uzluga.ru
добавить свой файл
1



RAR0571 Füüsikaline keemia

  • RAR0571 Füüsikaline keemia

  • 6 EAP

  • 4-0-1, экзамен

  • 64 часа лекций, 16 часов упражнений

  • классные контрольные работы

  • домашние работы

  • RAR0572 Füüsikaline keemia – praktikum, 3 EAP, 2 часа в неделю, всего 32 часа, зачет (без оценки)



Физическая химия – наука, которая изучает взаимосвязи химических процессов и физических явлений, которые их сопровождают; устанавливает закономерности между химическим составом, строением вещества и его свойствами; исследует механизм и скорость химических реакций в зависимости от условий их протекания.

  • Физическая химия – наука, которая изучает взаимосвязи химических процессов и физических явлений, которые их сопровождают; устанавливает закономерности между химическим составом, строением вещества и его свойствами; исследует механизм и скорость химических реакций в зависимости от условий их протекания.

  • Физическая химия изучает химические свойства веществ на основе физических свойств составляющих их атомов и молекул.



Объектами изучения физической химии являются любые системы, в которых могут протекать химические превращения.

  • Объектами изучения физической химии являются любые системы, в которых могут протекать химические превращения.

  • Основная задача физической химии – изучить и объяснить закономерности протекания химических процессов, определить их направленность, изучить влияние на них среды, примесей, а также условия получения максимального выхода продуктов.

  • Теоретической основой физической химии являются общие законы физики.



Учение об агрегатных состояниях вещества

  • Учение об агрегатных состояниях вещества

  • Химическая термодинамика

  • Учение о растворах

  • Электрохимия

  • Химическая кинетика

  • Коллоидная химия



Веществом является совокупность большого количества частиц (атомов, молекул, ионов).

  • Веществом является совокупность большого количества частиц (атомов, молекул, ионов).

  • Вещество может существовать и иметь определенное строение только за счет тех или иных взаимодействий (сил притяжения и отталкивания) между составляющими его частицами.

  • Структура вещества, его физические свойства очень сильно зависят от энергии этих взаимодействий и её соотношения с тепловой энергией движения частиц.



Основные формы, в которых существует вещество, называют агрегатными или фазовыми состояниями.

  • Основные формы, в которых существует вещество, называют агрегатными или фазовыми состояниями.

  • Агрегатное состояние вещества – форма существования вещества, зависящая от расстояния между частицами и взаимодействия между ними.

  • Газообразное, жидкое, твердое, плазма

  • Для большинства веществ существуют три основных состояния, переход между которыми осуществляется при изменении температуры: газ, жидкость, твёрдое.



Газ (греч. chaos – хаос; англ. gas) – состояние вещества, при котором составляющие его частицы свободно движутся в любых направлениях. Силы сцепления между частицами ничтожно малы; частицы находятся сравнительно далеко друг от друга. Газ не имеет ни постоянной формы, ни постоянного объёма. Газ равномерно заполняет любой доступный объём.

  • Газ (греч. chaos – хаос; англ. gas) – состояние вещества, при котором составляющие его частицы свободно движутся в любых направлениях. Силы сцепления между частицами ничтожно малы; частицы находятся сравнительно далеко друг от друга. Газ не имеет ни постоянной формы, ни постоянного объёма. Газ равномерно заполняет любой доступный объём.

  • Жидкость (англ. liguid, fluid) – состояние вещества, при котором силы сцепления между частицами достаточны для того, чтобы держаться вместе, рядом друг с другом. Расстояния между частицами очень близкие. Жидкость имеет фиксированный объём, но может растекаться, принимая форму сосуда, в котором содержится. Жидкое состояние является промежуточным между газообразным и твёрдым.

  • Твёрдое состояние (англ. solid) – состояние вещества, в котором вещество имеет постоянную форму и объём. Силы сцепления между молекулами достаточно сильны; расстояния между частицами очень маленькие.





Для любого вещества существует одна форма газообразного состояния и одна форма жидкого состояния

  • Для любого вещества существует одна форма газообразного состояния и одна форма жидкого состояния

  • Твердому состоянию вещества могут отвечать несколько форм (модификаций), отличающихся по строению и свойствам – полиморфизм.

  • Полиморфные состояния простых веществ называются аллотропными модификациями.

  • Твёрдое и жидкое состояние называют конденсированным состоянием



Фазовый переход – переход вещества из одного агрегатного состояния в другое

  • Фазовый переход – переход вещества из одного агрегатного состояния в другое

  • Ж-Г парообразование (испарение)

  • Т-Г возгонка (сублимация)

  • Г-Ж сжижение (конденсация)

  • Г-Т десублимация (конденсация)

  • Т-Ж плавление

  • Ж-Т отвердевание (замерзание,

  • кристаллизация)

  • Фазовые переходы сопровождаются

  • поглощением или выделением теплоты



Физические величины, характеризующие макроскопическое состояние тел, называются параметрами состояния.

  • Физические величины, характеризующие макроскопическое состояние тел, называются параметрами состояния.

  • Основными параметрами состояния являются

  • давление p

  • температура T, t, Θ

  • удельный объём Vуд



Давлением p газа, жидкости или твердого тела, т.е. среды или вещества, называют силу, равномерно действующую на площадь поверхности

  • Давлением p газа, жидкости или твердого тела, т.е. среды или вещества, называют силу, равномерно действующую на площадь поверхности

  • В системе SI единицей измерения давления является паскаль, Па, Pa

  • Атмосферное давление над уровнем моря равно 10⁵ Па (100 кПа)

  • Другие единицы измерения давления: атмосфера (атм), бар (бар), мм ртутного столба (мм рт. ст. , мм Hg, торр), мм водяного столба (мм вод. ст., мм Н₂O), фунт на квадратный дюйм (PSI – pounds per square inch)

  • Домашнее задание: составить таблицу коэффициентов пересчёта единиц измерения давления



Давление окружающей среды, например, атмосферного воздуха, называется барометрическим (рб или ратм); измеряют прибором, называемым барометром

  • Давление окружающей среды, например, атмосферного воздуха, называется барометрическим (рб или ратм); измеряют прибором, называемым барометром

  • Давление выше барометрического называют избыточным или манометрическим (ризб, рман); измеряют прибором, называемым манометром

  • Давление ниже барометрического называют вакуумом или разрежением (рвак); измеряют прибором, называемым вакуумметром







Температура - мера нагретости тела.

  • Температура - мера нагретости тела.

  • Температура - показатель величины кинетической энергии молекул; молекулы движутся тем быстрее, чем выше температура, и всякое движение прекращается при абсолютном нуле.

  • В международной практике применяют две температурные шкалы: термодинамическую и международную

  • NB! Разность температур в шкалах Цельсия и Кельвина всегда одна и та же.





Удельным объёмом вещества называют объём единицы массы

  • Удельным объёмом вещества называют объём единицы массы

  • Плотность вещества – это масса единицы объёма

  • Нетрудно заметить, что

  • Количество вещества

  • Нормальные физические условия:

  • давление р = 101325 Па = 760 мм рт. ст. = 1 атм

  • температура t = 0⁰С; Т = 273К



1.3.1. Основные понятия

  • 1.3.1. Основные понятия

  • Газ – агрегатное состояние вещества, в котором составляющие его частицы (атомы, молекулы, ионы) не связаны или связаны очень слабо силами взаимодействия, движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объем.

  • Основные характеристики газов:

    • имеют низкую плотность, т.к. частицы далеко отстоят друг от друга
    • не имеют ни собственной формы, ни собственного объема; они полностью заполняют сосуд, в котором находятся, и принимают его форму
    • легко сжимаются.


Идеальный газ:

  • Идеальный газ:

  • частицы газа (атомы, молекулы, ионы) принимаются за материальные точки (т.е. не имеют объема)

  • между частицами отсутствуют силы взаимного притяжения (межмолекулярные силы)

  • взаимодействие между молекулами сводится к абсолютно упругим ударам (т.е. ударам, при которых кинетическая энергия полностью переносится с одного объекта на другой)



1.3.2. Газовые законы

  • 1.3.2. Газовые законы

  • Состояние газа полностью характеризуется его температурой, давлением, объемом, массой и молярной массой.

  • Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона) – соотношение, связывающее между собой значения давления, объема и температуры:

  • R - универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль·К)

  • Газ, подчиняющийся этому закону, называется идеальным.









Уравнение Клапейрона или объединенный газовый закон

  • Уравнение Клапейрона или объединенный газовый закон

  • Объединяет три предыдущих частных закона

  • Это уравнение часто применяют для приведения объема к нормальным условиям, т. е. для определения объема, занимаемого газом при t = 0°С и Р = 760 мм рт. ст., если объем его при каких-либо значениях Р и t известен.

  • Для этого случая уравнение обычно представляют в следующем виде:

  • В этом уравнении индексом «0» обозначены параметры газа при нормальных условиях, а индексом «1» - при произвольных условиях.



Закон Бойля-Мариотта

  • Закон Бойля-Мариотта

  • Закон Гей-Люссака

  • Закон Шарля

  • Уравнение Клапейрона или объединенный газовый закон



1.3.3. Смеси идеальных газов

  • 1.3.3. Смеси идеальных газов

  • Подчиняются тем же законам, что и чистые газы

  • Компоненты смеси – газы, составляющие смесь

  • Парциальное (частичное) давление компонента смеси – это то давление, которое оказывал бы данный компонент, если бы он один занимал весь объем при температуре смеси (т.е. при отсутствии других компонентов газа)

  • Закон Дальтона: сумма парциальных давлений компонентов равна общему давлению смеси газов

  • , следовательно



1.3.4. Кинетическая теория газов

  • 1.3.4. Кинетическая теория газов

  • Молекулярно-кинетическая теория (МКТ). Р. Клаузиус

  • Основные положения:

  • Молекулы – материальные точки с определенной массой. Размеры молекул ничтожно малы по сравнению с расстоянием между ними.

  • Молекулы газа находятся в состоянии непрерывного и беспорядочного движения. Между столкновениями они движутся прямолинейно. Движение равновероятно по всем направлениям.

  • Между молекулами нет ни сил притяжения, ни сил отталкивания. При столкновении молекулы ведут себя, как упругие шары.

  • Средняя кинетическая энергия газа пропорциональна его температуре. Скорости молекул могут быть любыми: от 0 до ∞.



Основное уравнение МКТ

  • Основное уравнение МКТ

  • Выражает связь давления газа со средней кинетической энергией поступательного движения молекул

  • Мерой кинетической энергии молекул идеального газа является абсолютная температура. Кинетическая энергия молекулы газа прямо пропорциональна температуре:

  • - постоянная Больцмана,

  • Газы, находящиеся при одинаковой температуре, обладают одинаковой кинетической энергией молекул.



Средняя квадратичная скорость молекул при данной температуре

  • Средняя квадратичная скорость молекул при данной температуре

  • При постоянной температуре сумма энергий молекул постоянна, но энергии различных молекул неодинаковы и непрерывно изменяются.

  • Распределение молекул газа по скоростям (энергиям)подчиняется закону Максвелла



Идеальные газы обладают одинаковым мольным объемом.

  • Идеальные газы обладают одинаковым мольным объемом.

  • При н. у. = 22,4140

  • При других температурах и давлениях эта величина будет другой!



1.3.5. Реальные газы

  • 1.3.5. Реальные газы

  • Не подчиняются законам идеальных газов. Основными причинами отклонений являются взаимное притяжение молекул газа и наличие у них собственного объема

  • Характеристикой отклонений может служить мольный объем



Отклонения газа от идеального состояния характеризуется фактором сжимаемости

  • Отклонения газа от идеального состояния характеризуется фактором сжимаемости

  • Для идеального газа z=1



Реальные газы не подчиняются уравнению Менделеева –Клапейрона.

  • Реальные газы не подчиняются уравнению Менделеева –Клапейрона.

  • Уравнение состояния реального газа (уравнение Ван-дер-Ваальса)

  • для одного моля

  • для n молей

  • а – учитывает межмолекулярные взаимодействия;

  • b – учитывает собственный объем молекул.

  • Коэффициенты а и b для разных газов различны, поэтому уравнение Ван-дер-Ваальса не является универсальным.

  • При низких давлениях и высоких температурах уравнение Ван-дер-Ваальса переходит в уравнение состояния идеального газа.



Уравнение Диттеричи

  • Уравнение Диттеричи

  • Вириальное уравнение или уравнение с вириальными коэффициентами

  • B, C, D и т.д. – второй, третий, четвертый и т.д. вириальные коэффициенты. Они зависят от природы газа, температуры и вычисляются из экспериментальных значений p, V, T.

  • В большинстве случаев используют уравнение только со вторым вириальным коэффициентом.



  • Наибольшее применение в технологических расчетах получило уравнение состояния реальных газов

  • где z – коэффициент сжимаемости газа



При значительном разрежении к газам хорошо применимы законы идеальных газов, но некоторые свойства газов при этом существенно меняются. Например, с разрежением газа увеличивается длина свободного пробега молекул, в результате сильно уменьшается теплопроводность газов. Это явление используется в термосах, сосудах Дьюара.

  • При значительном разрежении к газам хорошо применимы законы идеальных газов, но некоторые свойства газов при этом существенно меняются. Например, с разрежением газа увеличивается длина свободного пробега молекул, в результате сильно уменьшается теплопроводность газов. Это явление используется в термосах, сосудах Дьюара.

  • При высоких давлениях (1000 атм и выше) средние расстояния между молекулами становятся соизмеримыми с собственными размерами молекул, и по различным свойствам газ становится похож на жидкость.

  • При высоких температурах в газе образуются свободные атомы, радикалы и ионы. При очень высоких температурах газ переходит в состояние плазмы.