THUỘC VẬT CHẤT, khoa học về các định luật tổng quát xác định cấu trúc và hóa học. các biến đổi nội tại khi phân hủy. máy lẻ điều kiện. Nghiên cứu hóa học. hiện tượng sử dụng lý thuyết và thử nghiệm. các phương pháp vật lý.
Là một khoa học độc lập, khoa học vật lý đã hình thành. thế kỷ 18 Thuật ngữ “vật chất” thuộc về M.V. Lomonosov, người đầu tiên giảng dạy một khóa học vật lý vào năm 1752 cho sinh viên tại Đại học St. Petersburg. Con đường thuộc về anh ấy. định nghĩa: “Vật lý là một môn khoa học giải thích, trên cơ sở các nguyên lý và thí nghiệm vật lý, những gì xảy ra trong các vật thể hỗn hợp trong các hoạt động hóa học.” Tạp chí khoa học đầu tiên dành cho việc xuất bản các bài báo về vật lý được thành lập vào năm 1887 bởi W. Ostwald và J. Van't Hoff.
F vật lý là lý thuyết chính. nền tảng của hiện đại , dựa trên các ngành vật lý quan trọng như thống kê. vật lý và động lực phi tuyến, lý thuyết trường, v.v. Nó bao gồm học thuyết về cấu trúc của vật chất, bao gồm. về , và . Là các phần riêng biệt trong vật lý, khoa học vật lý (bao gồm), nghiên cứu vật lý và hóa lý có trọng lượng phân tử cao thường được phân biệt. liên lạc. v.v. Chúng rất gần gũi với vật chất và đôi khi được coi là độc lập với nó. phần , và . Hầu hết các phần của vật lý đều có ranh giới khá rõ ràng về đối tượng và phương pháp nghiên cứu, phương pháp luận. tính năng và thiết bị được sử dụng.
Hiện đại Giai đoạn phát triển thể chất được đặc trưng bởi sự phân tích sâu sắc các quy luật chung của hóa học. biến đổi trên bến tàu cấp độ, sử dụng rộng rãi thảm. , mở rộng phạm vi bên ngoài. tác dụng hóa học hệ thống (nhiệt độ cao và đông lạnh, bức xạ và từ trường cao, mạnh), nghiên cứu các quá trình cực nhanh, các phương pháp tích lũy năng lượng trong hóa chất. v-vah, v.v.
Ứng dụng của thuyết lượng tử trước hết là trong việc giải thích hóa học. hiện tượng kéo theo phương tiện. sự chú ý ngày càng tăng đến mức độ giải thích đã dẫn đến việc xác định hai hướng trong. Một hướng đi dựa trên cơ lượng tử. lý thuyết và thao tác trên kính hiển vi. mức độ giải thích hiện tượng, thường được gọi là hóa học. vật lý, mà là một hướng hoạt động với tập hợp một số lượng lớn các hạt, nơi các nguyên tắc thống kê có hiệu lực. định luật - vật lý. Với sự phân chia này, ranh giới giữa hóa lý và hóa học. vật lý không phải m.b. được thực hiện một cách gay gắt, điều này đặc biệt rõ ràng trong lý thuyết về tỷ lệ hóa học. các huyện.
Học thuyết về cấu trúc của đảo và tóm tắt một thí nghiệm mở rộng vật liệu thu được bằng cách sử dụng vật lý như vậy phương pháp, chẳng hạn như phân tử, nghiên cứu tương tác. điện từ bức xạ với các chất ở các dạng khác nhau phạm vi bước sóng, phương pháp nhiễu xạ ảnh và tia X, phương pháp dựa trên quang từ. hiệu ứng, v.v. Những phương pháp này giúp thu được dữ liệu cấu trúc về electron, về vị trí cân bằng và biên độ dao động của hạt nhân trong và tụ điện. in-ve, về hệ thống năng lượng. cấp độ và sự chuyển tiếp giữa chúng, về những thay đổi trong địa lý. cấu hình khi môi trường hoặc các mảnh riêng lẻ của nó thay đổi, v.v.
Cùng với nhiệm vụ liên hệ tính chất của các chất với cấu trúc hiện đại của chúng. Vật lý cũng tham gia tích cực vào bài toán nghịch đảo trong việc dự đoán cấu trúc của các hợp chất với những tính chất cho trước.
Một nguồn thông tin rất quan trọng về đặc điểm của chúng ở nhiều dạng khác nhau. trạng thái và đặc điểm của hóa học. sự biến đổi là kết quả của hóa học lượng tử. tính toán. đưa ra một hệ thống các khái niệm và ý tưởng được sử dụng trong vật lý khi xem xét hành vi của hóa học. kết nối trên mỗi mol. mức độ và khi thiết lập mối tương quan giữa các đặc điểm hình thành nên một hạng mục và tính chất của hạng mục đó. Nhờ kết quả của hóa học lượng tử. tính toán bề mặt thế năng hóa học. hệ thống ở nhiều dạng khác nhau và thử nghiệm. Khả năng của những năm gần đây, chủ yếu là sự phát triển, khoa học vật lý đã tiến gần đến việc nghiên cứu toàn diện về Rước lễ. ở trạng thái kích thích và kích thích cao, để phân tích các đặc điểm cấu trúc của kết nối. ở những trạng thái như vậy và đặc điểm biểu hiện của những đặc điểm này trong động lực học của hóa chất. những biến đổi.
Hạn chế của phương pháp thông thường là nó chỉ cho phép mô tả trạng thái cân bằng và các quá trình thuận nghịch. Các quá trình thực sự không thể đảo ngược là chủ đề của lý thuyết nảy sinh vào những năm 30. Thế kỷ 20 . Lĩnh vực vật lý này nghiên cứu các hiện tượng vĩ mô không cân bằng. các hệ thống trong đó tốc độ xuất hiện cục bộ không đổi (các hệ thống như vậy gần đạt trạng thái cân bằng cục bộ). Nó cho phép bạn xem xét các hệ thống có hóa chất r-tions và truyền khối lượng (), nhiệt, điện. phí, v.v.
nghiên cứu các biến đổi hóa học. đúng lúc, tức là tốc độ hóa học. r-tions, cơ chế của những biến đổi này, cũng như sự phụ thuộc của hóa chất. quá trình từ các điều kiện thực hiện của nó. Cô thiết lập các mô hình phản bộinhững thay đổi trong thành phần của hệ thống biến đổi theo thời gian cho thấy mối liên hệ giữa tốc độ hóa học. r-tion và các điều kiện bên ngoài, đồng thời nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ và hướng của các phản ứng hóa học. các huyện.
Hầu hết hóa học. p-tion là một quá trình phức tạp gồm nhiều giai đoạn bao gồm các hóa chất cơ bản riêng lẻ. biến đổi, vận chuyển và truyền năng lượng. lý thuyết hóa học. Động học bao gồm việc nghiên cứu cơ chế của các quá trình cơ bản và thực hiện tính toán các quá trình đó dựa trên ý tưởng và bộ máy cổ điển. cơ học và lý thuyết lượng tử, liên quan đến việc xây dựng các mô hình hóa học phức tạp. các quá trình, thiết lập mối liên hệ giữa cấu trúc của hóa chất. hợp chất và phản ứng của chúng. khả năng. Xác định động học các mô hình cho các quá trình phức tạp (động học hình thức) thường dựa trên toán học. và cho phép bạn kiểm tra các giả thuyết về cơ chế của các quá trình phức tạp, cũng như thiết lập một hệ thống vi phân. phương trình mô tả kết quả của quá trình trong các điều kiện khác nhau. máy lẻ điều kiện.
Đối với hóa chất. động học được đặc trưng bởi việc sử dụng nhiều vật lý. các phương pháp nghiên cứu cho phép thực hiện kích thích cục bộ các chất phản ứng, nghiên cứu các phép biến đổi nhanh (lên đến femto giây), tự động hóa việc đăng ký động học. dữ liệu được xử lý đồng thời trên máy tính, v.v. Tích lũy động học được tích lũy mạnh mẽ. thông tin thông qua động học , bao gồm cho hóa học. r-tions trong điều kiện khắc nghiệt.
Một nhánh rất quan trọng của vật lý, liên quan chặt chẽ đến hóa học. Động học là nghiên cứu về những thay đổi về tốc độ và hướng của hóa học. r-tion khi tiếp xúc với các chất (
Nội dung của bài viết
HÓA LÝ, một nhánh hóa học nghiên cứu tính chất hóa học của các chất dựa trên tính chất vật lý của các nguyên tử và phân tử cấu thành của chúng. Hóa lý hiện đại là một lĩnh vực liên ngành rộng lớn bao gồm nhiều ngành vật lý, lý sinh và sinh học phân tử. Nó có nhiều điểm liên hệ với các ngành khoa học hóa học như hóa học hữu cơ và vô cơ.
Một đặc điểm khác biệt của phương pháp hóa học (trái ngược với phương pháp vật lý và sinh học) là trong khuôn khổ của nó, cùng với việc mô tả các hiện tượng vĩ mô, bản chất của chúng được giải thích dựa trên tính chất của từng phân tử và sự tương tác giữa chúng.
Những phát triển mới về công cụ và phương pháp luận trong lĩnh vực hóa lý được sử dụng trong các ngành hóa học khác và các ngành khoa học liên quan, như dược lý và y học. Các ví dụ bao gồm phương pháp điện hóa, quang phổ hồng ngoại (IR) và tia cực tím (UV), kỹ thuật cộng hưởng từ và laser, được sử dụng rộng rãi trong trị liệu và chẩn đoán các bệnh khác nhau.
Các nhánh chính của hóa lý được coi là truyền thống: 1) nhiệt động hóa học; 2) lý thuyết động học và nhiệt động lực học thống kê; 3) các câu hỏi về cấu trúc phân tử và quang phổ; 4) động học hóa học.
Nhiệt động hóa học.
Nhiệt động lực học hóa học liên quan trực tiếp đến việc ứng dụng nhiệt động lực học - khoa học về nhiệt và các biến đổi của nó - vào bài toán cân bằng hóa học. Bản chất của vấn đề được trình bày như sau: nếu có một hỗn hợp thuốc thử (hệ) và các điều kiện vật lý nơi nó nằm (nhiệt độ, áp suất, thể tích) đã biết, thì những quá trình vật lý và hóa học tự phát nào có thể mang lại cho hệ thống này đến trạng thái cân bằng? Định luật nhiệt động lực học đầu tiên phát biểu rằng nhiệt là một dạng năng lượng và tổng năng lượng của một hệ (cùng với môi trường xung quanh) không đổi. Như vậy, định luật này là một trong những dạng của định luật bảo toàn năng lượng. Theo định luật thứ hai, một quá trình tự phát dẫn đến sự tăng entropy tổng thể của hệ và môi trường của nó. Entropy là thước đo lượng năng lượng mà hệ thống không thể tiêu hao để thực hiện công có ích. Định luật thứ hai chỉ ra hướng mà phản ứng sẽ diễn ra mà không có bất kỳ ảnh hưởng bên ngoài nào. Để thay đổi bản chất của một phản ứng (ví dụ: hướng của nó), bạn cần tiêu hao năng lượng ở dạng này hay dạng khác. Do đó, nó đặt ra những giới hạn nghiêm ngặt về lượng công có thể được thực hiện bằng cách biến đổi nhiệt năng hoặc năng lượng hóa học giải phóng trong một quá trình thuận nghịch.
Chúng ta có được những thành tựu quan trọng về nhiệt động lực học hóa học nhờ J. Gibbs, người đã đặt nền tảng lý thuyết cho ngành khoa học này, giúp kết hợp các kết quả mà nhiều nhà nghiên cứu thuộc thế hệ trước thu được thành một tổng thể duy nhất. Trong khuôn khổ phương pháp tiếp cận do Gibbs phát triển, không có giả định nào được đưa ra về cấu trúc vi mô của vật chất, nhưng các tính chất cân bằng của các hệ thống ở cấp độ vĩ mô được xem xét. Đây là lý do tại sao chúng ta có thể nghĩ rằng định luật thứ nhất và thứ hai của nhiệt động lực học là phổ quát và sẽ vẫn có giá trị ngay cả khi chúng ta học nhiều hơn về tính chất của phân tử và nguyên tử.
Lý thuyết động học và nhiệt động lực học thống kê.
Nhiệt động lực học thống kê (như cơ học lượng tử) cho phép chúng ta dự đoán vị trí cân bằng của một số phản ứng trong pha khí. Sử dụng phương pháp cơ học lượng tử, có thể mô tả hành vi của các phân tử phức tạp của một số chất ở trạng thái lỏng và rắn. Tuy nhiên, có những phản ứng không thể tính được tốc độ trong khuôn khổ lý thuyết động học hoặc sử dụng nhiệt động lực học thống kê.
Cuộc cách mạng thực sự trong nhiệt động lực học thống kê cổ điển diễn ra vào những năm 70 của thế kỷ 20. Các khái niệm mới như tính phổ quát (ý tưởng rằng các thành viên của một số loại hợp chất nhất định có cùng đặc tính) và nguyên lý tương tự (ước tính các đại lượng chưa biết dựa trên các tiêu chí đã biết) đã giúp chúng ta có thể hiểu rõ hơn về hành vi của chất lỏng gần điểm tới hạn. điểm chênh lệch giữa chất lỏng và chất khí. Sử dụng máy tính, các đặc tính của chất lỏng đơn giản (argon lỏng) và phức tạp (nước và rượu) ở trạng thái tới hạn đã được mô phỏng. Gần đây hơn, các tính chất của chất lỏng như helium lỏng (hành vi của nó được mô tả hoàn hảo trong khuôn khổ cơ học lượng tử) và các electron tự do trong chất lỏng phân tử đã được nghiên cứu toàn diện bằng cách sử dụng mô hình siêu dẫn trên máy tính). Điều này cho phép chúng tôi hiểu rõ hơn về tính chất của chất lỏng thông thường. Các phương pháp máy tính, kết hợp với những phát triển lý thuyết mới nhất, được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu hoạt động của các dung dịch, polyme, mixen (các hạt keo cụ thể), protein và dung dịch ion. Để giải quyết các bài toán trong hóa lý, đặc biệt là mô tả một số tính chất của hệ ở trạng thái tới hạn và nghiên cứu các bài toán trong vật lý năng lượng cao, phương pháp toán học của nhóm tái chuẩn hóa ngày càng được sử dụng nhiều.
Cấu trúc phân tử và quang phổ.
Các nhà hóa học hữu cơ của thế kỷ 19. đã phát triển các quy tắc đơn giản để xác định hóa trị (khả năng kết hợp) của nhiều nguyên tố hóa học. Ví dụ, họ phát hiện ra rằng hóa trị của carbon là 4 (một nguyên tử carbon có thể gắn bốn nguyên tử hydro để tạo thành phân tử metan CH 4), oxy - 2, hydro - 1. Dựa trên các khái niệm thực nghiệm dựa trên dữ liệu thực nghiệm, các giả định đã được đưa ra về sự sắp xếp không gian của các nguyên tử trong phân tử (ví dụ, phân tử metan có cấu trúc tứ diện, trong đó nguyên tử cacbon nằm ở trung tâm của hình chóp tam giác, còn hydro ở bốn đỉnh). Tuy nhiên, phương pháp này không thể tiết lộ cơ chế hình thành liên kết hóa học và do đó không thể ước tính kích thước của các phân tử hoặc xác định khoảng cách chính xác giữa các nguyên tử.
Bằng cách sử dụng các phương pháp quang phổ được phát triển trong thế kỷ 20, cấu trúc của các phân tử nước (H 2 O), ethane (C 2 H 6) và sau đó là các phân tử phức tạp hơn nhiều như protein đã được xác định. Các phương pháp quang phổ vi sóng (EPR, NMR) và nhiễu xạ điện tử giúp xác định độ dài liên kết, góc giữa chúng (góc liên kết) và vị trí tương đối của các nguyên tử trong phân tử đơn giản và phân tích nhiễu xạ tia X - các thông số tương tự cho các phân tử lớn hơn hình thành các tinh thể phân tử. Việc biên soạn các danh mục cấu trúc phân tử và sử dụng các khái niệm đơn giản về hóa trị đã đặt nền móng cho hóa học cấu trúc (người tiên phong của nó là L. Pauling) và giúp sử dụng các mô hình phân tử để giải thích các hiện tượng phức tạp ở cấp độ phân tử. Nếu các phân tử không có cấu trúc cụ thể hoặc nếu các thông số của liên kết C–C và C–H trong nhiễm sắc thể rất khác so với các thông số trong phân tử metan hoặc ethane, thì sử dụng các mô hình hình học đơn giản, J. Watson và F. Crick sẽ vào đầu những năm 1950 đã không thể xây dựng được chuỗi xoắn kép nổi tiếng của nó - một mô hình của axit deoxyribonucleic (DNA). Bằng cách nghiên cứu sự dao động của các nguyên tử trong phân tử bằng quang phổ hồng ngoại và tia cực tím, người ta có thể xác định bản chất của các lực giữ nguyên tử trong thành phần của phân tử, từ đó gợi ý sự hiện diện của chuyển động nội phân tử và giúp nghiên cứu có thể thực hiện được. tính chất nhiệt động của các phân tử ( xem ở trên). Đây là bước đầu tiên hướng tới việc xác định tốc độ phản ứng hóa học. Hơn nữa, các nghiên cứu quang phổ ở vùng UV đã giúp thiết lập cơ chế hình thành liên kết hóa học ở cấp độ điện tử, giúp mô tả các phản ứng hóa học dựa trên khái niệm chuyển đổi chất phản ứng sang trạng thái kích thích (thường dưới tác động của ánh sáng nhìn thấy được). hoặc tia cực tím). Thậm chí cả một lĩnh vực khoa học cũng đã phát sinh - quang hóa. Quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) đã cho phép các nhà hóa học nghiên cứu các giai đoạn riêng lẻ của các quá trình hóa học phức tạp và xác định các vị trí hoạt động trong các phân tử enzyme. Phương pháp này cũng cho phép thu được hình ảnh ba chiều của các tế bào nguyên vẹn và các cơ quan riêng lẻ. HÌNH ẢNH HÓA.
Lý thuyết hóa trị.
Sử dụng các quy tắc thực nghiệm về hóa trị được phát triển bởi các nhà hóa học hữu cơ, bảng tuần hoàn các nguyên tố và mô hình hành tinh nguyên tử của Rutherford, G. Lewis đã chứng minh rằng chìa khóa để hiểu liên kết hóa học là cấu trúc điện tử của một chất. Lewis đi đến kết luận rằng liên kết cộng hóa trị được hình thành do sự dùng chung các electron thuộc các nguyên tử khác nhau; Đồng thời, ông bắt đầu từ ý tưởng rằng các electron liên kết nằm trong các lớp vỏ electron được xác định chặt chẽ. Lý thuyết lượng tử cho phép dự đoán cấu trúc của các phân tử và bản chất của liên kết cộng hóa trị được hình thành trong trường hợp tổng quát nhất.
Ý tưởng của chúng ta về cấu trúc của vật chất, được hình thành nhờ những thành công của vật lý lượng tử trong một phần tư thế kỷ 20, có thể tóm tắt ngắn gọn như sau. Cấu trúc của nguyên tử được xác định bởi sự cân bằng giữa lực đẩy (giữa các electron) và lực hút (giữa các electron và hạt nhân tích điện dương). Hầu như toàn bộ khối lượng của nguyên tử tập trung ở hạt nhân và kích thước của nó được xác định bởi lượng không gian bị chiếm giữ bởi các electron quay quanh hạt nhân. Các phân tử bao gồm các hạt nhân tương đối ổn định được giữ với nhau bằng các electron chuyển động nhanh, do đó tất cả các tính chất hóa học của các chất có thể được giải thích dựa trên ý tưởng về tương tác điện của các hạt cơ bản tạo nên nguyên tử và phân tử. Như vậy, những quy định chính của cơ học lượng tử liên quan đến cấu trúc phân tử và sự hình thành liên kết hóa học tạo cơ sở cho việc mô tả thực nghiệm cấu trúc điện tử của vật chất, bản chất của liên kết hóa học và khả năng phản ứng của nguyên tử, phân tử.
Với sự ra đời của máy tính tốc độ cao, người ta có thể tính toán (với độ chính xác thấp nhưng đủ) các lực tác dụng giữa các nguyên tử trong các phân tử đa nguyên tử nhỏ. Lý thuyết hóa trị dựa trên mô hình máy tính hiện là công cụ để nghiên cứu cấu trúc, bản chất của lực hóa học và phản ứng trong trường hợp tiến hành thí nghiệm khó khăn hoặc tốn thời gian. Điều này đề cập đến việc nghiên cứu các gốc tự do có trong khí quyển và ngọn lửa hoặc được hình thành dưới dạng chất trung gian phản ứng. Người ta hy vọng rằng một ngày nào đó, một lý thuyết dựa trên tính toán máy tính sẽ có thể trả lời câu hỏi: làm thế nào, trong khoảng thời gian cỡ pico giây, các cấu trúc hóa học “tính toán” trạng thái ổn định nhất của chúng, trong khi thu được các ước tính tương ứng, ít nhất là đối với một số người. gần đúng, đòi hỏi một lượng thời gian máy rất lớn.
Động học hóa học
nghiên cứu cơ chế của các phản ứng hóa học và xác định tốc độ của chúng. Ở cấp độ vĩ mô, một phản ứng có thể được biểu diễn dưới dạng các biến đổi liên tiếp, trong đó các biến đổi khác được hình thành từ một chất. Ví dụ, phép biến đổi tưởng chừng đơn giản
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O
thực tế bao gồm một số giai đoạn kế tiếp nhau:
H + O 2 → OH + O
O + H 2 → HO + H
H + O 2 → HO 2
HO 2 + H 2 → H 2 O + OH
và mỗi trong số chúng được đặc trưng bởi hằng số tốc độ riêng của nó k. S. Arrhenius cho rằng nhiệt độ tuyệt đối T và hằng số tốc độ phản ứng k liên quan bởi mối quan hệ k = MỘTđiểm kinh nghiệm(- E Hành động)/ RT, Ở đâu MỘT– hệ số tiền mũ (còn gọi là hệ số tần số), E hành động - năng lượng kích hoạt, R- hằng số khí. Để đo k Và T chúng ta cần các công cụ cho phép chúng ta theo dõi các sự kiện xảy ra trong khoảng thời gian khoảng 10–13 giây, và mặt khác là trong nhiều thập kỷ (và thậm chí hàng thiên niên kỷ) (các quá trình địa chất); cũng cần có khả năng đo nồng độ nhỏ của thuốc thử cực kỳ không ổn định. Nhiệm vụ của động học hóa học cũng bao gồm việc dự đoán các quá trình hóa học xảy ra trong các hệ thống phức tạp (chúng ta đang nói về các quá trình sinh học, địa chất, khí quyển, quá trình đốt cháy và tổng hợp hóa học).
Để nghiên cứu các phản ứng pha khí “ở dạng nguyên chất”, phương pháp chùm phân tử được sử dụng; trong trường hợp này, các phân tử có trạng thái lượng tử được xác định chặt chẽ sẽ phản ứng tạo thành các sản phẩm cũng ở trạng thái lượng tử nhất định. Những thí nghiệm như vậy cung cấp thông tin về các lực xác định sự xuất hiện của các phản ứng nhất định. Ví dụ: trong thiết lập chùm phân tử, bạn có thể định hướng ngay cả các phân tử nhỏ như CH 3 I theo một cách nhất định và đo tốc độ va chạm trong hai phản ứng “khác nhau”:
K + ICH 3 → KI + CH 3
K + CH 3 I → KI + CH 3
trong đó nhóm CH 3 được định hướng khác so với nguyên tử kali đang tiếp cận.
Một trong những vấn đề mà hóa lý (cũng như vật lý hóa học) giải quyết là việc tính hằng số tốc độ phản ứng. Lý thuyết trạng thái chuyển tiếp, được phát triển vào những năm 1930, sử dụng các thông số nhiệt động và cấu trúc, được sử dụng rộng rãi ở đây. Lý thuyết này, kết hợp với các phương pháp vật lý cổ điển và cơ học lượng tử, giúp mô phỏng quá trình phản ứng như thể nó đang xảy ra trong điều kiện thí nghiệm với chùm tia phân tử. Các thí nghiệm đang được thực hiện về sự kích thích bằng laser của một số liên kết hóa học nhất định, giúp xác minh tính đúng đắn của các lý thuyết thống kê về sự phá hủy các phân tử. Các lý thuyết đang được phát triển nhằm khái quát hóa các khái niệm toán học và vật lý hiện đại về các quá trình hỗn loạn (ví dụ, nhiễu loạn). Cho đến nay, chúng ta không còn hiểu đầy đủ bản chất của cả tương tác giữa các phân tử và giữa các phân tử, tiết lộ cơ chế phản ứng xảy ra trên các bề mặt có tính chất nhất định và thiết lập cấu trúc của trung tâm xúc tác của enzyme và phức hợp kim loại chuyển tiếp. Ở cấp độ vi mô, có thể ghi nhận nghiên cứu về động học của sự hình thành các cấu trúc phức tạp như bông tuyết hoặc đuôi gai (tinh thể có cấu trúc giống cây), điều này đã kích thích sự phát triển của mô hình máy tính dựa trên các mô hình đơn giản của lý thuyết động lực học phi tuyến. ; điều này mở ra triển vọng cho việc tạo ra các phương pháp tiếp cận mới để mô tả cấu trúc và quá trình phát triển của các hệ thống phức tạp.
Việc phân loại các ngành khoa học dựa trên việc phân loại các dạng chuyển động của vật chất cũng như các mối quan hệ và sự khác biệt của chúng. Vì vậy, để vạch ra ranh giới của hóa lý với một số ngành của vật lý, hóa học, cần xem xét mối liên hệ và sự khác biệt giữa các dạng chuyển động hóa học và vật lý.
Dạng chuyển động hóa học, tức là quá trình hóa học, được đặc trưng bởi sự thay đổi số lượng và sự sắp xếp của các nguyên tử trong phân tử của các chất phản ứng. Giữa nhiều thứ các hình thức chuyển động vật lý (trường điện từ, chuyển động và biến đổi của các hạt cơ bản, vật lý hạt nhân nguyên tử, v.v.) có mối liên hệ đặc biệt chặt chẽ với các quá trình hóa học hình thức chuyển động nội phân tử (dao động trong phân tử; sự kích thích điện tử và sự ion hóa của nó). Quá trình hóa học đơn giản nhất - hiện tượng phân ly nhiệt cơ bản của phân tử - xảy ra khi cường độ (biên độ và năng lượng) của dao động trong phân tử tăng lên, đặc biệt là dao động của hạt nhân dọc theo liên kết hóa trị giữa chúng. Việc đạt tới giá trị tới hạn đã biết của năng lượng dao động theo hướng của một liên kết nhất định trong phân tử sẽ dẫn đến sự đứt gãy liên kết này và sự phân ly của phân tử thành hai phần.
Các phản ứng phức tạp hơn liên quan đến một số (thường là hai) phân tử có thể được coi là sự kết hợp của hai phân tử khi chúng va chạm thành một phức hợp dễ vỡ và tồn tại trong thời gian ngắn (được gọi là phức hợp hoạt động) và sự phá hủy nhanh chóng của phức hợp này thành các phân tử mới, vì phức hợp này hóa ra không ổn định khi có các rung động bên trong thông qua các kết nối nhất định.
Như vậy, một tác dụng hóa học cơ bản là một điểm đặc biệt, tới hạn trong chuyển động dao động của các phân tử. Bản thân chuyển động sau không thể được coi là một chuyển động hóa học, nhưng nó là cơ sở cho các quá trình hóa học cơ bản.
Đối với quá trình biến đổi hóa học của khối lượng vật chất đáng kể, tức là nhiều phân tử, sự va chạm của các phân tử và sự trao đổi năng lượng giữa chúng là cần thiết (truyền năng lượng chuyển động của các phân tử sản phẩm phản ứng sang phân tử của chất ban đầu thông qua va chạm). Vì vậy, quá trình hóa học thực sự có liên quan chặt chẽ với quá trình thứ hai. hình thức chuyển động vật lý - chuyển động hỗn loạn của các phân tử của vật thể vĩ mô, thường được gọi là chuyển động nhiệt.
Mối quan hệ tương hỗ giữa dạng chuyển động hóa học với hai dạng chuyển động vật lý được trình bày ngắn gọn và khái quát nhất ở trên. Rõ ràng, có những mối liên hệ giống nhau giữa quá trình hóa học và bức xạ chuyển động của trường điện từ, với sự ion hóa các nguyên tử và phân tử (điện hóa), v.v.
Cấu trúc của vật chất . Phần này bao gồm cấu trúc của các nguyên tử, cấu trúc của phân tử và nghiên cứu các trạng thái kết tụ.
Việc nghiên cứu cấu trúc của các nguyên tử liên quan nhiều đến vật lý hơn là hóa lý. Học thuyết này là cơ sở để nghiên cứu cấu trúc của phân tử.
Nghiên cứu cấu trúc của phân tử xem xét hình dạng của phân tử, chuyển động nội phân tử và các lực liên kết các nguyên tử trong phân tử. Trong các nghiên cứu thực nghiệm về cấu trúc của phân tử, phương pháp quang phổ phân tử (bao gồm cả quang phổ vô tuyến) được sử dụng rộng rãi nhất; các phương pháp điện, X quang, từ tính và các phương pháp khác cũng được sử dụng rộng rãi.
Nghiên cứu về các trạng thái kết tụ xem xét sự tương tác của các phân tử trong chất khí, chất lỏng và tinh thể, cũng như tính chất của các chất ở các trạng thái kết tụ khác nhau. Ngành khoa học này rất quan trọng đối với hóa lý, có thể được coi là một phần của vật lý (vật lý phân tử).
Toàn bộ phần về cấu trúc của vật chất cũng có thể được coi là một phần của vật lý.
Nhiệt động hóa học . Trong phần này, dựa trên các định luật nhiệt động lực học tổng quát, các định luật cân bằng hóa học và học thuyết về cân bằng pha, thường được gọi là quy luật pha, được trình bày. Một phần của nhiệt động hóa học là nhiệt hóa học,đề cập đến tác dụng nhiệt của các phản ứng hóa học.
Nghiên cứu dung dịch nhằm mục đích giải thích và dự đoán tính chất của dung dịch (hỗn hợp đồng nhất của nhiều chất) dựa trên tính chất của các chất tạo nên dung dịch.
Giải pháp cho vấn đề này đòi hỏi phải xây dựng một lý thuyết tổng quát về sự tương tác của các phân tử khác nhau, tức là giải pháp cho vấn đề chính của vật lý phân tử. Để phát triển lý thuyết chung và khái quát hóa cụ thể, cấu trúc phân tử của dung dịch và các tính chất khác nhau của chúng tùy thuộc vào thành phần được nghiên cứu.
Học thuyết về hiện tượng bề mặt . Nghiên cứu các tính chất khác nhau của các lớp bề mặt chất rắn và chất lỏng (giao diện giữa các pha); Một trong những hiện tượng chính được nghiên cứu ở các lớp bề mặt là sự hấp phụ(tích tụ các chất trong lớp bề mặt).
Trong các hệ thống có bề mặt tiếp xúc giữa các pha lỏng, rắn và khí phát triển cao (dung dịch keo, nhũ tương, sương mù, khói), tính chất của các lớp bề mặt trở nên quan trọng hàng đầu và xác định nhiều tính chất độc đáo của toàn bộ hệ thống. . Như là vi không đồng nhất hệ thống đang được nghiên cứu hóa học keo, là một phần lớn độc lập của hóa học vật lý và là một môn học thuật độc lập trong các cơ sở giáo dục đại học về hóa học.
Điện hóa học. Nghiên cứu sự tương tác giữa các hiện tượng điện và phản ứng hóa học (điện phân, nguồn hóa học của dòng điện, lý thuyết điện tổng hợp). Điện hóa học thường bao gồm việc nghiên cứu các tính chất của dung dịch điện phân, điều này cũng có thể được quy cho việc nghiên cứu các dung dịch.
Động học hóa học và xúc tác . Nghiên cứu tốc độ phản ứng hóa học, sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng với các điều kiện bên ngoài (áp suất, nhiệt độ, độ phóng điện…), mối liên hệ giữa tốc độ phản ứng với cấu trúc và trạng thái năng lượng của phân tử, ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng. của các chất không tham gia vào phương trình phản ứng cân bằng hóa học (xúc tác).
Quang hóa học. Sự tương tác của bức xạ và các chất liên quan đến biến đổi hóa học được nghiên cứu (các phản ứng xảy ra dưới tác động của bức xạ, ví dụ, quá trình chụp ảnh và quang hợp, phát quang). Quang hóa có liên quan chặt chẽ đến động học hóa học và nghiên cứu cấu trúc của phân tử.
Danh sách các phần chính của hóa lý ở trên không bao gồm một số lĩnh vực mới nổi gần đây và các phần nhỏ hơn của khoa học này, có thể được coi là các phần của các phần lớn hơn hoặc là các phần độc lập của hóa lý. Ví dụ, đây là hóa học bức xạ, hóa học vật lý của các chất phân tử cao, hóa từ, điện hóa khí và các ngành hóa lý khác. Tầm quan trọng của một số trong số chúng hiện đang tăng lên nhanh chóng.
Phương pháp nghiên cứu vật lý và hóa học
Các phương pháp cơ bản của hóa học vật lý đương nhiên là các phương pháp vật lý và hóa học. Trước hết, đây là một phương pháp thực nghiệm - nghiên cứu sự phụ thuộc tính chất của các chất vào điều kiện bên ngoài và nghiên cứu thực nghiệm về quy luật xảy ra các phản ứng hóa học theo thời gian và quy luật cân bằng hóa học.
Sự hiểu biết lý thuyết về vật liệu thí nghiệm và tạo ra một hệ thống kiến thức mạch lạc về tính chất của các chất và quy luật phản ứng hóa học dựa trên các phương pháp vật lý lý thuyết sau đây.
Phương pháp cơ học lượng tử (đặc biệt là phương pháp cơ học sóng), làm nền tảng cho học thuyết về cấu trúc và tính chất của từng nguyên tử và phân tử cũng như sự tương tác của chúng với nhau. Sự thật liên quan đến tính chất của từng phân tử thu được chủ yếu bằng phương pháp quang học thực nghiệm.
Phương pháp vật lý thống kê , giúp tính toán các tính chất của một chất; bao gồm nhiều phân tử (thuộc tính “vĩ mô”), dựa trên thông tin về tính chất của từng phân tử.
Phương pháp nhiệt động , điều này cho phép liên kết một cách định lượng các tính chất khác nhau của một chất (thuộc tính “vĩ mô”) và tính toán một số tính chất này dựa trên giá trị thực nghiệm của các tính chất khác.
Nghiên cứu vật lý và hóa học hiện đại trong bất kỳ lĩnh vực cụ thể nào được đặc trưng bởi việc sử dụng nhiều phương pháp thực nghiệm và lý thuyết để nghiên cứu các tính chất khác nhau của các chất và làm sáng tỏ mối quan hệ của chúng với cấu trúc của phân tử. Toàn bộ bộ dữ liệu và các phương pháp lý thuyết trên được sử dụng để đạt được mục tiêu chính - làm rõ sự phụ thuộc của hướng, tốc độ và giới hạn của các biến đổi hóa học vào các điều kiện bên ngoài và vào cấu trúc của các phân tử tham gia phản ứng hóa học.
HÓA LÝ
Chủ đề của hóa học vật lý. Ý nghĩa của nó
Nghiên cứu mối quan hệ giữa các hiện tượng hóa học và vật lý hóa học vật lý. Nhánh hóa học này là ranh giới giữa hóa học và vật lý. Sử dụng các phương pháp lý thuyết và thực nghiệm của cả hai ngành khoa học cũng như các phương pháp riêng của nó, hóa học vật lý tham gia vào một nghiên cứu nhiều mặt về các phản ứng hóa học và các quá trình vật lý đi kèm của chúng. Tuy nhiên, vì ngay cả một nghiên cứu đa phương cũng không bao giờ đầy đủ và không bao quát hiện tượng một cách thấu đáo, các định luật và quy luật của hóa học vật lý, cũng như các khoa học tự nhiên khác, luôn đơn giản hóa hiện tượng và không phản ánh nó một cách đầy đủ.
Sự phát triển nhanh chóng và tầm quan trọng ngày càng tăng của hóa học vật lý gắn liền với vị trí ranh giới giữa vật lý và hóa học. Nhiệm vụ chung chính của hóa lý là dự đoán tiến trình thời gian của quá trình và kết quả cuối cùng (trạng thái cân bằng) trong các điều kiện khác nhau dựa trên dữ liệu về cấu trúc và tính chất của các chất tạo nên hệ thống đang nghiên cứu.
Sơ lược về lịch sử phát triển của hóa học vật lý
Thuật ngữ “hóa lý” và định nghĩa của khoa học này lần đầu tiên được đưa ra bởi M.V. Lomonosov, người vào năm 1752-1754. Ông đã dạy một khóa về hóa lý cho sinh viên của Viện Hàn lâm Khoa học và để lại bản thảo cho khóa học này, “Nhập môn Hóa lý đích thực” (1752). Lomonosov đã thực hiện nhiều nghiên cứu, các chủ đề tương ứng với “Kế hoạch khóa học Hóa lý” (1752) và chương trình thực nghiệm “Kinh nghiệm về Hóa lý” (1754). Dưới sự lãnh đạo của ông, một hội thảo dành cho sinh viên về hóa lý cũng đã được tiến hành.
Lomonosov đã đưa ra định nghĩa sau về hóa học vật lý: “Hóa lý là một môn khoa học giải thích, trên cơ sở các nguyên lý và thí nghiệm vật lý, những gì xảy ra trong các vật thể hỗn hợp trong quá trình hoạt động hóa học”. Định nghĩa này gần với định nghĩa hiện đại.
Đối với sự phát triển của hóa học vật lý, việc phát hiện ra hai định luật nhiệt động lực học vào giữa thế kỷ 19 (S. Carnot, J. R. Mayer, G. Helmholtz, D. P. Joule, R. Clausius, W. Thomson) có tầm quan trọng rất lớn.
Số lượng và sự đa dạng của nghiên cứu trong lĩnh vực vật lý và hóa học không ngừng tăng lên trong thế kỷ 19. Lý thuyết nhiệt động lực học về cân bằng hóa học đã được phát triển (K.M. Guldberg, P. Waage, D.W. Gibbs). Nghiên cứu của L.F. Wilhelmi đánh dấu sự khởi đầu của việc nghiên cứu tốc độ phản ứng hóa học (động học hóa học). Nghiên cứu sự truyền điện trong dung dịch (I.V. Gittorf, F.V.G. Kohlrausch), nghiên cứu định luật cân bằng của dung dịch với hơi nước (D.P. Konovalov) và phát triển lý thuyết về dung dịch (D.I. Mendeleev).
Sự thừa nhận hóa học vật lý như một ngành khoa học và học thuật độc lập được thể hiện qua việc thành lập khoa hóa học vật lý đầu tiên tại Đại học Leipzig (Đức) vào năm 1887 do W. Ostwald đứng đầu và trong việc thành lập tạp chí khoa học đầu tiên về vật lý học. hóa học ở đó. Vào cuối thế kỷ 19, Đại học Leipzig là trung tâm phát triển của hóa lý, và các nhà hóa lý hàng đầu là W. Ostwald, J. H. Van't Hoff, S. Arrhenius và W. Nernst. Đến thời điểm này, ba nhánh chính của hóa học vật lý đã được xác định - nhiệt động hóa học, động học hóa học và điện hóa học.
Các lĩnh vực khoa học quan trọng nhất, sự phát triển của nó là điều kiện cần thiết cho tiến bộ kỹ thuật, bao gồm nghiên cứu các quá trình hóa học; hóa học vật lý đóng một vai trò hàng đầu trong sự phát triển của vấn đề này.
Các phần của hóa học vật lý. Phương pháp nghiên cứu
Nhiệt động hóa học. Trong phần này, dựa trên các định luật nhiệt động lực học tổng quát, các định luật cân bằng hóa học và học thuyết về cân bằng pha được trình bày.
Nghiên cứu dung dịch nhằm mục đích giải thích và dự đoán tính chất của dung dịch (hỗn hợp đồng nhất của nhiều chất) dựa trên tính chất của các chất tạo nên dung dịch.
Học thuyết về hiện tượng bề mặt Nghiên cứu các tính chất khác nhau của các lớp bề mặt chất rắn và chất lỏng (giao diện giữa các pha); Một trong những hiện tượng chính được nghiên cứu ở các lớp bề mặt là sự hấp phụ(tích tụ chất ở lớp bề mặt).
Trong các hệ thống có bề mặt tiếp xúc giữa các pha lỏng, rắn và khí phát triển cao (nhũ tương, sương mù, khói, v.v.), các đặc tính của các lớp bề mặt trở nên quan trọng hàng đầu và xác định nhiều tính chất độc đáo của toàn bộ hệ thống. . Như là phân tán (vi không đồng nhất) hệ thống đang được nghiên cứu hóa học keo, là một nhánh độc lập lớn của hóa lý.
Danh sách các phần chính của hóa lý không bao gồm một số lĩnh vực và phần nhỏ hơn của khoa học này, những phần này có thể được coi là các phần của các phần lớn hơn hoặc là các phần độc lập của hóa lý. Điều đáng nhấn mạnh một lần nữa là mối quan hệ chặt chẽ giữa các nhánh khác nhau của hóa lý. Khi nghiên cứu bất kỳ hiện tượng nào, người ta phải sử dụng rất nhiều ý tưởng, lý thuyết và phương pháp nghiên cứu từ nhiều ngành hóa học (và thường là các ngành khoa học khác). Chỉ khi làm quen ban đầu với hóa lý, bạn mới có thể phân chia tài liệu thành các phần được chỉ định cho mục đích giáo dục.
Phương pháp nghiên cứu vật lý và hóa học. Các phương pháp cơ bản của hóa học vật lý đương nhiên là các phương pháp vật lý và hóa học. Trước hết, đây là một phương pháp thực nghiệm - nghiên cứu sự phụ thuộc tính chất của các chất vào điều kiện bên ngoài, nghiên cứu thực nghiệm các quy luật của các quá trình khác nhau và các quy luật cân bằng hóa học.
Sự hiểu biết lý thuyết về dữ liệu thực nghiệm và việc tạo ra một hệ thống kiến thức mạch lạc dựa trên các phương pháp vật lý lý thuyết.
Phương pháp nhiệt động lực học, một trong số đó, cho phép người ta liên hệ một cách định lượng các tính chất khác nhau của một chất (thuộc tính “vĩ mô”) và tính toán một số tính chất này dựa trên giá trị thực nghiệm của các tính chất khác.
CHƯƠNG I.
ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘ I
Nhiệt và làm việc
Những thay đổi về hình thức chuyển động trong quá trình chuyển đổi từ cơ thể này sang cơ thể khác và sự biến đổi năng lượng tương ứng rất đa dạng. Các hình thức chuyển đổi của chính chuyển động và các chuyển đổi năng lượng liên quan đến nó có thể được chia thành hai nhóm.
Nhóm thứ nhất chỉ bao gồm một dạng chuyển động thông qua sự va chạm hỗn loạn của các phân tử của hai vật thể tiếp xúc, tức là. bằng dẫn nhiệt (và đồng thời bằng bức xạ). Số đo của chuyển động được truyền theo cách này là nhiệt .
Nhóm thứ hai bao gồm các dạng chuyển động khác nhau, đặc điểm chung là chuyển động của các khối lượng vĩ mô dưới tác động của bất kỳ ngoại lực nào có tính chất định hướng. Đó là sự nâng các vật thể trong trường hấp dẫn, sự chuyển đổi một lượng điện nhất định từ thế năng tĩnh điện cao hơn sang thế năng tĩnh điện nhỏ hơn, sự giãn nở của chất khí dưới áp suất, v.v. Thước đo chung của chuyển động được truyền bằng các phương pháp đó là Công việc .
Nhiệt và công mô tả hai dạng chuyển động khác nhau về mặt định tính và định lượng từ phần này của thế giới vật chất sang phần khác.
Sự truyền chuyển động là một chuyển động phức tạp độc đáo của vật chất, chúng ta phân biệt hai dạng chính của chúng. Nhiệt và công là thước đo của hai dạng chuyển động phức tạp này của vật chất và cần được coi là dạng năng lượng.
Đặc tính chung của nhiệt và công là chúng chỉ có ý nghĩa trong những khoảng thời gian mà các quá trình này xảy ra. Trong các quá trình như vậy, ở một số cơ thể, chuyển động ở một số dạng nhất định giảm đi và năng lượng tương ứng giảm đi, trong khi ở các cơ thể khác, chuyển động ở dạng tương tự hoặc dạng khác tăng lên và các loại năng lượng tương ứng tăng lên.
Chúng ta không nói về sự tích trữ nhiệt hay công trong bất kỳ cơ thể nào mà chỉ nói về nhiệt và công của một quá trình nhất định. Sau khi hoàn thành, không cần phải nói về sự hiện diện của nhiệt hay công trong cơ thể.
Năng lượng bên trong
Đối với một quá trình không tròn, đẳng thức (I, 1) không được thỏa mãn vì hệ thống không trở về trạng thái ban đầu. Thay vì điều này, có thể viết các đẳng thức cho một quá trình không tròn (bỏ qua hệ số k):
Vì giới hạn tích phân trong trường hợp tổng quát là tùy ý nên đối với các đại lượng cơ bản dW Và dQ:
d Q¹ d W,
kể từ đây:
d Q– d W ¹ 0
Hãy biểu thị sự khác biệt dQ – dW cho bất kỳ quá trình nhiệt động cơ bản nào thông qua dU:
dUðd Q– d W(Tôi, 2)
hoặc cho quá trình cuối cùng:
– (Tôi, 2a)
Quay trở lại quy trình tuần hoàn, chúng ta thu được (từ phương trình I, 1):
= – = 0 (Tôi, 3)
Như vậy, giá trị dU là vi phân tổng của một hàm nào đó ở trạng thái của hệ. Khi hệ thống trở về trạng thái ban đầu (sau khi thay đổi theo chu kỳ), giá trị của hàm này sẽ lấy giá trị ban đầu.
Chức năng trạng thái hệ thống bạn,được xác định bởi các đẳng thức (I, 2) hoặc (I, 2a) được gọi là năng lượng bên trong hệ thống .
Rõ ràng biểu thức (I, 2a) có thể được viết như sau:
= U 2 – U 1 = ∆U = –(Tôi, 2b)
bạn 2 – U 1 = ∆U = Q – W
Lập luận này chứng minh một cách thực nghiệm sự hiện diện của một chức năng nhất định về trạng thái của hệ thống, có ý nghĩa là thước đo tổng thể của tất cả các chuyển động mà hệ thống có.
Nói cách khác, nội năng bao gồm năng lượng tịnh tiến và năng lượng quay của phân tử, năng lượng dao động của các nguyên tử và nhóm nguyên tử trong phân tử, năng lượng chuyển động của electron, năng lượng nội hạt nhân và các loại năng lượng khác, tức là tổng thể của tất cả các loại năng lượng của các hạt trong một hệ ngoại trừ thế năng và động năng của chính hệ đó.
Giả sử rằng quá trình tuần hoàn được thực hiện theo cách mà sau khi hệ trở về trạng thái ban đầu, nội năng của hệ không lấy giá trị ban đầu mà tăng lên. Trong trường hợp này, sự lặp lại của các quá trình tuần hoàn sẽ gây ra sự tích tụ năng lượng trong hệ thống. Có thể biến năng lượng này thành công và thu được công theo cách này không phải tốn nhiệt mà “từ hư vô”, vì trong một quá trình tuần hoàn, công và nhiệt tương đương với nhau, như được chứng minh bằng các thí nghiệm trực tiếp.
Không thể thực hiện chu trình xây dựng được chỉ định máy chuyển động vĩnh viễn (di động vĩnh viễn) loại thứ nhất, làm việc mà không tiêu tốn một lượng năng lượng tương đương khác, đã được chứng minh bằng kết quả tiêu cực của hàng ngàn năm kinh nghiệm của con người. Kết quả này dẫn đến kết luận tương tự mà chúng tôi thu được ở một dạng cụ thể nhưng chặt chẽ hơn bằng cách phân tích các thí nghiệm của Joule.
Hãy để chúng tôi xây dựng lại kết quả thu được. Tổng năng lượng dự trữ của hệ thống (năng lượng bên trong của nó) do một quá trình tuần hoàn trở về giá trị ban đầu, tức là năng lượng bên trong của hệ thống ở một trạng thái nhất định có một giá trị cụ thể và không phụ thuộc vào những thay đổi mà hệ thống đã trải qua trước khi nó đến trạng thái này.
Nói cách khác, nội năng của một hệ là một hàm rõ ràng, liên tục và hữu hạn của trạng thái của hệ.
Độ biến thiên nội năng của hệ được xác định bằng biểu thức (I, 2b); đối với quy trình tuần hoàn, biểu thức (I, 3) là hợp lệ. Với sự thay đổi vô cùng nhỏ về một số tính chất (tham số) của hệ, nội năng của hệ cũng thay đổi vô cùng nhỏ. Đây là một tính chất của hàm liên tục.
Trong nhiệt động lực học không cần sử dụng định nghĩa chung về khái niệm nội năng. Việc xác định định lượng chính thức thông qua các biểu thức (I, 2) hoặc (I, 2a) là đủ cho tất cả các lý luận và kết luận nhiệt động tiếp theo.
Vì nội năng của một hệ là hàm của trạng thái của nó, nên, như đã nói, sự tăng nội năng với những thay đổi vô cùng nhỏ trong các tham số trạng thái của hệ là vi phân tổng của hàm trạng thái. Tách tích phân trong phương trình (I, 3) thành hai tích phân trên các phần của đường đi từ trạng thái 1 đến điểm 2 (đường dẫn “a”) (xem Hình I) và quay lại - từ trạng thái 2 đến điểm 1 (một đường dẫn khác "b" ), - chúng tôi nhận được:
(Tôi, 4)
(Tôi, 5)
Chúng ta sẽ đi đến kết quả tương tự bằng cách so sánh các đường dẫn “a” và “c” hoặc “b” và “c”, v.v.
Cơm. I. Sơ đồ của một quá trình tuần hoàn (theo chu kỳ).
Biểu thức (I, 5) chứng tỏ rằng Sự tăng nội năng của một hệ trong quá trình chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác không phụ thuộc vào đường đi của quá trình mà chỉ phụ thuộc vào trạng thái ban đầu và trạng thái cuối cùng của hệ.
Định luật nhiệt động đầu tiên
Định luật nhiệt động lực học đầu tiên liên quan trực tiếp đến định luật bảo toàn năng lượng. Nó cho phép bạn tính toán cân bằng năng lượng trong các quá trình khác nhau, bao gồm cả các phản ứng hóa học.
Từ định luật bảo toàn năng lượng suy ra:
Q = ∆U + W
Biểu thức kết quả cho một hệ thống khép kín có thể được đọc như sau: nhiệt cung cấp cho hệ chỉ được dùng để thay đổi năng lượng bên trong và thực hiện công.
Tuyên bố trên liên quan đến các phương trình (I, 3) và (I, 5) phục vụ xây dựng định luật nhiệt động thứ nhất(kết hợp với phương trình (I, 2), đưa ra định nghĩa định lượng về nội năng).
Định luật nhiệt động lực học đầu tiên là một công thức định lượng của định luật bảo toàn năng lượng được áp dụng cho các quá trình liên quan đến sự biến đổi nhiệt và công.
Một công thức khác của định luật thứ nhất nhiệt động lực học có thể thu được từ biểu thức (I, 2a). Trong một hệ cô lập dQ = 0 Và dW = 0, sau đó dU = 0; do đó, đối với bất kỳ quá trình nào xảy ra trong một hệ cô lập:
(Tôi,6)
I E. nội năng của một hệ cô lập không đổi . Công thức của định luật nhiệt động lực học thứ nhất này, được áp dụng cho các điều kiện cụ thể và các hệ hữu hạn, là một biểu thức định lượng của định luật bảo toàn năng lượng tổng quát, theo đó năng lượng không được tạo ra cũng như không bị phá hủy.
Cần lưu ý rằng định luật nhiệt động lực học thứ nhất không cho phép tìm ra giá trị đầy đủ của nội năng của một hệ ở bất kỳ trạng thái nào, vì các phương trình biểu thị định luật thứ nhất dẫn đến việc tính toán chỉ những thay đổi trong năng lượng của hệ. hệ thống trong các quá trình khác nhau. Tương tự như vậy, không thể đo lường trực tiếp sự thay đổi nội năng trong các quá trình vĩ mô; người ta chỉ có thể tính toán sự thay đổi này bằng phương trình (I, 2b), có tính đến các đại lượng có thể đo được - nhiệt lượng và công của quá trình này.
Lưu ý rằng nhiệt và công (mỗi loại riêng biệt) không có tính chất của hàm trạng thái được biểu thị bằng phương trình (I, 3) hoặc (I, 5) và vốn có nội năng. Nhiệt và công của quá trình chuyển hệ từ trạng thái 1 sang trạng thái 2, trong trường hợp tổng quát, phụ thuộc vào đường đi của quá trình và độ lớn. δQ Và δW không phải là vi phân của hàm trạng thái mà đơn giản là những đại lượng vô cùng nhỏ mà chúng ta sẽ gọi là nhiệt nguyên tố Và công việc cơ bản.
Vì vậy, sự chênh lệch năng lượng bên trong dU có các tính chất toán học khác với nhiệt cơ bản dQ và làm việc dW. Điều này có tầm quan trọng đáng kể khi xây dựng một hệ thống nhiệt động lực học.
phương trình trạng thái
Nhiều tính chất của một hệ ở trạng thái cân bằng và các pha cấu thành của nó phụ thuộc lẫn nhau. Một sự thay đổi ở một trong số chúng sẽ gây ra sự thay đổi ở những cái khác. Sự phụ thuộc hàm số lượng giữa các tính chất của hệ thống (pha) có thể được phản ánh bằng các loại phương trình khác nhau.
Trong các phương trình này, phương trình quan trọng nhất là phương trình trạng thái pha, kết nối ở dạng tích phân áp suất, nhiệt độ, mật độ (hoặc thể tích), thành phần và các tính chất khác của từng pha của hệ thống ở trạng thái cân bằng.
Phương trình trạng thái liên quan chặt chẽ đến các phương trình nhiệt động lực học của hệ và các phần (pha) đồng nhất của nó, nhưng không thể suy ra dưới dạng cụ thể từ các phương trình cơ bản của nhiệt động lực học và phải được tìm ra bằng thực nghiệm hoặc thu được bằng các phương pháp vật lý thống kê, dựa trên về các thông số phân tử (tức là số lượng, đặc trưng cấu trúc và tính chất của từng phân tử). Các phương trình trạng thái đơn giản nhất là phương trình của chất khí ở áp suất thấp: phương trình Clapeyron–Mendeleev, phương trình van der Waals, v.v..
Sự hiện diện của các phương trình trạng thái và các phương trình khác kết nối các tính chất khác nhau của pha dẫn đến thực tế là để mô tả rõ ràng đặc tính trạng thái của hệ, chỉ cần biết một số tính chất độc lập là đủ. Những thuộc tính này được gọi biến độc lập hoặc thông số trạng thái hệ thống. Các thuộc tính còn lại là hàm của các tham số trạng thái và được xác định duy nhất nếu các giá trị của tham số sau được đưa ra. Hơn nữa, đối với nhiều bài toán, việc chúng ta có biết các phương trình trạng thái cụ thể của các pha đang nghiên cứu hay không cũng không thành vấn đề; điều quan trọng duy nhất là sự phụ thuộc tương ứng luôn thực sự tồn tại.
Do đó, trạng thái của hệ thống được xác định bởi các biến độc lập (tham số trạng thái), số lượng của chúng phụ thuộc vào bản chất của hệ thống cụ thể và về nguyên tắc, sự lựa chọn của chúng là tùy ý và liên quan đến việc xem xét tính khả thi. Để xác định trạng thái của các hệ đơn giản nhất - đồng nhất và không đổi theo thời gian về khối lượng và thành phần (gồm một pha và không thay đổi về mặt hóa học) - chỉ cần biết hai biến độc lập trong số ba biến (thể tích) là đủ V,áp lực P và nhiệt độ T). Trong các hệ thống phức tạp hơn, các biến độc lập có thể bao gồm nồng độ, điện tích, thế tĩnh điện, cường độ từ trường và các biến khác.
hệ số calo
Nội năng của một hệ, là hàm của trạng thái, là hàm của các biến độc lập (tham số trạng thái) của hệ.
Trong các hệ thống đơn giản nhất
bạn = f (V, T) (Tôi, 7)
tổng chênh lệch U đến từ đâu? :
dU = dV + dT (1,8)
Thay thế giá trị dU từ phương trình (I, 8) đến phương trình (I, 2), ta tìm được:
δQ = dV + dT + δW(Tôi, 9)
Nếu trong hệ đang nghiên cứu chỉ có công giãn nở và không có công điện, lực hấp dẫn, lực bề mặt, v.v., thì d W = PdV. Sau đó
δQ = + P dV + dT(Tôi, 9a)
Ký hiệu các hệ số vi phân của các biến độc lập trong phương trình (I, 9a) bằng ký hiệu tôi Và C V, chúng tôi nhận được:
δQ = ldV + C V dT(1,10)
Từ phương trình (I, 9a) và (I, 10) suy ra:
= l = +P(Tôi,11)
= C V =
Số lượng Và không đại diện cho đạo hàm của bất kỳ hàm số nào. Điều thứ nhất là nhiệt giãn nở đẳng nhiệt thi thể. Đại lượng này, có thứ nguyên trùng với thứ nguyên của áp suất, bao gồm áp suất bên ngoài và thuật ngữ ; phản ánh lực hút lẫn nhau của các phân tử. Thuật ngữ này nhỏ đối với khí thực và rất lớn (so với giá trị thông thường của áp suất bên ngoài) đối với chất lỏng và chất rắn.
Kích cỡ C V, theo phương trình (I, 11), có nhiệt dung ở thể tích không đổi. Nhiệt mà hệ hấp thụ ở một thể tích không đổi được dùng hoàn toàn vào việc tăng nội năng (với điều kiện là không có tất cả các loại công, kể cả công giãn nở).
Hệ số chênh lệch tổng nội năng của các biến V. Và T có ý nghĩa vật lý đơn giản, như được trình bày ở trên.
Lựa chọn các biến độc lập P Và T hoặc V. Và P và coi năng lượng bên trong là hàm của các cặp biến này, chúng ta có thể thu được, tương tự như trên:
d Q = HDP + C P dT(Tôi, 10a)
d Q= c dV+tôi dp(Tôi, 10b)
số lượng ở đâu h, C P , c và l liên quan đến đạo hàm của nội năng bằng những quan hệ phức tạp hơn so với những quan hệ được trình bày trong phương trình (I, 11). Lưu ý rằng Cp = Có công suất nhiệt ở áp suất không đổi, MỘT h = – nhiệt độ đẳng nhiệt tăng lên. Giá trị cuối cùng là âm đáng kể.
Tỷ lệ cược tôi, h, C V. , C P , c và λ được gọi là hệ số calo. Có ý nghĩa vật lý độc lập (đặc biệt là C P,C V và tôi), chúng cũng là các đại lượng phụ trợ hữu ích trong các phép tính và dẫn xuất nhiệt động lực học.
Vận hành các quy trình khác nhau
Nhiều quá trình năng lượng được thống nhất dưới tên công việc; một đặc tính chung của các quá trình này là sự tiêu tốn năng lượng của hệ thống để khắc phục lực tác động từ bên ngoài. Ví dụ, những quá trình như vậy bao gồm sự chuyển động của khối lượng trong một trường thế. Nếu chuyển động xảy ra ngược với gradient lực thì hệ sẽ tiêu tốn năng lượng dưới dạng công; khối lượng công việc là tích cực. Khi chuyển động dọc theo gradient lực, hệ nhận năng lượng dưới dạng công từ bên ngoài; khối lượng công việc là âm. Đây là công việc nâng một khối lượng đã biết lên trong một trường hấp dẫn. Công việc cơ bản trong trường hợp này:
d W = – mgdH
Ở đâu tôi- khối lượng cơ thể; H- chiều cao trên mức 0 ban đầu. Khi một hệ thống giãn nở dưới áp suất bên ngoài P, hệ thống hoạt động , công việc cơ bản là bằng nhau trong trường hợp này PdV(V 1 Và V 2 – khối lượng ban đầu và khối lượng cuối cùng của hệ thống, tương ứng).
Khi một điện tích chuyển động q trong điện trường ngược chiều với chiều giảm điện thế j và trong khu vực có sự thay đổi điện thế bằng DJ, cũng như với sự gia tăng điện tích của một cơ thể có tiềm năng j, theo số lượng dq công việc được thực hiện trên hệ thống, giá trị của nó bằng trong trường hợp đầu tiên - qdj, và trong trường hợp thứ hai – jdq.
Theo cách tương tự, chúng ta có thể biểu diễn công việc tăng bề mặt giao diện S giữa các phần đồng nhất của hệ thống (các pha): d W= -s dS,
trong đó s là sức căng bề mặt.
Nói chung công việc cơ bản dW là tổng của một số công trình cơ bản khác nhau về chất lượng:
d W = Pd V – mgdH-S dS– j d q + … (1.12)
Đây P, -mg, -σ, -j – lực theo nghĩa tổng quát (lực tổng quát) hoặc yếu tố cường độ; V, H, S, q – tọa độ tổng quát hoặc yếu tố năng lực.
Trong mỗi trường hợp cụ thể, cần xác định loại công việc nào có thể thực hiện được trong hệ thống đang nghiên cứu và rút ra các biểu thức thích hợp cho dW, sử dụng chúng trong phương trình (I, 2a). Việc tích phân phương trình (I, 12) và tính công cho một quá trình cụ thể chỉ có thể thực hiện được trong trường hợp quá trình ở trạng thái cân bằng và biết phương trình trạng thái.
Đối với nhiều hệ thống, có thể giới hạn chuỗi phương trình (I, 12) thành một số hạng - công khai triển.
Công giãn nở trong quá trình cân bằng được thể hiện bằng các phương trình khác nhau phát sinh từ phương trình trạng thái. Dưới đây là một số trong số họ:
1) Một quá trình xảy ra ở thể tích không đổi (quá trình đẳng tích; V = const):
W = ∫δW = ∫PdV = 0(Tôi, 13)
2) Một quá trình xảy ra ở áp suất không đổi (quá trình đẳng áp; P = const):
W= = P(V 2 – V 1) = PDV(Tôi, 14)
3) Một quá trình xảy ra ở nhiệt độ không đổi (quá trình đẳng nhiệt, T = const). Sự giãn nở của khí lý tưởng, trong đó PV = nRT:
W = dV = nRT ln(Tôi, 15)
Entanpy
Phương trình của định luật nhiệt động thứ nhất cho các quá trình chỉ thực hiện công giãn nở có dạng:
δQ = dU + PdV(Tôi, 19)
Nếu quá trình xảy ra ở áp suất không đổi thì tích phân, chúng ta thu được:
Q P = U 2 – U 1 + P(V 2 – V 1)(Tôi, 20)
Q P = (U 2 + PV 2) – (U 1 + PV 1)(Tôi, 21)
Bởi vì P Và V.– tham số trạng thái, một chữ U là một hàm trạng thái thì tổng U+PV cũng là một hàm của trạng thái và sự thay đổi của nó trong quá trình không phụ thuộc vào đường dẫn của quá trình mà chỉ phụ thuộc vào trạng thái ban đầu và cuối cùng. Chức năng này được gọi là entanpi và được biểu thị bằng ký hiệu H. Xác định giá trị H là danh tính:
HU+PV(Tôi, 22)
Từ phương trình (I, 21), suy ra rằng nhiệt lượng hấp thụ ở áp suất không đổi bằng độ tăng entanpy D H và không phụ thuộc vào đường dẫn quá trình:
(Tôi, 21a)
Định luật thứ hai của nhiệt động lực học
Các quá trình phổ biến nhất và chắc chắn là tự phát là sự truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh (dẫn nhiệt) và chuyển công thành nhiệt (ma sát). Thực tiễn khoa học và kỹ thuật hàng thế kỷ của nhân loại đã cho thấy thực tế hàng ngày của các quá trình này, cũng như việc không thể xảy ra tự phát các quá trình ngược lại, vốn rất hấp dẫn từ quan điểm thực tế (thu được công việc bằng cách loại bỏ nhiệt). từ các vật thể xung quanh vật thể làm việc). Điều này tạo cơ sở để khẳng định rằng kết quả duy nhất của bất kỳ tập hợp quá trình nào cũng không thể là sự truyền nhiệt từ vật ít nóng hơn sang vật nóng hơn. (Định đề của Clausius).
Sự chuyển nhiệt ngược lại từ vật nóng hơn sang vật ít nóng hơn là quá trình truyền nhiệt không cân bằng thông thường bằng tính dẫn nhiệt. Nó không thể bị đảo ngược, nghĩa là được truyền theo hướng ngược lại thông qua cùng một chuỗi trạng thái. Nhưng điều này là chưa đủ: nếu hệ thống đã trải qua quá trình truyền nhiệt trực tiếp, thì không thể thực hiện được chuỗi bất kỳ quá trình nào như vậy, do đó tất cả các vật thể tham gia truyền nhiệt sẽ quay trở lại về trạng thái ban đầu và không có sự thay đổi nào xảy ra ở các vật thể khác. Quá trình dẫn nhiệt là không thuận nghịch.
Một quan điểm chung khác, có cùng cơ sở thực nghiệm, phát biểu như sau: kết quả duy nhất của bất kỳ tập hợp quá trình nào cũng không thể là sự biến đổi nhiệt thành công (tức là hệ hấp thụ nhiệt từ môi trường và giải phóng công tương đương). với nhiệt độ này). Do đó, quá trình tự phát biến công thành nhiệt (thông qua ma sát) là không thuận nghịch (giống như tính dẫn nhiệt).
Phát biểu cuối cùng có thể được phát biểu khác đi: nhiệt của vật lạnh nhất tham gia vào quá trình này không thể đóng vai trò là nguồn sinh công (Định đề Thomson).
Cả hai điều khoản (định đề của Clausius và Thomson) đều là công thức của định luật thứ hai của nhiệt động lực học và tương đương với nhau, nghĩa là mỗi điều khoản có thể được chứng minh dựa trên cơ sở của điều kia.
Vì sự chuyển đổi nhiệt hoặc sự biến đổi của nó thành công được coi là kết quả duy nhất của quá trình, nên rõ ràng là hệ thống tham gia trao đổi nhiệt trở lại trạng thái ban đầu do quá trình hoặc tập hợp các quá trình. Với quá trình tuần hoàn như vậy, nội năng của hệ sẽ không thay đổi.
Giả sử rằng công thức thứ hai trong số các công thức trên (đặc biệt là ở dạng cuối cùng) là không chính xác. Sau đó, có thể chế tạo một cỗ máy hoạt động theo chu kỳ, “chất lỏng làm việc” trong đó sẽ định kỳ trở lại trạng thái ban đầu và chiếc máy này sẽ tạo ra công do nhiệt hấp thụ từ bên ngoài từ một vật không nóng hơn hệ. chính nó và tất cả các phần tử khác xung quanh hệ thống. Quá trình như vậy sẽ diễn ra mà không vi phạm định luật thứ nhất của nhiệt động lực học (công do nhiệt), nhưng trong thực tế, nó tương đương với việc thu được công từ con số không, vì mọi máy móc đều có một nguồn nhiệt gần như vô tận trong môi trường. Bằng cách này, tàu hơi nước có thể di chuyển, lấy đi sức nóng của nước biển và không cần nhiên liệu. Máy này được gọi là di động vĩnh viễn (máy chuyển động vĩnh viễn) loại thứ hai. Dựa trên định nghĩa này, chúng ta có thể xây dựng định luật thứ hai của nhiệt động lực học, tạo cho định đề của Thomson một dạng khác: một động cơ vĩnh cửu loại thứ hai là không thể có.
Cần nhấn mạnh rằng cả quy định của Clausius và Thomson, cũng như tuyên bố về tính không thể có động cơ vĩnh viễn loại hai, đều không được chứng minh trên cơ sở các luật hoặc quy định khác. Chúng là những giả định được chứng minh bằng tất cả các hậu quả phát sinh từ chúng, nhưng không thể chứng minh được cho tất cả các trường hợp có thể xảy ra.
Chúng ta hãy đưa ra một công thức khác của định luật nhiệt động thứ hai, tất nhiên là khá chính xác và ngắn gọn. Công thức này chứa định đề về sự tồn tại của một hàm trạng thái mới, qua đó thể hiện sự khác biệt giữa các quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch:
Các phương pháp tính entropy
Các phương trình (II, 1) và (II, 1a), xác định entropy, là các phương trình ban đầu duy nhất để tính toán nhiệt động lực học của sự thay đổi entropy của hệ. Thay nhiệt cơ bản trong phương trình (II, 1a) bằng biểu thức của nó thông qua các hệ số nhiệt lượng (xem các phương trình (I, 10) và (I, 10a)), ta thu được các quá trình cân bằng:
KJ/mol; nhiệt độ nóng chảy t làm ơn. = 5,5°C ( T= 278,5 ĐẾN). Do đó, độ biến thiên entropy là 1 nốt ruồi benzen khi nóng chảy (entropy của sự nóng chảy) bằng:
DS làm ơn. = 35,06J/mol
2. Gia nhiệt ở áp suất không đổi (quá trình đẳng áp; P = hằng). Từ các phương trình (I, 18a) và (II, 1a) ta thu được:
DS=(II, 6)
Hãy tìm sự thay đổi entropy của một mol nhôm khi đun nóng từ 25 đến 600°C. Nhiệt dung mol thực sự của nhôm có thể được biểu thị bằng phương trình:
C p = 565,5 + 0,290 T. Theo phương trình (II, 6), sự thay đổi entropy sẽ bằng:
DS = = 565,5 + 0,290(873 – 298) = 607,8 + 166,8 = 774,6 J/molK
Định đề Planck. Giá trị entropy tuyệt đối
Sử dụng phương trình (II, 3), không thể tính được giá trị tuyệt đối của entropy của hệ. Khả năng này được mang lại bởi một quan điểm mới, không thể chứng minh được, không tuân theo hai định luật nhiệt động lực học do M. Planck (1912) xây dựng. Theo quy định này, gọi là Định đề Planck, entropy của một chất kết tinh riêng lẻ ở độ không tuyệt đối bằng không:
Nói một cách chính xác, định đề Planck chỉ có giá trị đối với từng chất mà tinh thể của chúng có cấu trúc lý tưởng (trong mạng tinh thể, tất cả các nút đều bị chiếm giữ bởi các phân tử hoặc nguyên tử, xen kẽ và định hướng đều đặn). Những tinh thể như vậy được gọi là chất rắn lý tưởng. Tinh thể thật thì không như vậy, vì mạng tinh thể của chúng có cấu trúc không lý tưởng.
Entropy của mạng tinh thể được xây dựng ngẫu nhiên lớn hơn entropy của mạng tinh thể được xây dựng hoàn hảo. Do đó, tinh thể thực ngay cả ở 0 K cũng có entropy lớn hơn 0. Tuy nhiên, entropy của các tinh thể thực sự được hình thành rõ ràng của các chất riêng lẻ ở độ không tuyệt đối là nhỏ.
Theo định đề Planck, phương trình (II, 6) của vật rắn lý tưởng sẽ có dạng:
Định đề Planck được sử dụng trong nghiên cứu nhiệt động lực học của các quá trình hóa học để tính giá trị tuyệt đối entropy của các hợp chất hóa học - đại lượng có tầm quan trọng rất lớn trong việc tính toán cân bằng hóa học.
Entropy được sử dụng rộng rãi trong nhiệt động lực học kỹ thuật (kỹ thuật nhiệt), là một trong những thông số quan trọng của chất lỏng làm việc trong động cơ nhiệt, ví dụ như hơi nước. Các giá trị entropy của hơi nước ở một trạng thái nhất định được tính toán so với một số trạng thái tiêu chuẩn - thường là 0 ° C và 1 ừm. Các giá trị entropy này được sử dụng để xây dựng cái gọi là sơ đồ trạng thái entropy hơi nước trong tọa độ S-T hoặc S-H(Biểu đồ Mollier). Trong các sơ đồ như vậy, tương tự như sơ đồ V-P Bạn có thể mô tả các quá trình khác nhau xảy ra trong chất lỏng làm việc của động cơ nhiệt và tạo nên các chu trình vận hành của máy.
Tóm lại, cần lưu ý rằng chúng ta không cần phải đi sâu vào lĩnh vực nhiệt động lực học. Mục tiêu của chúng tôi chỉ là minh họa những ý tưởng chính của khoa học này và giải thích lý do tại sao có thể xây dựng dựa trên các lập luận của nó.
Cuối cùng, hai định luật nhiệt động lực học thường được phát biểu như sau:
Định luật thứ nhất: Năng lượng của vũ trụ luôn không đổi.
Định luật thứ hai: Entropy của Vũ trụ luôn tăng.
Vật lý. hoá học - khoa học về các quy luật của các quá trình hóa học và hóa học. hiện tượng.
Chủ đề hóa học vật lý giải thích hóa học. hiện tượng dựa trên các định luật vật lý tổng quát hơn. Hóa lý xem xét hai nhóm câu hỏi chính:
1. Nghiên cứu cấu trúc, tính chất của vật chất và các hạt cấu thành của nó;
2. Nghiên cứu quá trình tương tác của các chất.
Hóa lý nhằm mục đích nghiên cứu mối liên hệ giữa các hiện tượng hóa học và vật lý. Kiến thức về những mối liên hệ như vậy là cần thiết để nghiên cứu sâu sắc các phản ứng hóa học xảy ra trong tự nhiên và được sử dụng trong công nghệ. quá trình, kiểm soát độ sâu và hướng của phản ứng. Mục tiêu chính của môn Hóa lý là nghiên cứu các mối liên hệ chung và các định luật hóa học. các quá trình dựa trên các nguyên lý cơ bản của vật lý. Hóa học vật lý sử dụng vật lý. lý thuyết và phương pháp giải các hiện tượng hóa học.
Nó giải thích TẠI SAO và NHƯ THẾ NÀO sự biến đổi của các chất xảy ra: hóa học. phản ứng và chuyển pha. TẠI SAO – nhiệt động hóa học. CÁCH - động học hóa học.
Các khái niệm cơ bản của hóa học vật lý
Đối tượng chính của hóa học. nhiệt động lực học là một hệ thống nhiệt động lực học. Nhiệt động lực học hệ thống – bất kỳ cơ thể hoặc tập hợp cơ thể nào có khả năng trao đổi năng lượng và vật chất với chính nó và với các cơ thể khác. Các hệ thống được chia thành mở, đóng và cô lập. Mở và tôi - Hệ nhiệt động trao đổi cả chất và năng lượng với môi trường bên ngoài. Đã đóng và tôi - một hệ thống trong đó không có sự trao đổi vật chất với môi trường nhưng có thể trao đổi năng lượng với môi trường. Bị cô lập và tôi - Thể tích của hệ không đổi và không có cơ hội trao đổi năng lượng và vật chất với môi trường.
Hệ thống có thể đồng nhất (đồng nhất) hoặc không đồng nhất (không đồng nhất) ). Giai đoạn - đây là một phần của hệ thống, trong trường hợp không có trường lực bên ngoài, có cùng thành phần ở tất cả các điểm và cùng nhiệt động lực học. St. you và được tách biệt khỏi các phần khác của hệ thống bằng một giao diện. Pha luôn đồng nhất, tức là đồng nhất nên hệ thống một pha được gọi là đồng nhất. Một hệ thống bao gồm một số giai đoạn được gọi là không đồng nhất.
Các thuộc tính của hệ thống được chia thành hai nhóm: sâu rộng và chuyên sâu.
Nhiệt động lực học sử dụng các khái niệm về trạng thái cân bằng và các quá trình thuận nghịch. Cân bằng là một quá trình đi qua một chuỗi liên tục các trạng thái cân bằng. Quá trình nhiệt động thuận nghịch là một quá trình có thể được thực hiện ngược lại mà không để lại bất kỳ thay đổi nào trong hệ thống hoặc môi trường.
2. Định luật nhiệt động thứ nhất. Nội năng, nhiệt lượng, công.
Định luật nhiệt động đầu tiên liên quan trực tiếp đến định luật bảo toàn năng lượng. Dựa trên định luật này, suy ra rằng trong bất kỳ hệ cô lập nào, nguồn cung cấp năng lượng không đổi. Định luật bảo toàn năng lượng dẫn đến một công thức khác của định luật nhiệt động lực học thứ nhất - không thể tạo ra một động cơ chuyển động vĩnh cửu (động cơ vĩnh cửu) loại thứ nhất có thể tạo ra công mà không tiêu tốn năng lượng vào nó. Một công thức đặc biệt quan trọng cho nhiệt động hóa học
Nguyên lý thứ nhất là thể hiện nó thông qua khái niệm nội năng: nội năng là hàm của trạng thái, tức là. sự thay đổi của nó không phụ thuộc vào đường dẫn của quá trình mà chỉ phụ thuộc vào trạng thái ban đầu và cuối cùng của hệ thống. Độ biến thiên nội năng của hệ bạn có thể xảy ra do trao đổi nhiệt Q và làm việc W với môi trường. Sau đó, từ định luật bảo toàn năng lượng, nhiệt lượng Q mà hệ nhận được từ bên ngoài sẽ được dùng để tăng nội năng ΔU và công W mà hệ thực hiện, tức là. Q =Δ U+W. Được cho Tại căn chỉnh là
biểu thức toán học của định luật nhiệt động lực học thứ nhất.
TÔIsự khởi đầu của nhiệt động lực học cách diễn đạt của nó:
trong bất kỳ hệ cô lập nào, nguồn cung cấp năng lượng không đổi;
các dạng năng lượng khác nhau chuyển hóa lẫn nhau với số lượng hoàn toàn tương đương nhau;
May chuyển động vinh viên (vĩnh viễn di động) loại thứ nhất là không thể được;
năng lượng bên trong là một hàm của trạng thái, tức là sự thay đổi của nó không phụ thuộc vào đường đi của quá trình mà chỉ phụ thuộc vào trạng thái ban đầu và cuối cùng của hệ thống.
biểu thức phân tích: Q = D bạn + W ; đối với sự thay đổi vô cùng nhỏ về số lượng d Q = dU + d W .
Định luật nhiệt động lực học đầu tiên thiết lập mối quan hệ. m/y nhiệt Q, công A và sự biến đổi bên trong. năng lượng của hệ ∆U. Thay đổi nội bộ năng lượng của hệ bằng lượng nhiệt truyền vào hệ trừ đi lượng công mà hệ thực hiện chống lại ngoại lực.
Phương trình (I.1) là biểu diễn toán học của định luật 1 nhiệt động lực học, phương trình (I.2) dành cho sự thay đổi trạng thái vô cùng nhỏ. hệ thống.
Int. năng lượng là một hàm của trạng thái; điều này có nghĩa là sự thay đổi là nội bộ. năng lượng ΔU không phụ thuộc vào đường chuyển của hệ từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 và bằng hiệu của các giá trị bên trong. năng lượng U2 và U1 ở các trạng thái này: (I.3)
Int. Năng lượng của hệ thống là tổng năng lượng tiềm năng của sự tương tác. tất cả các hạt của cơ thể liên quan đến nhau và động năng chuyển động của chúng (không tính đến động năng và thế năng của toàn bộ hệ thống). Int. năng lượng của hệ phụ thuộc vào bản chất của chất, khối lượng của nó và các thông số trạng thái của hệ. Cô ấy lớn tuổi. với sự gia tăng khối lượng của hệ thống, vì nó là một thuộc tính mở rộng của hệ thống. Int. năng lượng được ký hiệu bằng chữ U và được biểu thị bằng joules (J). Nói chung, đối với một hệ thống có số lượng 1 mol. Int. năng lượng, giống như bất kỳ nhiệt động lực học nào. Tính thiêng liêng của hệ thống là một chức năng của nhà nước. Chỉ những thay đổi nội bộ mới xuất hiện trực tiếp trong thử nghiệm. năng lượng. Đó là lý do tại sao trong tính toán chúng luôn hoạt động với sự thay đổi của nó U2 –U1 = U.
Tất cả những thay đổi nội bộ năng lượng được chia thành hai nhóm. Nhóm thứ nhất chỉ bao gồm dạng chuyển động thứ nhất thông qua sự va chạm hỗn loạn của các phân tử của hai vật thể tiếp xúc, tức là. bằng dẫn nhiệt (và đồng thời bằng bức xạ). Thước đo của chuyển động được truyền theo cách này là nhiệt. Ý tưởng sự ấm áp có liên quan đến hoạt động của một số lượng lớn các hạt - nguyên tử, phân tử, ion. Chúng chuyển động hỗn loạn (nhiệt) liên tục. Nhiệt là một hình thức truyền năng lượng. Cách thứ hai để trao đổi năng lượng là Công việc. Sự trao đổi năng lượng này được gây ra bởi một hành động được thực hiện bởi hệ thống hoặc một hành động được thực hiện trên nó. Thông thường công việc được biểu thị bằng ký hiệu W. Công, giống như nhiệt, không phải là hàm của trạng thái của hệ, do đó đại lượng tương ứng với công vô cùng nhỏ được biểu thị bằng ký hiệu đạo hàm riêng - W.
