Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Часть I. Физическая химия




КУРС ЛЕКЦИЙ

ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

Н.Н.БОГДАШЕВ

 

 

 

Пятигорск


ББК 24.5

УДК: 541.1 (042.4)

 

 

Р е ц е н з е н т ы:

 

1. Доцент кафедры физической и коллоидной химии Пятигорской государственной фармацевтической академии, кандидат фармацевтических наук Л.П.Мыкоц.

2. Преподаватель кафедры аналитической химии Пятигорской государственной фармацевтической академии, кандидат химических наук А.Б.Дмитриев

 

 

Автор: доктор фармацевтических наук Н.Н.Богдашев

 

 

Курс лекций по физической и коллоидной химии. Часть I - Физическая

химия.

Для студентов фармацевтических ВУЗов.

 

 

Редакционный совет:

 

Председатель - проф. Е.Н.Вергейчик, проф. В.Г.Беликов, проф. В.И.По­го­ре­лов, проф. Ю.Г.Пшуков, проф. М.Д.Гаевый, проф. Д.А.Муравьева, доц. В.В.Га­цан, доц. Б.И.Литвяк, В.В.Карпова, Т.М.Браташова.


ОГЛАВЛЕНИЕ

  Стр.
Предисловие................................................. .. 9
Принятые обозначения......................................... . 11
Основные физические константы................................ ..12
   
ВВЕДЕНИЕ  
1. Предмет физической химии, её место среди естественно­научных дисциплин и значение для фармации, медицины и биологии...........................................     ..13
  Краткий исторический очерк развития физической химии... ..16
3. Методы физической химии............................. . 18
     
I. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА  
   
ГЛАВА 1. Общие сведения из термодинамики. Нулевое и первое начала термодинамики..............................   ..21
1.1. Краткий исторический очерк............................ ..22
1.2. Основные понятия и величины......................... ..22
1.3. Нулевое начало термодинамики......................... ..27
1.4. Первое начало термодинамики.......................... ..27
1.5. Энтальпия.......................................... ..29
     
ГЛАВА 2. Термохимия...................................... ..32
2.1. Термохимия, её задачи и значение....................... ..32
2.2. Краткий исторический очерк........................... ..32
2.3. Калориметрические измерения.......................... ..33
2.4. Тепловой эффект химической реакции................... ..34
2.4.1. Соотношение между тепловыми эффектами реакций при постоянном объёме и при постоян­ном давлении..............   ..35
2.4.2. Тепловые эффекты, используемые при термохимических измерениях и вычислениях...............................   ..36
2.5. Стандартные состояния. Стандартные условия............ ..37
2.6. Термохимические уравнения........................... ..38
2.7. Закон Гесса......................................... ..39
2.8. Зависимость теплового эффекта реакции от температуры. Уравнение Кирхгоффа................................   ..43
2.9. Теплота растворения.................................. ..46
2.10. Теплота нейтрализации................................ .49
     
ГЛАВА 3. Второе и третье начала термодинамики  
3.1. Второе начало термодинамики.......................... ..50
3.1.1. Статистический характер второго начала термодинамики.... ..52
3.2. Обратимые и необратимые процессы. Самопроизвольные и несамопроизвольные процессы........................   ..52
3.3. Факторы интенсивности и экстенсивности (ёмкости)........ ..53
3.4. Термодинамическая вероятность системы................ ..54
3.5. Энтропия........................................... ..55
3.5.1. Энтропия со статистической точки зрения................. ..55
3.5.2. Энтропия с термодинамической точки зрения.............. ..56
3.6. Расчёт изменения энтропии для различных процессов....... ..58
3.6.1. Изотермическое расширение идеального газа.............. ..58
3.6.2. Изотермические фазовые переходы (плавление, кипение, сублимация).........................................   ..59
3.6.3. Неизотермический физический процесс (нагревание или охлаждение тела).....................................   ..59
3.6.4. Химические реакции.................................. ..60
3.7. Третье начало термодинамики. Постулат Планка. Абсолютная энтропия............................................   ..60
3.8. Энергия Гельмгольца. Энергия Гиббса. Критерий достижения химического равновесия...............................   ..62
3.9. Свободная и связанная энергия.......................... ..65
3.10. Максимальная работа процесса и химическое сродство...... ..66
3.11. Уравнение максимальной работы (уравнение Гиббса - Гельмгольца)........................................   ..67
   
II. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ  
ГЛАВА 4. Термодинамика химического равновесия  
4.1. Химическое равновесие............................... ..70
4.2. Краткий исторический очерк........................... ..71
4.3. Константа равновесия................................. ..72
4.4. Расчёты с применением констант равновесия.............. ..75
4.4.1. Определение направления протекания обратимых реакций... ..75
4.4.2. Расчёт равновесного выхода продуктов реакции........... ..76
4.5. Факторы, влияющие на равновесие. Принцип Ле-Шателье - Брауна..............................................   ..77
4.5.1. Влияние на равновесие начального состава реакционной смеси. Уравнение изотермы химической реакции.............   ..78
4.5.2. Влияние температуры на равновесие. Уравнения изобары и изохоры химической реакции...........................   ..81
4.5.3. Влияние на равновесный выход изменения объёма и давления реакционной смеси...................................   ..82
4.6. Способы вычисления констант равновесия................ ..83
4.7. Химическое равновесие в гетерогенных системах.......... ..86
     
III. ФАЗОВОЕ РАВНОВЕСИЕ  
     
ГЛАВА 5. Термодинамика фазового равновесия  
5.1. Краткий исторический очерк........................... ..88
5.2. Фазовые переходы................................... ..89
5.3. Основные понятия.................................... ..90
5.4. Правило фаз......................................... ..91
5.5. Общее условие фазового равновесия. Химический потенциал ..92
     
ГЛАВА 6. Фазовые равновесия в однокомпонентных системах  
6.1. Связь между давлением и температурой фазовых переходов. Уравнение Клапейрона................................   ..94
6.1.1. Процесс кипения. Уравнение Клаузиуса – Клапейрона...... ..98
6.2. Физико-химический анализ. Фазовые диаграммы.......... .100
6.3. Диаграмма состояния воды............................ .101
     
ГЛАВА 7. Фазовые равновесия в двухкомпонент­ных системах. Растворы неэлектро­ли­тов  
7.1. Растворы. Основные понятия........................... .105
7.2. Значение растворов для фармации...................... .107
7.3. Концентрация. Способы выражения концентрации......... .107
7.4. Двухкомпонентные растворы летучих жидкостей. Закон Рауля .110
7.5. Отклонения от закона Рауля............................ .113
7.6. Первый закон Коновалова............................. .116
7.7. Диаграммы кипения................................... .117
7.8. Второй закон Коновалова.............................. .119
7.9. Правило рычага...................................... .121
7.10. Перегонка бинарных жидкостных смесей................. .123
7.11. Разделение азеотропных смесей......................... .125
7.12. Ограниченно растворимые жидкости.................... .127
7.13. Диаграммы растворения. Правило Алексеева.............. .128
7.13.1. Системы с верхней критической температурой растворения.. .129
7.13.2. Системы с нижней критической температурой растворения... .132
7.13.3. Системы с верхней и нижней критическими температурами растворения........................................   .133
7.14. Растворы нелетучих веществ. Коллигативные свойства растворов...........................................   .134
7.15. Понижение температуры замерзания растворов. Криометрия. .135
7.16. Повышение температуры кипения растворов. Эбулиометрия. .139
7.17. Осмос............................................... .140
7.17.1. Осмотическое давление................................ .142
7.17.2. Осмометрия......................................... .143
7.17.3. Значение осмотических явлений........................ .144
7.18. Несмешивающиеся жидкости........................... .147
7.19. Перегонка с водяным паром............................ .148
7.20. Диаграммы плавления. Термический анализ............... .150
7.20.1. Системы, состоящие из неизоморфных веществ............ .151
7.20.2. Системы, состоящие из веществ, образующих химические соединения..........................................   .156
7.20.3. Системы, состоящие из веществ, образующих твёрдые растворы............................................   .160
7.21. Правило рычага для конденсированных систем............ .162
     
ГЛАВА 8. Фазовые равновесия в трёхкомпонентных системах. Экстракция  
8.1. Третий компонент в двухслойной жидкой системе. Закон распределения Нернста...............................   .164
8.2. Жидкостная экстракция............................... .165
     
IV. ЭЛЕКТРОХИМИЯ  
     
ГЛАВА 9. Электрохимия. Растворы электролитов. Кондуктометрия  
9.1. Предмет электрохимии и её значение для фармации, медицины и биологии.......................................   .171
9.2. Краткий исторический очерк........................... .171
9.3. Коллигативные свойства растворов электролитов........... .172
9.4. Буферные растворы. Буферная ёмкость................... .174
9.5. Электрическая проводимость растворов. Закон Кольрауша... .176
9.6. Кондуктометрические измерения........................ .182
9.6.1. Прямая кондуктометрия............................... .182
9.6.2. Кондуктометрическое титрование....................... .183
     
ГЛАВА 10. Электродные процессы и электро­дви­жу­щие силы  
10.1. Основные понятия и величины......................... .187
10.2. Электроды первого и второго рода. Газовые электроды...... .190
10.3. Термодинамика гальванического элемента............... .194
10.4. Формула записи гальванического элемента............... .197
10.5. Уравнение Нернста................................... .198
10.6. Контактный и диффузионный потенциалы................ .202
     
ГЛАВА 11. Потенциометрические измерения  
11.1. Потенциометрия...................................... .204
11.2. Потенциометрическое измерение рН растворов. Ионометрия. .204
11.3. Потенциометрическое определение концентрации (активности) ионов. Концентрационные гальванические элементы.... ..207
11.4. Определение констант равновесия электрохимических реакций. Окислительно-восстановительные электроды и гальванические элементы............................     .211
     
V. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ  
     
ГЛАВА 12. Формальная и молекулярная кинетика  
12.1. Предмет химической кинетики и её значение для фармации, медицины и биологии.................................   .215
12.2. Краткий исторический очерк........................... .217
12.3. Кинетическая классификация химических реакций. Порядок и молекулярность реакции.............................   .217
12.4. Скорость химической реакции. Время полупревращения..... .220
12.5. Закон действующих масс. Константа скорости............. .222
12.6. Расчёт констант скорости для реакций различных порядков.. .224
12.6.1. Реакции первого порядка.............................. .224
12.6.2. Реакции второго порядка............................... .228
12.7. Определение порядка реакции.......................... .231
12.8. Механизмы химических реакций........................ .232
12.9. Влияние температуры на скорость реакции............... .233
12.9.1. Правило Вант-Гоффа.................................. .234
12.9.2. Теория активных столкновений. Уравнение Аррениуса...... .235
12.10. Теория переходного состояния. Активированный комплекс.. .238
12.11. Гетерогенные реакции................................. .242
     
ГЛАВА 13. Катализ  
13.1. Основные понятия. Значение катализа для медицины, фармации и биологии..................................   .244
13.2. Краткий исторический очерк........................... .245
13.3. Виды катализа....................................... .245
13.4. Механизм действия катализаторов....................... .247
13.5. Гомогенный катализ.................................. .247
13.6. Гетерогенный катализ................................. .249
13.7. Теории гетерогенного катализа.......................... .251
13.7.1. Мультиплетная теория................................. .251
13.7.2. Теория активных ансамблей............................ .253
13.7.3. Электронная теория................................... .254
13.8. Ингибиторы......................................... .259
     
     
     
VI. ФОТОХИМИЯ    
ГЛАВА 14. Фотохимические реакции  
14.1. Значение фотохимических реакций...................... .256
14.2. Первичные и вторичные фотохимические процессы........ .257
14.3. Законы фотохимии................................... .258
14.4. Фотохимическая эффективность........................ .259
14.5. Фотосенсибилизация.................................. .260
   
Использованная литература.................................... .261
Предметный указатель......................................... .263

 


ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Настоящее издание представляет собой изложение курса лекций по физической химии, читаемого автором на протяжении последних 15 лет студентам Пятигорской государственной фармацевтической академии.

Физическая химия является фундаментальной научной дисциплиной, описывающей общие закономерности протекания химических реакций и некоторых других видов взаимодействия веществ. Законы, закономерности, правила и положения физической химии, а также выводы, к которым они приводят, лежат в основе химических и биохимических реакций в природе, а также технологических процессов в химической и фармацевтической промышленности. Поэтому знание основ физической химии необходимо провизорам широкого профиля, а также специалистам смежных специальностей - химикам-аналитикам, технологам химического и фармацевтического производства, производства веществ, используемых в парфюмерии, косметике, в быту, биологам, биохимикам, экологам, фармакологам и др.

Учебный план по специальности “Фармация” предусматривает очень небольшое количество лекционных часов по физической химии, поэтому автор в настоящей книге старался изложить программный материал по возможности кратко и доступным языком, но вместе с тем достаточно строго, на современном научном уровне.

Цель данного издания - сформировать у студента целостное восприятие физической химии, как естественнонаучной и мировоззренческой научной дисциплины, показать её связь с деятельностью биологических систем, а также с химико-технологическими процессами, как в лаборатории, так и в промышленности. Большое число иллюстрирующих материал примеров, взятых из биологии, биохимии, фармакологии, должно заинтересовать студента и облегчить понимание всей совокупности химических, физико-химических и биохимических процессов в природе, а также в какой-то степени природы и механизма действия лекарственных и биологически активных веществ. В соответствии со спецификой фармацевтической специальности некоторые разделы физической химии, имеющие большее значение, изложены более подробно (например, “Химическое равновесие”, “Фазовое равновесие”), другие - более кратко. Те разделы, которые достаточно подробно изучаются в смежных курсах физики, общей химии, аналитической химии, биохимии, также изложены по возможности более кратко или вообще опущены.

В данном “Курсе лекций” использована модульная система изложения с сохранением традиционной последовательности разделов физической химии. В связи с тем, что материал, входящий в каждый раздел, представляет собой единое целое, в книге отсутствует деление на лекции. Законы и правила, а также впервые вводимые термины для облегчения их нахождения выделены шрифтом. Мелким шрифтом набран тот материал, который не входит в программу, но может расширить представления читателя и в какой-то мере облегчить восприятие основного материала.

Автор выражает глубокую благодарность всем сотрудникам Пятигорской государственной фармацевтической академии и в особенности сотрудникам кафедры физической и коллоидной химии ПГФА, чьи советы, критические замечания и помощь были использованы при подготовке курса лекций и написании настоящего издания, искреннюю признательность - рецензентам за кропотливый анализ рукописи и за конструктивные замечания перед подготовкой к печати.

Автор с признательностью и благодарностью примет все отзывы, замечания и пожелания.

 


ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ:

A - энергия Гельмгольца NA -число Авогадро

a - термодинамическая активность n -количество вещества (в молях)

C - 1) молярная концентрация; p -давление

2) теплоёмкость; Q - количество теплоты

3) вариантность системы R - универсальная газовая постоянная

E - 1) энергия; S - энтропия

2) электродный потенциал; Т - температура

3) электродвижущая сила; t - время

E* -энергия активации V - 1) объём

e - элементарный заряд 2) разведение

e- - электрон X - мольная (молярная) доля

F -1) число Фарадея; U – внутренняя энергия системы

2) сила v -скорость реакции

f - 1) коэффициент активности W -термодинамическая вероятность

2) осмотический коэффициент w – работа

G - энергия Гиббса z - заряд иона

H - энтальпия a - степень диссоциации

i - изотонический коэффициент k - удельная электрическая проводимость

K - 1) константа равновесия; l -эквивалентная электрическая

2) коэффициент распределе­ния проводимость

3) число независимых компо- l¥ -эквивалентная электрическая

нентов проводимость при бесконечном

k -1) константа скорости разведении

2) константа Больцмана m - химический потенциал

L -удельная теплота фазового p -1) геометрическая константа;

перехода 2) осмотическое давление

M -молярная масса n - число ионов в одной молекуле

m -1) масса r -плотность

2) моляльная концентрация F - 1) фотохимическая эффективность

Me – металл 2) число фаз в системе

N - молярная концентрация j - объёмная доля

эквивалента w - массовая доля

 


ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ:

 

Элементарный заряд е 1,60210´10-19 Кл

Число Авогадро NA 6,02252´1023 моль-1

Число Фарадея F 96487 Кл/моль-экв

Константа Больцмана k 1,3804´10-23 Дж/К

Универсальная газовая постоянная R 8,314 Дж/моль·К =

= 1,98725 кал/моль·К =

= 0,082057 л·атм/моль·К

 

 





Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-06; Просмотров: 1034; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.051 сек.