Fyzikální chemie

Fyzikální chemie (v literatuře často zkracovaná jako fyzikální chemie ) je odvětví chemie, nauka o obecných zákonech struktury, struktury a přeměny chemikálií . Zkoumá chemické jevy používat teoretické a experimentální metody fyziky . Nejrozsáhlejší obor chemie.

Historie fyzikální chemie

Termín „fyzikální chemie“ poprvé použil německý alchymista Heinrich Khunrath v roce 1598 [1] ; v XVII-XVIII století. tento termín byl obecně přijímán pro to, co dnes nazýváme „ teoretická chemie “ [2] .

V domácí historiografii chemie se věří, že počátek fyzikální chemie byl položen v polovině 18. století . Termín "fyzikální chemie" v moderním chápání metodologie vědy a otázek teorie poznání [3] , náleží M. V. Lomonosovovi , který v roce 1752 poprvé přečetl Kurz skutečné fyzikální chemie studentům Akademická univerzita . V preambuli těchto přednášek uvádí následující definici: "Fyzikální chemie je věda, která musí na základě ustanovení a experimentů fyzikálních vědců vysvětlit příčinu toho, co se děje prostřednictvím chemických operací ve složitých tělesech." Vědec se v pracích své korpuskulárně-kinetické teorie tepla zabývá problematikou, která plně vyhovuje výše uvedeným úkolům a metodám. Právě taková je povaha experimentálních akcí, které slouží k potvrzení jednotlivých hypotéz a ustanovení tohoto konceptu. M. V. Lomonosov se těmito principy řídil v mnoha oblastech svého výzkumu: při vývoji a praktické realizaci jím založené „vědy o skle“, v různých experimentech věnovaných potvrzení zákona zachování hmoty a síly (pohybu); - v pracích a experimentech souvisejících se studiem roztoků - vyvinul rozsáhlý program výzkumu tohoto fyzikálního a chemického jevu, který je v procesu vývoje až do současnosti.

Následovala více než stoletá přestávka a jedno z prvních fyzikálně-chemických studií v Rusku koncem 50. let 19. století zahájil D. I. Mendělejev .

Další kurz fyzikální chemie vyučoval N. N. Beketov na Charkově univerzitě v roce 1865.

Ve druhé polovině 19. století se Američan Gibbs významně zasloužil o rozvoj fyzikální chemie .

První vědecký časopis věnovaný publikování článků o fyzikální chemii (" Zeitschrift für physikalische Chemie ") byl založen v roce 1887 W. Ostwaldem a J. van't Hoffem .

První katedra fyzikální chemie v Rusku byla otevřena v roce 1914 na Fakultě fyziky a matematiky Petrohradské univerzity, na podzim začal student D.P. Konovalova , M.S. Vrevsky , číst povinný kurz a praktické hodiny fyzikální chemie .

Předmět fyzikální chemie

Fyzikální chemie je hlavním teoretickým základem moderní chemie, využívající teoretické metody tak důležitých částí fyziky, jako je kvantová mechanika , statistická fyzika a termodynamika , nelineární dynamika , teorie pole atd. Zahrnuje nauku o struktuře hmoty, včetně: struktura molekul, chemická termodynamika , chemická kinetika a katalýza . Jako samostatné sekce ve fyzikální chemii se rozlišují také elektrochemie , fotochemie , fyzikální chemie povrchových jevů (včetně adsorpce ), radiační chemie , nauka o korozi kovů , fyzikální chemie makromolekulárních sloučenin (viz fyzika polymerů ) atd . Jsou velmi blízké sousedí s fyzikální chemií a jsou někdy považovány za její nezávislé sekce koloidní chemie , fyzikálně-chemické analýzy a kvantové chemie . Většina úseků fyzikální chemie má poměrně jasné hranice, pokud jde o předměty a metody výzkumu, pokud jde o metodologické rysy a používané aparáty.

Rozdíl mezi fyzikální chemií a chemickou fyzikou

Obě tyto vědy jsou na křižovatce mezi chemií a fyzikou , někdy je chemická fyzika zahrnuta do fyzikální chemie. Ne vždy je možné stanovit jasnou hranici mezi těmito vědami. S přiměřenou mírou přesnosti však lze tento rozdíl určit takto:

Sekce fyzikální chemie

Koloidní chemie

Koloidní chemie (starořecky κόλλα - lepidlo) je tradiční název pro fyzikální chemii disperzních systémů a povrchových jevů, které se vyskytují na rozhraní [5] . Studuje adhezi, adsorpci, smáčení, koagulaci, elektroforézu a vyvíjí technologie stavebních materiálů, vrtání hornin, sol-gel technologie. Moderní koloidní chemie je věda, která je na průsečíku chemie, fyziky a biologie.

Hlavní směry moderní koloidní chemie:

Krystalová chemie

Krystalová chemie  je věda o krystalových strukturách a jejich souvislostech s povahou hmoty [6] . Krystalová chemie jako obor chemie úzce souvisí s krystalografií a studuje prostorové uspořádání a chemické vazby atomů v krystalech, jakož i závislost fyzikálních a chemických vlastností krystalických látek na jejich struktuře. Pomocí rentgenové difrakční analýzy, strukturní elektronové difrakce a neutronové difrakce určuje krystalová chemie absolutní hodnoty meziatomových vzdáleností a úhly mezi čarami chemických vazeb (valenční úhly). Krystalová chemie má rozsáhlé materiály o krystalových strukturách více než 425 tisíc sloučenin, z nichž více než polovina jsou anorganické sloučeniny.

Mezi úkoly krystalové chemie patří:

Radiochemie

Radiochemie pracuje s ultramalými množstvími látek a s velmi zředěnými roztoky a také se zdroji ionizujícího záření [7] . Radioaktivita látek studovaných radiochemií umožňuje a vyžaduje použití specifických vysoce citlivých metod pro měření jejich mikroskopických veličin, vzdálené automatizované metody analýzy.

Termochemie

Termochemie  je obor chemické termodynamiky, jehož úkolem je:

Hlavní experimentální metody termochemie jsou:

Nauka o struktuře atomu

Atom (z jiného řeckého ἄτομος - nedělitelný) - částice hmoty mikroskopické velikosti a hmotnosti, nejmenší část chemického prvku, který je nositelem jeho vlastností. Atom se skládá z atomového jádra a elektronů. Pokud se počet protonů v jádře shoduje s počtem elektronů, pak je atom jako celek elektricky neutrální. Jinak má kladný nebo záporný náboj a nazývá se iont. V některých případech jsou atomy chápány pouze jako elektricky neutrální systémy, ve kterých je náboj jádra roven celkovému náboji elektronů, čímž se staví proti elektricky nabitým iontům.

Jádro, které nese více než 99,9 % hmotnosti atomu, je tvořeno kladně nabitými protony a nenabitými neutrony, které jsou spolu spojeny silnou silou. Atomy se klasifikují podle počtu protonů a neutronů v jádře: počet protonů Z odpovídá pořadovému číslu atomu v periodické soustavě a určuje, zda patří k určitému chemickému prvku, a počtu neutronů N odpovídá na určitý izotop tohoto prvku. Číslo Z také určuje celkový kladný elektrický náboj (Ze) atomového jádra a počet elektronů v neutrálním atomu, který určuje jeho velikost. Atomy různých typů v různém množství, spojené meziatomovými vazbami, tvoří molekuly.

Doktrína koroze kovů

Koroze (z latinského corrosio - korozivní) je samovolná destrukce kovů v důsledku fyzikální a chemické interakce s prostředím [8] . Příčinou koroze je termodynamická nestabilita konstrukčních materiálů vůči účinkům látek, které jsou s nimi v kontaktu. V běžném životě se pro slitiny železa (oceli) častěji používá termín "rez". Méně známé případy koroze polymerů. V souvislosti s nimi existuje pojem „stárnutí“, podobně jako u kovů termín „koroze“. Rychlost koroze, jako každá chemická reakce, je vysoce závislá na teplotě. Zvýšení teploty o 100 stupňů může zvýšit rychlost koroze o několik řádů.

Doktrína řešení

Roztok  je homogenní směs sestávající z částic rozpuštěné látky, rozpouštědla a produktů jejich vzájemného působení. Vznik jednoho nebo druhého typu roztoku je určen intenzitou intermolekulárního, meziatomového, interiontového nebo jiného typu interakce, to znamená stejnými silami, které určují výskyt určitého stavu agregace. Rozdíly: vznik roztoku závisí na povaze a intenzitě interakce částic různých látek. Roztoky jsou plynné, kapalné a pevné.

Chemická kinetika

Chemická kinetika neboli kinetika chemických reakcí je obor fyzikální chemie, který studuje zákonitosti průběhu chemických reakcí v čase, závislost těchto zákonitostí na vnějších podmínkách a také mechanismy chemických přeměn.

Molekularita elementární reakce je počet částic, které se podle experimentálně stanoveného reakčního mechanismu účastní elementárního aktu chemické interakce.

Monomolekulární reakce  - reakce, při kterých dochází k chemické přeměně jedné molekuly (izomerizace, disociace atd.):

H2S → H2 + S

Bimolekulární reakce  - reakce, jejichž elementární akt se provádí srážkou dvou částic (stejných nebo různých):

CH3Br + KOH → CH3OH + KBr

Trimolekulární reakce  - reakce, jejichž elementární akt se provádí srážkou tří částic:

O 2 + NO + NO → 2NO 2

Reakce s molekulovou hmotností vyšší než tři nejsou známy.

Pro elementární reakce prováděné při blízkých koncentracích výchozích látek jsou hodnoty molekulové hmotnosti a pořadí reakce stejné. Neexistuje žádný jasně definovaný vztah mezi pojmy molekulární a reakční řád, protože reakční řád charakterizuje kinetickou rovnici reakce a molekulární charakterizuje reakční mechanismus.

Katalýza  je proces změny rychlosti chemických reakcí v přítomnosti látek nazývaných katalyzátory. Katalytické reakce jsou reakce , které probíhají v přítomnosti katalyzátorů.

Katalýza se nazývá pozitivní, při které se rychlost reakce zvyšuje, negativní ( inhibice ), při které se snižuje. Příkladem pozitivní katalýzy je oxidace čpavku na platině za vzniku kyseliny dusičné . Příkladem negativa je snížení rychlosti koroze při zavedení dusitanu sodného, ​​chromanu a dichromanu draselného do kapaliny, ve které je kov provozován.

Mnoho z nejdůležitějších chemických průmyslových odvětví, jako je výroba kyseliny sírové, čpavku , kyseliny dusičné , syntetického kaučuku , řady polymerů atd., se provádí za přítomnosti katalyzátorů.

Fotochemie

Fotochemie  je součástí vysokoenergetické chemie, sekce fyzikální chemie, která studuje chemické přeměny (chemie excitovaných stavů molekul, fotochemické reakce), ke kterým dochází působením světla v rozsahu od vzdáleného ultrafialového až po infračervené záření. Mnohé z nejdůležitějších procesů probíhajících v životním prostředí a v nás samotných jsou fotochemické povahy. Stačí vyjmenovat takové jevy, jako je fotosyntéza , vidění a tvorba ozónu v atmosféře působením UV záření.

Zákony fotochemie

Chemická termodynamika

Chemická termodynamika  je obor fyzikální chemie, který studuje procesy interakce látek metodami termodynamiky [9] .

Hlavní oblasti chemické termodynamiky jsou:

  1. Klasická chemická termodynamika , studium termodynamické rovnováhy obecně.
  2. Termochemie , která studuje tepelné účinky, které doprovázejí chemické reakce.
  3. Teorie řešení , která modeluje termodynamické vlastnosti látky na základě představ o molekulární struktuře a údajích o mezimolekulární interakci.

Chemická termodynamika úzce souvisí s takovými odvětvími chemie , jako je

Fyzikálně-chemická analýza

Fyzikální a chemická analýza  je soubor metod pro analýzu fyzikálních a chemických systémů pomocí konstrukce a geometrické analýzy stavových diagramů a diagramů složení a vlastností . Tato metoda umožňuje detekovat existenci sloučenin (např. měděného zlata CuAu), jejichž existenci nelze potvrdit jinými metodami analýzy. Zpočátku byl výzkum v oblasti fyzikálně-chemické analýzy zaměřen na studium závislostí teplot fázového přechodu na složení. Na přelomu 19. a 20. století však N. S. Kurnakov ukázal, že jakákoliv fyzikální vlastnost systému je funkcí složení a že elektrická vodivost , viskozita , povrchové napětí , tepelná kapacita , index lomu , elasticita a další fyzikální vlastnosti mohou použít ke studiu fázového stavu [10] .

Teorie fyzikálně-chemické analýzy je založena na principech korespondence a kontinuity formulovaných N. S. Kurnakovem. Princip kontinuity říká, že pokud v systému nevznikají nové fáze nebo stávající nezanikají, pak se s plynulou změnou parametrů systému plynule mění vlastnosti jednotlivých fází i vlastnosti systému jako celku. . Princip korespondence říká, že každý komplex fází odpovídá určitému geometrickému obrazu na diagramu složení-vlastnost .

Teorie reaktivity chemických sloučenin

Teorie reaktivity chemických sloučenin (TRSHS) je vědní disciplína, která studuje mechanismus chemických reakcí a mechaniku elementárního aktu chemické přeměny. TRSHS je relativně mladé odvětví chemické vědy, které se v posledních desetiletích aktivně rozvíjí, což je spojeno s pokrokem v oblasti výpočetní a kvantové chemie a také fyzikálně-chemických metod analýzy.

Experimentální metody TRSHS:

Vysokoenergetická chemie

Vysokoenergetická  chemie je obor fyzikální chemie, který popisuje chemické a fyzikálně-chemické procesy, ke kterým dochází v látce při vystavení netepelným energetickým činitelům – ionizujícímu záření, světlu, plazmatu, ultrazvuku, mechanickému šoku a dalším [11] .

Vysokoenergetická chemie (HVE) studuje chemické reakce a přeměny, ke kterým dochází ve hmotě pod vlivem netepelné energie. Mechanismy a kinetika takových reakcí a přeměn jsou charakterizovány v podstatě nerovnovážnými koncentracemi rychlých, excitovaných nebo ionizovaných částic s energií větší než je energie jejich tepelného pohybu a v některých případech i chemickou vazbou. Nosiče netepelné energie působící na hmotu: urychlené elektrony a ionty, rychlé a pomalé neutrony, částice alfa a beta, pozitrony, miony, piony, atomy a molekuly nadzvukovou rychlostí, kvanta elektromagnetického záření, ale i pulzní elektrické, magnetické a akustická pole.

Procesy vysokoenergetické chemie se dělí podle časových fází na fyzikální, probíhající v čase femtosekund nebo méně, během nichž je netepelná energie distribuována nerovnoměrně v médiu a vzniká „horká skvrna“, fyzikálně-chemická, během které se projevují nerovnováhou a nehomogenitou v „horké skvrně“ a konečně chemické, při kterém se přeměny hmoty řídí zákony obecné chemie. V důsledku toho se při pokojových teplotách tvoří takové ionty a excitované stavy atomů a molekul, které nemohou vzniknout v důsledku rovnovážných procesů.

Vnějším projevem CHE je vznik iontů a excitovaných stavů atomů a molekul při pokojových teplotách, při kterých tyto částice nemohou vznikat v důsledku rovnovážných procesů. NE Ablesimov formuloval relaxační princip pro řízení vlastností nerovnovážných fyzikálních a chemických systémů. V případě, že relaxační doby jsou mnohem delší než trvání fyzického dopadu, je možné řídit uvolňování chemických forem, fází a v důsledku toho i vlastností látek (materiálů) pomocí informací o relaxačních mechanismech. v nerovnovážných kondenzovaných systémech na fyzikálně-chemickém stupni relaxačních procesů (včetně počtu a za provozu).

Hlavní úseky HVE

a další.

Laserová chemie

Laserová chemie  je obor fyzikální chemie, který studuje chemické procesy, ke kterým dochází působením laserového záření a ve kterých hrají rozhodující roli specifické vlastnosti laserového záření, a také chemolaserové procesy ( chemické lasery ) [12] . Monochromatičnost laserového záření umožňuje selektivně excitovat molekuly jednoho typu, zatímco molekuly jiných typů zůstávají nevybuzené. Selektivita excitace v tomto procesu je omezena pouze mírou překrytí pásem v absorpčním spektru látky. Volbou excitační frekvence je tedy možné nejen provádět selektivní aktivaci molekul, ale také měnit hloubku pronikání záření do reakční zóny.

Možnost fokusace laserového záření umožňuje zavést energii lokálně, do určité oblasti objemu, který zabírá reakční směs. Vliv laseru na chemické reakce může být tepelný a fotochemický. Laserová oftalmologie a mikrochirurgie v konečném důsledku stejná laserová chemie, ale pro lékařské účely.

Radiační chemie

Radiační chemie  - část vysokoenergetické chemie , sekce fyzikální chemie - studuje chemické procesy způsobené působením ionizujícího záření na hmotu [13] .

Elektromagnetické záření ( rentgenové záření , γ-záření , synchrotronové záření ) a proudy urychlených částic ( elektrony , protony , neutrony , heliony , těžké ionty; štěpné fragmenty těžkých jader atd.) mají ionizační schopnost, jejíž energie převyšuje ionizační potenciál atomů nebo molekul (ve většině případů leží v rozmezí 10-15 eV ).

V rámci radiační chemie jsou některé chemické procesy považovány za nemožné při použití tradičních chemických přístupů. Ionizující záření může výrazně snížit teplotu chemických reakcí bez použití katalyzátorů a iniciátorů.

Historie radiační chemie

Radiační chemie vznikla po objevu rentgenového záření W. Roentgenem v roce 1895 a radioaktivity A. Becquerelem v roce 1896, který jako první pozoroval radiační účinky na fotografických deskách.

První práce na radiační chemii provedli v letech 1899-1903 manželé M. Curie a P. Curie . V dalších letech byl největší počet studií věnován radiolýze vody a vodných roztoků .

Jaderná chemie

Jaderná chemie  - část vysokoenergetické chemie , část fyzikální chemie - studuje jaderné reakce a fyzikálně-chemické procesy je doprovázející, stanovuje vztah mezi fyzikálně-chemickými a jadernými vlastnostmi látky [14] . Jaderná chemie často znamená oblasti studia radiochemie (někdy jako její část) a radiační chemie . Jsou to různé vědy, ale jaderná chemie je pro ně teoretickým základem. Pojem jaderná chemie není ani v současnosti obecně přijímán, protože přeměna atomových jader je původně oborem jaderné fyziky a chemie z definice studuje pouze chemické reakce , ve kterých jádra atomů zůstávají. beze změny. Jaderná chemie vznikla na průsečíku radiochemie , chemické fyziky a jaderné fyziky

Hlavní směry jaderné chemie:

Elektrochemie

Elektrochemie  je obor chemické vědy, který uvažuje systémy a mezifázové hranice, když jimi protéká elektrický proud , studují se procesy ve vodičích , na elektrodách (z kovů nebo polovodičů včetně grafitu ) a v iontových vodičích ( elektrolytech ). Elektrochemie zkoumá procesy oxidace a redukce probíhající na prostorově oddělených elektrodách, přenos iontů a elektronů . Přímý přenos náboje z molekuly do molekuly se v elektrochemii neuvažuje.

Tradičně se elektrochemie dělí na teoretickou a aplikovanou.

Teoretická elektrochemie Aplikovaná elektrochemie

Zvuková chemie

Zvuková chemie (sonochemie) je obor chemie, který studuje interakci silných akustických vln a výsledné chemické a fyzikálně chemické účinky [15] . Sonochemie zkoumá kinetiku a mechanismus sonochemických reakcí probíhajících v objemu zvukového pole. Oblast zvukové chemie také zahrnuje některé fyzikální a chemické procesy ve zvukovém poli: sonoluminiscenci , disperzi látky působením zvuku, emulgaci a další koloidní chemické procesy.

Sonochemie věnuje hlavní pozornost studiu chemických reakcí, které probíhají působením akustických vibrací – sonochemických reakcí . Zvukově-chemické procesy jsou zpravidla studovány v ultrazvukové oblasti (od 20 kHz do několika MHz). Zvukové vibrace v kilohertzové oblasti a infrazvukové oblasti jsou studovány mnohem méně často. Zvuková chemie zkoumá procesy kavitace .

Ke studiu zvuko-chemických reakcí se používají následující metody:

Strukturní chemie

Strukturní chemie  je sekce, obor chemie, který studuje vztah mezi různými fyzikálními a fyzikálně-chemickými vlastnostmi různých látek s jejich chemickou strukturou a reaktivitou. Strukturní chemie uvažuje nejen o geometrické struktuře molekul; předmětem studia jsou - délky chemických vazeb, vazebné úhly, koordinační čísla, konformace a konfigurace molekul; účinky jejich vzájemného ovlivňování, aromatickosti.

Strukturní chemie je založena na následujících experimentálních metodách pro studium látek:

Teorie metalurgických procesů

Sekce studující procesy v metalurgických jednotkách.

Potenciometrie

Potenciometrie  je interdisciplinární obor fyzikální chemie, který zahrnuje využití různých elektrochemických a termodynamických metod, metod analytické chemie, široce používaných ve vědeckém výzkumu různých oborů, v průmyslové praxi; včetně - ionometrie, pH -metrie, jakož i při vytváření měřicích zařízení v nich používaných (viz také: periodický zákon (oxidační potenciál) , pH , redox potenciál , pH metr , skleněná elektroda ).

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Khunrath H. Symbolum Physico-Chymicum. Hamburk, 1598.
  2. ↑ Solovyov Yu. I. Eseje o historii fyzikální chemie. M: Nauka, 1964. S. 7.
  3. ↑ „Fyzikální chemie“ byla i v alchymii nazývána určitými konceptuálními reprezentacemi tohoto filozofického konglomerátu umění a vědy, ale tento koncept samozřejmě nelze v žádném případě spojovat s metodologickým systémem, který implikuje učení M. V. Lomonosova navržené pro rozvoj a jím vyvinuté
  4. ↑ Chemická fyzika na prahu XXI. století. Ke 100. výročí N. N. Semjonova . — M .: Nauka, 1996. — 218 s. — ISBN 5-02-001876-7 . Archivováno 18. září 2020 na Wayback Machine
  5. ↑ Zacharčenko V. N. Koloidní chemie: Proc. pro lékařského biologa. specialista. univerzit.-2. vyd., revid. a add.-M.: Vyssh.shk., 1989.-238 s.: ill.
  6. ↑ Boky G. B. Krystalová chemie. M.: Nakladatelství Moskevské státní univerzity, 1960. - 357 s.
  7. ↑ Nesmeyanov A. N., Radiochemistry, M., 1972.
  8. ↑ Brikker Yu., Menshikov Yu. Koroze kovů, způsoby ochrany proti ní . Vzdělávací film pro vysoké školy . Tsentrnauchfilm (1980). Získáno 18. března 2013. Archivováno z originálu 7. října 2014.
  9. ↑ Prigogine I., Defey R. Chemická termodynamika. Novosibirsk: Nauka, 1966. 510 s.
  10. ↑ Kurnakov N. S. Úvod do fyzikální a chemické analýzy / Ed. V. Ya Anosova a M. A. Klochko. - 4. vyd. přidat. - M. - L .: Nakladatelství Akademie věd SSSR, 1940. - 562 s. Archivováno 4. března 2016 na Wayback Machine
  11. ↑ Bugaenko L. T., Kuzmin M. G., Polak L. S. Vysokoenergetická chemie. Chemie, 1988. - 368 s.
  12. ↑ Bashkin A. S. Chemical lasers / A. S. Bashkin, V. I. Igoshin, A. N. Oraevsky, V. A. Shcheglov - M .: Nauka, 1982.
  13. ↑ Pikaev A.K. Moderní radiační chemie: Základní ustanovení: Experimentální technika a metody. M.: Nauka, 1985. 375 s.
  14. ↑ G. Choppin, Ya. Rydberg, Nuclear Chemistry. Základy teorie a aplikace, přel. z angličtiny, M., 1984;
  15. ↑ Margulis M.A. Základy zvukové chemie. Chemické reakce v akustických polích. - M . : Vyšší škola, 1984. - 272 s. - 300 výtisků.

Literatura


 Sekce materiálové vědy
Základní definice
Hlavní směry
Obecné aspekty
Další důležité pokyny
Příbuzné vědy
  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie