ДӘРІС 1

Кіріспе Физикалық химия пә ні жә не оның мазмұ ны

Жоспар

1. Физикалық химия пә ніне сипаттама, ғ ылымдық мә ні

2. Химиялық термодинамика.

3. Термодинамикалық ұ ғ ымдар.

4. Ішкі энергия, жылу, жұ мыс

1. Физикалық химия пә ніне сипаттама, ғ ылымдық мә ні

Физикалық химия - химия мен физиканың арасындағ ы аралық ғ ылым. Ол химиялық реакциялардың, онымен қ оса жү ретін физикалық қ ұ былыстардың заң дылық тарын зерттейді. Физикалық химия процесстердің жү йедегі тепе-тең дік жағ дайы мен оның бір кү йден екінші кү йге ауысу мү мкіндігін, химиялық реакция жылдамдығ ының уақ ытқ а байланысты ө згеруін, электрлік жә не химиялық энергиялардың ө зара ауысу заң дылық тары сияқ ты мә селелерді қ арастырады. Физикалық химия тұ жырымдағ ан заң дылық тар мен оның ә дістері ғ ылымының барлық салаларында дерлік қ олданылады. Ол физикалық химияның жалпы ғ ылымдық мә нін кө рсетеді. Қ азіргі кезде физикалық -химияның заң дылық тары мен ә дістері қ олданылмайтын ғ ылым мен тә жірибе алмасудың бірде-бір саласы жоқ десе де болады.

Физикалық химия ғ ылыми пә н ретінде алғ аш рет XVIII-ғ асырдың орта шенінде пайда болды. Оның негізін орыстың атақ ты ғ алымы М.В.Ломоносов (1711-1765) қ алады. Одан кейін 1860 ж. орыстың атақ ты ғ алымы Н.Н.Бекетов (1825-1911) Харьков университетінде

«Физикалық химиялық қ ұ былыстардың ө зара қ арым-қ атынастары» курсын оқ ып, оны 1865 жылы «Физикалық химия» деп атады.

Кейінірек физикалық химияның дамуына ү лкен ү лес ғ алымдар Каблуков, Аррениус, Коновалов, Карно т.б.

Физикалық химия зарттардың қ ұ рамы мен қ асиеттерінің арасындағ ы байланыстарды зерттей отырып, ә р тү рлі физика - химиялық талдау ә дістерін жасады. Физикалық химияда теориялық та, тә жірибелік те ә дістер қ олданылады. Тә жірибе мә ліметтерін талдауда жә не химиялық реакциялар мә ліметтерін жинақ тап қ орытуда теориялық физиканың ү ш тү рлі: термодинамикалық, статистикалық жә не квантты - механикалық тә сілдері қ олданылады.

Физикалық химия зат қ ұ рылысының заң дылығ ын, химиялық жү йедегі тепе-тең дікті, тепе-тең діктегі бір кү йден екіншіге ауысу мү мкіндігін кө рсететін заң дылық ты жә не химиялық процесін зерттейді. Физикалық химия бірнеше тарауғ а бө лінеді:

зат қ ұ рылысы; - химиялық термодинамика; - ерітінділер; - химиялық кинетика;

- беткейлік қ ұ былыстар; - коллойдтық ерітінділер.

Физикалық химия келесі ү ш ә діспен қ олданылады:

- статистикалық, негізінде статистикалық физика жатады;

- термодинамикалық, статистикалық заң дылық тардың қ осынды нә тижесін кө рсетеді; квантты-механикалық, физикалық химияның тү сінбеген негізгі қ ұ былыстарын тү сіндіреді.

Термодинамика зерттейді:

а) энергияның бір тү рінен екінші тү ріне, бір жү йеден екінші жү йеге ауысуын;

б) ә ртү рлі физикалық немесе химиялық процестердің барысында пайда болатын энергетикалық эффектілерді;

в) белгілі бір жағ дайлардағ ы процестердің мү мкіндігін, бағ ытын, ө з бетінше жү ретін процестердің мү мкіндік шегін.

Термодинамикада қ олданылатын негізгі тү сініктерді, терминдерді жә не шамаларды нақ ты анық тау қ ажет, яғ ни жү йе, жү йенің термодинамикалық қ асиеттері, ішкі энергия, кү йдің функциясы, жылу, жұ мыс жә не энтольпия.

1. Химиялық термодинамика

А) Энергиялық ә нр тү рлі формаларының ө зара ауысуын зертейтін ғ ылым

Б) Ә р тү рлі жағ дайларғ а физикалық жә не химиялық ө згерістердің жылу баланысын есептеп.

В) Ө згерістердіқ бағ ыты мен мү мкіндігін анық тайтын бө лім.

Термодинамика 11 ғ асырдың ортасынан бастап жеке ғ ылым ретінде дамыды.

Алғ ашқ ыда жылу жә не механикалық жұ мыс (бу машиналары) зертейсе, кейнірек электрлік, сә улелік химиялық т.б. ашылуы термодинамикалық зерттейтін сұ рақ тарын, кө лемін кең ейтті (электрлік, суытқ ыш (холодильник) машиналар, конпрессорлар іштен

жану двигателі, реактивті двигателдер, гальвани элементерінің энергиялары, электролиз, атмосфералық қ ұ былыс энергиялары, жануар, ө сімдік органикалық процестерінің энергиясы.

Термодинамика бұ л процестердің тепетең дік шарттарын, максималды пайдалы жұ мыс жә не жинамалды жұ мыс мө лшерін анық тайды.Бұ л ө зінізге керекті белгілі процестерді еске асыру ү шін аз энергия жұ мсап, кө п жұ мыс алу мақ сатын іске асыру ү шін керек болады. Химиялық термодинамика сонымен қ атар ә р тү рлі қ асиетерінің, оның химиялық қ ұ рамы, қ ұ рылысы, оның ө мір сү ру ортасында, ә сіресе температурағ а, давленияғ а байланыстығ ын зерттейді. Ендеше, химиялық термодинамика химиялық ө ндіріс пен технологиялық процестер негізгі болатын физ-химиялық қ ұ былыстарды нақ ты тү сініп, сауатты есептеп ұ тымды басқ аруғ а кө мектеседі.

Химиялық термодинамикалық ә діскегі есептеулерді пайдалану, қ олдану ө ндірістің барлық сапасына ық палын тигізіп, жаң а сатығ а кө терді. Ал қ азір ә діс металлургиялық процестерде, плассмаса тың айтқ ыш хим. талшық ө ндірісті, отынды хим ә діспен ө ң деу қ олданылады ә сіресе соң ғ ы 10 жыл биологиялық термодинамикалық шатақ.Уалуына ө сімдік, жануарлар оргганизмегі биохимиялық процестерге термодинамикалық есептеу ә дісі қ олданар.

Термодинамикалық тә сіл ә р тү рлі энергияның ө з ара байланысы мен тү рленулерін тұ жырымдайтын термодинамикалық заң дарғ а негізделген. Бұ л тә сіл заттардың тү рленуі кезіндегі энергияларды есептеуде, химиялық тепе-тең дікті есептеуде қ олданылады.

Статистикалық тә сіл заттардың макроскопиялық қ асиеттерін микроскопиялық қ асиеттерімен байланыстарын заттардың молекулалық табиғ аты туралы ілімге негізделген. Бұ л мақ сатпен кө бінде ық тималдық теориясы қ олданылады. Квантты - механикалық тә сіл энергияның ауысуы теқ белгілі бір мө лшерде (квант кү йінде) болады деген тұ жырымғ а негізделеді. Бұ л тә сіл жылусыйымдылығ ын зерттеуде, атом қ ұ рылысының сандық теориясын жасауда, спектр туралы ілімде, фотоэлектрлік қ ұ былыстарды тү сіндіруде жә не т.б. ө те тиімді.

Термодинамикалық ұ ғ ымдар. Термодинамикалық система қ оршағ ан ортадан бө лініп алынғ ан денені н\се дентобын айтады. Оның фазааралыушекарасы болды.Термодинамикалық системада молекула саны кө п болуы керек.

1. Оқ шауланғ ан

2. Жабық н\се тұ йық талғ ан (зат салынғ ан жабық ыдыс, газы бар бө лме)

3.Ашық системадан шығ атын затта, энергия тү рлері де оны қ оршағ ан ортағ а жетіп алмасса жә не бұ л қ ұ былыс кері бағ ытта да жү ретін болса, онда ол ашық системада(ө сімдік, жануар дү ние) Системаның кү йі кө лем, қ ысым, температура масса химиялық қ ұ рам сияқ тыпараметрлермен жә не химиялық қ асиеттердің жиынтығ мен сипатталады.

Кү й параметлері

1.Изотермиялық процесс ө згеріс системасы (Т=const)

2.Изобарлық (р =const)

3. Изохорлы (V= const)

4.Адиабаталық (Q = 0)

5.Изоб-изотермиялық ((р =const, Т= const)

6.Изохор-изотер процесс ((V= const, Т= const)

Система кү йін анық тау ү шін тандап алың ғ ан бірнеше тә уелсіз ауыспалы шамадағ ы қ асиет кө рсеткішін кү й параметрлері (ө лшемі).

Егер системада энергия немесе зат алмасу болмаса жә не оның қ асиеті уақ ыт ө ткен сайық ө згермесе онда мұ ндай системаның кү йін кү й тең дігі.

Фаза – фииз-хим қ асиетері бір қ ұ рамы арқ ылы зат мө лшеріне байланысты емес жә не системалардың бө ліктерінен бет арқ ылы бө лінген гомегенді жү йе бө ліктерінің жиынтығ ы.

Гомогенді, гетерогенді процесс.

Химиялық реакциның энергетикалық ө згерулері кө біне жылу тү рінде, ә рі оны ө лшеу болғ андық тан химия ғ ылымында бірғ ана энергия тү рі жылу энергия қ абылданғ ан

Қ андайда блмасын басқ а энергияның тү рлері жылуғ а шағ ып беріледі.

Химиялық реакцияғ а сай энергияның ө згерулерінің практикалық та, теоретикалық ү лкен маң ызы бар.

Адамзат игілігіне ғ асырлар бойына қ арай келе жатқ ан отынның жануы, іштен двигателі.

Тас кө мір, мұ най, шымтезек, ағ аш, газ т.б. қ ай отын тиімді, қ озғ алыстағ ы машинаның шапшандығ ын арттыру ү шін мұ найдан алынғ ан қ ай ө німді қ олдану қ ажет бә рі химиялық реакция нә тижесінде бө лінген жылу мө ншеріне тә уілді, соғ ан қ арай анық тау биохимиялық процестегі – басты энергия углеводтардың тотығ уы.

Химиялық реакцияның жылу энегиясынын білудің нә тижесінде қ ажетті реагентерді таң дап жылу балансын есептеу мү мкіндік туады. Мыс ракетаның отынының тү рін ө згертсек, оның жану комерасында жаң а шартқ а сай келуі керек кой. Демек, химиялық реакцияның энергиятикалық осыдан тү сінікті.

Сонымен қ атар химиялық энергияны білу арқ ашан процестік жү руін шешуге болады, жылу мө лшері мен нә тиже сә йкес.

Жылу мен жұ мыс.

Q, А – тіке мә нінде энергия емес, ол оның берілу формасы тү рі.

Ішке энергия термодинамикалық системаның ішкі кү йін сипаттайды, қ андай жолмен келгеніне байланысты емес Ал А жә не Q системада ө тетін процесті сиппатайды, олар процесс басталғ анда пайда болады ал процесс аяқ талғ анда болмайды, ө мір сү рмейді А, Q =а сондық тан «содержится», «изменяются», «мө лшері», «қ оры бар» деп айтуғ а болмайды.

Жылу, Q тен А арасындағ ы айырмашылығ ық физикалық табиғ атына байланысты.

Система ө зін қ оршағ ан ортамен ә рекеттексенде пайда болатын қ ұ былысты жұ мыс, А – энергия берудің макроскопияның тү рі. Олай болса, жұ мыс – А жү ргізізуші ү шін сыртқ ы

кү штің болуы шарты. А – қ озғ алғ ан материяның энергиясы тасымалджаушы ретінде анық талады

А=P₂∆ V=P₂ (V_2-V₁); Р₂< Р₁; Р₂= 0; А= 0

, Q – жылу дегеніміз бір – біріне тү йіскен денелердегі молекулалардың ө зара соқ тығ ысу арқ ылы, яғ ни система ішінде жылу алмасу – макроскопиялық не ретсіз қ озғ алыстағ ы бө лшектердің энергияны беру тү рі. Жылудың бағ ытын жә не ө з ара берінуін, қ озғ алысынын температура кө рсетеді.

А, Q ішкі энергия сияқ ты системаның қ асиетін кө рсетпейді, олар тек энергияны бір системадан екіншіге жеткізеді Q немесе А атқ ару ү шін система ө зін қ оршағ ан ортамен не басқ а системамен ә рекетесуі қ ажет.

Q- бө лшектерінің ө зара тә ртіпсіз соғ ылысу нә тижесінде сырттан белінетін энергия алмасуды айтады. Мысалы қ ызғ ан дене басқ ағ а береді, Бұ дан жылуду шашыранғ ы бағ ыталғ ан кө реміс, яғ ни температура артқ анда ө седі ал температура кемиді.