вживаною. На думку Оствальда, фізика була необхідна для прогресу хімії, бо вже перейшла від описової стадії до визначення загальних законів явищ, чого ще не досягла хімія.[2]

У Лейпцигу Оствальд установив контакт із двома вченими, яких разом з ним уважають засновниками фізичної хімії: голландцем Якобом Вант-Гоффом (1852—1911) та шведом Сванте Арреніусом (1859—1927). Ван Гофф починав як хімік-органік, а на момент отримання докторського ступеня 1874 року вже заропонував модель тетраедричного атома вуглецю, що дало початок сучасній органічній стереохімії. З 1878 року він розпочав дослідження у галузі фізичній хімії, зокрема, динаміки реакцій, осмотичного тиску в розчинах та поліморфізму. 1901 року йому була присуджена перша Нобелівська премія з хімії.[3]

Арреніус розпочинав свою наукову кар'єру як фізик. Будучи професором фізики у Стокгольмі, представив дисертацію про електропровідність водних розчинів солей. 1903 року він отримав Нобелівську премію з хімії й був здивований, що не з фізики, бо дальше вважав себе фізиком. Його досягненням було визнання та доказ того, що солі при розчиненні у воді дисоціюють на заряджені частинки, які згодом стали називатися іонами. Арреніус також визнав, що іонна дисоціація може відбуватися без підведення струму, що на той час вимагало великої наукової відваги. Саме робота Арреніуса з іонної дисоціації зблизила його з Оствальдом, який одразу прийняв його ідеї та сприяв його кар'єрі. Учені-матеріалознавці цінують його також за рівняння швидкості хімічної реакції з експоненціальною залежністю від температури (1889). Насправді рівняння вперше запропонував Вант-Гофф, але Арреніус стверджував, що висновок Вант-Гоффа не був бездоганним (тепер рівняння називають на честь Арреніуса, а не Вант-Гоффа).[4]

Ще одним визначним вченим, який захопився вивченням іонів у розчинах був Вальтер Нернст, якого Оствальд запросив до співпраці у Лейпцигу. Нернст зосередився на теорії електрохімії, з часом опублікував книгу під назвою «Теоретична хімія з позицій правила Авогадро та термодинаміки»[5].[6]

Визначний внесок у становлення фізичної хімії зробив Джозая Віллард Ґіббз. Праці Гіббса заклали теоретичний фундамент фізичної хімії, надавши їй строгий термодинамічний апарат для опису хімічної рівноваги, фазових переходів і хімічних процесів, перетворивши її на математично обґрунтовану наукову дисципліну. Він увів поняття вільної енергії та хімічного потенціалу, що дозволило: формально описувати хімічну рівновагу; визначати напрям і границі хімічних реакцій; об’єднати хімічні, фазові та теплові явища в єдиній теорії. Сформульоване ним правило фаз стало базовим інструментом фізичної хімії та матеріалознавства, оскільки дало критерій для аналізу багатофазних систем, фазових діаграм. [7]

Сприйняття фізичної хімії як нової дисципліни на початку XX століття було підтверджене Нобелівськими преміями для трьох його засновників (Вант-Гофф — 1901, Арреніус — 1903, Оствальд — 1909), успішним промисловим застосуванням її ідей, визнанням в університетах (у міжвоєнний період фізична хімія міцно утвердилася у європейських і американських університетах). Перша кафедра фізичної хімії в Україні була створена у вересні 1900 року в Київському політехнічному інституті (нині НТУУ «КПІ ім. Ігоря Сікорського») під керівництвом професора Володимира Тимофєєва[8] Натомість, ще 1865 року курс фізичної хімії прочитав у Харківському університеті один із творців фізичної хімії академік Микола Бекетов, рік по тому — для інженерів у Харківському Технологічному інституті, що було на десятки років раніше, ніж у багатьох західноєвропейських університетах. Окрема кафедра фізичної хімії Харківському Технологічному інституті була створена пізніше 1926 року.[9][10]

Ще одним утвердженням фізичної хімії стало успішне створення нових присвячених їй наукових журналів після її поступового проникнення в існуючі хімічні журнали. Перший журнал, повністю присвячений фізичній хімії, був заснований Оствальдом і Вант-Гоффом 1887 року в Лейпцигу. Початкова назва журналу була нім. Zeitschrift für physikalische Chemie, Stöchiometrie und Verwandtschaftslehre (пізніше її скоротили до Zeitschrift für physikalische Chemie). Дев'ять років по тому в США Вайлдер Бенкрофт[en] (1867-1953), учень і послідовник Оствальда, заснував «Journal of Physical Chemistry».[11]

Розвиток спектроскопії, рентгенівських методів досліджень, методів електронного та ядерного магнітного резонансів надав хімікам нові інструменти й розширив можливості їхніх досліджень. Виникла можливість установлення взаємозв'язку між хімічною структурою та властивостями речовин. Квантова механіка призвела до появи квантової хімії.

У XX ст. методи фізичної хімії стали застосовуватися для вивчення колоїдів та поверхневих властивостей речовин, сформувалися колоїдна хімія та хімія поверхні. Завдяки розвитку ядерної фізики виникла також і ядерна хімія, серед задач якої виділяється проблема розділення ізотопів та використання радіоізотопів у радіохімії. Серед провідних дослідників у галузі фізичної хімії у XX ст. виділяються Ірвінг Ленгмюр та Лайнус Полінг.

Основні напрямки досліджень

[ред. | ред. код]

Основними напрямками досліджень фізичної хімії є:

Відмінність між фізичною хімією та хімічною фізикою

[ред. | ред. код]

Обидві ці науки знаходяться на стику між хімією та фізикою, іноді хімічну фізику включають до складу фізичної хімії. Провести чітку межу між цими науками не завжди можливо. Однак з достатнім ступенем точності цю відмінність можна визначити так:

  • фізична хімія розглядає сумарно процеси, що протікають з одночасною участю безлічі частинок;
  • хімічна фізика розглядає окремі частинки та взаємодію між ними, тобто конкретні атоми та молекули (таким чином, у ній немає місця поняття «ідеальний газ», яке широко використовується у фізхімії).

Розділи фізичної хімії

[ред. | ред. код]
  • Теоретична хімія — дослідження та передбачення властивостей окремих молекул чи макроскопічних кількостей речовини за допомогою математичного апарату та комп'ютерних симуляцій. Для розуміння будови матерії та хімічного зв'язку використовують квантову механіку, а статистична термодинаміка дозволяє знайти взаємозв'язок із хімічною термодинамікою макроскопічних об'єктів.
  • Будова речовини, властивості молекул, іонів, радикалів, природу хімічного зв'язку — у цей розділ входить вчення про будову атомів і молекул і вчення про агрегатні стани речовини. Вчення про будову атома, що відноситься більшою мірою до фізики, в курсах фізичної хімії необхідне для з'ясування питань утворення молекул з атомів, природи хімічного зв'язку.
  • Хімічна термодинаміка — в цьому розділі фізичної хімії розглядаються основні співвідношення, що випливають з першого закону термодинаміки, які дозволяють розрахувати кількість теплоти, що виділяється або поглинається і визначити, як буде впливати на це зміна зовнішніх умов. На основі другого закону термодинаміки визначається можливість самовільного перебігу процесу, а також умови положення рівноваги і його зміщення під впливом зміни зовнішніх умов. У цьому розділі також можна виділити кілька підрозділів:
    • Термодинаміка газів
    • Термодинаміка розчинів розглядає природу розчинів, їх внутрішню структуру і найважливіші властивості, залежність властивостей від концентрації і хімічної природи компонентів та питання розчинності.
    • Термодинаміка адсорбції
    • Статистична термодинаміка дозволяє отримувати термодинамічні параметри системи виходячи з будови компонентів системи та зовнішніх умов.
  • Хімічна кінетика — вивчає швидкість хімічних реакцій, її залежність від зовнішніх умов (температура, концентрація). Є одним з найважливіших розділів хімії, показує який саме продукт утворюється в складній системі
  • Електрохімія вивчає деякі особливості властивостей розчинів електролітів, електропровідність розчинів, процеси електролізу речовини.
  • Звукохімія (акустохімія) вивчає хімічні процеси, що протікають при дії звукових хвиль.
  • Потенціометрія — область фізичної хімії, що використовує різні електрохімічні і термодинамічні методи, також методи аналітичної хімії.
  • Спектроскопія — загальне поняття, що охоплює клас експериментальних досліджень, які вивчають як зразки речовини віддають чи адсорбують енергію у формах електромагнітного випромінювання (радіохвилі, світлові, інфрачервоні, ультрафіолетові-, рентгенівські промені тощо). Метою спектроскопії на основі отриманого спектра зробити висновки про внутрішню структуру речовини, її склад чи динаміку процесів у матерії.

Методи фізичної хімії

[ред. | ред. код]

При вивченні закономірностей фізичних та хімічних процесів прагнуть їх кількісного вираження, при цьому користуються різними методами[12].

Метод статистичної механіки, що спирається на вчення про молекулярну природу тіл і розглядає властивості речовини, яка складається з великої сукупності частинок, виходячи із законів руху і властивостей окремих частинок та їх розподілу, яке описується відповідно до теорії ймовірностей. Цей метод дозволяє поставити у відповідність макроскопічні властивості тіл з мікроскопічними властивостями молекул. Метод статистичної механіки дозволяє обґрунтувати поняття і закони термодинаміки. Всі ці поняття формулюються як результат опису досліду без проникнення в молекулярний механізм процесів. Метод застосовується для розв'язання завдань хімічної кінетики і каталізу, рівноваги та її зміщення, кінетики адсорбційних процесів, кінетики процесів колоїдних розчинів.

Метод термодинаміки, який полягає у знаходженні зв'язків між різними термодинамічними величинами, які визначають стан термодинамічної системи, і формами перетворення енергії системи без розгляду механізму процесів. Цей метод дає змогу знайти відповідь на низку важливих питань, таких як перетворення різних форм енергій у хімічних процеса,; про напрям і характер хімічних процесів та фазових переходів, про хімічну рівновагу. Метод використовують у хімічній термодинаміці, теорії розчинів, електрохімії, хімії колоїдного стану речовини та високомолекулярних сполук.

Сумісне використання статистичних і термодинамічних методів привело до створення статистичної термодинаміки.

Метод квантової механіки, який базується на корпускулярно-хвильовому уявленні про будову матерії, у першу чергу про будову атомів і молекул, дискретності енергії станів. Метод дозволяє пояснити властивості молекул і твердих тіл на основі законів руху і властивостей складових їх частинок, насамперед електронів. Квантово-механічний метод застосовується при вивченні будови речовини.

Провідні наукові журнали

[ред. | ред. код]

До переліку провідних наукових журналів входять:

Фізична хімія в Україні

[ред. | ред. код]

В Україні дослідження з фізичної хімії проводяться в Інституті фізичної хімії НАН України, Інституті колоїдної хімії та хімії води, в інших науково-дослідних і науково-технічних інститутах, на хімічних факультетах університетів.

Значення фізичної хімії у техніці та повсякденному житті

[ред. | ред. код]

Фізична хімія охоплює дослідження багатьох об'єктів із значним потенціалом їх використання у техніці та повсякденному житті та життєдіяльності людини.

Див. також

[ред. | ред. код]

Примітки

[ред. | ред. код]
  1. ↑ Cahn, 2001, pp. 23, 24.
  2. ↑ Cahn, 2001, p. 25.
  3. ↑ Cahn, 2001, p. 26.
  4. ↑ Cahn, 2001, p. 27.
  5. ↑ Nernst, Walther. Theoretische Chemie vom Standpunkte der Avogadroschen Regel und der Thermodynamik. — Stuttgart : Ferdinand Enke, 1893.
  6. ↑ Benjamin Johnson. [https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-85532-1_13 Making Ammonia. The Role of Physical Chemistry as a Theory]. — Springer Nature. — 2012. — P. 157-162. — ISBN 978-3-030-85531-4.
  7. ↑ Peter Atkins, Julio de Paula. Atkin's Physical Chemistry. — New York : W. H. Freeman and Company, 2006. — P. 77-109. — ISBN 0-7167-8759-8.
  8. ↑ Коротка історія створення хімічного факультету КПІ. kfh.kpi.ua.
  9. ↑ School of Chemistry. karazin.ua.
  10. ↑ Історія кафедри: Кафедра фізичної хімії. web.kpi.kharkov.ua.
  11. ↑ Cahn, 2001, p. 29.
  12. ↑ Сіренко Г. О., Кузишин О. В. Фізична і колоїдна хемія: Курс лекцій. [Архівовано 29 березня 2017 у Wayback Machine.] — Івано-Франківськ: Прикарп. нац. ун-т ім. В. Стефаника, 2015. — 167 с.

Література

[ред. | ред. код]
  • Гомонай В. І., Гомонай О. В. Фізична хімія. — Ужгород : Патент, 2004. — 712 с.
  • Ковальчук Є. П., Решетняк О. В. Фізична хімія: Підручник. — Львів: Видавничий центр ЛНУ імені Івана Франка, 2007. — 800 с. — ISBN 978-966-613-540-0
  • Фізична хімія: підруч. для студ. вищ. навч. закл. / В. Л. Чумак, С. В. Іванов. — К. : Кн. вид-во НАУ, 2007. — 646 с. : рис., табл. — ISBN 978-966-598-403-0
  • Фізична хімія: навч. посіб. Ч. 1 / Ю. А. Раєвський, Ю. Я. Ван-Чин-Сян, В. М. Дібрівний. — Львів: Видавництво НУ «Львівська політехніка», 2010. — 120 с.
  • Фізична хімія: навч. посіб. для студ. баз. напряму «Хім. технологія». Ч. 2 / Ю. А. Раєвський, Ю. Я. Ван-Чин-Сян, В. М. Дібрівний, Г. В. Мельник ; М-во освіти і науки України, Нац. ун-т «Львів. політехніка». — Л. : Вид-во Нац. ун-ту «Львів. політехніка», 2010. — 134 с. : іл. — Бібліогр.: с. 132 (13 назв). — ISBN 978-966-553-810-3
  • ВАК України. Паспорт спеціальності. N 17-09/1 від 29.01.98
  • Robert W. Cahn. The Coming of Materials Science. — Pergamon Matersals Series. — Pergamon, 2001. — Vol. 5. — 571 p.

Посилання

[ред. | ред. код]
Отримано з https://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=Фізична_хімія&oldid=47584798