Μάθημα διαλέξεων φυσικής χημείας. Φυσική χημεία. Σημειώσεις διάλεξης. Χημική θερμοδυναμική. ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ

Τίτλος: Φυσικοχημεία. Σημειώσεις διάλεξης.

Αυτό το εγχειρίδιο προορίζεται για φοιτητές χημικών σχολών ανώτατων εκπαιδευτικών ιδρυμάτων παιδαγωγικής και τεχνικής κατεύθυνσης. Περιγράφονται οι κύριες έννοιες και διαδικασίες που συνθέτουν τη σύγχρονη φυσική χημεία. Το υλικό πληροί τα κρατικά πρότυπα. Το εγχειρίδιο συνιστάται για να βοηθήσει τους μαθητές να προετοιμαστούν για τις εξετάσεις.

Η φυσική χημεία είναι μια επιστήμη που εξηγεί τα χημικά φαινόμενα και καθορίζει τα μοτίβα τους με βάση τις γενικές αρχές της φυσικής.
Το γενικό καθήκον της φυσικής χημείας είναι να προβλέψει τη χρονική πορεία μιας χημικής διαδικασίας και το τελικό αποτέλεσμα με βάση δεδομένα για τη δομή και τις ιδιότητες των μορίων.
Ο όρος «φυσική χημεία» προτάθηκε από τον M. V. Lomonosov. Διάβασε επίσης το πρώτο μάθημα στο δικό του βιβλίο «Εισαγωγή στη Φυσικοχημεία». Το 1860, ο N. N. Beketov εισήγαγε για πρώτη φορά τη φυσική χημεία ως ειδικό ακαδημαϊκό κλάδο, διάβασε ένα μάθημα διαλέξεων στο Πανεπιστήμιο του Kharkov και δημιούργησε το Τμήμα Φυσικοχημείας. Το 1887, ο W. Ostwald οργάνωσε ένα τμήμα φυσικής χημείας στο Πανεπιστήμιο της Λειψίας. Εκδίδει επίσης το πρώτο περιοδικό για τη φυσική χημεία. Ένα χρόνο νωρίτερα, ο I. A. Kablukov δίδαξε ένα μάθημα στο Πανεπιστήμιο της Μόσχας. Μέχρι τα τέλη του XIX αιώνα. ορίστηκαν τρεις κύριες ενότητες της φυσικής χημείας: η χημική θερμοδυναμική, η χημική κινητική και η ηλεκτροχημεία.
Επί του παρόντος, η φυσική χημεία έχει διαμορφωθεί πλήρως ως επιστήμη, η οποία περιλαμβάνει τη χημική θερμοδυναμική (θερμοχημεία, ισορροπία φάσης), συμπληρώνοντας τη χημική κινητική με την κατάλυση και έχει επίσης δημιουργήσει μια ποικιλία φυσικών και χημικών μεθόδων ανάλυσης.

Πίνακας περιεχομένων
Εισαγωγή
ΔΙΑΛΕΞΗ № 1. Ιδανικό αέριο. Εξίσωση κατάστασης πραγματικού αερίου
1. Στοιχεία μοριακής-κινητικής θεωρίας
2. Εξίσωση κατάστασης για ένα ιδανικό αέριο
3. Κινητική θεωρία αερίων
4. Εξίσωση κατάστασης πραγματικού αερίου
ΔΙΑΛΕΞΗ № 2. Χημική θερμοδυναμική
1. Συστήματα και ταξινόμηση τους
2. Θερμοδυναμικές παράμετροι. Θερμοδυναμικοί δείκτες. Ισορροπία τάσης
3. Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής. θερμιδικοί συντελεστές. Σχέση μεταξύ συναρτήσεων CP και Cv
4. Ισοδιεργασίες στη θερμοδυναμική. Ενέργεια Helmholtz
5. Διαδικασίες. Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής
6. Κύκλος Carnot
7. Η αδυναμία μιας μηχανής αέναης κίνησης
ΔΙΑΛΕΞΗ Νο. 3. Λύσεις
1. Γενικά χαρακτηριστικά των λύσεων
2. Συγκέντρωση και τρόποι έκφρασής της
3. Διαλυτότητα αερίων σε υγρά
4. Διαλύματα μη ηλεκτρολυτών. Ο νόμος του Raoult και οι συνέπειές του
5. Όσμωση
6. Fugacity
7. Νόμος του Ερρίκου
ΔΙΑΛΕΞΗ Νο 4. Κατάλυση
1. Ιστορία της ανακάλυψης του φαινομένου της κατάλυσης
2. Μηχανισμός καταλυτικής αλληλεπίδρασης. Τύποι καταλυτών
ΔΙΑΛΕΞΗ Νο. 5. Χημική ισορροπία
1. Η έννοια της χημικής ισορροπίας. Νόμος των ενεργών μαζών
2. Ισόθερμη εξίσωση χημικής αντίδρασης
3. Εξισώσεις ισόχωρων, ισοβαρών μιας χημικής αντίδρασης
4. Υπολογισμός ΚΠ (μέθοδος Temkin-Schwartzman)
5. Υπολογισμός της σύστασης ισορροπίας της χημικής ισορροπίας
ΔΙΑΛΕΞΗ Νο. 6. Χημική κινητική
1. Η έννοια της χημικής κινητικής
2. Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα μιας χημικής αντίδρασης
ΔΙΑΛΕΞΗ Νο. 7. Διάβρωση μετάλλων
1. Βασικές έννοιες και ορολογία
2. Ταξινόμηση διεργασιών διάβρωσης μετάλλων
3. Τύποι ζημιών από διάβρωση
4. Μέθοδοι αντιδιαβρωτικής προστασίας
ΔΙΑΛΕΞΗ Νο. 8. Φυσική και χημική ανάλυση
1. Η ουσία της φυσικής και χημικής ανάλυσης
2. Συστήματα ενός συστατικού
3. Φυσικοχημικές μέθοδοι για την ανάλυση της σύστασης των κραμάτων
ΔΙΑΛΕΞΗ Νο. 9. Θερμοχημεία
1. Η έννοια της θερμοχημείας
2. Νόμος του Hess
3. Ο νόμος του Kirchhoff. Ολοκληρωμένη μορφή των εξισώσεων Kirchhoff
ΔΙΑΛΕΞΗ Νο 10. Γαλβανικά κύτταρα
1. Η έννοια της γαλβανικής κυψέλης
2. Πηγές χημικού ρεύματος
3. Αναγέννηση και διάθεση HIT
ΔΙΑΛΕΞΗ Νο 11. Ηλεκτροχημεία
1. Η έννοια της ηλεκτροχημείας
2. Διεργασίες ηλεκτροδίων
3. Καθοδικές και ανοδικές διεργασίες στην ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση
4. Σύγχρονες τάσεις στην ανάπτυξη της θερμοδυναμικής και εφαρμοσμένης ηλεκτροχημείας
ΔΙΑΛΕΞΗ Νο. 12. Θεωρητική ηλεκτροχημεία
1. Συσχετισμοί σε διαλύματα ηλεκτρολυτών. Η έννοια της θεωρίας των ισχυρών ηλεκτρολυτών. Δραστηριότητα
2. Θερμοδυναμική διαλυμάτων ηλεκτρολυτών. Τύποι DES
3. Σύγχρονες προσεγγίσεις για την περιγραφή των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων των διαλυμάτων ηλεκτρολυτών
4. Θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά ιόντων σε διαλύματα ηλεκτρολυτών
5. Φαινόμενα μη ισορροπίας στο ιοντικό σύστημα
6. Ισορροπία στο σύστημα υγρού-υγρού
7. Η έννοια του ΔΕΣ. Μοντέλες ιδέες για τη δομή ενός DPP στο όριο φάσης
8. Μαέστροι πρώτου και δεύτερου είδους
9. Ηλεκτρόδια αναφοράς
ΔΙΑΛΕΞΗ Νο. 13. Ηλεκτροχημική κινητική
1. Κύρια κινητικά χαρακτηριστικά και μέθοδοι υπολογισμού τους
2. Εξισώσεις ηλεκτροχημικής κινητικής, όρια εφαρμογής τους
3. Κινητικά χαρακτηριστικά της ηλεκτροαπόθεσης μετάλλων και κραμάτων
4. Επίδραση της φύσης του διαλύτη στον ρυθμό των ηλεκτροχημικών αντιδράσεων
5. Ηλεκτρόοσμωση
6. Ηλεκτροτριχοειδείς καμπύλες
7. Ηλεκτροχημική υπέρταση (υπέρταση μεταφοράς φορτίου)
8. Παράγοντες που επηρεάζουν την υπέρταση υδρογόνου. Αύξηση οξυγόνου
ΔΙΑΛΕΞΗ Αρ. 14. Εφαρμογή θεωρητικής και εφαρμοσμένης ηλεκτροχημείας
1. Εφαρμοσμένη ηλεκτροχημεία
2. Ηλεκτροχημεία του άνθρακα
3. Βιοηλεκτροχημεία
4. Στοχαστικές διαδικασίες και συστήματα αυτοοργάνωσης
5. Μελέτη του φαινομένου της υπεραγωγιμότητας σε υψηλή θερμοκρασία σε οξείδια σύνθετης σύστασης
6. Μοντελοποίηση ηλεκτροχημικών διεργασιών
7. Μέθοδος γαλβανοστατικών καμπυλών
ΔΙΑΛΕΞΗ Νο. 15. Ο τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής

Δωρεάν λήψη e-book σε βολική μορφή, παρακολουθήστε και διαβάστε:
Κατεβάστε το βιβλίο Φυσικοχημεία. Σημειώσεις διάλεξης. Berezovchuk A.V. 2009 - fileskachat.com, γρήγορη και δωρεάν λήψη.

Χαρακτηριστική ιδιότητα Η αναλυτική χημεία ενδιαφέρεται για συσχετίσεις στο σύστημα: χημική σύνθεση - χαρακτηριστικές ιδιότητες, έτσι ώστε με βάση τις συνθήκες που βρέθηκαν για την εκδήλωση της τελευταίας και τη λειτουργική εξάρτηση του μεγέθους του αναλυτικού σήματος από τις συγκεντρώσεις ή τις απόλυτες ποσότητες των ουσιών (αναλυτών) που θα προσδιοριστούν: A \u003d f (C) για τη δημιουργία μεθόδων χημικής ανάλυσης. Η αναλυτική χημεία, με βάση τα αποτελέσματα της μελέτης των κανονικοτήτων στην εκδήλωση χαρακτηριστικών ιδιοτήτων από ουσίες, επιδιώκει να καταστήσει μετρήσιμη τη χημική σύσταση οποιωνδήποτε αντικειμένων του υλικού κόσμου, την οποία δεν μπορούμε επί του παρόντος να μετρήσουμε.

διαφάνεια 3

Γενικές αναπαραστάσεις του διαλύματος ηλεκτρολύτη E 1 E 2 Ας εξετάσουμε γενικά το ηλεκτροχημικό κύκλωμα. Στην περίπτωση αυτή, ως ηλεκτρόδιο νοείται ένα σύστημα που αποτελείται από δύο ή περισσότερες φάσεις αγωγιμότητας ιόντων και ηλεκτρονίων, στα όρια των οποίων υπάρχει μετάβαση από την ηλεκτρονική στην ιοντική αγωγιμότητα ή αντίστροφα. Από τεχνική άποψη, ένα ηλεκτρόδιο συχνά κατανοείται ως μόνο το ηλεκτρικά αγώγιμο μέρος αυτού του συστήματος.

Διαφάνεια 4: Ένα ηλεκτροχημικό κύκλωμα αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια βυθισμένα σε διάλυμα ηλεκτρολύτη. Κάθε ηλεκτρόδιο χαρακτηρίζεται κάτω από αυτές τις συνθήκες από μια ορισμένη τιμή του δυναμικού του ηλεκτροδίου, που είναι η διαφορά δυναμικού μεταξύ του ηλεκτροδίου και του διαλύματος ηλεκτρολύτη σε επαφή με αυτό. Ως εκ τούτου, εμφανίζεται η πρώτη κατεύθυνση στη χρήση ηλεκτροχημικών διεργασιών για αναλυτικούς σκοπούς - η καθιέρωση προτύπων αλλαγής στα δυναμικά του ηλεκτροδίου ισορροπίας ως συνάρτηση της σύνθεσης του ηλεκτρολύτη. E = f(Ci)

Γενικές έννοιες Ένα ηλεκτροχημικό κύκλωμα αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια βυθισμένα σε διάλυμα ηλεκτρολύτη. Κάθε ηλεκτρόδιο χαρακτηρίζεται κάτω από αυτές τις συνθήκες από μια ορισμένη τιμή του δυναμικού του ηλεκτροδίου, που είναι η διαφορά δυναμικού μεταξύ του ηλεκτροδίου και του διαλύματος ηλεκτρολύτη σε επαφή με αυτό. Ως εκ τούτου, εμφανίζεται η πρώτη κατεύθυνση στη χρήση ηλεκτροχημικών διεργασιών για αναλυτικούς σκοπούς - η καθιέρωση προτύπων αλλαγής στα δυναμικά του ηλεκτροδίου ισορροπίας ως συνάρτηση της σύνθεσης του ηλεκτρολύτη. E = f(Ci)

διαφάνεια 5

Η αρχή mV Απαιτείται ένα απλό ηλεκτρικό κύκλωμα για τη μέτρηση ενός αναλυτικού σήματος. Η μόνη προϋπόθεση για ένα εξωτερικό κύκλωμα είναι η μέγιστη δυνατή εσωτερική ηλεκτρική αντίσταση του μετρητή. Αυτή η απαίτηση οφείλεται στο γεγονός ότι μας ενδιαφέρει η τιμή του δυναμικού του ηλεκτροδίου ισορροπίας, το οποίο μπορεί να μετρηθεί μόνο απουσία ηλεκτρικού ρεύματος στο κύκλωμα, όταν δεν υπάρχουν μη αναστρέψιμες διαδικασίες μεταφοράς φορτίου. Λόγω της υψηλής εσωτερικής αντίστασης της συσκευής, πλησιάζουμε στην εκπλήρωση αυτής της προϋπόθεσης. Το ρεύμα στο κύκλωμα τείνει στο μηδέν.

διαφάνεια 6

Αρχή mV I=0 mA \/\/\/\/\/\/\/\ Στην ιδανική περίπτωση, για πιο ακριβείς μετρήσεις, χρησιμοποιείται ένα «κύκλωμα αντιστάθμισης»: Σε αυτήν την περίπτωση, χρησιμοποιώντας μια εξωτερική πηγή ρεύματος, αντίθετα κατευθυνόμενο EMF E k ίσο με τη διαφορά δυναμικού ηλεκτροδίου, που αντισταθμίζει τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των ηλεκτροδίων: E 1 - E 2 \u003d E k Απόδειξη αντιστάθμισης στο σύστημα είναι η τιμή του ρεύματος στο κύκλωμα, ίση με 0.

Διαφάνεια 7: Οι μέθοδοι ανάλυσης που βασίζονται στη μέτρηση των δυναμικών του ηλεκτροδίου ισορροπίας σε μηδενικό ρεύμα ονομάζονται ισορροπία ή ποτενσιομετρικές

Ορισμοί Οι μέθοδοι ανάλυσης που βασίζονται στη μέτρηση των δυναμικών του ηλεκτροδίου ισορροπίας σε μηδενικό ρεύμα ονομάζονται ισορροπία ή ποτενσιομετρικές.

Διαφάνεια 8

Αρχή Η δεύτερη γενική περίπτωση χρήσης ηλεκτροχημικών διεργασιών για τη λήψη αναλυτικών πληροφοριών αντιστοιχεί στις συνθήκες κατά τις οποίες διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα μέσω του ηλεκτροχημικού κυκλώματος από εξωτερική πηγή. mA \/\/\/\/\/\/\/\ mV Σε αυτήν την περίπτωση, μιλάμε για διαδικασίες μη ισορροπίας και, κατά συνέπεια, μεθόδους μη ισορροπίας. Το γενικό ηλεκτρικό κύκλωμα θα μοιάζει με το κύκλωμα αντιστάθμισης, αλλά με τη μόνη διαφορά ότι το εξωτερικό EMF  E1-E2 και, κατά συνέπεια, I  0.

Διαφάνεια 9

Διαφάνεια 10: Μπορούμε να πραγματοποιήσουμε τη διαδικασία της ηλεκτρολυτικής απελευθέρωσης ουσιών σε ένα από τα ηλεκτρόδια και να μετρήσουμε τη μάζα της απελευθερούμενης ουσίας ή την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που δαπανήθηκε για την απελευθέρωσή της. Κατά συνέπεια, είναι δυνατές μέθοδοι ηλεκτροβαρυμετρίας και κουλομετρίας. Οι μέγιστες αναλυτικές πληροφορίες μπορούν να ληφθούν από τις εξαρτήσεις του ρεύματος στο κύκλωμα από την εφαρμοζόμενη εξωτερική τάση. Γενικά, μια μέθοδος που βασίζεται στη μέτρηση του I = f (E) ονομάζεται βολταμετρία, μια μέθοδος που έχει πολλές ποικιλίες

Αρχή Μπορούμε να πραγματοποιήσουμε τη διαδικασία της ηλεκτρολυτικής απελευθέρωσης ουσιών σε ένα από τα ηλεκτρόδια και να μετρήσουμε τη μάζα της απελευθερούμενης ουσίας ή την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που δαπανήθηκε για την απελευθέρωσή της. Κατά συνέπεια, είναι δυνατές μέθοδοι ηλεκτροβαρυμετρίας και κουλομετρίας. Οι μέγιστες αναλυτικές πληροφορίες μπορούν να ληφθούν από τις εξαρτήσεις του ρεύματος στο κύκλωμα από την εφαρμοζόμενη εξωτερική τάση. Γενικά, μια μέθοδος που βασίζεται στη μέτρηση του I = f (E) ονομάζεται βολταμετρία, μια μέθοδος που έχει πολλές ποικιλίες.

διαφάνεια 11

Μέθοδοι ποτενσιομετρικής ανάλυσης Οι ποτενσιομετρικές μέθοδοι βασίζονται στη μέτρηση της διαφοράς δυναμικού μεταξύ δύο ηλεκτροδίων. Πρώτα απ 'όλα, είναι απαραίτητο να διευκρινιστεί ποια ηλεκτρόδια είναι ενδιαφέροντα από αναλυτική άποψη. Για αναλυτικούς σκοπούς, είναι απαραίτητο το δυναμικό του ηλεκτροδίου, ενεργώντας ως δείκτης, να έχει μια ορισμένη λειτουργική σχέση με τη συγκέντρωση ενός ή περισσότερων τύπων ιόντων: E = f (C i). Ένα τέτοιο ηλεκτρόδιο ονομάζεται δείκτης. Το δεύτερο ηλεκτρόδιο, αντίθετα, υπό τις συνθήκες αναλυτικών μετρήσεων θα πρέπει να έχει σταθερή τιμή δυναμικού, δηλ. είναι ένα ηλεκτρόδιο αναφοράς.

διαφάνεια 12

Τύποι ηλεκτροδίων στην ποτενσιομετρία Τα ηλεκτρόδια του πρώτου είδους ονομάζονται σύστημα μετάλλου βυθισμένο σε διάλυμα που περιέχει ιόντα αυτού του μετάλλου α. Το δυναμικό ισορροπίας ενός ηλεκτροδίου του πρώτου είδους καθορίζεται υπό την προϋπόθεση ότι υπάρχει μια ισορροπία στο σύστημα: Me  Me n + + ne Σύμφωνα με την εξίσωση Nernst, το δυναμικό ισορροπίας ενός τέτοιου ηλεκτροδίου είναι E = E o + (RT/nF) ln a(Me n+) όπου R είναι η σταθερά αερίου , Т – θερμοκρασία, F – αριθμός Faraday, a(Me n+) – δραστηριότητα μεταλλικών ιόντων, Eo – τυπικό δυναμικό ηλεκτροδίου που αντιστοιχεί στην περίπτωση που a( Me n+) = 1.

διαφάνεια 13

Τύποι ηλεκτροδίων στην ποτενσιομετρία Το πρόβλημα της αναλυτικής εφαρμογής ηλεκτροδίων του 1ου είδους είναι ότι για τα μεταλλικά ηλεκτρόδια είναι πρακτικά αδύνατο να διασφαλιστεί η εκπλήρωση της κύριας συνθήκης - η δημιουργία μιας ισορροπίας που προσδιορίζει το δυναμικό. Το δυναμικό του ηλεκτροδίου επηρεάζεται από πολλές πλευρικές διεργασίες, που συχνά επιβραδύνονται στο χρόνο. Για παράδειγμα, η αλληλεπίδραση διαλυτοποίησης μεταλλικών ιόντων με έναν διαλύτη ή άλλες ουσίες που υπάρχουν σε ένα διάλυμα, στη γενικότερη περίπτωση των υδατικών διαλυμάτων, είναι η διαδικασία της υδρόλυσης και της υδρόλυσης. Επομένως, τα ηλεκτρόδια του πρώτου είδους, κατά κανόνα, δεν είναι ελκυστικά ούτε ως δείκτης ούτε ως ηλεκτρόδια αναφοράς. Υπάρχουν δύο εξαιρέσεις στον γενικό κανόνα: ηλεκτρόδια αργύρου και υδρογόνου.

Διαφάνεια 14

Τύποι ηλεκτροδίων στην ποτενσιομετρία Η πιο σημαντική εξαίρεση είναι το ηλεκτρόδιο υδρογόνου, το δυναμικό του οποίου επιλέγεται ως σημείο αναφοράς στην κλίμακα δυναμικών ηλεκτροδίων. Το ηλεκτρόδιο υδρογόνου είναι ένας σωλήνας πλατίνας λεπτού τοιχώματος επικαλυμμένος εξωτερικά με σπογγώδη πλατίνα. Μέσα στο σωλήνα, διατηρείται μια πίεση υδρογόνου 1,01105 Pa (1 atm). Είναι γνωστό ότι το υδρογόνο έχει υψηλή διαλυτότητα στην πλατίνα και υψηλούς συντελεστές διάχυσης μέσω αυτής. Επιπλέον, η πλατίνα είναι ένας καταλύτης που αφαιρεί το φράγμα ενεργοποίησης στην αντίδραση διάστασης ενός μορίου υδρογόνου σε άτομα και ιονισμού τους: H 2 (Pt)  2 H + + 2 e

διαφάνεια 15

Τύποι ηλεκτροδίων στην ποτενσιομετρία Επομένως, ένα τέτοιο σύστημα λειτουργεί ως ηλεκτρόδιο υδρογόνου, το δυναμικό του οποίου είναι E = E o + (RT/F)lna (H +) Με a(H +) = 1, το E o είναι το πρότυπο δυναμικό, που λαμβάνεται ως 0 στην κλίμακα υδρογόνου.

διαφάνεια 16

Τύποι ηλεκτροδίων στην ποτενσιομετρία Ο δεύτερος τύπος ηλεκτροδίων - ηλεκτρόδια του δεύτερου είδους - είναι ένα σύστημα από μέταλλο και το ελάχιστα διαλυτό άλας του. Ένα κλασικό παράδειγμα είναι το ηλεκτρόδιο Ag/AgCl χλωριούχου αργύρου. Το δυναμικό ενός τέτοιου ηλεκτροδίου εξαρτάται από τη συγκέντρωση του αντίστοιχου ανιόντος: E = E o Ag / Ag + + (RT / F) ln a(Ag +) = E o Ag / Ag + + (RT / F) ln PR (AgCl) / a( Cl -) \u003d E o Ag / Ag + + (RT / F) ln PR (AgCl) - (RT / F) lna (Cl -) \u003d E o - (RT / F) ln a (Cl -)

Διαφάνεια 17

Τύποι ηλεκτροδίων στην ποτενσιομετρία Σύμφωνα με την παραπάνω εξίσωση, σε σταθερή συγκέντρωση σε διάλυμα ανιόντων, παρέχεται σταθερή τιμή του δυναμικού του ηλεκτροδίου. Επομένως, τα ηλεκτρόδια του δεύτερου είδους είναι τα πιο ελκυστικά ως ηλεκτρόδια αναφοράς. Για παράδειγμα, Ag/AgCl ή Hg/Hg 2 Cl 2 τοποθετούνται σε κορεσμένο διάλυμα KCl. Αλλά παραδείγματα χρήσης ηλεκτροδίων του 2ου είδους είναι επίσης γνωστά ως δείκτες για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης των ιόντων χλωρίου.

Διαφάνεια 18

Τύποι ηλεκτροδίων στην ποτενσιομετρία T Ο τρίτος από τους πιο συνηθισμένους τύπους ηλεκτροδίων είναι η μεμβράνη. Μερικές φορές η έννοια των ηλεκτροδίων μεμβράνης ταυτίζεται με την έννοια των ηλεκτροδίων επιλεκτικών ιόντων. Το ίδιο το όνομα ion-selective υποδηλώνει ότι πλησιάζουμε στον πιο ενδιαφέρον τύπο ηλεκτροδίων για την αναλυτική χημεία.

Διαφάνεια 19

Τύποι ηλεκτροδίων στην ποτενσιομετρία Για να κατανοήσουμε τις αρχές λειτουργίας των ηλεκτροδίων μεμβράνης, ας εξετάσουμε τα γενικά μοτίβα σχηματισμού της συνολικής διαφοράς δυναμικού σε ένα ηλεκτροχημικό κύκλωμα συναρμολογημένο σύμφωνα με ένα ισοδύναμο σχέδιο ενός ηλεκτροδίου μεμβράνης. Μεμβράνη από ηλεκτροαδρανές υλικό Ηλεκτρόδια αναφοράς mV 1 2 Ηλεκτρόδιο μεμβράνης

Διαφάνεια 20

Τύποι ηλεκτροδίων στην ποτενσιομετρία Οι θάλαμοι 1 και 2 περιέχουν διαλύματα με διαφορετικές δράσεις ιόντων προσδιορισμού δυναμικού. Ένα ηλεκτροδενεργό υλικό είναι μια ουσία με ιοντική αγωγιμότητα, στη διεπιφάνεια της οποίας με ένα διάλυμα ιόντων προσδιορισμού δυναμικού εμφανίζεται ένα άλμα δυναμικού, λειτουργικά συνδεδεμένο με τη δραστηριότητα και, κατά συνέπεια, με τη συγκέντρωση των ιόντων προσδιορισμού δυναμικού: E M1 = f (a i) Το μέγεθος του αναδυόμενου δυναμικού σχετίζεται με τη δραστηριότητα των ιόντων που καθορίζουν το δυναμικό με την ίδια εξάρτηση Nernst: E M1 = Eo + (RT/nF)lna i (1)

διαφάνεια 21

Τύποι ηλεκτροδίων στην ποτενσιομετρία Η απαίτηση ιοντικής αγωγιμότητας είναι απαραίτητη προϋπόθεση για τη λειτουργία του ηλεκτροδίου μεμβράνης. Εάν το υλικό είναι διηλεκτρικό, απλά δεν μπορούμε να μετρήσουμε τη διαφορά δυναμικού σε ένα τέτοιο στοιχείο. Εάν το υλικό θα έχει ηλεκτρονική αγωγιμότητα, αυτό θα οδηγήσει σε μη αναπαραγώγιμα άλματα δυναμικού κατά τη μετάβαση από την ηλεκτρονική στην ιοντική αγωγιμότητα. Η συνολική διαφορά δυναμικού ενός παρόμοιου κυττάρου E cell \u003d E E.S.1 - E M 1 + E M 2 - E E.S.2 (2)

διαφάνεια 22

Τύποι ηλεκτροδίων στην ποτενσιομετρία Εάν η σύσταση του διαλύματος στον 2ο θάλαμο της κυψέλης είναι σταθερή και στον πρώτο θάλαμο θα τοποθετήσουμε διαλύματα με μεταβλητή συγκέντρωση ιόντων που καθορίζουν το δυναμικό, τότε στην εξίσωση που δίνεται για το κύτταρο Ε, μόνο Το E M 1 θα είναι μια μεταβλητή τιμή. Αντικαθιστώντας το E σε (2) E M 1 από την ισότητα (1), λαμβάνουμε την ακόλουθη έκφραση: E κελί \u003d (E E.S.1 + E M2 - E E.S.2 - E o M1) - (RT / nF) lna i \u003d const - (RT / nF) lna i Εδώ το const είναι η συνολική τιμή των σταθερών στοιχείων.

διαφάνεια 23

Τύποι ηλεκτροδίων στην ποτενσιομετρία Με την προετοιμασία πολλών διαλυμάτων με γνωστές δραστηριότητες και στην περίπτωση αραιωμένων διαλυμάτων με συγκεντρώσεις ουσίας i, μπορείτε να δημιουργήσετε ένα γράφημα βαθμονόμησης. Κύτταρο lna i Χρησιμοποιώντας αυτό το γράφημα βαθμονόμησης, μπορείτε να προσδιορίσετε τη συγκέντρωση της i-ης ουσίας σε ένα διάλυμα.

διαφάνεια 24

Τύποι ηλεκτροδίων στην ποτενσιομετρία Το υπό εξέταση κύτταρο μπορεί υπό όρους να χωριστεί σε δύο μισά κατά μήκος του ορίου της μεμβράνης από την πλευρά του διαλύματος 1. Η δεξιά πλευρά του, που περιλαμβάνει ένα ηλεκτρόδιο αναφοράς, ένα διάλυμα με σταθερή συγκέντρωση μιας ουσίας που προσδιορίζει το δυναμικό, και μια μεμβράνη κατασκευασμένη από ηλεκτρόδιο ενεργό υλικό, ονομάζεται ηλεκτρόδιο μεμβράνης. Em = const – (RT/nF)ln ai = const – (0,059/n)lg ai Τα κύρια χαρακτηριστικά των ηλεκτροδίων επιλεκτικών ιόντων είναι: περιοχή (εύρος) γραμμικότητας συνάρτησης ηλεκτροδίων, επιλεκτικότητα, χρόνος απόκρισης.

Διαφάνεια 25

Λειτουργία ηλεκτροδίου Δεδομένου ότι τα ιοντοεκλεκτικά ηλεκτρόδια χρησιμοποιούνται συνήθως για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης ιόντων σε αραιά διαλύματα, η συνάρτηση ηλεκτροδίου είναι ενσωματωμένη στις συντεταγμένες E - lgCi, όχι lgai. Αντί για lgCi, χρησιμοποιείται συχνά η τιμή p i = - lgCi. E p i 5 4 3 2 1 Εύρος γραμμικότητας

διαφάνεια 26

Συνάρτηση ηλεκτροδίου Η απόκλιση από τη γραμμικότητα της συνάρτησης ηλεκτροδίου στο εύρος των χαμηλών συγκεντρώσεων συνδέεται συχνότερα με τη διάλυση της ενεργού ηλεκτροδίου ουσίας της μεμβράνης, ως αποτέλεσμα της οποίας δημιουργείται συγκέντρωση ενός ιόντος προσδιορισμού δυναμικού στο στρώμα διαλύματος δίπλα στη μεμβράνη, ανάλογο με το μετρημένο. Καθώς η συγκέντρωση των αντίστοιχων ιόντων στο διάλυμα μειώνεται, η επίδραση της διάλυσης της μεμβράνης γίνεται όλο και πιο αισθητή και το δυναμικό του ηλεκτροδίου φτάνει σε μια τιμή που αντιστοιχεί σε αυτή τη συγκέντρωση των ιόντων προσδιορισμού του δυναμικού. Η δεδομένη συνάρτηση ηλεκτροδίου αντιστοιχεί σε ένα επιλεκτικό χλωρίδιο ηλεκτρόδιο με μια μεμβράνη με βάση AgCl. Όπως γνωρίζετε, PR AgCl = 1,8. 10–10.

Διαφάνεια 27

Επιδράσεις παρεμβολής Η παρεμβαλλόμενη επίδραση των προϊόντων της διάλυσης της μεμβράνης αρχίζει φυσικά να εκδηλώνεται στο εύρος συγκέντρωσης από 10 -5 έως 10 -4 Mol/l. Ο κύριος λόγος για την απόκλιση της συνάρτησης του ηλεκτροδίου από τη γραμμικότητα στην περιοχή των υψηλών συγκεντρώσεων είναι μια σημαντική απόκλιση μεταξύ της συγκέντρωσης και της δραστηριότητας των ιόντων. Μπορεί όμως να συμβούν και πιο περίπλοκες διαδικασίες. Για παράδειγμα, για ηλεκτρόδια επιλεκτικά χλωρίου - αύξηση της διαλυτότητας του AgCl σε πυκνά διαλύματα χλωρίου λόγω του σχηματισμού διαλυτών συμπλοκών χλωρίου -.

Διαφάνεια 28

Επιλεκτικότητα Η επιλεκτικότητα ενός ISE χαρακτηρίζεται από συντελεστές επιλεκτικότητας σε σχέση με ιόντα, οι οποίοι μπορούν να επηρεάσουν το μέγεθος του δυναμικού του ηλεκτροδίου ισορροπίας. Ο συντελεστής επιλεκτικότητας είναι ίσος με την αναλογία των συγκεντρώσεων των ιόντων προσδιορισμού δυναμικού και παρεμβολής, που αντιστοιχούν στην ίδια τιμή του δυναμικού του ηλεκτροδίου: K i / j = C i / C j υπό την συνθήκη E i = E j ιόν Με το i ; E j είναι η τιμή του δυναμικού του ηλεκτροδίου που προσδιορίζεται από την παρουσία ενός ιόντος παρεμβολής στη συγκέντρωση C j.

Διαφάνεια 29

Επιλεκτικότητα p i Е -lgC i 5 4 3 2 1 E j at С j A Cj = const Ci - μεταβλητή Ki/j = Ci/Cj Ο ορισμός του Ki / j είναι γραφικός. Παρασκευάζεται μια σειρά διαλυμάτων με σταθερή συγκέντρωση του παρεμβαλλόμενου ιόντος C j και με ένα μεταβλητό ιόν προσδιορισμού δυναμικού. Καθώς το C i μειώνεται, η παρουσία του παρεμβολέα αρχίζει να επηρεάζει όλο και περισσότερο. Η έξοδος της τιμής της μετρούμενης διαφοράς δυναμικού στο οροπέδιο δείχνει ότι το ηλεκτρόδιο έχει πάψει να αισθάνεται τα ιόντα i.

διαφάνεια 30

Η επιλεκτικότητα της τετμημένης του σημείου τομής E = f (p i) και E στο C j αντιστοιχεί σε p i = - lgC i. Από εδώ βρίσκεται το C i και η αντίστοιχη τιμή του συντελεστή επιλεκτικότητας Ki / j = C i / C j, αφού η τιμή του Cj είναι γνωστή από τις πειραματικές συνθήκες. Αν Ki / j< 1, то электрод более селективен к i -ионам и наоборот, при Ki / j >1 ηλεκτρόδιο αντιδρά πιο έντονα στην παρουσία ενός ιόντος παρεμβολής. Ένα παράδειγμα είναι η παρουσία βρωμιδίων και ιωδιδίων στον προσδιορισμό των χλωριδίων χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρόδιο επιλεκτικής χλωρίου.

Διαφάνεια 31

Επιλεκτικότητα Η συνολική επίδραση πολλών παρεμβαλλόμενων ιόντων λαμβάνεται υπόψη από την εξίσωση που προτείνει ο B.P. Nikolsky: Еme = const - (0,059/n)lg Αυτή η εξίσωση ισχύει εάν το φαινόμενο παρεμβολής σχετίζεται με τον ανταγωνισμό των ιόντων κατά τον καθορισμό ιοντικών ισορροπιών μεταξύ η μεμβράνη και το διάλυμα.

διαφάνεια 32

Επιλεκτικότητα Μειωμένη επιλεκτικότητα, π.χ. η εκδήλωση της παρεμβολής της επίδρασης ξένων ιόντων δεν συνδέεται σε καμία περίπτωση πάντα με διεργασίες ανταλλαγής ιόντων μεταξύ της επιφάνειας της μεμβράνης και του διαλύματος, όπως στην περίπτωση της αμοιβαίας επίδρασης των ιόντων αλογονιδίου. Πολύ συχνά, η ιοντική ισορροπία ενός ιόντος που προσδιορίζει το δυναμικό επηρεάζεται από τις διαδικασίες σχηματισμού συμπλόκου σε διάλυμα. Για παράδειγμα, η παρουσία ιόντων Fe (III) και Al (III), τα οποία σχηματίζουν ισχυρά σύμπλοκα με ιόντα φθορίου, επηρεάζει έντονα την ιοντική λειτουργία ενός επιλεκτικού ηλεκτροδίου φθορίου. Σχετικά με τις λειτουργίες ηλεκτροδίων ηλεκτροδίων επιλεκτικά σε διπλά φορτισμένα κατιόντα Cu II, Cd II, Pb II, κ.λπ. τυχόν ιόντα ικανά να συμπλέκονται με αυτά έχουν αποτέλεσμα.

Διαφάνεια 33

Χρόνος απόκρισης Το τρίτο πιο σημαντικό χαρακτηριστικό είναι ο χρόνος απόκρισης ενός ηλεκτροδίου επιλεκτικού ιόντος, ο οποίος χαρακτηρίζει τον χρόνο που απαιτείται για να φτάσει το ηλεκτρόδιο σε μια σταθερή τιμή δυναμικού μετά από μια απότομη αλλαγή στη συγκέντρωση. Η τιμή του t deb εξαρτάται τόσο από τα επιμέρους χαρακτηριστικά των ηλεκτροδίων όσο και από τις συνθήκες μέτρησης. Όσο μεγαλύτερο είναι το άλμα συγκέντρωσης, τόσο μεγαλύτερος είναι ο χρόνος απόκρισης.

διαφάνεια 34

Χρόνος απόκρισης Κατά τη μετάβαση από χαμηλότερες συγκεντρώσεις σε υψηλότερες συγκεντρώσεις, κατά κανόνα, ο χρόνος απόκρισης είναι μικρότερος από ό,τι κατά την επιστροφή: toff1< t откл4 ; t откл2 < t откл3 t откл1 t откл2 t откл3 t откл4 С 1 С 2 С 3 С 2 С 1 t Поэтому для характеристики электродов всегда необходимо указывать, какому концентрационному скачку соответствует то или иное значение времени отклика. Без этого сравнение электродов некорректно.

Διαφάνεια 35

Υλικά μεμβράνης ηλεκτροδίων Τα κύρια αναλυτικά χαρακτηριστικά του ISE καθορίζονται κυρίως από τις ιδιότητες των ουσιών από τις οποίες κατασκευάζονται οι μεμβράνες. Ανάλογα με τη φάση φάσης των ενεργών ουσιών, υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι μεμβρανών που χρησιμοποιούνται σε ιοντοεκλεκτικά ηλεκτρόδια: κρυσταλλικά, γυάλινα και υγρά. Ο πρώτος και ακόμα πιο σημαντικός τύπος μεμβρανών ηλεκτροδίων είναι τα γυάλινα ηλεκτρόδια, οι μεμβράνες των οποίων είναι κατασκευασμένες από πυριτικά γυαλιά. Όλα τα πυριτικά ποτήρια μπορούν να θεωρηθούν ως άλατα πολυμερικών πυριτικών οξέων. Έχουν μοναδική εκλεκτικότητα στα ιόντα υδρονίου. Κανένα από τα άλλα ηλεκτρόδια δεν έχει περιοχή γραμμικότητας συνάρτησης ηλεκτροδίου ακόμη και κοντά στην περιοχή: σχεδόν 14 τάξεις μεγέθους μεταβολών στη δραστηριότητα των ιόντων υδρογόνου.

διαφάνεια 36

Υλικά μεμβράνης ηλεκτροδίων Είναι δύσκολο ακόμη και να φανταστεί κανείς τη σύγχρονη αναλυτική χημεία χωρίς pH-μετρία χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια γυαλιού. Τροποποιώντας τη σύνθεση του γυαλιού, ήταν δυνατό να λυθούν τα προβλήματα δημιουργίας ηλεκτροδίων που είναι εκλεκτικά στα ιόντα νατρίου. Όσον αφορά το εύρος της γραμμικότητας και της επιλεκτικότητας της λειτουργίας των ηλεκτροδίων, είναι σημαντικά κατώτερα από τα ηλεκτρόδια pH και είναι πάντα πιο επιλεκτικά στα ιόντα υδρογόνου σε σύγκριση με τα ιόντα νατρίου που καθορίζουν το δυναμικό. Το κύριο πρόβλημα για τα ηλεκτρόδια γυαλιού είναι η δημιουργία γυαλιών με υψηλή ιοντική αγωγιμότητα. Παράλληλα, συνεχίζεται η έρευνα για τη σύνθεση γυαλιών που είναι επιλεκτικά σε άλλα ιόντα. Ένας αριθμός πρωτότυπων λύσεων έχει βρεθεί, ιδιαίτερα, όταν χρησιμοποιούνται γυαλιά χαλκογονιδίου ως ηλεκτροαντιδραστικά υλικά.

Διαφάνεια 37

Υλικά μεμβράνης ηλεκτροδίων Οι κρυσταλλικές μεμβράνες χωρίζονται σε μονο- και πολυκρυσταλλικές και οι τελευταίες, με τη σειρά τους, σε ομοιογενείς και ετερογενείς. Με την ίδια χημική σύνθεση, οι διαφορές μεταξύ των τροποποιήσεων των κρυσταλλικών ηλεκτροδίων εκδηλώνονται, πρώτα απ 'όλα, σε ένα τέτοιο αναλυτικό χαρακτηριστικό των ηλεκτροδίων όπως ο χρόνος απόκρισης. Μερικές φορές, διαφορές στη συγκέντρωση του ιόντος που καθορίζει το δυναμικό, το οποίο αντιστοιχεί στο κατώτερο όριο της περιοχής γραμμικότητας της λειτουργίας του ηλεκτροδίου που σχετίζεται με διαφορετική διαλυτότητα του υλικού της μεμβράνης, μπορεί να εμφανιστούν σε μικρό βαθμό, καθώς Οι μονοκρυσταλλικές μεμβράνες είναι πάντα λιγότερο διαλυτές από τις πολυκρυσταλλικές. Η επιλογή υλικού για μεμβράνες αυτής της κατηγορίας είναι αρκετά περιορισμένη και σε μεγάλο βαθμό εξαντλημένη. Οι πιο επιτυχημένες λύσεις που χρησιμοποιούν κρυσταλλικές μεμβράνες έχουν βρεθεί για τον ιοντομετρικό προσδιορισμό των ιόντων αλογονιδίου: F-, Cl-, Br-, I- και S 2-

Διαφάνεια 38

Υλικά μεμβράνης ηλεκτροδίου Ο τρίτος τύπος μεμβράνης είναι υγρός ή πλαστικοποιημένος. Δεδομένου ότι είναι μάλλον δύσκολο να δημιουργηθεί ένα στοιχείο μέτρησης με ένα ελεύθερο υγρό στρώμα ως μεμβράνη, ένα υπόστρωμα κατασκευασμένο από ένα πολυμερές που διογκώνεται σε αυτό το υγρό είναι συνήθως εμποτισμένο με ένα υγρό ηλεκτροενεργό υλικό. Εξ ου και το όνομα - πλαστικοποιημένες μεμβράνες. Οι μεμβράνες αυτού του τύπου είναι πολύ λιγότερο βολικές για πρακτική χρήση. Τα υγρά, για παράδειγμα, τείνουν να εξατμίζονται. Επομένως, η διάρκεια ζωής των πλαστικοποιημένων μεμβρανών είναι σημαντικά μικρότερη από αυτή των στερεών μεμβρανών. Αλλά υπάρχει ένα σημαντικό πλεονέκτημα - ένας πολύ μεγαλύτερος αριθμός επιλογών για την επιλογή υλικών που πληρούν τα κριτήρια επιλεκτικότητας και ιοντικής αγωγιμότητας. Συγκεκριμένα, με βάση τις πλαστικοποιημένες μεμβράνες, επιλύονται επείγοντα προβλήματα όπως ο προσδιορισμός των ιόντων νιτρικών αλάτων, αμμωνίου, καλίου και ασβεστίου.

Διαφάνεια 39

Κατάσταση του προβλήματος Ένας πολύ σημαντικός παράγοντας για την ανάπτυξη της ιονομετρίας, ωστόσο, όπως και των περισσότερων αναλυτικών μεθόδων, είναι το επίπεδο των τεχνολογικών και τεχνικών λύσεων. Μέχρι σήμερα, πολλά σχέδια ISE έχουν αναπτυχθεί για τη χρήση τους σε συμβατικά σχήματα ανάλυσης ρουτίνας και για την επίλυση συγκεκριμένων αναλυτικών προβλημάτων, όπως εν σειρά ανάλυση και ανάλυση βιολογικών αντικειμένων, συμπεριλαμβανομένων επιτόπιων μετρήσεων απευθείας σε βιολογικά ρευστά ζωντανών οργανισμών. Οι αλλαγές στα σχέδια και η μικρογραφία δεν επηρεάζουν τις γενικές αρχές της μεθόδου. Υπάρχουν ορισμένα ορολογικά προβλήματα.

Διαφάνεια 40

Όροι Οι τρεις τελευταίες δεκαετίες χαρακτηρίζονται από την εμφάνιση στην καθημερινή ζωή των αναλυτών ενός νέου όρου - χημικοί αισθητήρες. Θα όριζα έναν χημικό αισθητήρα ως έναν μετατροπέα πληροφοριών σχετικά με μια αλλαγή στη χημική σύνθεση του αναλυόμενου μέσου σε ηλεκτρικό σήμα. Δεν υπάρχει γενικά αποδεκτή ερμηνεία αυτού του όρου. Κατά προσέγγιση έννοια - ένα μικροσκοπικό μέσο άμεσης μέτρησης της συγκέντρωσης χημικών ουσιών σε υγρά και αέρια μέσα. Οι αρχές μέτρησης μπορεί να είναι οποιεσδήποτε. Το ISE ταιριάζει καλά στο σημασιολογικό περιεχόμενο αυτού του όρου. Ως εκ τούτου, τα τελευταία χρόνια υπάρχει μια τάση να θεωρείται το ISE ως μία από τις παραλλαγές των χημικών αισθητήρων. Από τον νέο όρο, το περιεχόμενο δεν έχει αλλάξει.

Διαφάνεια 41

Προϋποθέσεις εφαρμογής Η εκτίμηση του ρόλου της ιονομετρίας στη χημική ανάλυση είναι πολύ διφορούμενη. Οι ερασιτέχνες συνήθως υπερβάλλουν τις δυνατότητες της μεθόδου, οι πρακτικοί αναλυτές την υποτιμούν. Αντικειμενικά, μπορεί να υποστηριχθεί ότι η ιονομετρία είναι μια ιδανική μέθοδος για συνεχή ανάλυση σε ελεγχόμενη ροή μέσου, όταν είναι απαραίτητο να παρατηρηθεί η αλλαγή στη συγκέντρωση μιας εκ των προτέρων γνωστής αναλυόμενης ουσίας. Αυτό μπορεί να είναι τόσο η περιβαλλοντική παρακολούθηση όσο και ο συνεχής έλεγχος των τεχνολογικών διαδικασιών. Με κάποια καθυστέρηση από πραγματικό χρόνο, λαμβάνουμε πληροφορίες σχετικά με αλλαγές στη συγκέντρωση του ενός ή του άλλου συστατικού στο αντικείμενο ανάλυσης. Στην εργαστηριακή πρακτική, η μέθοδος της pH-μετρίας αναγνωρίζεται άνευ όρων.

Διαφάνεια 42

Συνθήκες εφαρμογής Η μέθοδος χρησιμοποιείται επίσης ευρέως για τον προσδιορισμό μεμονωμένων ανιόντων: F-, Cl-, Br-, I-, S 2-. Η κατάσταση είναι πιο περίπλοκη με τον προσδιορισμό των ιόντων βαρέων μετάλλων. Το δυναμικό οποιουδήποτε ISE είναι συνάρτηση της συγκέντρωσης των ιόντων που προσδιορίζουν το δυναμικό στο διάλυμα. Επομένως, οποιαδήποτε χημική διεργασία που οδηγεί σε μετατόπιση των ιοντικών ισορροπιών θα επηρεάσει το μέγεθος του αναλυτικού σήματος. Μόνο υπό ιδανικές συνθήκες (όξινο διάλυμα, απουσία συμπλοκοποιητικών παραγόντων) υπάρχουν βαρέα μέταλλα στο διάλυμα με τη μορφή των αντίστοιχων κατιόντων: Cu 2+, Cd 2+, Pb 2+ κ.λπ. Σε πραγματικά υδατικά μέσα, όπως φυσικό και απόβλητο νερό, συμβαίνουν διεργασίες υδρόλυσης και συμπλοκοποίησης με ανόργανα και οργανικά προσδέματα.

Διαφάνεια 44

Τιτλοδότηση Η τιτλοδότηση οξέος-βάσης χρησιμοποιεί συνήθως ένα γυάλινο ηλεκτρόδιο pH ως δείκτη. Πλεονέκτημα έναντι της άμεσης ποτενσιομετρίας: αντί της συνολικής συγκέντρωσης ιόντων Η+, μπορούν να προσδιοριστούν οι συγκεντρώσεις μεμονωμένων οξέων με διαφορετικές σταθερές διάστασης. pH 10 8 6 4 2 0 Ka=10 -10 Ka=10 -8 Ka=10 -6 Ka=10 -4 Ισχυρό οξύ HNO 3 V (NaOH)

Διαφάνεια 45

Μέθοδοι για τον προσδιορισμό του pH 11 9 7 5 3 0 Ve. V(NaOH), ml V(NaOH), ml Vt.e.  E /  V Από την αρχή, βρείτε χονδρικά τον όγκο του τιτλοδοτητή που απαιτείται για να εμφανιστεί μια απότομη αλλαγή στο δυναμικό (άλμα τιτλοδότησης). Στη συνέχεια, ένας ελαφρώς μικρότερος όγκος τιτλοδοτητή εισάγεται σε ένα νέο τμήμα του αναλυόμενου διαλύματος, και στη συνέχεια πραγματοποιείται ακριβής τιτλοδότηση και το δυναμικό άλμα  V καθορίζεται για κάθε προσθήκη του τιτλοδοτητή  V και δημιουργείται η εξάρτηση: τελικό σημείο ογκομέτρησης

Χαρακτηριστικά της τιτλοδότησης Στην οξειδοαναγωγική τιτλοδότηση, το ηλεκτρόδιο δείκτη συναντάται. Pt (ηλεκτρόδιο αδρανούς μετάλλου - φορέας ηλεκτρονίων από την ανηγμένη μορφή στην οξειδωμένη). Στην καθίζηση (σπάνια χρησιμοποιείται) μεταλλικό ηλεκτρόδιο Ag κατά την τιτλοδότηση ιόντων Cl - με ιόντα Ag +.

Η φυσική χημεία μελετά τη σχέση
χημικές διεργασίες και φυσικά φαινόμενα,
που τους συνοδεύουν, ιδρύει
μοτίβα μεταξύ χημικών
σύνθεση, δομή ουσιών και τους
ιδιότητες, διερευνά τον μηχανισμό και την ταχύτητα
χημικές αντιδράσεις ανάλογα με
συνθήκες ροής τους.
Η φυσική χημεία προέκυψε και αναπτύχθηκε με βάση την εφαρμογή
μέθοδοι φυσικής έρευνας για τη μελέτη χημικών ιδιοτήτων
ουσίες, καθώς και τη μελέτη της επίδρασης της χημικής σύνθεσης των ουσιών και αυτών
κτίρια για φυσικές ιδιότητες.

Τα κύρια στάδια στην ανάπτυξη της φυσικής χημείας
Η εμφάνιση της φυσικής χημείας ως ανεξάρτητης
η επιστήμη χρονολογείται από τα μέσα του 18ου αιώνα.
Το 1752 - 1754. - το πρώτο μάθημα φυσικής χημείας στον κόσμο
(Lomonosov M.V.)
Τέλη 18ου αιώνα – μελέτες θερμικών και θερμικών ικανοτήτων
επιδράσεις των αντιδράσεων που πραγματοποιήθηκαν από τους Lavoisier και Laplace (1779
- 1784)
Το 1800, ο Berthelot εισήγαγε την έννοια της χημικής ισορροπίας και
την τιμή της συγκέντρωσης των αντιδρώντων.
Στο πρώτο μισό του XIX αιώνα. - αναπτύχθηκε ατομικιστική
αναπαραστάσεις του Lomonosov στα έργα των Dalton, Gay-Lussac και Avogadro
1830 - βρήκε τους νόμους της ηλεκτρόλυσης (έρευνα Devi,
Faraday, Berzelius)
1840 - ο Ρώσος επιστήμονας Hess ανακάλυψε το κύριο
νόμος της θερμοχημείας.

1865 - Ο Beketov επανέφερε τη διδασκαλία του μαθήματος
Φυσικοχημεία στο Πανεπιστήμιο του Χάρκοβο.
XIX αιώνας:
Mendeleev (περιοδικός νόμος του 1869, καθώς και
μελέτη πίεσης αερίου - εξίσωση κατάστασης
ιδανικό αέριο)
Guldberg και Waage - ο νόμος της δράσης των μαζών.
Van't Hoff - μαθηματική έκφραση
κινητικά μοτίβα?
Menshutkin - η κινητική της χημικής ουσίας
αντιδράσεις σε διαλύματα και διευκρίνισε το ρόλο του διαλύτη (1887
ΣΟΛ.);
Arrhenius - ανέπτυξε τη θεωρία της ηλεκτρολυτικής
διάσταση (1887) και διερεύνησε την επίδραση της θερμοκρασίας
σχετικά με το ρυθμό των χημικών αντιδράσεων (1889).
J. Gibbs (1873 - 1878) - θερμοδυναμική
θεωρία ισορροπίας.
Le Chatelier το 1881 - 1885 διατυπωθεί
γενικά δημιούργησε την ποσοτική θεωρία
ηλεκτρολυτική διάσταση.

XX αιώνας:
Rutherford (1911) - πυρηνικό μοντέλο
άτομο.
Bohr (1913) - ποσοτική θεωρία
ένα άτομο υδρογόνου.
Kurnakov - μια νέα κατεύθυνση
Έρευνα συστημάτων πολλαπλών συστατικών:
ανάπτυξη φυσικής και χημικής ανάλυσης - το δόγμα του
εξάρτηση των ιδιοτήτων των φυσικοχημικών συστημάτων από
σύνθεση.
Debye and Hückel (1923) - Θεωρία
διαλύματα ισχυρών ηλεκτρολυτών.
Shilov και Semenov - η θεωρία της αλυσίδας
αντιδράσεις και τη θεωρία της κατάλυσης.

Οι κύριες ενότητες της φυσικής χημείας. Η σημασία τους για το φαρμακείο

Χημική θερμοδυναμική
Ισορροπία φάσης
Λύσεις
Ηλεκτροχημεία
Κινητική και κατάλυση

Χημική θερμοδυναμική. ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ

Η χημική θερμοδυναμική θεωρεί
ενεργειακές πτυχές (δηλαδή αμοιβαίοι μετασχηματισμοί
ενέργεια που σχετίζεται με τη μεταφορά ενέργειας μεταξύ των σωμάτων
μορφή θερμότητας και εργασίας) διαφόρων διεργασιών και
καθορίζει τις συνθήκες για την αυθόρμητη ροή τους.
Το αντικείμενο της κλασικής θερμοδυναμικής είναι η μελέτη των νόμων
αμοιβαίοι μετασχηματισμοί διαφόρων τύπων ενέργειας που σχετίζονται με μεταβάσεις
ενέργειας μεταξύ των σωμάτων με τη μορφή θερμότητας και εργασίας.
Αντικείμενο της χημικής θερμοδυναμικής είναι η εφαρμογή των νόμων
κλασική θερμοδυναμική σε χημικά και φυσικοχημικά φαινόμενα.
εξετάζει τις θερμικές επιδράσεις των χημικών αντιδράσεων, φάση
μεταπτώσεις μεμονωμένων ουσιών και μειγμάτων, χημικές ισορροπίες.

Αντικείμενο μελέτης στη θερμοδυναμική
είναι ένα θερμοδυναμικό σύστημα.
Ένα σύστημα είναι ένα ενιαίο σώμα ή
μια ομάδα σωμάτων, ουσιαστικά ή διανοητικά
χωρισμένο από το περιβάλλον.
Το περιβάλλον είναι το παν
είναι άμεσα ή έμμεσα
επαφή με το σύστημα.

Το σύστημα ονομάζεται θερμοδυναμικό,
αν ανάμεσα στα σώματα που το αποτελούν,
μπορεί να πραγματοποιηθεί ανταλλαγή θερμότητας
ουσία, και εάν το σύστημα είναι πλήρως
περιγράφεται από τη θερμοδυναμική
Παράμετροι.
Ανάλογα με τη φύση της αλληλεπίδρασης
τα συστήματα διακρίνονται με το περιβάλλον:
Ένα ανοιχτό σύστημα είναι...
και τα λοιπά. (από μόνος του)

Το σύνολο όλων των φυσικών και χημικών
ιδιότητες του συστήματος ονομάζεται κατάσταση του συστήματος.
Χαρακτηρίζεται από θερμοδυναμική
παράμετροι που είναι:
Οι εντατικές ιδιότητες είναι ιδιότητες που δεν είναι
εξαρτώνται από τη μάζα και σε ποια είναι ευθυγραμμισμένα
συστήματα επαφής (θερμοκρασία, πίεση,
πυκνότητα, συγκέντρωση, χημικό δυναμικό).
Οι ιδιότητες ενός συστήματος που εξαρτώνται από τη μάζα ονομάζονται
εκτεταμένη (όγκος, μάζα, θερμοχωρητικότητα,
εσωτερική ενέργεια, ενθαλπία, εντροπία,
θερμοδυναμικά δυναμικά). εκτενής
Η ιδιότητα του συστήματος στο σύνολό του είναι ίση με το άθροισμα
αντίστοιχες εκτεταμένες ιδιότητες ατόμου
εξαρτήματα που περιλαμβάνονται σε αυτό το σύστημα
(ιδιότητα προσθετικότητας).

Εκείνα τα φυσικά μεγέθη των οποίων η αξία
καθορίζει πλήρως την κατάσταση του συστήματος και
που είναι άμεσα
διάσταση ονομάζονται παράμετροι
πολιτείες.
Οι συναρτήσεις αυτών των παραμέτρων καλούνται
κρατικές λειτουργίες (δεν υπόκεινται σε
άμεση μέτρηση).
Ιδιότητες συνάρτησης κατάστασης:
1. Μια απειροελάχιστη αλλαγή στη συνάρτηση f έχει ολοκληρωθεί
διαφορικό (συμβολίζεται df).
2. Η μεταβολή της f κατά τη μετάβαση του συστήματος από την κατάσταση 1 στην
Η κατάσταση 2 δεν εξαρτάται από τη διαδρομή df
επεξεργάζομαι, διαδικασία,
f 2 f1
μόνο η αρχική και η τελική του κατάσταση:
3. Ως αποτέλεσμα της κυκλικής
df 0 λειτουργία κατάστασης διαδικασίας όχι
αλλαγές:

Θερμοδυναμικές διεργασίες και ταξινόμηση τους

Μόνος του!

Εσωτερική ενέργεια

Η εσωτερική ενέργεια (U) χαρακτηρίζει το συνολικό απόθεμα
ενέργεια του συστήματος. Περιλαμβάνει όλα τα είδη ενέργειας
κίνηση και αλληλεπίδραση των σωματιδίων που αποτελούν
σύστημα: η κινητική ενέργεια της μοριακής κίνησης
(μεταφραστική και περιστροφική). διαμοριακή ενέργεια
έλξη και απώθηση σωματιδίων. ενδομοριακή ή
χημική ενέργεια; ηλεκτρονική ενέργεια διέγερσης.
ενδοπυρηνική και ακτινοβολούμενη ενέργεια.
Η αξία της εσωτερικής ενέργειας εξαρτάται από τη φύση
ουσία, τη μάζα και τη θερμοκρασία της.
Η πλήρης παροχή U δεν μπορεί να μετρηθεί (χωρίς σημείο
αναφορά), επομένως χρησιμοποιήστε την αλλαγή στο εσωτερικό
ενέργεια (dU ή U):
U \u003d Ufin-Unach, J / mol.
Η εσωτερική ενέργεια είναι μια κατάσταση κατάστασης, εκτεταμένη
αξία.

Ενθαλπία

Η ενθαλπία είναι η ενέργεια που
σύστημα σε σταθερό
πίεση;
Η ενθαλπία είναι αριθμητικά ίση με το άθροισμα
εσωτερική ενέργεια και δυναμικό
ενέργεια του συστήματος.
H \u003d U + pV.
ΔΝ = ΔU + pΔV.

Ζεστασιά και δουλειά

Γίνεται η μεταφορά ενέργειας από το σύστημα στο περιβάλλον και αντίστροφα
μόνο με τη μορφή θερμότητας (Q) και εργασίας (W) -
δύο μορφές μετάδοσης
ενέργεια.
Η μορφή μεταφοράς ενέργειας από ένα μέρος του συστήματος σε
άλλος λόγω διαταραχής
(χαοτική) κίνηση των μορίων ονομάζεται
ζεστασιά, αλλά με τάξη
(οργανωμένη) κίνηση μορίων κάτω
η δράση μιας ορισμένης δύναμης - εργασίας.
Η εργασία και η θερμότητα συνδέονται με τη διαδικασία και είναι
λειτουργίες διεργασίας, όχι συναρτήσεις κατάστασης.
Μετρήθηκε σε J / mol.

Πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής

Συνθέσεις:
1. Ενέργεια απομονωμένου συστήματος
συνεχής.
2. Η ενέργεια δεν εξαφανίζεται χωρίς ίχνος και δεν εξαφανίζεται
προκύπτει από το τίποτα, η μετάβασή του από ένα
είδος σε άλλο πηγαίνει αυστηρά
ισοδύναμα ποσά.
3. Perpetuum mobile πρώτου είδους
αδύνατο, που σημαίνει
μηχάνημα που λειτουργεί χωρίς κόστος
ενέργεια.

4. Η ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο σύστημα
ή αφαιρείται από αυτό, πάει να αλλάξει
εσωτερική ενέργεια και το έργο που έχει γίνει
σύστημα ή πάνω από το σύστημα.
Μαθηματική έκφραση:
Για πεπερασμένες αλλαγές: Q= U + W
Για απειροελάχιστες στοιχειώδεις διεργασίες:
δQ = dU + δW = dU + pdV + δW’,
όπου δW είναι το άθροισμα όλων των τύπων εργασίας, pdV είναι μηχανική εργασία, δW είναι χρήσιμη εργασία (όλα,
εκτός από μηχανικά). Υποθέτοντας ότι δW' 0, τότε
pdV > δW':
δQ = dU + pdV.

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής όπως εφαρμόζεται σε ορισμένες διαδικασίες

1. Ισοθερμικές διεργασίες. Τ = συνθ.
δQ = dU + δW.
Επειδή U = 3/2 nRT, μετά dU = 0 και U = 0 επίσης.
Τότε: δQ = δW; δW = pdV; W = pdV.
nRT
Π
Από την εξίσωση Mendeleev-Claiperon V
Επειδή
V2
nRT
W
dV nRT ln
V
V1
Π
p1V1 = p2V2, μετά W nRT ln 1 .
p2
V2
QT = WT nRT ln
V1
p1
nRTln
p2
.
.

2. Ισοχωρικές διεργασίες. V = καταστ.
δQ = dU + δW.
δW = pdV; και από τότε V = const, μετά dV = 0 και V = 0.
Τότε δW = pdV = 0,
και για πεπερασμένες αλλαγές W = p V = 0.
Πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής στην ισοχωρική
οι διαδικασίες θα μοιάζουν με αυτό:
δQV = dU
για τελικές αλλαγές:
QV=U.

3. Ισοβαρικές διεργασίες. p = καταστ.
δQ = dU + δW;
δW = d(pV);
δQ = dU + d(pV) ή δQ = d(U + pV) = dH,
επειδή H \u003d U + pV.
Για τελικές αλλαγές:
QP \u003d U + p V \u003d H.
Στην περίπτωση ιδανικού αερίου, δουλέψτε
υπολογίστηκε: W = p V = nR T.

Παρόμοια Έγγραφα

Επίδραση της θερμοκρασίας στον ρυθμό μιας χημικής αντίδρασης. Διμερείς και μονόπλευρες αντιδράσεις, μοριακότητα, σειρά, κινητική ταξινόμηση. Θεωρία ενεργών συγκρούσεων. Αλυσιδωτές αντιδράσεις, θερμική έκρηξη. Είδη φωτοχημικών διεργασιών, κβαντική απόδοση.

μάθημα διαλέξεων, προστέθηκε 10/12/2015

Χαρακτηριστικά υποκειμένου και αντικειμένου, στόχοι και στόχοι της φυσικής και κολλοειδούς χημείας. Περιγραφή των βασικών εννοιών της θερμοδυναμικής. Χημική κινητική: ρυθμός χημικής αντίδρασης, εξίσωση Arrhenius, καταλυτικές διεργασίες, ομοιογενής κατάλυση και αυτοκατάλυση.

tutorial, προστέθηκε 05/02/2014

Προβλήματα χημικής θερμοδυναμικής. Ισορροπία φάσεων και λύσεις. Θερμοδυναμική και ηλεκτροστατική θεωρία ηλεκτρολυτών. Κινητική χημικών αντιδράσεων. Μοτίβα που σχετίζονται με τον αμοιβαίο μετασχηματισμό χημικών και ηλεκτροχημικών μορφών ενέργειας.

εγχειρίδιο, προστέθηκε 21/11/2016

Η κατάλυση είναι η διαδικασία μεταβολής του ρυθμού των χημικών αντιδράσεων παρουσία ουσιών που ονομάζονται καταλύτες. Πληροφορίες για τη βιομηχανική κατάλυση και τον ρόλο της στην οικολογία. Πέρασμα από το ενεργειακό φράγμα, ομοιογενής και ετερογενής κατάλυση.

περίληψη, προστέθηκε 07.11.2009

Ο ρυθμός μιας χημικής αντίδρασης. Ομοιογενείς και ετερογενείς αντιδράσεις. Ο νόμος των ενεργών μαζών. Ενέργεια ενεργοποίησης. Επιρροή του καταλύτη. Σταθερά χημικής ισορροπίας. Η ουσία της αρχής του Le Chatelier. Έννοια της μοριακής ικανότητας και της σειράς αντίδρασης στη χημική κινητική.

παρουσίαση, προστέθηκε 23/04/2013

Η έννοια της χημικής κινητικής. Παράγοντες όπως η συγκέντρωση των αντιδρώντων, η λεπτότητα, η θερμοκρασία και η παρουσία ενός καταλύτη ή αναστολέα. Ορισμός της έννοιας «μοριακότητα της αντίδρασης». Η ουσία του καταλύτη και η δράση του στις χημικές αντιδράσεις.

εγχειρίδιο, προστέθηκε στις 27/04/2016

Μελέτη του νόμου των ετερογενών ισορροπιών ενός φυσικοχημικού συστήματος σε σταθερή θερμοδυναμική ισορροπία. Ανασκόπηση πολυσυστατικών υγρών. Ανάλυση κινητικής και κατάλυση. Δοκίμιο για τη συγκέντρωση μιας ουσίας και την ταξινόμηση των χημικών αντιδράσεων.

παρουσίαση, προστέθηκε 29/09/2013

Ανάλυση της ουσίας, των σημείων και των συνθηκών των χημικών αντιδράσεων. Ταξινόμηση χημικών αντιδράσεων σύμφωνα με διάφορα κριτήρια. Προσδιορισμός της ταχύτητας μιας χημικής αντίδρασης. Ορισμός της έννοιας του καταλύτη, καθώς και περιγραφή της επίδρασής του στον ρυθμό μιας χημικής αντίδρασης.

περίληψη, προστέθηκε 28/06/2017

Η έννοια της χημικής κινητικής, ο ρυθμός μιας χημικής αντίδρασης. Βασικός νόμος της χημικής κινητικής. Επίδραση της θερμοκρασίας στον ρυθμό των χημικών αντιδράσεων. Η έννοια και η ουσία της κατάλυσης, η αρχή του καταλύτη. Μαθηματική συνθήκη χημικής ισορροπίας.

εγχειρίδιο, προστέθηκε 18/09/2015

Επίδραση της συγκέντρωσης των ουσιών, της πίεσης, της επιφάνειας επαφής των αντιδραστηρίων, της θερμοκρασίας στον ρυθμό μιας χημικής αντίδρασης. Ο νόμος των ενεργών μαζών. Η έννοια της κατάλυσης είναι η μείωση της ενέργειας ενεργοποίησης μιας αντίδρασης και η αναστολή είναι η αύξηση της ενέργειας ενεργοποίησής της.

Ομοσπονδιακή Υπηρεσία για την Εκπαίδευση

USTU - UPI

Τμήμα Θεωρίας Μεταλλουργικών Διεργασιών

ΛΑ. Zhukova, A.A. Ζούκοφ

ΦΥΣΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ

Εκπαιδευτική ηλεκτρονική έκδοση κειμένου Προετοιμάστηκε από το τμήμα «Θεωρία μεταλλουργικών διεργασιών»

Περίληψη διαλέξεων για το γνωστικό αντικείμενο "Φυσική Χημεία" για φοιτητές των κατευθύνσεων 150100 - Μεταλλουργία, 150600 - Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών Υλικών

Εκατερίνμπουργκ


Ενότητα 1. Εισαγωγή και Βασικοί Όροι………………			…………….…………………………
Διάλεξη 1……………………	……………………………		……………………………
Ενότητα 2. Εφαρμογή του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής στον υπολογισμό των θερμικών επιδράσεων
διαδικασίες……………………………………	………………………………………………………
Διάλεξη 2…………………………………		……………………………………………………
Ενότητα 3. Εφαρμογή του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής για τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης των διεργασιών
και συνθήκες ισορροπίας……………………………………………………………………………………
Διάλεξη 3…………………………	……………………………………………………………
Διάλεξη 4……………	…………………………………………………………………………
Διάλεξη 5……	………………………………………………………………………………
Ενότητα 4. Θερμοδυναμική των διαλυμάτων………………			……………………………………………….44
Διάλεξη 6………………………………………………………………………………………
Διάλεξη 7………	……………………………………………………………………………
Διάλεξη 8……	……………………………………………………………………………
Ενότητα 5. Ισορροπίες φάσεων και διαγράμματα κατάστασης………				…………………………..……59
Διάλεξη 9………………………………………………………				……………………………
Διάλεξη 10…………………………………………………………………………………
Διάλεξη 11………………………………………………………………………………………
Διάλεξη 12……………………………………………………………………………………
Ενότητα 6. Επιφανειακά φαινόμενα……………………………………………………………………
Διάλεξη 13……………………………………………………………………………………
Διάλεξη 14……………………………………………………………………………………
Ενότητα 7. Κινητική ομοιογενών χημικών αντιδράσεων……………………				...…………………
Διάλεξη 15……………………………………………………………………………
Ενότητα 8. Κινητική των ετερογενών χημικών αντιδράσεων………………………………………………
Διάλεξη 16………………………………………………			…………………………………
Διάλεξη 17…………………………………………………………………………………
Ενότητα 9. Δομή και ιδιότητες υγρών και άμορφων μετάλλων…………………………………….147
Διάλεξη 18……………………………………………………………………………………

Ενότητα 1. Εισαγωγή και Βασικοί Όροι

Από το ίδιο το όνομα του επιστημονικού κλάδου προκύπτει ότι είναι μια επιστήμη αιχμής μεταξύ της χημείας και της φυσικής. Το κύριο καθήκον της φυσικής χημείας είναι η μελέτη της σχέσης διαφόρων φυσικών και χημικών φαινομένων. Δεδομένου ότι κάθε πραγματικό φαινόμενο είναι πολύπλοκο, η επιλογή των επιμέρους πτυχών του -φυσικών ή χημικών- είναι μάλλον αυθαίρετη. Ως εκ τούτου, μερικές φορές είναι δύσκολο να γίνει διαχωρισμός μεταξύ των θεμάτων που μελετά η φυσική χημεία και των επιμέρους κλάδων της φυσικής και της χημείας. Ως επιστήμη, η φυσική χημεία άρχισε να διαμορφώνεται στο δεύτερο μισό του 19ου αιώνα, αν και το όνομα και ο γενικός ορισμός του περιεχομένου της φυσικής χημείας δόθηκε για πρώτη φορά από τον M.V. Lomonosov (1752): «Η φυσική χημεία είναι μια επιστήμη που πρέπει, με βάση τις διατάξεις και τα πειράματα των φυσικών επιστημόνων, να εξηγήσει τον λόγο για το τι συμβαίνει μέσω χημικών ενεργειών σε πολύπλοκα σώματα».

Η Φυσικοχημεία ασχολείται με την πολυμερή μελέτη των χημικών διεργασιών

Και συνοδευτικά φυσικά φαινόμενα, χρησιμοποιώντας τις θεωρητικές και πειραματικές μεθόδους και των δύο επιστημών, καθώς και τις δικές τους. Αυτό καθιστά δυνατή την πρόβλεψη της πορείας μιας χημικής διεργασίας και το αποτέλεσμά της και, κατά συνέπεια, τον έλεγχο της προκειμένου να επιτευχθεί το βέλτιστο αποτέλεσμα. Το πεδίο εφαρμογής της φυσικής χημείας καλύπτει όλα τα θέματα χημικών και μετασχηματισμών φάσης, την επίδραση των φυσικών παραμέτρων στις χημικές διεργασίες και τη χημική σύνθεση στις φυσικές ιδιότητες. Με βάση μια πολυμερή μελέτη των διαφόρων ιδιοτήτων των ουσιών και των χαρακτηριστικών διαφόρων διεργασιών με τη συμμετοχή τους, η φυσική χημεία επιλύει δύο πιο σημαντικά καθήκοντα - καθορίζει τη δυνατότητα της διαδικασίας και την ταχύτητά της, καθορίζει τους παράγοντες που της επιτρέπουν να ελεγχόμενη.

Η μεταλλουργία βασίζεται εδώ και πολύ καιρό στα επιτεύγματα της φυσικής χημείας, η οποία κατέστησε δυνατή την ανάπτυξη μιας θεωρίας των διεργασιών που συμβαίνουν σε μεταλλουργικές μονάδες. Δικαιολογώντας τη δυνατότητα διάφορων διεργασιών υπό δεδομένες συνθήκες, η επιστημονική προσέγγιση καθιστά δυνατό τον εντοπισμό των συνθηκών για την πληρέστερη εμφάνισή τους, τον υπολογισμό των ρυθμών αυτών των διεργασιών, τη συνεκτίμηση της ποσότητας θερμότητας που απορροφάται ή απελευθερώνεται κατά την πορεία τους και ως ως αποτέλεσμα, βελτιστοποιήστε τα τεχνολογικά καθεστώτα για την απόκτηση μετάλλου υψηλής ποιότητας.

Η παραγωγή μετάλλων και κραμάτων είναι μια σύνθετη και πολλαπλών σταδίων διαδικασία, σε κάθε στάδιο της οποίας, συμπεριλαμβανομένης της υγρής κατάστασης, διαμορφώνεται η απαραίτητη δομή και οι απαιτούμενες ιδιότητες του μελλοντικού δομικού υλικού. Μέθοδοι φυσικής χημείας χρησιμοποιούνται για την τεκμηρίωση της χημικής σύνθεσης ενός κράματος με τις επιθυμητές ιδιότητες και τον προσδιορισμό των τρόπων απόκτησής του, τη βελτιστοποίηση των διεργασιών που συμβαίνουν κατά την κρυστάλλωσή του, τον προσδιορισμό του ρυθμού ψύξης ενός πλινθώματος, που συμβάλλει στο σχηματισμό μιας δεδομένης σύνθεσης φάσης και δομή, και στην ανάλυση πολλών άλλων διεργασιών στη μεταλλουργία. Έτσι, η φυσική χημεία είναι η θεωρητική βάση για τη λήψη μετάλλων, κραμάτων και άλλων υλικών με επιθυμητές ιδιότητες.

ΣΕ Επί του παρόντος, η φυσική χημεία είναι ένας ανεξάρτητος κλάδος με τις δικές του ερευνητικές μεθόδους και αποτελεί τη θεωρητική βάση για μια σειρά εφαρμοσμένων κλάδων.

Η φυσική χημεία παίζει πρωταγωνιστικό ρόλο στη διαμόρφωση της επιστημονικής προοπτικής ενός ειδικού μεταλλουργού, επιτρέποντας από τις πιο γενικές θέσεις να αναλύει και να προβλέπει την πορεία των διαδικασιών λήψης και επεξεργασίας μετάλλων και κραμάτων.

Σκοπός της μελέτης της φυσικής χημείας είναι να εξοικειωθούν οι μαθητές με τους βασικούς νόμους αυτού του επιστημονικού κλάδου και τις συνέπειές τους, ορισμένα θεωρητικά

Και πειραματικές μέθοδοι για τη μελέτη των παραμέτρων της κατάστασης ισορροπίας των συστημάτων και της κινητικής των συνεχιζόμενων διεργασιών, την ανάπτυξη δεξιοτήτων και ικανοτήτωνφυσική και χημική ανάλυση που απαιτείται για μια εις βάθος μελέτη μεταλλουργικών διεργασιών και τεχνολογιών σε ειδικά μαθήματα.

Η ποικιλία των φαινομένων που μελετήθηκαν από τη φυσική χημεία οδήγησε στην απομόνωση στο εσωτερικό

Έχει μια σειρά από ενότητες, από τις οποίες οι κυριότερες περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

Χημική θερμοδυναμικήασχολείται με την εξέταση των ενεργειακών ισοζυγίων, ζητήματα χημικών και φασικών ισορροπιών, καθώς και με την αποσαφήνιση της κατεύθυνσης των διεργασιών σε συστήματα όπου δεν υπάρχει ισορροπία.

Η δομή της ύληςπεριλαμβάνει τη μελέτη της δομής των ατόμων, των μορίων και της αλληλεπίδρασής τους σε διάφορες αθροιστικές καταστάσεις της ύλης.

Θεωρία λύσηςστοχεύει να εξηγήσει και να προβλέψει τις ιδιότητες των διαλυμάτων και των συστατικών τους σύμφωνα με τις ιδιότητες των καθαρών ουσιών που αποτελούν το διάλυμα.

Χημική κινητικήμελετά την ταχύτητα και τον μηχανισμό των χημικών αντιδράσεων, την εξάρτησή τους από τις συνθήκες ροής.

Επιφανειακά φαινόμεναεξετάστε τις ειδικές ιδιότητες των επιφανειακών στρωμάτων υγρών και στερεών και την επιρροή τους στα χαρακτηριστικά του συστήματος στο σύνολό του.

Η Ηλεκτροχημεία είναι η μελέτη χημικών διεργασιών που περιλαμβάνουν φορτισμένα σωματίδια - ιόντα.

Δεν υπάρχουν σαφή όρια μεταξύ αυτών των τμημάτων. Κατά τη μελέτη οποιουδήποτε φαινομένου, πρέπει κανείς να χρησιμοποιήσει αναπαραστάσεις από διάφορες ενότητες.

Η έρευνα στον τομέα της φυσικής χημείας βασίζεται σε τρεις κύριες μεθόδους, καθεμία από τις οποίες έχει το δικό της εύρος εννοιών, νόμων και πειραματικών μεθόδων έρευνας.

Μέθοδοι φυσικής χημείας

Θερμοδυναμική μέθοδος. Όλες οι έννοιες και οι νόμοι που λαμβάνονται με τη βοήθειά του διατυπώνονται ως αποτέλεσμα της περιγραφής της εμπειρίας, χωρίς διείσδυση στον μοριακό μηχανισμό των διεργασιών. Εξαιτίας αυτού, αυτή η μέθοδος είναι τυπική, γεγονός που περιορίζει κάπως το πεδίο εφαρμογής της. Ωστόσο, αυτό διευκολύνει επίσης τους πρακτικούς υπολογισμούς.

στατιστική μέθοδος.Βασίζεται στη θεώρηση των σωμάτων ως μεγάλων συνόλων σωματιδίων, γεγονός που καθιστά δυνατή την τεκμηρίωση των εννοιών και των νόμων της θερμοδυναμικής και την επέκταση του εύρους των φαινομένων που περιγράφονται. Αυτή η μέθοδος συσχετίζει τις μακροσκοπικές ιδιότητες των ουσιών με τις μικροσκοπικές ιδιότητες των μορίων.

Μοριακή κινητικήμέθοδος. Σας επιτρέπει να περιγράψετε τις ιδιότητες των ουσιών και τα χαρακτηριστικά των διαδικασιών με τη συμμετοχή τους, συμπεριλαμβανομένης της ταχύτητας, με βάση τους νόμους της κίνησης και της αλληλεπίδρασης των σωματιδίων που αποτελούν αυτές τις ουσίες.

Η φύση των φαινομένων που μελετά η φυσική χημεία είναι πολύπλοκη, επομένως η θεωρητική περιγραφή τους, παρά τη σταθερή βελτίωση των θεωρητικών και πειραματικών μεθόδων έρευνας, δεν μπορεί να θεωρηθεί εξαντλητική. Η ολοκληρωμένη κατανόηση της ουσίας των φαινομένων ακολουθεί το μονοπάτι της δημιουργίας παραστάσεις μοντέλωνμε τη σταδιακή περιπλοκή και λεπτομέρειά τους καθώς συσσωρεύονται νέα πειραματικά δεδομένα. Οποιοδήποτε μοντέλο είναι μια λίγο πολύ απλοποιημένη, σκόπιμα εξιδανικευμένη εικόνα της πραγματικότητας. Οι πιο διάσημες απλές αφαιρέσεις που χρησιμοποιούνται ευρέως στη φυσική χημεία είναι μοντέλα ενός ιδανικού αερίου, ενός ιδανικού κρυστάλλου, μιας ιδανικής λύσης κ.λπ. απλοποιεί τους υπολογισμούς. Κατά κανόνα, οι υπολογισμοί που βασίζονται σε αυτούς δεν δίνουν ικανοποιητική συμφωνία με τις πειραματικά μετρημένες τιμές των ιδιοτήτων των πραγματικών συστημάτων. Ωστόσο, ακόμη και μια τέτοια σύγκριση είναι χρήσιμη. Με βάση τη φύση και το μέγεθος των αποκλίσεων των θεωρητικών προβλέψεων από τα πειραματικά δεδομένα, καθιστά δυνατή την αποκάλυψη των χαρακτηριστικών ενός πραγματικού αντικειμένου που δεν λαμβάνονται υπόψη στο εξιδανικευμένο μοντέλο και την εισαγωγή πρόσθετων παραμέτρων σε πιο προηγμένες εκδόσεις της θεωρίας μοντέλων.

Βασικές έννοιες και ορισμοί

Το βασικό τμήμα της φυσικής χημείας είναι χημική θερμοδυναμική.Η εννοιολογική συσκευή που εισάγεται στο πλαίσιό της χρησιμοποιείται επίσης και σε άλλα τμήματα της φυσικής χημείας.

Θερμοδυναμικό σύστημα- αυτό είναι ένα σώμα ή ένα σύνολο σωμάτων, που χωρίζονται από τον περιβάλλοντα χώρο μέσω μιας φανταστικής ή πραγματικής διεπαφής. Η μάζα ενός θερμοδυναμικού συστήματος είναι αμετάβλητη και η αλληλεπίδρασή του με το περιβάλλον πραγματοποιείται μόνο μέσω της ανταλλαγής ενέργειας με τη μορφή θερμότητας και εργασίας. Στην περίπτωση της ανταλλαγής ενός συστήματος με ένα μέσο κατά ύλη, ονομάζεται ανοιχτό. Θα εξετάσουμε μόνο τέτοια θερμοδυναμικά συστήματα που ανταλλάσσουν ενέργεια με το περιβάλλον, αλλά δεν ανταλλάσσουν ύλη (κλειστά), ονομάζοντάς τα απλώς «σύστημα».

Η ενέργεια είναι χαρακτηριστικό της κίνησης της ύλης, τόσο ποσοτικά όσο και ποιοτικά, δηλ. μέτρο αυτής της κίνησης. Κάθε σύστημα έχει ενέργεια και οι μορφές του είναι ποικίλες, όπως και οι μορφές κίνησης της ύλης.

Ένα σύστημα ονομάζεται κλειστό ή απομονωμένο, εάν δεν ανταλλάσσει ενέργεια με το περιβάλλον είτε με τη μορφή θερμότητας είτε με τη μορφή εργασίας. Εάν η ανταλλαγή ενέργειας γίνεται μόνο με τη μορφή εργασίας, τότε το σύστημα καλείται αδιαβατικά κλειστό. Ένα σύστημα ονομάζεται ομοιογενές εάν κάθε ιδιότητά του έχει την ίδια τιμή σε διαφορετικά μέρη του συστήματος ή αλλάζει συνεχώς από σημείο σε σημείο. Ένα σύστημα είναι ετερογενές εάν αποτελείται από πολλά μέρη που χωρίζονται το ένα από το άλλο με φυσικές διεπαφές, όταν διέρχεται από τις οποίες οι ιδιότητες και η δομή μπορούν να αλλάξουν απότομα. Το ομοιογενές τμήμα του συστήματος, που χωρίζεται από τα υπόλοιπα μέρη με μια φυσική διεπαφή, ονομάζεται φάση. Ένα παράδειγμα ετερογενούς συστήματος είναι ένα υγρό με ατμό πάνω από αυτό, σε ένα κλειστό δοχείο. Αυτό το σύστημα αποτελείται από δύο μέρη (φάσεις), όταν διέρχεται από το όριο μεταξύ των οποίων, για παράδειγμα, η πυκνότητα αλλάζει απότομα.

Το σύνολο όλων των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων ενός συστήματος χαρακτηρίζει την κατάστασή του. Η αλλαγή οποιωνδήποτε ιδιοτήτων οδηγεί σε αλλαγή της κατάστασής του. Ωστόσο, δεν είναι όλες οι ιδιότητες του συστήματος ανεξάρτητες. Μερικά από αυτά μπορούν να εκφραστούν μέσω άλλων. Για παράδειγμα, η κατάσταση ενός ιδανικού αερίου μπορεί να προσδιοριστεί από τις τρεις ιδιότητές του: θερμοκρασία T, όγκος V και πίεση P. Αρκεί να επιλέξετε δύο από αυτά για να προσδιορίσετε την τρίτη από τη γνωστή εξίσωση ιδανικού αερίου κατάστασης - την εξίσωση Mendeleev-Clapeyron:

όπου R είναι η καθολική σταθερά αερίου (R = 8,314 J / (mol × K)), n είναι ο αριθμός των γραμμομορίων αερίου.

Ωστόσο, για τα περισσότερα πραγματικά συστήματα, οι γενικές εξισώσεις της κατάστασης f(P,V,T) = 0 είναι άγνωστες ή πολύ περίπλοκες και όχι αρκετά ακριβείς, γεγονός που μας αναγκάζει να χρησιμοποιούμε συγκεκριμένες σχέσεις μεμονωμένων ιδιοτήτων ενώ άλλες είναι σταθερές.

Συνήθως, ανεξάρτητες μεταβλητές θεωρούνται εκείνες των οποίων οι τιμές, υπό δεδομένες συνθήκες, είναι ευκολότερο να προσδιοριστούν και να αλλάξουν. Πολύ συχνά αυτά είναι η θερμοκρασία και η πίεση. Σε συστήματα πολλαπλών συστατικών, προστίθενται οι συγκεντρώσεις των συστατικών.

Υπάρχουν εκτεταμένες ιδιότητες, δηλ. ανάλογα με την ποσότητα της ουσίας ή τη μάζα του συστήματος (για παράδειγμα, όγκο) και εντατική, που δεν εξαρτάται από τη μάζα (για παράδειγμα, θερμοκρασία). Πολλές εντατικές ιδιότητες αποκτώνται εύκολα από εκτεταμένες ιδιότητες. Έτσι, ο μοριακός (ή μοριακός) όγκος V m , που είναι μια έντονη ιδιότητα, μπορεί να ληφθεί διαιρώντας τον συνολικό όγκο του συστήματος (εκτεταμένη ιδιότητα) με τον αριθμό των γραμμομορίων των συστατικών του ουσιών. Η πυκνότητα - η μάζα μιας μονάδας όγκου μιας ουσίας - είναι επίσης μια έντονη ιδιότητα. Στη θερμοδυναμική λειτουργούν κυρίως με μοριακές ιδιότητες, γιατί οι τιμές τους στην κατάσταση ισορροπίας είναι ίδιες για ολόκληρο το σύστημα και για οποιοδήποτε μέρος του.

Οι ανεξάρτητες εντατικές ιδιότητες ενός συστήματος ονομάζονται παραμέτρους κατάστασης. Άλλες ιδιότητες θεωρούνται ως συναρτήσεις αυτών των παραμέτρων.

Η αξία οποιασδήποτε ιδιότητας του συστήματος δεν εξαρτάται από τις καταστάσεις στις οποίες βρισκόταν προηγουμένως, δηλ. δεν εξαρτάται από τη θερμοδυναμική διαδρομή με την οποία το σύστημα έφτασε σε μια δεδομένη κατάσταση. Οποιαδήποτε αλλαγή συμβαίνει στο σύστημα, και σχετίζεται με μια αλλαγή στις ιδιότητές του, ονομάζεται διαδικασία. Ετσι, η αλλαγή ιδιοτήτων δεν εξαρτάται από τη διαδρομή της διαδικασίας, αλλά καθορίζεται μόνο από τις αρχικές και τελικές καταστάσεις του συστήματος.ΣΕ

Στο μέλλον, θα χρησιμοποιήσουμε το ελληνικό γράμμα (για παράδειγμα, V ) για να εμφανίσουμε μια πεπερασμένη αλλαγή σε μια ιδιότητα και τα λατινικά γράμματα d ή (σε μερικές παραγώγους) για να εμφανίσουμε μια απειροελάχιστη αλλαγή σε αυτήν την ιδιότητα.

Η διαδικασία κατά την οποία το σύστημα, έχοντας αφήσει την αρχική κατάσταση και υποστεί μια σειρά αλλαγών, επιστρέφει σε αυτήν, ονομάζεται κυκλική. Είναι προφανές ότι οι αλλαγές στις ιδιότητες του συστήματος σε μια κυκλική διαδικασία είναι ίσες με μηδέν. Οι διεργασίες που συμβαίνουν σε σταθερή θερμοκρασία (T \u003d const) ονομάζονται ισόθερμος, σε σταθερή πίεση (P = const ) – ισοβαρικός ή ισοβαρικόςσε σταθερό όγκο του συστήματος (V = const ) -

ισοχωρικός ή ισοχορικός. Διαδικασίες κατά τις οποίες η ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ του συστήματος και του περιβάλλοντος συμβαίνει μόνο με τη μορφή εργασίας, που ονομάζονται

αδιαβατικός.

Η κατάσταση ενός συστήματος στο οποίο όλες οι παράμετροί του σε οποιοδήποτε σημείο έχουν λάβει σταθερές τιμές και δεν αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου ονομάζεται ισορροπία. Η διαδικασία με την οποία ένα σύστημα περνά από μια σειρά καταστάσεων ισορροπίας ονομάζεται διαδικασία ισορροπίας. Δεν μπορεί παρά να είναι μια απείρως αργή διαδικασία. Η έννοια της «ισορροπίας» σε αυτή την περίπτωση συμπίπτει με την έννοια του «αναστρέψιμου». Η αναστρέψιμη είναι μια τέτοια θερμοδυναμική διαδικασία που επιτρέπει στο σύστημα να επιστρέψει στην αρχική του κατάσταση χωρίς να αφήνει αλλαγές στο περιβάλλον. Οποιαδήποτε διαδικασία ισορροπίας είναι αναστρέψιμη και, αντιστρόφως, κατά τη διάρκεια μιας αναστρέψιμης διαδικασίας, το σύστημα διέρχεται από μια σειρά καταστάσεων ισορροπίας. Μετά από διαρροή μη αναστρέψιμη διαδικασίατο σύστημα δεν μπορεί ανεξάρτητα, δηλ. χωρίς εξωτερική επίδραση, επιστρέψτε στην αρχική κατάσταση. Όλες οι πραγματικές, αυθόρμητα ρέουσες διαδικασίες είναι μη αναστρέψιμες και μπορούν μόνο σε κάποιο βαθμό να προσεγγίσουν την έννοια της αναστρέψιμης διαδικασίας.

Όπως σημειώθηκε παραπάνω, ένα θερμοδυναμικό σύστημα μπορεί να ανταλλάξει ενέργεια με το περιβάλλον με δύο μορφές: έργο (μακροφυσική μορφή) και θερμότητα (μικροφυσική μορφή).

Το έργο είναι ένα ποσοτικό μέτρο αυτού του τύπου μεταφοράς κίνησης (ενέργειας), που πραγματοποιείται με μετακίνηση πεπερασμένων μαζών, δηλ. σύστημα ως σύνολο ή μέρη του υπό την επίδραση οποιωνδήποτε δυνάμεων.

Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες μονάδες για ενέργεια και εργασία, ιδιαίτερα στη θερμοδυναμική, είναι το SI joule (J) και η μονάδα εκτός συστήματος, η θερμίδα (1

cal = 4,18 J).

Ως παράδειγμα μιας διαδικασίας που συνοδεύεται από την εκτέλεση της εργασίας, θεωρήστε τη διαστολή του αερίου στον κύλινδρο κάτω από το έμβολο, ο οποίος υπόκειται σε πίεση P (Εικόνα 1).

Εάν το αέριο κάτω από το έμβολο (κινούμενο χωρίς τριβή) διαστέλλεται από μια κατάσταση όγκου V 1 σε κατάσταση όγκου V 2 , λειτουργεί Α έναντι της εξωτερικής πίεσης. Δύναμη F με την οποία το αέριο δρα στο έμβολο

F=PS

όπου S είναι η περιοχή διατομής του κυλίνδρου. Το απειροελάχιστο έργο δA που γίνεται κατά την ανύψωση

Σχήμα 1 - Εκτέλεση εργασιών με πεπιεσμένο αέριο κατά τη διάρκεια της διαστολής

ύψος εμβόλου dh είναι

δ A = F dh = PS dh,

δ A = P dV.

Για μια πεπερασμένη αλλαγή στον όγκο του αερίου, ενσωματώνοντας την εξίσωση που προκύπτει, λαμβάνουμε:

A = ∫ PdV .

Το εξεταζόμενο παράδειγμα μπορεί να απεικονιστεί γραφικά για δύο διαφορετικές διαδρομές (α και β) της μετάβασης του συστήματος από την κατάσταση 1 στην κατάσταση 2 (Εικόνα 2).

Σχήμα 2 - Η διαφορά στην ποσότητα εργασίας που εκτελείται από ένα αέριο που διαστέλλεται από τον όγκο V 1 στον όγκο V 2, σε διεργασίες που λαμβάνουν χώρα κατά μήκος της διαδρομής α και κατά μήκος της διαδρομής β

Δεδομένου ότι το έργο είναι αριθμητικά ίσο με το εμβαδόν κάτω από την καμπύλη, που είναι η γραφική παράσταση του ολοκληρώματος (P ), είναι προφανές ότι A a A b , αν και οι αρχικές και τελικές καταστάσεις του συστήματος και στις δύο περιπτώσεις, καθώς και αλλάζουν στις ιδιότητες (P και V ), είναι ίδιες.

Επομένως, η εργασία εξαρτάται από τη διαδρομή της διαδικασίας και επομένως δεν αποτελεί ιδιότητα του συστήματος. Η εργασία είναι χαρακτηριστικό μιας διαδικασίας. Επομένως, σε αντίθεση με τις αλλαγές ιδιοκτησίας (,δ και ) για την εργασία και το απειροελάχιστοποσότητα ονομασίες που εγκρίθηκανΑ και δΑ, αντίστοιχα.

Εάν το αέριο διαστέλλεται με σταθερή εξωτερική πίεση (P = const ), τότε, όπως φαίνεται στο σχήμα 3, το έργο υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας την πίεση με τη μεταβολή του όγκου ως αποτέλεσμα της μετάβασης του συστήματος από την αρχική κατάσταση στην το τελικό.

		3 - Το έργο της διαστολής αερίου σε
		ισοβαρική διαδικασία

A = P(V2 - V1 )

Η θερμότητα είναι ένα ποσοτικό μέτρο αυτού του τύπου μεταφοράς κίνησης (ενέργειας), που πραγματοποιείται από μια χαοτική σύγκρουση μορίων δύο παρακείμενων σωμάτων.

Η θερμότητα, όπως και η εργασία, δεν είναι ιδιότητα του συστήματος, αλλά χαρακτηριστικό της διαδικασίας και εξαρτάται από την πορεία της. Επομένως, είναι αδύνατο να μιλήσουμε για το απόθεμα θερμότητας στο σύστημα. Ονομασία θερμότητας - Q ή για μια απείρως μικρή ποσότητα αυτού - δ Q . Το σύστημα μπορεί να απορροφήσει και να απελευθερώσει θερμότητα σε σχέση με τις διεργασίες που συμβαίνουν σε αυτό. Απορρόφηση θερμότητας, υπό όρους θετική σε αυτή την περίπτωση ( Q > 0) εμφανίζεται σε ενδόθερμοςδιαδικασίες. Η απελευθέρωση θερμότητας από το σύστημα, που λαμβάνεται υπόψη με το σύμβολο μείον ( Q< 0), που σχετίζεται με τη ροήεξώθερμηδιαδικασίες (Εικόνα 4). Η εργασία που γίνεται από το σύστημα θεωρείται θετική (Α > 0). Η εργασία που γίνεται στο σύστημα υπό τη δράση εξωτερικών δυνάμεων θεωρείται αρνητική (ΕΝΑ< 0).

ΕΝΑ< 0

Θερμοδυναμικός

Q > 0
Ενδο θερμικό	Exo thermal
διαδικασίες	διαδικασίες

Εικόνα 4 - Ο κανόνας των σημάτων που υιοθετείται στη θερμοδυναμική για τη θερμότητα και την εργασία

Ένα από τα πιο σημαντικά μεγέθη στη θερμοδυναμική είναι εσωτερική ενέργεια(U ) του συστήματος, που είναι η ιδιότητά του. Χαρακτηρίζει το ενεργειακό απόθεμα του συστήματος, συμπεριλαμβανομένης της ενέργειας της μεταφορικής και περιστροφικής κίνησης των μορίων, της ενέργειας της ενδομοριακής δονητικής κίνησης των ατόμων, της ενέργειας της κίνησης των ηλεκτρονίων και της ενδοπυρηνικής ενέργειας. Η εσωτερική ενέργεια δεν περιλαμβάνει την κινητική ενέργεια του συστήματος στο σύνολό του και τη δυναμική ενέργεια της θέσης του.

Εσωτερική ενέργειαείναι συνάρτηση της θερμοκρασίας και του όγκου του συστήματος. Εθισμός

Το U από τη θερμοκρασία οφείλεται στην εξάρτηση της κινητικής ενέργειας της μοριακής κίνησης από αυτήν. Η επίδραση του όγκου που καταλαμβάνει το σύστημα στο μέγεθος της εσωτερικής ενέργειας οφείλεται στο γεγονός ότι η δυναμική ενέργεια της αλληλεπίδρασης των μορίων εξαρτάται από τις μεταξύ τους αποστάσεις.

Η απόλυτη τιμή της εσωτερικής ενέργειας του συστήματος δεν μπορεί επί του παρόντος να υπολογιστεί ή να μετρηθεί, καθώς δεν υπάρχουν πληροφορίες για την τιμή της ενδοπυρηνικής ενέργειας. Ωστόσο, είναι δυνατό να υπολογιστούν οι αλλαγές στην εσωτερική ενέργεια σε διάφορες διαδικασίες:

U = U2 - U1.

Ενότητα 2. Εφαρμογή του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής στον υπολογισμό των θερμικών επιδράσεων των διεργασιών

Πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής

Αυτός ο νόμος είναι μια ειδική περίπτωση του γενικού νόμου διατήρησης της ενέργειας όπως εφαρμόζεται στα θερμικά φαινόμενα. Δεν αποδεικνύεται θεωρητικά, αλλά είναι αποτέλεσμα γενίκευσης πειραματικών γεγονότων. Η εγκυρότητά του επιβεβαιώνεται από το γεγονός ότι καμία από τις συνέπειες του νόμου δεν έρχεται σε αντίθεση με την εμπειρία. Διατυπώνεται ως εξής.

Πρώτος νόμος: σε οποιαδήποτε διαδικασία, η αύξηση της εσωτερικής ενέργειας του συστήματος είναι ίση με την ποσότητα θερμότητας που μεταδίδεται στο σύστημα μείον την ποσότητα της εργασίας που γίνεται από το σύστημα.

Το μαθηματικό αρχείο του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής είναι η έκφραση

εάν το έργο που επιτελείται από το σύστημα συνδέεται μόνο με την επέκτασή του. Στη γενική περίπτωση, όταν η εργασία μπορεί να εκτελεστεί όχι μόνο ενάντια σε εξωτερική πίεση, αλλά και ενάντια σε ηλεκτρικές, μαγνητικές και άλλες δυνάμεις, θα πρέπει να γράψετε

du = δQ – PdV – δA′ ,

όπου η τιμή δA ′ ονομάζεται «χρήσιμη» εργασία. Θα λάβουμε περαιτέρω υπόψη το δA ′ μόνο όπου είναι απαραίτητο.

Παραδείγματα εφαρμογής του πρώτου νόμου σε διάφορες διαδικασίες

1 Κυκλική διαδικασία ( U = const ) . Προφανώς, ως αποτέλεσμα μιας τέτοιας διαδικασίας, dU = 0, που σημαίνει ότι δQ = δA, ή Q = A. Σε μια κυκλική διαδικασία, όλη η εργασία γίνεται από το σύστημα με την παροχή θερμότητας σε αυτό.

2 Ισοθερμική διαδικασία ( T = const ). Για να απλοποιήσουμε την παραγωγή, ας εξετάσουμε την εφαρμογή της εξίσωσης dU = δQ T – PdV σε μια διεργασία που συμβαίνει σε ένα ιδανικό αέριο. Στην περίπτωση αυτή, η εσωτερική ενέργεια του συστήματος δεν εξαρτάται από τον όγκο, άρα U = f(T). Σε σταθερή θερμοκρασία, dU = 0. Επομένως, όλη η θερμότητα που παρέχεται στο σύστημα δαπανάται για την εκτέλεση εργασιών από αυτό:

δQ = δA = PdV.

Όλη η εργασία, λαμβάνοντας υπόψη την εξίσωση ιδανικού αερίου της κατάστασης PV = nRT, είναι ίση με

	A = V2	PdV = V 2		dV = αρχείο καταγραφής nRT
	A = V2	PdV = V 2		dV = αρχείο καταγραφής nRT




	Ισοχωρική διαδικασία (V = const). Αφού dV = 0, τότε
	dU = δQV –		δA = δQV – PdV = δQV,
		ή dU = δ QV .
Όλη η θερμότητα που παρέχεται στο σύστημα πηγαίνει για να αυξήσει την εσωτερική ενέργεια: Q V \u003d U.
	αδιαβατική διαδικασία (δ Q = 0). Η εξίσωση dU = δQ – δA μετατρέπεται στη μορφή dU =
	δA, ή δA = – dU . Το σύστημα εκτελεί εργασίες λόγω της απώλειας της εσωτερικής του ενέργειας.
	ισοβαρική διαδικασία ( P = const ). Ας αναπαραστήσουμε την εξίσωση του πρώτου νόμου dU = δQ P – PdV
		δQP = dU + PdV,
		δQP = dU + PdV,

όπου, χρησιμοποιώντας τις ιδιότητες του διαφορικού, πραγματοποιούμε τους ακόλουθους μετασχηματισμούς:

δQP = dU + d(PV) = d(U + PV).

Η τιμή στις αγκύλες U + PV συμβολίζεται με το γράμμα H και ονομάζεται ενθαλπία του συστήματος. Επειτα

δQP = dH; Q \u003d H \u003d H2 - H1.

Έτσι, η θερμότητα που λαμβάνει το σύστημα στην ισοβαρική διεργασία ξοδεύεται στην αύξηση της ενθαλπίας. Η ενθαλπία είναι μια ιδιότητα ή συνάρτηση της κατάστασης του συστήματος και η αλλαγή της δεν εξαρτάται από την πορεία της διαδικασίας, καθώς Οι αλλαγές και στις τρεις ποσότητες U , P και V καθορίζονται μόνο από τις αρχικές και τελικές καταστάσεις του συστήματος. Η απόλυτη τιμή της ενθαλπίας, όπως και η εσωτερική ενέργεια, δεν μπορεί να προσδιοριστεί. Με βάση πειραματικά δεδομένα, προσδιορίζονται μόνο αλλαγές στην ενθαλπία Η της υπό εξέταση ουσίας όταν αλλάζουν οι εξωτερικές συνθήκες ή η Η του υπό εξέταση συστήματος όταν η διαδικασία προχωρά σε αυτήν.

Βλέπουμε ότι σε δύο ειδικές περιπτώσεις, δηλαδή, όταν V = const και P = const , η θερμότητα που λαμβάνει το σύστημα πηγαίνει για να αυξήσει τις τιμές των συναρτήσεων κατάστασης, αντίστοιχα U