Лекции по "Физике"

Предмет физ. коллоидной химии ее задачи, строение атома.

Физ. Коллоидная химия рассматривает  физические и химические явления, а  также их св-ва. Устанавливает закономерности этих связей и формирует общие  закономерности протекания химических процессов. Конечная цель изучения физ. Коллоидной предсказание протекания реакции  и получение необходимого продукта. Развитие физич. химии необходимо для  создания основ теоретических и  практических для технологических  процессов. Эта химия тесно связана, прежде всего, с физикой, биологией. Из нее формируют основу агрономия, метеорология, экология и прочие науки. Она включает следующие разделы: 1.Строение в-ва, это изучение о строении атомов и молекул агрегатном состоянии в-ва. Рассматривается зависимость строения и св-в в-в находящихся в газообразном, жидком, твердом состоянии, а также основные законы физики на химическом уровне. 2.Химическая термодинамика это применение законов термодинамики, в результате которых происходит изменение физ. и химич. в-в с одновременным поглощением или выделением теплоты. 3.Химич. кинетика определяет скорость направления протекания химич. процессов в гомогенной и гетерогенной среде. 4.Фотохимия устанавливает связь между поглощением солнечной энергии световой и химич. процессами. Исследование фитохимии лежит в основе понимания фотосинтеза. 5.Растворы рассматривают природу электролитов и неэлектролитов, изучает особенность р-ров электролита и электрической проводимости р-ров. 6.Электрохимия изучает особенность р-ров электролита и электрической проводимости р-ров. 7.Поверхностные явления рассматривают явления, происходящие на поверхности раздела гетерогенной системы. 8.Коллоидная химия рассматривает структуру, св-ва, поведение систем.

В-во это то из чего состоит физический предмет (молекул, атомов). Молекула это наименьшая часть в-ва сохраняющая ее физические и химические св-ва. Атом электронейтральная частица химического элемента сохраняющая его физические и химические св-ва. Пространство движения электрона вокруг ядра наз. электронным облаком. Траектория вероятности нахождения электрона в электронном облаке наз. энергетическим уровнем или орбиталью. Принцип Паули в атоме не может быть 2-х электронов с одинаковым набором N L M но отличаются ms (спиновым квантовым числом). Устойчивое состояние атома это состояние, которое характеризуется минимальной энергией, поэтому электроны заполняются в орбитале в порядке увеличения их энергии, а энергия определяется суммой главного и побочного квантового числа.

Агрегатные состояния  в-ва.

1.Классификация состояния. В зависимости от расстояния между частицами и от степени их взаимодействия в-во находится в твердом, жидком, газообразном, плазма состоянии. При низкой температуре состояние в-ва можно рассматривать как упорядоченное состояние. Когда в-во находится в твердом состоянии тепловые колебания нарушают структуру в-ва, т.к. энергия взаимодействия между частицами больше энергии теплового колебания силы действующей между частицами в твердом состоянии удерживают их вблизи равновесным положением, поэтому твердые в-ва имеют собственную форму и объем. Повышение температуры приводит к изменению агрегатного состояния, т.к. возрастает амплитуда колебания и определенное значение Т конкретно для каждого в-ва энергии теплового колебания становится выше энергии взаимодействия между частицами. Связи между частицами начинают разрываться и вновь образовываться, частицы при этом совершают вращательные и колебательные движения и перемещаются относительно друг друга, поэтому в-во переходит в жидкое состояние. Переход этот наз. плавлением, а из жидкого в газообразное наз. парообразование. В этом состоянии жидкое в-во легко меняет форму. При дальнейшем повышении температуры жидких в-в приводит к испарению или кипению, и тепловые колебания настолько возрастают, что частицы практически не связывают себя между собой, в-во переходит в газообразное состояние, когда силы взаимодействия между частицами малы, а расстояния между частицами превосходит их размеры. Таким образом, при повышении температуры в-во переходит из упорядоченного (твердого) состояния, в неупорядоченное (газообразное), а жидкость является промежуточной. Обратные процессы перехода из газообразного состояния в жидкое наз. сжижение и из жидкого в твердое затвердевание.

Некоторые в-ва (йод) могут  переходить, непосредственно минуя  жидкое состояние, такой процесс наз. сублимацией и наоборот десублимацией. При нагревании до 1000С по Кельвину и выше энергия столкновения между частицами и газом столь велика, что молекулы разрушаются, атомы теряют электроны и образуется плазма, т.е. смесь непрерывно перемещающихся атомов, электронов и ионов. 2.Модель идеального газа. При высокой температуре и низком давлении частицы газа настолько удалены друг от друга, что можно пренебречь энергией их взаимодействия и занимаемым ими объемом по сравнению с объемом занимаемого газа. В таком случае газы подчиняются простым закономерностям свойственным идеальному газу. Идеальный газ это теоретическая модель газообразного состояния, которая основана на следующих допущениях: частицы газа друг с другом не взаимодействуют и они представляют собой материальные точки. Модель идеально газа может быть получена при следующих условиях: 1.Идеальный газ образуется большим числом молекул или атомов, расстояние между которыми намного больше, чем размер самих частиц. 2.Молекулы этого газа характеризуются определенной массой, однако их собственным объемом можно пренебречь. 3.Молекулы находятся в беспорядочном непрерывном движении. 4.Столкновние между молекулами, а также молекул со стенками сосуда упругие, это значит кинетическая энергия может передаваться от одной молекулы к другой, но не переходит в другие виды энергии (теплоту). 5.Между молекулами не существует взаимодействия, таких как притяжение и отталкивание. Согласно модели идеального газа существуют законы этого идеального газа. Состояние газа с массой описывается следующим образом: m1p1V1T=p2V2T2 при этом условия, что T-const постоянная. Если переход из 1-го парциального состояния во 2 происходит при постоянной температуре такой переход наз. изотермическим процессом и для него характерен з. Бойля-Мариотта: при постоянной температуре для массы идеального газа произведение объема газа на его давление величина постоянная p*V=const. Если переход из 1-го парциального состояния во 2 происходит при условии постоянного давления наз. изобарным, и для него характерен з. Шарля: отношение объема газа к абсолютной температуре при постоянном давлении есть величина постоянная p=const-изобарный процесс. Если переход из 1-го парциального состояния во 2 происходит при условии постоянного давления наз. изохорным V=constпроцесс, з. Гей-Люссака: отношение давления к абсолютной температуре при постоянной объеме есть величина постоянная , переход в закон переходных отношений Гей-Люссака: при неизменных давлении и температуре объемы взаимодействующих газов относятся между собой и к объемам получающихся газообразных продуктов реакции как небольшие целые числа. Уравнение состояния идеального газа выглядит: p*V=mRT  где R- универсальная газовая переменная (уравнение ид. газа) и равна 8,314 Дж\моль*К Т-абсолютная температура=273,15 К р=101,3 кПа pV=RT. З. Авогадро: равные объемы газа при одних и тех же условиях содержат одинаковое число молекул. Уравнение Клайперона Менделеева: m- масса R- универсальная постоянная 8,314 Дж\моль*К V– объем p- давление Т - температура 0С=273К М - молярная масса г\моль М-Мr. Следствие закона Авогадро: Vm=22,4 л\моль n=-.

Твердое состояние  в-ва.

Сила, с которой удерживаются атомы элементов в молекуле наз. химической. Различают 2 силы: электростатические силы притяжения (Кулоновские) разноименных заряженных частиц образуется ионная связь и образование общих электронных пар ковалентная связь. Характеристики ковалентной связи. 1.Прочность - чем электронная плотность между ядрами атомов больше, тем связь прочнее. Она зависит, какая связь сигма или пи образуется при пересекании, от полноты перекрывания электронных облаков и какая полярная или неполярная эта связь. 2.Энергия связи - это энергия необходимая для разрыва связи. 3.Насыщяемость связи - определяется валентными возможностями атома. 4.Направленность - зависит от формы и направления в пространстве электронных облаков при их взаимном перекрывании. Перекрывания бывают: линейные 180 град., угловые 105, в гибридизации. Твердые в-ва образуя химическую связь, образуют определенные кристаллические решетки. Твердые в-ва обладают высокой степенью упорядоченности силы взаимодействия между частицами, слагающими твердое тело велики, благодаря этому твердое в-во обладает определенной формой. Существует 2 формы: кристаллическая и аморфная, первая из них обладает большой степенью упорядоченности, а вторая обладает изотропностью, которая характеризуется одинаковыми значениями данного св-ва при измерении в любом направлении внутри в-ва, и при переходе из аморфного в-ва твердого состояния в жидкое не сопровождается скачкообразным изменением св-в. Кристаллическое в-во имеет определенную температуру плавления, при которой происходит скачек изменения св-в. Аморфное при повышении температуры размягчается, и обладает интервалом размягчения. Аморфные тела мене устойчивы, любое аморфное тело кристаллизуется и этот процесс обязательно экзотермический, при этом теплота образования аморфного тела меньше теплоты образования кристаллического тела. Одно и тоже в-во оказывается способным существовать в нескольких различных кристаллических форм это явление наз. модификацией. Самопроизвольное явление наз. полиморфизмом. Это явление имеет сходство и различие с аллотропией, когда один химический элемент образует несколько простых в-в с различными кристаллическими решетками (фосфор красный, белый). Изоморфизм - это обратное св-во, когда ряд в-в различных по химическому составу образует кристаллы одинаковой формы и структуры. Благодаря этому св-ву в природе возникает большое разнообразие минералов обладающих сложным составом. Твердое кристаллическое состояние характеризуется наиболее упорядоченной структурой, которой выражается правильным геометрическим расположением частиц, из которого состоит твердое тело. Каждый кристалл образует плоские грани относительные длины ребер, углы между гранями которые характеризуют тип кристалла. Кристаллическая решетка образуется при многократном повторении элементарных ячеек внутри решетки путем перемещения возможного перехода от одной элементарной ячейки к другой.

Узел решетки- это место где находится частица. Кристаллические решетки классифицируют в зависимости от типа частиц образующих кристалла и от природы сил притяжения между ними. Ионные решетки построены из ионов, между которыми действуют силы электростатические и силы отталкивания. Ионная кристаллическая решетка образуется соединением, у которого химические элементы, входящие в их состав сильно отличаются по величине электроотрицательности. Ионное соединение при нормальной температуре и давлении представляет собой твердые в-ва, и характеризуются сильной эквивалентной связью. Разорвать связь и разрушить кристалл очень трудно, поэтому эти в-ва имеют высокую температуру плавления происходит при увеличениях объема. Кристаллическую решетку можно разрушить только при растворении (кубическую кристаллическую решетку имеет поваренная соль). Ковалентные решетки (атомные) состоят из атомов, ковалентная связь возникает между атомами, обладающими неспаренные электроны. Например атом С может образовывать и одинарные ковалентные связи направленные к вершинам правильного тетраэдра в центре которого располагается атом С. Следовательно с центральным атомом могут быть связаны и другие атомы С. Каждый из них обладает еще 3 неспаренными электронами которые могут образовывать связь с тремя атомами С. Плавление таких кристаллов связано с разрывом кристаллических валентных связей и поэтому температура плавления очень велика, кристалл почти невозможно разрушить растворением, природа ковалентной связи препятствует возможному взаимодействию между атомами ковалентной решетки и молекулами растворителя такие в-ва плохие проводники электричества. Молекулярные решетки в узлах образуют молекулы между собой связаны ван-дер-ваальсовыми связями. Эти силы ил связи гораздо слабее, чем силы определяющие связь в ионных и атомных решетках, поэтому температура плавления молекулярных решеток немного ниже. Ван-дер-ваальсовые силы быстро уменьшаются с увеличением расстояния между молекулами, поэтому притяжение между молекулами зависит от их формы. Растворение таких соединений зависит от природы молекул, из которых построен растворитель. Например, если решетка построена из полярной молекулы, то хорошо растворяется молекулярная кристаллическая решетка (уксусная к-та в воде). Если растворитель неполярный, то такие в-ва практически не растворимы (нафталин в бензоле). Металлическая связь - химическая связь, которая обусловлена за счет взаимодействия + ионов металлов, составляющих кристаллическую решетку с электронным газом из валентных электронов. Механизм металлической связи. В узлах кристаллической решетки расположены + ионы металла. Между ними беспорядочно, подобно молекулам газа, движутся валентные электроны, происходящие из атомов при образовании ионов. Эти электроны играют роль цемента, удерживая вместе + ионы, в противном случае решетка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Вместе с тем и электроны удерживаются ионами в пределах кристаллической решетки и не могут ее покинуть. Силы связи не локализованы и не направлены, поэтому в большинстве случаев проявляются высокие координационные числа. Свободно движущиеся электроны обуславливают высокую электро и теплопроводность. В-ва обладающие металлической связью часто сочетают прочность с пластичностью, т.к. при смещении атомов друг относительно друга не происходит разрыв связей. Металлические решетки. Металлы имеют простую плотную структуру, каждая частица окружена 6 ли 8 частицами присутствует только 1 химический элемент, поэтому невозможна не ионная (нет электрических сил притяжения), нет ковалентных сил или связей, поскольку металл может образовывать 1 валентную связь, а он связан с 8 другими частицами. Электроны внешних энергетических слоев металла свободно перемещаются в кристалле, каждая частица окружена этими электронами, но не принадлежат ей. Связь осуществляется теми же электростатическими силами притяжения между газом или ионом, в которые превращается атом металла. Металлы поэтому обладают особыми физическими св-вами, как электроны теплопроводность, ковкость или пластичность высокой температуры плавления. Жидкое состояние. У жидкостей нет собственной формы, но есть собственный объем. Жидкие в-ва обладают текучестью и принимают форму сосуда, в который она помещена. В-ва находятся в жидком состоянии при 0С или 298К. Если в-во переходит в жидкое состояние при температуре выше данного значения такое состояние наз. расплавом. В жидкостях и расплавах частицы находятся на расстоянии того же порядка, что и размеры самих частиц. В жидкостях силы притяжения соизмеримы с силами, обуславливающими тепловые колебания молекул, частицы могут колебляться, перемещаться, вращаться, если сила, вызывающая колебания частиц превышает силы ее связи с другой частицей, то она перемещается на расстоянии порядка ее диаметра, и образуют новую связь уже с другой частицей. Сжимаемость жидкости мала, их плотность близка к плотности твердого тела, при понижении температуры при постоянном давлении в-ва могут переходить из газообразного состояния, альфа характеризуется отсутствием связи между частицами и формой в жидком состоянии, где частицы взаимосвязаны, но форма не определена, а затем в твердое состояние с упорядоченной формой, но при понижении температуры жидкость может заморозиться без упорядоченной структуры, тогда образуется аморфное в-во структура, которого приближается к структуре жидкости. Таким образом, жидкое состояние характеризуется закономерным расположением частиц в небольших объемах и неупорядоченным во всем объеме. Жидкое состояние характеризуется плотностью и молярным объемом, т.е. объемом, занимаемым 1 моль жидкости это отношение массы к плотности. . Обладает вязкостью, когда жидкость движется по поверхности этому движению препятствует трение, такой эффект наз. вязкость. Для определения вязкости существует вискозиметры. Капиллярный вискозиметр- предназначен для определения вязкости по времени вытекания определенного объема жидкости через капилляр. Для расчета вязкости используют формулу . r- радиус капилляра, V- объем вытекающей жидкости, p- давление под которым жидкость протекает через капилляр, t- время вытекания.

Химическая термодинамика.

Это раздел физической химии  изучающий превращение энергии  в химических процессах и энергетические характеристики различных в-в. Применение знаний химической термодинамики позволяет рассмотреть процесс, не вдаваясь в механизм взаимодействия отдельных составных частей в-ва. Система - это ограниченная часть материи обособленная физическими или воображаемыми границами раздела с окружающей средой. Они могут быть изолированными, закрытыми и открытыми. Изолированные системы исключают, какой бы то не было обмен в-вом или энергией с окружающей средой (космическое пространство). Закрытая система может обмениваться с окружающей средой энергией, но не в-вом (закрытая, запаянная ампула). Открытая система система которая обменивается в-вом и энергией с окружающей средой и энергией и обменом (живые объекты). Обмен энергии между системой и внешней средой определяется в различных формах механической, тепловой, электрической и энергия взаимодействия изучения превращения друг друга. Состояние системы определяется совокупностью ее св-в, термодинамическим параметром, поддающимся непосредственному измерению: температура характеризует тепловое состояние тела  соприкосновение 2-х тел с разной температурой, теплота от тела с высокой температурой переходит в тело с более низкой температурой. Теплота - это кол-во теплоты, которая получается или отдается телом или системой, измеряется кол-вом энергии. Давление - зависит от внутренних св-в системы, характеризует взаимодействие системы с внешней средой и определяется отношением силы к площади этой поверхности. Объем - характеризуется удельным или молярным объемом. Энергия - это общая качественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. Различают кинетическую энергию движения и потенциальную, т.е. энергию положения и взаимодействия частиц системы. Работа в системе может совершаться за счет изменения энергии содержащейся внутри данной системы, т.е. так называемой внутренней энергия. Внутренняя энергия в-ва представляет полную энергию суммируется из кинетической и потенциальной энергии, составляющих в-во атомов и молекул, а также элементарных частиц составляющих атомы и молекулы. Внутренняя энергия включает в себя: 1.Энергию поступательного вращательного и колебательного движения всех частиц. 2.Потенциальную энергию взаимодействия (притяжение, отталкивание). 3.Внутримолекулярную химич. энергию. 4.Внутриатомную энергию. 5.Внутриядерную энергию. 6.Гравитационную энергию. 7.Лучистую энергию заполняющую пространство занятой теплом. Процессы, происходящие без обмена энергией с внешней средой сопровождаются изменением внутренней энергии. Когда система под действием силы производит работу, то ее энергия постепенно уменьшается. Работа определяется как произведение пути пройденной системы под действием какой-то силы на эту силу, например работа поршня в цилиндре. Количественные и качественные формы передачи энергии являются теплота. Если система теряет энергию передачи путем теплопроводности или излучения, то она отдает тепло. Теплообмен не связан с изменением положения тел, а состоит в непосредственной передачи энергии молекулами одного тела молекулам другого тела при контакте. Теплота и работа являются не равноценными формами энергии, зависящими от способа перехода одного состояния другое. Внутренняя энергия в-ва, прежде всего, зависит от его физического состояния и не зависит от способа и пути, которыми дынное в-во приведено в данное состояние, поэтому внутренняя энергия является функцией состояния. Первое начало термодинамики. О основных этапах развития термодинамики заговорили в начале 18 в. с появлением парового двигателя поэтому в переводе термодинамика это движение теплоты. Было показано, что различные виды энергии переходят друг в друга в определенном кол-ве. На основании этого сформулирован закон сохранения энергии: в замкнутой систем сумма всех видов энергии постоянна и при их взаимопревращении энергия не теряется и не создается вновь и математически внутренняя энергия равна сумме работы и теплоты дельтаU=A+Q. Энергия не может не возникнуть ни уничтожиться. Внутренняя энергия является функцией системы и ее изменения это алгебраическая сумма всех энергий обменивающихся с внешней средой. Кол-во теплоты, которая выделяется или поглощается в результате химической реакции наз. тепловым эффектом реакции (Q). Измеряется в КДж К\калл 1К\калл=4,187К\Дж. Если реакция происходит при постоянном объеме тогда в эндотермических реакциях это величина +, а экзотермических -. Если в 1-ом случае система поглощает тепловую энергию в ходе реакции, то внутренняя энергия реагентов меньше внутренней энергии продуктов реакции. Во 2-ом случае система выделяет тепловую энергию в ходе реакции и внутренняя энергия реагента выше внутренней энергии продуктов. Теплотой реакции при постоянном давлении Qv при t Т по К наз. тепловая энергия которая выделяется или поглощается в ходе реакции при постоянном давлении, реагенты и продукты реакции приводятся в стехиометрических кол-вах при температуре начального состояния. Теплота реакции равна изменению энтальпии Qv=дельтаН. При эндотермических реакциях энтальпия +, т.е. она выше энтальпии реагента, а при экзотермических она -. Превращение в-в связано с разрывом химической связи сопровождающейся с поглощением определенного кол-ва энергии, а образование химических связей с ее выделением.