Возникновение и история развития физической химии. Предмет физической химии, ее важнейшие проблемы и основные задачи. Значение физической химии для науки и практики

ТЕМА 1. ПРЕДМЕТ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Лекция 1.

Химические явления чрезвычайно разнообразны и подчиняются общим закономерностям, которые мы изучали в курсе общей химии. Химические явления сопровождаются физическими процессами: теплопередачей, поглощением или излучением электромагнитных колебаний, возникновением электрического тока и др. С другой стороны, физические процессы вызывают химические явления. Например, при нагревании повышается температура, увеличивается интенсивность колебательного движения внутри молекул, связь между атомами ослабляется и происходит процесс диссоциации, т.е. химическая реакция. Прохождение электрического тока сопровождается электролизом, т.е. протеканием процесса окисления и восстановления. Многие реакции инициируются под действием ультразвука или при облучении светом.

В 17–18 столетиях между физикой и химией проводилась резкая граница, и все явления природы четко делились на физические и химические. Однако в 19 веке, особенно во II его половине, постепенно становилось все более ясным, что невозможно установить определенные границы между этими двумя науками, т. к. нельзя отделить физические процессы от химических. Это ясно видел уже Ломоносов, который писал: «Химик без знания физики подобен человеку, который всего искать должен ощупом. И сии две науки так едины между собой, что одна без другой в совершенстве быть не могут». Ломоносов назвал физической химией науку, «объясняющую на основании опытов физических причину того, что происходит через химические процессы в сложных телах».

Однако идеи Ломоносова слишком опередили свой век и не были оценены современниками. Лишь спустя более чем столетие идея о плодотворности слияния физики и химии в особой науке – физической химии – получила глубокое признание в трудах выдающихся ученых Бекетова, Оствальда, Менделеева, Вант-Гоффа и др.

В 1863 г. Бекетов организовал в Харьковском университете отделение физической химии и начал читать студентам курс лекций по этой дисциплине, определив её, как науку, которая занимается «соотношением физических и химических свойств… Хотя мы и различаем физические и химические свойства тел, тем не менее и те и другие суть выражения строения и свойств мельчайших частиц… В природе эти два условия существования материи, конечно, не разделены».

Особенно четко идея единства физических и химических процессов была сформулирована Менделеевым в курсе теоретической химии, которую он читал студентам Петербургского университета в 1873 – 74 г. «Нет никакого основания делать такое различие между физическими и химическими явлениями, которое делает Доссиос. Напротив, факты указывают, что между этими явлениями нет никакой границы, так что даже теперь в некоторых случаях неизвестно, которая из этих двух сил производит известное явление…. Да, наконец, и само понятие о физических процессах исключает их существование. Теперь называют физическими процессами такие, которые сопровождаются перемещением самих частиц, а не изменением их строения. Но в таком случае не будет вовсе физических процессов, т. к. все явления нагревания, плавления и т.д. обуславливаются изменением частиц, следовательно, являются процессами химическими». И далее: «Можно отличить только механическое смешение от молекулярного, а подразделять последнее на химическое и физическое неосновательно». Эти идеи Менделеева сохранили свое значение и в настоящее время.

Большое значение для становления физической химии, как самостоятельной науки имела деятельность Оствальда, который в 1887 г. в Лейпцигском университете организовал кафедру физической химии и учебную лабораторию, а также начал издание первого журнала, посвященного этой науке.

Во второй половине XIX века новая наука, название которой впервые дал Ломоносов – физическая химия – стала бурно развиваться благодаря трудам блестящей плеяды химиков (Бекетов, Оствальд, Вант-Гофф, Менделеев, Аррениус, Ле Шателье, Рауль, Фарадей и многие другие). Особенно большую роль в этом развитии сыграло успешное применение термодинамики к проблемам химии в трудах Гиббса и Вант-Гоффа, а в последующем Брёнстеда, Нернста, Планка, Ван-дер-Ваальса, Льюиса, Гугенгейма, Вревского, Коновалова.

Временем возникновения физической химии, как современной науки, можно считать 60-е гг XX столетия, а ее основным содержанием – законы поведения материальных систем, в которых могут происходить изменения, зависящие от взаимодействия составляющих систему однородных и разнородных частиц, и от условий, в которых система находится.

Физическая химия – наука, изучающая взаимосвязь физических и химических явлений. Используя теоретические и экспериментальные методы обеих наук, а также собственно физико-химические методы, она позволяет охватить исследуемые явления с нескольких сторон. Основная задача физической химии – предсказание направления химических процессов, характера их протекания во времени и конечных результатов при различных условиях проведения.

В настоящее время физическая химия является самостоятельной дисциплиной со своими методами исследования. Она является теоретической базой прикладных химико-технологических дисциплин и основывается на применении методов квантовой химии, химической термодинамики и химической кинетики.

Трудно назвать область науки или народного хозяйства, в которой для решения общих и конкретных задач не применялась бы физическая химия. Благодаря физической химии химическая технология достигла современного уровня развития. В полной мере все сказанное относится к металлургическому производству. Она является основой всех металлургических процессов. Любой металлургический процесс сопровождается превращением веществ – химическими реакциями, степень завершения которых определяет эффективность производства. Для различных химических реакций степень превращений изменяется в широких пределах. Чаще всего реакции протекают лишь до некоторой степени завершения, в результате в зоне реакции одновременно присутствуют продукты реакции и некоторая часть не прореагировавших исходных веществ. Степень завершенности всех реакций определяет химическое равновесие. Важнейшее значение в металлургии имеют скорости реакций, которые зависят от целого ряда факторов: от переноса вещества и тепла в тех средах, где происходит взаимодействие, от величины поверхности раздела между реагирующими веществами и т.д. Все эти законы – предмет изучения химической кинетики.

В настоящее время задачи, стоящие перед металлургической наукой и производством, не ограничиваются увеличением производства стали, чугуна, проката и повышения их качества. Очень важным является создание новых материалов с особыми свойствами: жаропрочных сталей, магнитных сплавов, электротехнических сталей и многих других видов специальных сплавов.

Дата добавления: 2013-12-13