Kursus kuliah tentang kimia fisik. Kimia fisik. Catatan kuliah. Termodinamika kimia. Konsep dasar

Judul : Kimia Fisik. Catatan kuliah.

Buku teks ini ditujukan untuk siswa fakultas kimia dari lembaga pendidikan tinggi arah pedagogis dan teknis. Konsep dan proses utama yang membentuk kimia fisik modern diuraikan. Bahan memenuhi standar negara. Manual ini direkomendasikan untuk membantu siswa mempersiapkan ujian.

Kimia fisik adalah ilmu yang menjelaskan fenomena kimia dan menetapkan polanya berdasarkan prinsip umum fisika.
Tugas umum kimia fisik adalah memprediksi waktu proses kimia dan hasil akhir berdasarkan data pada struktur dan sifat molekul.
Istilah "kimia fisik" dikemukakan oleh M. V. Lomonosov. Dia juga membaca kursus pertama di bukunya sendiri "Pengantar Kimia Fisik". Pada tahun 1860, N. N. Beketov untuk pertama kalinya memperkenalkan kimia fisik sebagai disiplin akademis khusus, membaca mata kuliah di Universitas Kharkov, dan mendirikan Departemen Kimia Fisika. Pada tahun 1887, W. Ostwald menyelenggarakan departemen kimia fisik di Universitas Leipzig. Dia juga menerbitkan berkala pertama tentang kimia fisik. Setahun sebelumnya, I. A. Kablukov mengajar kursus di Universitas Moskow. Pada akhir abad XIX. tiga bagian utama dari kimia fisik didefinisikan: termodinamika kimia, kinetika kimia dan elektrokimia.
Saat ini, kimia fisik telah sepenuhnya terbentuk sebagai ilmu, yang meliputi termodinamika kimia (termokimia, kesetimbangan fase), melengkapi kinetika kimia dengan katalisis, dan juga telah menciptakan berbagai metode analisis fisika dan kimia.

Daftar isi
Perkenalan
KULIAH № 1. Gas ideal. Persamaan keadaan gas nyata
1. Elemen teori molekuler-kinetik
2. Persamaan keadaan gas ideal
3. Teori kinetik gas
4. Persamaan keadaan gas nyata
KULIAH № 2. Termodinamika kimia
1. Sistem dan klasifikasinya
2. Parameter termodinamika. Indikator termodinamika. Keseimbangan tegangan
3. Hukum pertama termodinamika. koefisien kalori. Hubungan antara fungsi CP dan Cv
4. Isoproses dalam termodinamika. energi Helmholtz
5. Proses. Hukum kedua termodinamika
6. Siklus Carnot
7. Ketidakmungkinan mesin gerak abadi
KULIAH No. 3. Solusi
1. Ciri-ciri umum larutan
2. Konsentrasi dan cara mengungkapkannya
3. Kelarutan gas dalam cairan
4. Larutan non-elektrolit. Hukum Raoult dan konsekuensinya
5. Osmosis
6. Fugasitas
7. Hukum Henry
KULIAH No. 4. Katalisis
1. Sejarah penemuan fenomena katalisis
2. Mekanisme interaksi katalitik. Jenis katalis
KULIAH No. 5. Kesetimbangan Kimia
1. Konsep kesetimbangan kimia. Hukum massa yang bertindak
2. Persamaan isoterm reaksi kimia
3. Persamaan isokor, isobar dari suatu reaksi kimia
4. Perhitungan KP (Metode Temkin-Schwartzman)
5. Perhitungan komposisi kesetimbangan kesetimbangan kimia
KULIAH No. 6. Kinetika kimia
1. Konsep kinetika kimia
2. Faktor-faktor yang mempengaruhi laju reaksi kimia
KULIAH No. 7. Korosi logam
1. Konsep dasar dan terminologi
2. Klasifikasi proses korosi logam
3. Jenis kerusakan korosi
4. Metode perlindungan korosi
KULIAH No. 8. Analisis fisika dan kimia
1. Inti dari analisis fisika dan kimia
2. Sistem satu komponen
3. Metode fisikokimia untuk menganalisis komposisi paduan
KULIAH No. 9. Termokimia
1. Konsep termokimia
2. Hukum Hess
3. Hukum Kirchhoff. Bentuk integral dari persamaan Kirchhoff
KULIAH No. 10. Sel galvani
1. Konsep sel galvanik
2. Sumber arus kimia
3. Regenerasi dan pembuangan HIT
KULIAH No. 11. Elektrokimia
1. Konsep elektrokimia
2. Proses elektroda
3. Proses katodik dan anoda pada elektroplating
4. Tren modern dalam pengembangan termodinamika dan elektrokimia terapan
KULIAH No. 12. Elektrokimia Teoritis
1. Asosiasi dalam larutan elektrolit. Konsep teori elektrolit kuat. Aktivitas
2. Termodinamika larutan elektrolit. jenis DES
3. Pendekatan modern untuk mendeskripsikan sifat termodinamika larutan elektrolit
4. Sifat termodinamika ion dalam larutan elektrolit
5. Fenomena non-kesetimbangan dalam sistem ionik
6. Keseimbangan dalam sistem cair-cair
7. Konsep DES. Ide model tentang struktur DPP pada batas fase
8. Konduktor jenis pertama dan kedua
9. Elektroda referensi
KULIAH No. 13. Kinetika elektrokimia
1. Karakteristik dan metode kinetik utama untuk perhitungannya
2. Persamaan kinetika elektrokimia, batas penerapannya
3. Fitur kinetik dari elektrodeposisi logam dan paduan
4. Pengaruh sifat pelarut terhadap laju reaksi elektrokimia
5. Elektroosmosis
6. Kurva elektrokapiler
7. Tegangan lebih elektrokimia (tegangan transfer muatan lebih)
8. Faktor-faktor yang mempengaruhi overvoltage hidrogen. Lonjakan oksigen
KULIAH No. 14. Penerapan elektrokimia teoretis dan terapan
1. Elektrokimia terapan
2. Elektrokimia karbon
3. Bioelektrokimia
4. Proses stokastik dan sistem pengorganisasian diri
5. Studi tentang fenomena superkonduktivitas suhu tinggi dalam oksida dengan komposisi kompleks
6. Pemodelan proses elektrokimia
7. Metode kurva galvanostatik
KULIAH No. 15. Hukum ketiga termodinamika

Unduh e-book gratis dalam format yang nyaman, tonton dan baca:
Download buku Kimia Fisika. Catatan kuliah. Berezovchuk A.V. 2009 - fileskachat.com, unduh cepat dan gratis.

Sifat karakteristik Kimia analitik tertarik pada korelasi dalam sistem: komposisi kimia - sifat karakteristik, sehingga berdasarkan kondisi yang ditemukan untuk manifestasi yang terakhir dan ketergantungan fungsional besarnya sinyal analitik pada konsentrasi atau jumlah absolut zat (analit) yang akan ditentukan: A \u003d f (C) untuk membuat metode analisis kimia. Kimia analitik, berdasarkan hasil mempelajari keteraturan dalam manifestasi sifat-sifat karakteristik oleh zat, berupaya membuat komposisi kimiawi dari objek apa pun di dunia material dapat diukur, yang saat ini tidak dapat kita ukur.

slide 3

Representasi umum dari larutan elektrolit E 1 E 2 Mari kita pertimbangkan secara umum sirkuit elektrokimia. Dalam hal ini, elektroda dipahami sebagai suatu sistem yang terdiri dari dua atau lebih fase penghantar ion dan elektron, pada batas-batasnya terdapat transisi dari konduktivitas elektronik ke ionik atau sebaliknya. Dalam pengertian teknis, elektroda sering dipahami hanya sebagai bagian konduktif listrik dari sistem ini.

Slide 4: Rangkaian elektrokimia terdiri dari dua elektroda yang direndam dalam larutan elektrolit. Setiap elektroda dicirikan dalam kondisi ini dengan nilai potensial elektroda tertentu, yang merupakan perbedaan potensial antara elektroda dan larutan elektrolit yang bersentuhan dengannya. Oleh karena itu, arah pertama dalam penggunaan proses elektrokimia untuk tujuan analitik muncul - pembentukan pola perubahan potensial elektroda kesetimbangan sebagai fungsi komposisi elektrolit. E = f(Ci)

Konsep umum Rangkaian elektrokimia terdiri dari dua elektroda yang dicelupkan ke dalam larutan elektrolit. Setiap elektroda dicirikan dalam kondisi ini dengan nilai potensial elektroda tertentu, yang merupakan perbedaan potensial antara elektroda dan larutan elektrolit yang bersentuhan dengannya. Oleh karena itu, arah pertama dalam penggunaan proses elektrokimia untuk tujuan analitik muncul - pembentukan pola perubahan potensial elektroda kesetimbangan sebagai fungsi komposisi elektrolit. E = f(Ci)

slide 5

Prinsip mV Rangkaian listrik sederhana diperlukan untuk mengukur sinyal analitik. Satu-satunya prasyarat untuk sirkuit eksternal adalah hambatan listrik internal maksimum yang mungkin dari meteran. Persyaratan ini disebabkan oleh fakta bahwa kami tertarik pada nilai potensial elektroda kesetimbangan, yang hanya dapat diukur dengan tidak adanya arus listrik dalam rangkaian, ketika tidak ada proses transfer muatan yang tidak dapat diubah. Karena resistansi internal perangkat yang tinggi, kami mendekati pemenuhan kondisi ini. Arus di sirkuit cenderung nol.

slide 6

Prinsip mV I=0 mA \/\/\/\/\/\/\/\/\ Dalam kasus yang ideal, untuk pengukuran yang lebih akurat, "sirkuit kompensasi" digunakan: Dalam hal ini, menggunakan sumber arus eksternal, sebuah berlawanan arah EMF E k sama dengan perbedaan potensial elektroda, yang mengkompensasi perbedaan potensial antara elektroda: E 1 - E 2 \u003d E k Bukti kompensasi dalam sistem adalah nilai arus dalam rangkaian, sama dengan 0.

Slide 7: Metode analisis berdasarkan pengukuran potensial elektrode kesetimbangan pada arus nol disebut kesetimbangan atau potensiometri

Definisi Metode analisis yang didasarkan pada pengukuran potensial elektrode kesetimbangan pada arus nol disebut kesetimbangan atau potensiometri.

Slide 8

Prinsip Kasus umum kedua menggunakan proses elektrokimia untuk mendapatkan informasi analitik sesuai dengan kondisi ketika arus listrik dialirkan melalui sirkuit elektrokimia dari sumber eksternal. mA \/\/\/\/\/\/\/\ mV Dalam hal ini, kita berbicara tentang proses nonequilibrium dan, karenanya, metode nonequilibrium. Sirkuit listrik umum akan terlihat mirip dengan sirkuit kompensasi, tetapi dengan satu-satunya perbedaan adalah EMF eksternal  E1-E2 dan, karenanya, I  0.

Slide 9

Slide 10: Kita dapat melakukan proses pelepasan zat secara elektrolitik pada salah satu elektroda dan mengukur massa zat yang dilepaskan atau jumlah listrik yang dihabiskan untuk pelepasannya. Dengan demikian, metode elektrogravimetri dan koulometri dimungkinkan. Informasi analitik maksimum dapat diperoleh dari ketergantungan kekuatan arus di sirkuit pada tegangan eksternal yang diterapkan. Secara umum, metode yang didasarkan pada pengukuran I = f (E) disebut voltametri, metode yang memiliki banyak ragam.

Prinsip Kita dapat melakukan proses pelepasan zat secara elektrolitik pada salah satu elektroda dan mengukur massa zat yang dilepaskan atau jumlah listrik yang dihabiskan untuk pelepasannya. Dengan demikian, metode elektrogravimetri dan koulometri dimungkinkan. Informasi analitik maksimum dapat diperoleh dari ketergantungan kekuatan arus di sirkuit pada tegangan eksternal yang diterapkan. Secara umum, metode yang didasarkan pada pengukuran I = f (E) disebut voltametri, metode yang memiliki banyak variasi.

slide 11

Metode analisis potensiometri Metode potensiometri didasarkan pada pengukuran beda potensial antara dua elektroda. Pertama-tama, perlu untuk mengklarifikasi elektroda mana yang menarik dari sudut pandang analitik. Untuk tujuan analitik, potensial elektroda, yang bertindak sebagai indikator, harus memiliki hubungan fungsional tertentu dengan konsentrasi satu atau lebih jenis ion: E = f (C i). Elektroda semacam itu disebut indikator. Elektroda kedua, sebaliknya, dalam kondisi pengukuran analitik harus memiliki nilai potensial yang konstan, yaitu. menjadi elektroda referensi.

slide 12

Jenis elektroda dalam potensiometri Elektroda jenis pertama disebut sistem logam yang dicelupkan ke dalam larutan yang mengandung ion logam ini a. Potensi kesetimbangan elektroda jenis pertama ditetapkan dengan syarat bahwa ada kesetimbangan dalam sistem: Me  Me n + + ne Menurut persamaan Nernst, potensial kesetimbangan elektroda tersebut adalah E = E o + (RT/nF) ln a(Me n+) di mana R adalah konstanta gas , Т – suhu, F – bilangan Faraday, a(Me n+) – aktivitas ion logam, Eo – potensial elektroda standar yang sesuai dengan kasus ketika a( Saya n+) = 1.

slide 13

Jenis elektroda dalam potensiometri Masalah penerapan analitik elektroda jenis pertama adalah bahwa untuk elektroda logam hampir tidak mungkin untuk memastikan terpenuhinya kondisi utama - pembentukan kesetimbangan penentu potensial. Potensi elektroda dipengaruhi oleh banyak proses samping, seringkali melambat dalam waktu. Misalnya, interaksi solvasi ion logam dengan pelarut atau zat lain yang ada dalam larutan, dalam kasus larutan berair yang paling umum, adalah proses akuatisasi dan hidrolisis. Oleh karena itu, elektroda jenis pertama, sebagai aturan, tidak menarik baik sebagai indikator maupun sebagai elektroda referensi. Ada dua pengecualian untuk aturan umum: elektroda perak dan hidrogen.

Slide 14

Jenis elektroda dalam potensiometri Pengecualian yang paling penting adalah elektroda hidrogen, yang potensialnya dipilih sebagai titik acuan pada skala potensial elektroda. Elektroda hidrogen adalah tabung platina berdinding tipis yang bagian luarnya dilapisi dengan platina spons. Di dalam tabung, tekanan hidrogen 1,01105 Pa (1 atm) dipertahankan. Diketahui bahwa hidrogen memiliki kelarutan yang tinggi dalam platinum dan koefisien difusi yang tinggi melewatinya. Selain itu, platinum adalah katalis yang menghilangkan penghalang aktivasi dalam reaksi disosiasi molekul hidrogen menjadi atom dan ionisasinya: H 2 (Pt)  2 H + + 2 e

slide 15

Jenis elektroda dalam potensiometri Oleh karena itu, sistem seperti ini berfungsi sebagai elektroda hidrogen, yang potensialnya adalah E = E o + (RT/F)lna (H +) Dengan a(H +) = 1, E o adalah standar potensial, diambil sebagai 0 dalam skala hidrogen.

slide 16

Jenis elektroda dalam potensiometri Jenis elektroda kedua - elektroda jenis kedua - adalah sistem logam dan garamnya yang mudah larut. Contoh klasiknya adalah elektroda perak klorida Ag/AgCl. Potensi elektroda tersebut tergantung pada konsentrasi anion yang sesuai: 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 sebuah (Cl-)

Slide 17

Jenis elektroda dalam potensiometri Sesuai dengan persamaan di atas, pada konsentrasi konstan dalam larutan anion, disediakan nilai potensial elektroda yang konstan. Oleh karena itu, elektroda jenis kedua adalah yang paling menarik sebagai elektroda referensi. Misalnya, Ag/AgCl atau Hg/Hg 2 Cl 2 ditempatkan dalam larutan KCl jenuh. Tetapi contoh penggunaan elektroda jenis ke-2 juga dikenal sebagai indikator untuk menentukan konsentrasi ion klorida.

Slide 18

Jenis elektroda dalam potensiometri T Jenis elektroda ketiga yang paling umum adalah membran. Terkadang konsep elektroda membran diidentifikasikan dengan konsep elektroda selektif ion. Nama selektif ion menunjukkan bahwa kita sedang mendekati jenis elektroda yang paling menarik untuk kimia analitik.

Slide 19

Jenis-Jenis Elektroda dalam Potensiometri Untuk memahami prinsip-prinsip fungsi elektroda membran, mari kita perhatikan pola umum pembentukan beda potensial total dalam rangkaian elektrokimia yang dirangkai menurut desain ekuivalen elektroda membran. Membran terbuat dari bahan elektrodeaktif Elektroda pembanding mV 1 2 Elektroda membran

Slide 20

Jenis elektroda dalam potensiometri Bilik 1 dan 2 berisi larutan dengan aktivitas ion penentu potensial yang berbeda. Bahan elektroda-aktif adalah zat dengan konduktivitas ionik, pada antarmuka yang dengan larutan ion penentu potensial terjadi lompatan potensial, secara fungsional terkait dengan aktivitas, dan, akibatnya, dengan konsentrasi ion penentu potensial: E M1 = f (a i) Besarnya potensial yang muncul dikaitkan dengan aktivitas ion penentu potensial dengan ketergantungan Nernst yang sama: E M1 = Eo + (RT/nF)lna i (1)

slide 21

Jenis elektroda dalam potensiometri Persyaratan konduktivitas ionik merupakan prasyarat untuk berfungsinya elektroda membran. Jika bahannya adalah dielektrik, kita tidak bisa mengukur beda potensial dalam sel seperti itu. Jika material akan memiliki konduktivitas elektronik, ini akan menyebabkan lompatan potensial yang tidak dapat direproduksi selama transisi dari konduktivitas elektronik ke ionik. Perbedaan potensial total dari sel serupa E sel \u003d E E.S.1 - E M 1 + E M 2 - E E.S.2 (2)

slide 22

Jenis elektroda dalam potensiometri Jika komposisi larutan di ruang ke-2 sel adalah tetap, dan di ruang pertama kita akan menempatkan larutan dengan konsentrasi variabel ion penentu potensial, maka dalam persamaan yang diberikan untuk sel E, hanya E M 1 akan menjadi nilai variabel Mengganti E menjadi (2) E M 1 dari persamaan (1), kami memperoleh ekspresi berikut: E sel \u003d (E E.S.1 + E M2 - E E.S.2 - E o M1) - (RT / nF) lna i \u003d const - (RT / nF) lna i Disini const adalah nilai total komponen konstanta.

slide 23

Jenis elektroda dalam potensiometri Dengan menyiapkan beberapa larutan dengan aktivitas yang diketahui, dan dalam kasus larutan encer dengan konsentrasi zat-i, Anda dapat membuat grafik kalibrasi. Sel lna i Dengan menggunakan grafik kalibrasi ini, Anda dapat menentukan konsentrasi zat ke-i dalam suatu larutan.

slide 24

Jenis Elektroda dalam Potensiometri Sel yang dimaksud dapat dibagi secara kondisional menjadi dua bagian di sepanjang batas membran dari sisi larutan 1. Sisi kanannya, yang meliputi elektroda referensi, larutan dengan konsentrasi konstan dari zat penentu potensial, dan membran yang terbuat dari bahan aktif elektroda, disebut elektroda membran. Em = const – (RT/nF)ln ai = const – (0.059/n)lg ai Karakteristik utama elektroda selektif ion adalah: area (rentang) linearitas fungsi elektroda, selektivitas, waktu respons.

Slide 25

Fungsi elektroda Mengingat bahwa elektroda selektif ion biasanya digunakan untuk menentukan konsentrasi ion dalam larutan encer, fungsi elektroda dibangun di koordinat E - lgCi, bukan lgai. Alih-alih lgCi, nilai pi = - lgCi sering digunakan. E p i 5 4 3 2 1 Kisaran Linearitas

slide 26

Fungsi elektroda Penyimpangan dari linearitas fungsi elektroda dalam kisaran konsentrasi rendah paling sering dikaitkan dengan pembubaran zat aktif elektroda membran, akibatnya konsentrasi ion penentu potensial dibuat di lapisan larutan yang berdekatan dengan membran, sepadan dengan yang diukur. Ketika konsentrasi ion yang sesuai dalam larutan berkurang, efek pembubaran membran menjadi semakin terlihat, dan potensial elektroda mencapai nilai yang sesuai dengan konsentrasi ion penentu potensial ini. Fungsi elektroda yang diberikan sesuai dengan elektroda selektif klorida dengan membran berbasis AgCl. Seperti yang Anda ketahui, PR AgCl = 1,8. 10–10.

Slide 27

Pengaruh mengganggu Pengaruh mengganggu dari produk pembubaran membran secara alami mulai memanifestasikan dirinya dalam kisaran konsentrasi 10 -5 sampai 10 -4 Mol / L. Alasan utama penyimpangan fungsi elektroda dari linearitas di wilayah konsentrasi tinggi adalah perbedaan yang signifikan antara konsentrasi dan aktivitas ion. Tetapi proses yang lebih kompleks juga dapat terjadi. Misalnya, untuk elektroda selektif klorida - peningkatan kelarutan AgCl dalam larutan klorida pekat karena pembentukan kompleks klorida yang larut -.

Slide 28

Selektivitas Selektivitas suatu ISE ditandai dengan koefisien selektivitas sehubungan dengan ion, yang dapat mempengaruhi besarnya potensial elektroda kesetimbangan. Koefisien selektivitas sama dengan rasio konsentrasi ion penentu potensial dan ion pengganggu, yang sesuai dengan nilai potensial elektroda yang sama: K i / j = C i / C j dalam kondisi E i = E j ion Dengan saya ; Ej adalah nilai potensial elektroda yang ditentukan oleh adanya ion pengganggu dengan konsentrasi Cj.

Slide 29

Selektivitas pi Е -lgC i 5 4 3 2 1 E j at С j A Cj = const Ci - variabel Ki/j = Ci/Cj Definisi Ki / j adalah grafik. Serangkaian larutan disiapkan dengan konsentrasi konstan ion pengganggu Cj dan dengan ion penentu potensial variabel. Saat C i berkurang, kehadiran pengganggu mulai semakin mempengaruhi. Output dari nilai beda potensial terukur pada dataran tinggi menunjukkan bahwa elektroda telah berhenti merasakan ion-i.

slide 30

Selektivitas Absis dari titik persimpangan E = f (pi) dan E di C j sesuai dengan pi = - lgC i. Dari sini, C i ditemukan dan nilai koefisien selektivitas yang sesuai Ki / j = C i / C j, karena nilai Cj diketahui dari kondisi percobaan. Jika Ki / j< 1, то электрод более селективен к i -ионам и наоборот, при Ki / j >1 elektroda bereaksi lebih kuat terhadap adanya ion pengganggu. Contohnya adalah adanya bromida dan iodida dalam penentuan klorida menggunakan elektroda selektif klorida.

Slide 31

Selektivitas Efek total dari beberapa ion pengganggu diperhitungkan oleh persamaan yang diajukan oleh B.P. Nikolsky: Еme = const - (0,059/n)lg Persamaan ini valid jika efek pengganggu dikaitkan dengan kompetisi ion saat menetapkan kesetimbangan ion antara membran dan larutan.

slide 32

Selektivitas Mengurangi selektivitas, mis. manifestasi dari pengaruh interferensi ion asing sama sekali tidak selalu dikaitkan dengan proses pertukaran ion antara permukaan membran dan larutan, seperti dalam kasus pengaruh timbal balik ion halida. Sangat sering, kesetimbangan ionik dari ion penentu potensial dipengaruhi oleh proses pembentukan kompleks dalam larutan. Sebagai contoh, keberadaan ion Fe(III) dan Al(III), yang membentuk kompleks kuat dengan ion fluorida, sangat mempengaruhi fungsi ionik dari elektroda selektif fluorida. Pada fungsi elektroda elektroda selektif terhadap kation bermuatan ganda Cu II, Cd II, Pb II, dll. setiap ion yang mampu membentuk kompleks dengan mereka memiliki efek.

Slide 33

Waktu respons Karakteristik terpenting ketiga adalah waktu respons elektroda selektif ion, yang mencirikan waktu yang dibutuhkan elektroda untuk mencapai nilai potensial konstan setelah perubahan konsentrasi yang tiba-tiba. Nilai tdeb bergantung pada karakteristik individu elektroda dan kondisi pengukuran. Semakin besar lompatan konsentrasi, semakin lama waktu respons.

slide 34

Waktu respons Saat berpindah dari konsentrasi rendah ke konsentrasi lebih tinggi, sebagai aturan, waktu respons lebih sedikit daripada saat beralih kembali: 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.

Slide 35

Bahan Membran Elektroda Karakteristik analitik utama ISE terutama ditentukan oleh sifat-sifat zat dari mana membran dibuat. Bergantung pada keadaan fase zat aktif elektroda, ada tiga jenis membran utama yang digunakan dalam elektroda selektif ion: kristal, kaca, dan cairan. Jenis membran elektroda yang pertama dan masih paling penting adalah elektroda kaca, yang membrannya terbuat dari gelas silikat. Semua gelas silikat dapat dianggap sebagai garam asam silikat polimer. Mereka memiliki selektivitas unik untuk ion hidronium. Tak satu pun dari elektroda lain memiliki fungsi elektroda linearitas daerah bahkan dekat dalam jangkauan: hampir 14 orde besarnya perubahan aktivitas ion hidrogen.

slide 36

Bahan Membran Elektroda Sulit bahkan untuk membayangkan kimia analitik modern tanpa pH-metri menggunakan elektroda kaca. Dengan memodifikasi komposisi kaca, dimungkinkan untuk memecahkan masalah pembuatan elektroda yang selektif terhadap ion natrium. Dalam hal kisaran linearitas dan selektivitas fungsi elektroda, mereka secara signifikan lebih rendah daripada elektroda pH dan selalu lebih selektif terhadap ion hidrogen dibandingkan dengan ion natrium penentu potensial. Masalah utama elektroda kaca adalah pembuatan kaca dengan konduktivitas ionik yang tinggi. Pada saat yang sama, pencarian dilanjutkan untuk komposisi gelas yang selektif terhadap ion lain. Sejumlah solusi orisinal telah ditemukan, khususnya, saat menggunakan gelas kalkogenida sebagai bahan elektrodeaktif.

Slide 37

Bahan Membran Elektroda Membran kristal dibagi menjadi mono dan polikristalin, dan yang terakhir, pada gilirannya, menjadi homogen dan heterogen. Dengan komposisi kimia yang sama, perbedaan antara modifikasi elektroda kristal memanifestasikan dirinya, pertama-tama, dalam karakteristik analitik elektroda seperti waktu respons. Kadang-kadang, perbedaan konsentrasi ion penentu potensial, yang sesuai dengan batas bawah wilayah linieritas fungsi elektroda yang terkait dengan kelarutan yang berbeda dari bahan membran, mungkin tampak sedikit, karena membran monokristalin selalu kurang larut daripada yang polikristalin. Pilihan material untuk membran kelas ini cukup terbatas dan sebagian besar habis. Solusi yang paling berhasil menggunakan membran kristal telah ditemukan untuk penentuan ionometri ion halida: F -, Cl -, Br -, I - dan S 2-

Slide 38

Bahan Membran Elektroda Jenis membran ketiga adalah cair atau plastis. Karena cukup sulit untuk membuat sel pengukur dengan lapisan cairan bebas sebagai membran, substrat polimer yang membengkak dalam cairan ini biasanya diresapi dengan bahan elektrodeaktif cair. Oleh karena itu namanya - membran plastik. Membran jenis ini kurang nyaman untuk penggunaan praktis. Cairan, misalnya, cenderung menguap. Oleh karena itu, masa pakai membran plastis secara signifikan lebih pendek daripada membran padat. Tetapi ada satu keuntungan penting - lebih banyak pilihan untuk memilih bahan yang memenuhi kriteria selektivitas dan konduktivitas ionik. Secara khusus, berdasarkan membran plastis, masalah mendesak seperti penentuan ion nitrat, amonium, kalium, dan kalsium diselesaikan.

Slide 39

Keadaan masalah Namun, faktor yang sangat signifikan dalam pengembangan ionometri, serta sebagian besar metode analitik, adalah tingkat solusi teknologi dan teknis. Sampai saat ini, banyak desain ISE telah dikembangkan untuk penggunaannya dalam skema analisis rutin konvensional dan untuk memecahkan masalah analitis khusus, seperti analisis in-line dan analisis objek biologis, termasuk pengukuran in situ secara langsung dalam cairan biologis organisme hidup. Perubahan desain dan miniaturisasi tidak mempengaruhi prinsip umum metode ini. Ada beberapa masalah terminologis.

Slide 40

Istilah Tiga dekade terakhir ditandai dengan munculnya istilah baru dalam kehidupan sehari-hari para analis - sensor kimia. Saya akan mendefinisikan sensor kimia sebagai pengubah informasi tentang perubahan komposisi kimia dari media yang dianalisis menjadi sinyal listrik. Tidak ada interpretasi yang diterima secara umum dari istilah ini. Arti perkiraan - sarana miniatur pengukuran langsung konsentrasi bahan kimia dalam media cair dan gas. Prinsip pengukuran bisa apa saja. ISE sangat cocok dengan konten semantik istilah ini. Oleh karena itu, dalam beberapa tahun terakhir ada kecenderungan untuk mempertimbangkan ISE sebagai salah satu varian dari sensor kimia. Dari istilah baru, isinya tidak berubah.

Slide 41

Kondisi penerapan Penilaian peran ionometri dalam analisis kimia sangat ambigu. Amatir biasanya membesar-besarkan kemungkinan metode ini, analis praktis meremehkannya. Secara obyektif, dapat dikatakan bahwa ionometri adalah metode yang ideal untuk analisis kontinu dalam aliran media yang terkontrol, bila diperlukan untuk mengamati perubahan konsentrasi analit yang diketahui secara apriori. Ini bisa berupa pemantauan lingkungan dan kontrol berkelanjutan dari proses teknologi. Dengan beberapa penundaan dari waktu nyata, kami menerima informasi tentang perubahan konsentrasi satu atau beberapa komponen dalam objek analisis. Dalam praktik laboratorium, metode pH-metri diakui tanpa syarat.

Slide 42

Kondisi penerapan Metode ini juga banyak digunakan untuk penentuan anion individu: F -, Cl -, Br -, I -, S 2-. Situasinya lebih rumit dengan penentuan ion logam berat. Potensi dari setiap ISE adalah fungsi dari konsentrasi ion penentu potensial dalam larutan. Oleh karena itu, setiap proses kimiawi yang menghasilkan pergeseran kesetimbangan ionik akan mempengaruhi besarnya sinyal analitik. Hanya dalam kondisi ideal (larutan asam, tidak adanya zat pengompleks) logam berat hadir dalam larutan dalam bentuk kation yang sesuai: Cu 2+, Cd 2+, Pb 2+, dll. Dalam media berair nyata, seperti air alami dan air limbah, terjadi proses hidrolisis dan kompleksasi dengan ligan anorganik dan organik.

Slide 44

Titrasi Titrasi asam-basa biasanya menggunakan elektroda kaca pH sebagai indikator. Keuntungan dibandingkan potensiometri langsung: alih-alih konsentrasi total ion H +, konsentrasi masing-masing asam dengan konstanta disosiasi yang berbeda dapat ditentukan. pH 10 8 6 4 2 0 Ka=10 -10 Ka=10 -8 Ka=10 -6 Ka=10 -4 Asam kuat HNO 3 V (NaOH)

Slide 45

Metode penentuan pH 11 9 7 5 3 0 Ve. V(NaOH), ml V(NaOH), ml Vt.e.  E /  V Dari awal, temukan secara kasar volume titran yang diperlukan untuk menunjukkan perubahan potensial yang tajam (titration jump). Kemudian volume titran yang sedikit lebih kecil dimasukkan ke dalam bagian baru dari larutan yang dianalisis, dan kemudian titrasi yang akurat dilakukan dan potensi lompatan  V ditetapkan untuk setiap penambahan titran  V dan ketergantungan dibangun: Menemukan titik akhir titrasi

Fitur dalam titrasi Dalam titrasi redoks, elektroda indikator bertemu. Pt (elektroda logam inert - pembawa elektron dari bentuk tereduksi ke bentuk teroksidasi). Pada pengendapan (jarang digunakan) elektroda logam Ag selama titrasi ion Cl - dengan ion Ag +.

Kimia fisik mempelajari hubungan tersebut
proses kimia dan fenomena fisik,
yang menemani mereka, menetapkan
pola antara bahan kimia
komposisi, struktur zat dan sifatnya
properti, mengeksplorasi mekanisme dan kecepatan
reaksi kimia tergantung pada
kondisi aliran mereka.
Kimia fisik muncul dan berkembang atas dasar aplikasi
metode penelitian fisik untuk mempelajari sifat kimia
zat, serta mempelajari pengaruh komposisi kimia zat dan mereka
bangunan untuk sifat fisik.

Tahapan utama dalam pengembangan kimia fisik
Munculnya kimia fisik sebagai mandiri
sains berasal dari pertengahan abad ke-18.
Pada 1752 - 1754. - kursus kimia fisik pertama di dunia
(Lomonosov M.V.)
Akhir abad ke-18 – studi kapasitas panas dan termal
efek reaksi yang dilakukan oleh Lavoisier dan Laplace (1779
- 1784)
Pada tahun 1800, Berthelot memperkenalkan konsep kesetimbangan kimia dan
nilai konsentrasi pereaksi.
Di paruh pertama abad XIX. - mengembangkan atomistik
representasi Lomonosov dalam karya Dalton, Gay-Lussac dan Avogadro
1830 - menemukan hukum elektrolisis (penelitian Devi,
Faraday, Berzelius)
1840 - ilmuwan Rusia Hess menemukan yang utama
hukum termokimia.

1865 - Beketov memperkenalkan kembali pengajaran kursus
kimia fisik di Universitas Kharkov.
Abad XIX:
Mendeleev (hukum periodik tahun 1869, serta
studi tentang tekanan gas - persamaan keadaan
gas ideal);
Guldberg dan Waage - hukum aksi massa;
Van't Hoff - ekspresi matematika
pola kinetik;
Menshutkin - kinetika bahan kimia
reaksi dalam larutan dan menjelaskan peran pelarut (1887
G.);
Arrhenius - mengembangkan teori elektrolitik
disosiasi (1887) dan menyelidiki pengaruh suhu
pada laju reaksi kimia (1889).
J. Gibbs (1873 - 1878) - termodinamika
teori kesetimbangan.
Le Chatelier pada tahun 1881 - 1885 dirumuskan
umumnya menciptakan teori kuantitas
disosiasi elektrolitik.

Abad XX:
Rutherford (1911) - model nuklir
atom.
Bohr (1913) - teori kuantitatif
atom hidrogen.
Kurnakov - arah baru
penelitian sistem multikomponen:
pengembangan analisis fisik dan kimia - doktrin
ketergantungan sifat-sifat sistem fisikokimia pada
komposisi.
Debye dan Hückel (1923) - Teori
larutan elektrolit kuat.
Shilov dan Semenov - teori rantai
reaksi dan teori katalisis.

Bagian utama dari kimia fisik. Pentingnya mereka untuk farmasi

Termodinamika kimia
Keseimbangan fase
Solusi
Elektrokimia
Kinetika dan katalisis

Termodinamika kimia. Konsep dasar

Termodinamika kimia mempertimbangkan
aspek energi (yaitu transformasi timbal balik
energi yang terkait dengan transfer energi antara tubuh dalam
bentuk panas dan kerja) dari berbagai proses dan
menentukan kondisi untuk aliran spontan mereka.
Subjek termodinamika klasik adalah studi tentang hukum
transformasi timbal balik dari berbagai jenis energi yang terkait dengan transisi
energi antara benda-benda dalam bentuk panas dan kerja.
Subjek termodinamika kimia adalah penerapan hukum
termodinamika klasik hingga fenomena kimia dan fisika-kimia;
itu mempertimbangkan efek termal dari reaksi kimia, fase
transisi zat individu dan campuran, kesetimbangan kimia.

Objek studi dalam termodinamika
adalah sistem termodinamika.
Suatu sistem adalah satu tubuh atau
sekelompok tubuh, sebenarnya atau mental
dipisahkan dari lingkungan.
Lingkungan adalah segalanya
adalah secara langsung atau tidak langsung
kontak dengan sistem.

Sistem ini disebut termodinamika,
jika di antara badan-badan yang menyusunnya,
pertukaran panas dapat terjadi
substansi, dan jika sistem sepenuhnya
dijelaskan oleh termodinamika
parameter.
Tergantung sifat interaksinya
sistem dibedakan dengan lingkungan:
sistem terbuka adalah...
dll. (sendiri)

Totalitas semua fisik dan kimia
sifat-sifat sistem disebut keadaan sistem.
Ini ditandai dengan termodinamika
parameter yaitu:
Sifat intensif adalah sifat yang tidak intensif
tergantung pada massa dan yang disejajarkan
sistem kontak (suhu, tekanan,
massa jenis, konsentrasi, potensial kimia).
Sifat-sifat sistem yang bergantung pada massa disebut
ekstensif (volume, massa, kapasitas panas,
energi dalam, entalpi, entropi,
potensial termodinamika). luas
properti sistem secara keseluruhan sama dengan jumlah
sifat luas yang sesuai dari individu
komponen yang termasuk dalam sistem ini
(sifat aditivitas).

Kuantitas fisik yang nilainya
sepenuhnya menentukan keadaan sistem dan
yang secara langsung
dimensi disebut parameter
negara bagian.
Fungsi dari parameter ini disebut
fungsi negara (tidak setuju dengan
pengukuran langsung).
Properti fungsi negara:
1. Perubahan yang sangat kecil pada fungsi f selesai
diferensial (dilambangkan dengan df).
2. Perubahan f selama transisi sistem dari keadaan 1 ke
status 2 tidak bergantung pada jalur df
proses,
f 2 f1
hanya keadaan awal dan akhirnya:
3. Akibat siklik
df 0 fungsi status proses tidak
perubahan:

Proses termodinamika dan klasifikasinya

Sendiri!

Energi dalam

Energi internal (U) mencirikan stok total
energi sistem. Ini mencakup semua jenis energi
gerak dan interaksi partikel penyusunnya
sistem: energi kinetik gerak molekul
(translasi dan rotasi); energi antarmolekul
daya tarik dan tolakan partikel; intramolekul atau
energi kimia; energi eksitasi elektronik;
intranuklear dan energi radiasi.
Nilai energi dalam tergantung pada sifatnya
zat, massa dan temperaturnya.
Pasokan penuh U tidak dapat diukur (tidak ada gunanya
referensi), jadi gunakan perubahan di internal
energi (dU atau U):
U \u003d Ufin-Unach, J / mol.
Energi internal adalah fungsi keadaan, ekstensif
nilai.

Entalpi

Entalpi adalah energi yang
sistem pada konstanta
tekanan;
entalpi secara numerik sama dengan jumlah
energi dalam dan potensial
energi sistem.
H \u003d U + pV.
ΔН = ΔU + pΔV.

Kehangatan dan pekerjaan

Perpindahan energi dari sistem ke lingkungan dan sebaliknya dilakukan
hanya dalam bentuk panas (Q) dan kerja (W) -
dua bentuk penularan
energi.
Bentuk perpindahan energi dari satu bagian sistem ke
lain karena tidak teratur
(kacau) gerakan molekul disebut
kehangatan, tetapi dengan tertib
(terorganisir) gerakan molekul di bawah
aksi kekuatan tertentu - kerja.
Kerja dan panas berhubungan dengan proses dan berada
fungsi proses, bukan fungsi negara.
Diukur dalam J/mol.

Hukum pertama termodinamika

Formulasi:
1. Energi dari sistem yang terisolasi
konstan.
2. Energi tidak hilang tanpa bekas dan tidak
muncul dari ketiadaan, peralihannya dari satu
spesies di lain terjadi secara ketat
jumlah yang setara.
3. Perpetuum mobile jenis pertama
tidak mungkin, yang berarti
mesin yang bekerja tanpa biaya
energi.

4. Jumlah panas yang disuplai ke sistem
atau diambil darinya, berubah
energi dalam dan kerja yang dilakukan
sistem atau di atas sistem.
Ekspresi matematika:
Untuk perubahan terbatas: Q=U + W
Untuk proses elementer yang sangat kecil:
δQ = dU + δW = dU + pdV + δW’,
di mana δW adalah jumlah dari semua jenis kerja, pdV adalah kerja mekanis, δW’ adalah kerja yang bermanfaat (semua,
selain mekanis). Dengan asumsi bahwa δW' 0, maka
pdV > δW':
δQ = dU + pdV.

Hukum termodinamika pertama yang diterapkan pada beberapa proses

1. Proses isotermal. T = konstanta
δQ = dU + δW.
Karena U = 3/2 nRT, maka dU = 0 dan U = 0 juga.
Maka: δQ = δW; δW = pdV; W = pdV .
nRT
P
Dari persamaan Mendeleev-Claiperon V
Karena
V2
nRT
W
dV nRT ln
V
V1
P
p1V1 = p2V2, lalu W nRT ln 1 .
p2
V2
QT = WT nRT ln
V1
p1
nRTln
p2
.
.

2. Proses isokorik. V = konstanta.
δQ = dU + δW.
δW = pdV; dan sejak V = const, lalu dV = 0 dan V = 0.
Maka δW = pdV = 0,
dan untuk perubahan terbatas W = p V = 0.
Hukum pertama termodinamika dalam isokorik
proses akan terlihat seperti ini:
δQV = dU
untuk perubahan akhir:
QV=U.

3. Proses isobarik. p = konstanta
δQ = dU + δW;
δW = d(pV);
δQ = dU + d(pV) atau δQ = d(U + pV) = dH,
Karena H \u003d U + pV.
Untuk perubahan akhir:
QP \u003d U + p V \u003d H.
Dalam kasus gas ideal, bekerja
dihitung: W = p V = nR T.

Dokumen Serupa

Pengaruh suhu pada laju reaksi kimia. Reaksi bilateral dan unilateral, molekuleritas, keteraturan, klasifikasi kinetiknya. Teori tumbukan aktif. Reaksi berantai, ledakan termal. Jenis proses fotokimia, hasil kuantum.

kursus kuliah, ditambahkan 12/10/2015

Karakteristik subjek dan objek, tujuan dan sasaran kimia fisika dan koloid. Deskripsi konsep dasar termodinamika. Kinetika kimia: laju reaksi kimia, persamaan Arrhenius, proses katalitik, katalisis homogen dan autokatalisis.

tutorial, ditambahkan 05/02/2014

Masalah termodinamika kimia. Kesetimbangan fase dan solusi. Teori termodinamika dan elektrostatik elektrolit. Kinetika reaksi kimia. Pola yang terkait dengan transformasi timbal balik dari bentuk energi kimia dan elektrokimia.

manual, ditambahkan 11/21/2016

Katalisis adalah proses mengubah laju reaksi kimia dengan adanya zat yang disebut katalis. Informasi tentang katalisis industri dan perannya dalam ekologi.... Melewati penghalang energi, katalisis homogen dan heterogen.

abstrak, ditambahkan 07.11.2009

Laju reaksi kimia. Reaksi homogen dan heterogen Hukum massa aktif. Energi aktivasi. Pengaruh katalis. konstanta kesetimbangan kimia. Inti dari prinsip Le Chatelier. Konsep molekuleritas dan urutan reaksi dalam kinetika kimia.

presentasi, ditambahkan 04/23/2013

Konsep kinetika kimia. Faktor-faktor seperti konsentrasi reaktan, kehalusan, suhu, dan adanya katalis atau inhibitor. Definisi konsep "molekularitas reaksi". Inti dari katalis dan aksinya dalam reaksi kimia.

manual, ditambahkan 27/04/2016

Studi tentang hukum kesetimbangan heterogen dari sistem fisikokimia dalam kesetimbangan termodinamika yang stabil. Tinjauan cairan multikomponen. Analisis kinetika dan katalisis. Esai tentang konsentrasi zat dan klasifikasi reaksi kimia.

presentasi, ditambahkan 09/29/2013

Analisis esensi, tanda dan kondisi reaksi kimia. Klasifikasi reaksi kimia menurut berbagai kriteria. Penentuan laju reaksi kimia. Definisi konsep katalis, serta deskripsi pengaruhnya terhadap laju reaksi kimia.

abstrak, ditambahkan 06/28/2017

Konsep kinetika kimia, laju reaksi kimia. Hukum dasar kinetika kimia. Pengaruh suhu pada laju reaksi kimia. Konsep dan esensi katalisis, prinsip katalis. Kondisi matematis kesetimbangan kimia.

manual, ditambahkan 09/18/2015

Pengaruh konsentrasi zat, tekanan, permukaan kontak reagen, suhu pada laju reaksi kimia. Hukum massa aktif. Konsep katalisis adalah penurunan energi aktivasi suatu reaksi, dan penghambatan adalah peningkatan energi aktivasinya.

Badan Federal untuk Pendidikan

USTU-UPI

Departemen Teori Proses Metalurgi

LA. Zhukova, A.A. Zhukov

KIMIA FISIK

Edisi teks elektronik pendidikan Disiapkan oleh departemen "Teori proses metalurgi"

Abstrak Kuliah Disiplin "Kimia Fisik" untuk Mahasiswa Jurusan 150100 - Metalurgi, 150600 - Ilmu Material dan Teknologi Material

Ekaterinburg


Bagian 1. Pendahuluan dan Istilah Dasar………………			…………….…………………………
Kuliah 1………………	……………………………		……………………………
Bagian 2. Penerapan hukum pertama termodinamika pada perhitungan efek termal
proses…………………………………	………………………………………………………
Kuliah 2………………………………		……………………………………………………
Bagian 3. Penerapan hukum kedua termodinamika untuk menentukan arah proses
dan kondisi keseimbangan ………………………………………………………………………………………………
Kuliah 3………………………	……………………………………………………………
Kuliah 4…………	…………………………………………………………………………
Kuliah 5……	………………………………………………………………………………
Bagian 4. Termodinamika larutan………………			……………………………………………….44
Kuliah 6………………………………………………………………………………………………
Kuliah 7………	……………………………………………………………………………
Kuliah 8……	……………………………………………………………………………
Bagian 5. Kesetimbangan fase dan diagram keadaan………				…………………………..……59
Kuliah 9………………………………………………………………				……………………………
Kuliah 10………………………………………………………………………………………
Kuliah 11………………………………………………………………………………………………
Kuliah 12………………………………………………………………………………………
Bagian 6. Fenomena permukaan………………………………………………………………………
Kuliah 13………………………………………………………………………………………
Kuliah 14………………………………………………………………………………………
Bagian 7. Kinetika reaksi kimia homogen………………………				...…………………
Kuliah 15………………………………………………………………………………
Bagian 8. Kinetika reaksi kimia heterogen………………………………………………
Kuliah 16………………………………………………			…………………………………
Kuliah 17………………………………………………………………………………………
Bagian 9. Struktur dan sifat logam cair dan amorf……………………………………….147
Kuliah 18………………………………………………………………………………………

Bagian 1. Pendahuluan dan Istilah Dasar

Dari nama disiplin itu sendiri dapat disimpulkan bahwa itu adalah ilmu perbatasan antara kimia dan fisika. Tugas utama kimia fisika adalah mempelajari hubungan berbagai fenomena fisika dan kimia. Karena fenomena nyata apa pun itu kompleks, pemilihan aspek individu di dalamnya - fisik atau kimiawi - agak sewenang-wenang. Oleh karena itu, terkadang sulit untuk menarik garis antara masalah yang dipelajari oleh kimia fisik dan masing-masing cabang fisika dan kimia. Sebagai ilmu, kimia fisik mulai terbentuk pada paruh kedua abad ke-19, meskipun nama dan definisi umum kandungan kimia fisik pertama kali diberikan oleh M.V. Lomonosov (1752): "Kimia fisik adalah ilmu yang harus, berdasarkan ketentuan dan eksperimen ilmuwan fisik, menjelaskan alasan dari apa yang terjadi melalui operasi kimia dalam benda kompleks."

Kimia fisik berkaitan dengan studi multilateral proses kimia

Dan fenomena fisik yang menyertai, menggunakan metode teoretis dan eksperimental dari kedua sains, serta sains mereka sendiri. Hal ini memungkinkan untuk memprediksi jalannya proses kimia dan hasilnya, dan akibatnya, mengontrolnya untuk mendapatkan hasil yang optimal. Bidang penerapan kimia fisika meliputi semua persoalan kimia dan transformasi fasa, pengaruh parameter fisika terhadap proses kimia, dan komposisi kimia terhadap sifat fisika. Atas dasar studi multilateral tentang berbagai sifat zat dan karakteristik berbagai proses dengan partisipasinya, kimia fisik menyelesaikan dua tugas terpenting - menetapkan kemungkinan proses dan kecepatannya, menentukan faktor-faktor yang memungkinkannya terjadi. dikendalikan.

Metalurgi telah lama didasarkan pada pencapaian kimia fisik, yang memungkinkan untuk mengembangkan teori proses yang terjadi di unit metalurgi. Membenarkan kemungkinan berbagai proses dalam kondisi tertentu, pendekatan ilmiah memungkinkan untuk mengidentifikasi kondisi kemunculannya yang paling lengkap, menghitung laju proses ini, memperhitungkan jumlah panas yang diserap atau dilepaskan selama perjalanannya, dan sebagai a hasilnya, optimalkan rezim teknologi untuk mendapatkan logam berkualitas tinggi.

Produksi logam dan paduan adalah proses yang kompleks dan multi-tahap, pada setiap tahapnya, termasuk keadaan cair, struktur yang diperlukan dan sifat yang diperlukan dari bahan struktural masa depan terbentuk. Metode kimia fisik digunakan untuk memperkuat komposisi kimia paduan dengan sifat yang diinginkan dan menentukan cara untuk mendapatkannya, mengoptimalkan proses yang terjadi selama kristalisasi, menentukan laju pendinginan ingot, yang berkontribusi pada pembentukan komposisi fase tertentu. dan struktur, dan dalam analisis banyak proses lain dalam metalurgi. Dengan demikian, kimia fisik adalah landasan teoretis untuk mendapatkan logam, paduan, dan bahan lain dengan sifat yang diinginkan.

DI DALAM Saat ini, kimia fisik adalah disiplin independen dengan metode penelitiannya sendiri dan merupakan landasan teori untuk sejumlah disiplin ilmu terapan.

Kimia fisik memainkan peran utama dalam membentuk pandangan ilmiah ahli metalurgi spesialis, yang memungkinkan dari posisi paling umum untuk menganalisis dan memprediksi jalannya proses perolehan dan pemrosesan logam dan paduan.

Tujuan mempelajari kimia fisik adalah untuk membiasakan siswa dengan hukum dasar disiplin ilmu ini dan konsekuensinya, beberapa teoretis

Dan metode eksperimental untuk mempelajari parameter keadaan keseimbangan sistem dan kinetika proses yang sedang berlangsung, mengembangkan keterampilan dan kemampuan analisis fisik dan kimia diperlukan untuk studi mendalam tentang proses dan teknologi metalurgi dalam kursus khusus.

Berbagai fenomena dipelajari oleh kimia fisik menyebabkan isolasi dalam

Ini memiliki sejumlah bagian, yang utama meliputi yang berikut ini.

Termodinamika kimia berkaitan dengan pertimbangan keseimbangan energi, masalah kesetimbangan kimia dan fasa, serta mengklarifikasi arah proses dalam sistem di mana tidak ada kesetimbangan.

Struktur materi mencakup studi tentang struktur atom, molekul, dan interaksinya dalam berbagai keadaan agregat materi.

Teori solusi bertujuan untuk menjelaskan dan memprediksi sifat-sifat larutan dan komponennya sesuai dengan sifat-sifat zat murni penyusun larutan tersebut.

Kinetika kimia mempelajari kecepatan dan mekanisme reaksi kimia, ketergantungannya pada kondisi aliran.

Fenomena permukaan pertimbangkan sifat spesifik dari lapisan permukaan cairan dan padatan dan pengaruhnya terhadap karakteristik sistem secara keseluruhan.

Elektrokimia adalah studi tentang proses kimia yang melibatkan partikel bermuatan - ion.

Tidak ada batasan yang jelas antara bagian-bagian ini. Saat mempelajari fenomena apa pun, seseorang harus menggunakan representasi dari berbagai bagian.

Penelitian di bidang kimia fisik didasarkan pada tiga metode utama, yang masing-masing memiliki jangkauan konsep, hukum, dan metode penelitian eksperimental sendiri.

Metode kimia fisik

Metode termodinamika. Semua konsep dan hukum yang diperoleh dengan bantuannya dirumuskan sebagai hasil dari deskripsi pengalaman, tanpa penetrasi ke dalam mekanisme proses molekuler. Karena itu, metode ini bersifat formal, yang agak membatasi ruang lingkup penerapannya. Namun, ini juga memudahkan perhitungan praktis.

metode statistik. Ini didasarkan pada pertimbangan benda sebagai ansambel besar partikel, yang memungkinkan untuk membuktikan konsep dan hukum termodinamika dan memperluas jangkauan fenomena yang dijelaskan. Metode ini menghubungkan sifat makroskopik zat dengan sifat mikroskopis molekul.

Kinetika molekuler metode. Memungkinkan Anda mendeskripsikan sifat-sifat zat dan karakteristik proses dengan partisipasinya, termasuk kecepatan, berdasarkan hukum gerak dan interaksi partikel penyusun zat tersebut.

Sifat fenomena yang dipelajari oleh kimia fisik itu kompleks, oleh karena itu, deskripsi teoretisnya, meskipun metode penelitian teoretis dan eksperimental terus meningkat, tidak dapat dianggap lengkap. Pemahaman yang komprehensif tentang esensi fenomena mengikuti jalur penciptaan representasi model dengan kerumitan dan perincian bertahap saat fakta eksperimental baru terkumpul. Model apa pun adalah gambaran realitas yang kurang lebih disederhanakan dan sengaja diidealkan. Abstraksi sederhana paling terkenal yang banyak digunakan dalam kimia fisik adalah model gas ideal, kristal ideal, larutan ideal, dll. Ekspresi matematika yang menjelaskan fenomena dan proses berdasarkan model paling sederhana tidak mengandung kuantitas yang sulit ditentukan, yang menyederhanakan perhitungan. Sebagai aturan, perhitungan yang didasarkan pada mereka tidak memberikan persetujuan yang memuaskan dengan nilai properti sistem nyata yang diukur secara eksperimental. Namun, bahkan perbandingan seperti itu berguna. Berdasarkan sifat dan besarnya penyimpangan prediksi teoretis dari data eksperimen, memungkinkan untuk mengungkap fitur objek nyata yang tidak diperhitungkan dalam model ideal dan memperkenalkan parameter tambahan ke dalam versi teori model yang lebih maju.

Konsep dasar dan definisi

Bagian dasar kimia fisika adalah termodinamika kimia. Aparat konseptual yang diperkenalkan dalam kerangkanya juga digunakan di bagian lain dari kimia fisik.

Sistem termodinamika- ini adalah tubuh atau sekumpulan tubuh, dipisahkan dari ruang sekitarnya melalui antarmuka imajiner atau nyata. Massa sistem termodinamika tidak berubah, dan interaksinya dengan lingkungan hanya dilakukan melalui pertukaran energi dalam bentuk panas dan kerja. Dalam kasus pertukaran suatu sistem dengan medium oleh materi, itu disebut terbuka. Kami hanya akan mempertimbangkan sistem termodinamika yang bertukar energi dengan lingkungan, tetapi tidak bertukar materi (tertutup), menyebutnya hanya "sistem".

Energi adalah ciri gerak materi, baik secara kuantitatif maupun kualitatif, yaitu ukuran gerakan ini. Sistem apa pun memiliki energi, dan bentuknya beragam, demikian pula bentuk gerak materi.

Suatu sistem disebut tertutup, atau terisolasi, jika tidak terjadi pertukaran energi dengan lingkungan baik dalam bentuk kalor maupun dalam bentuk kerja. Jika pertukaran energi hanya terjadi dalam bentuk kerja, maka disebut sistem tertutup secara adiabatik. Suatu sistem disebut homogen jika setiap sifat-sifatnya mempunyai nilai yang sama pada bagian-bagian sistem yang berbeda atau terus menerus berubah dari titik ke titik. Suatu sistem bersifat heterogen jika terdiri dari beberapa bagian yang dipisahkan satu sama lain oleh antarmuka fisik, ketika melewatinya sifat dan struktur dapat berubah secara tiba-tiba. Bagian homogen dari sistem, dipisahkan dari bagian lainnya oleh antarmuka fisik, disebut fase. Contoh sistem heterogen adalah cairan dengan uap di atasnya, dalam bejana tertutup. Sistem ini terdiri dari dua bagian (fase), ketika melewati batas antara yang, misalnya, kerapatannya berubah secara tiba-tiba.

Totalitas semua sifat fisik dan kimia suatu sistem mencirikan keadaannya. Mengubah properti apa pun menyebabkan perubahan statusnya. Namun, tidak semua properti sistem bersifat independen. Beberapa di antaranya dapat diungkapkan melalui orang lain. Misalnya, keadaan gas ideal dapat ditentukan oleh tiga sifat: suhu T, volume V, dan tekanan P. Cukup memilih dua di antaranya untuk menentukan persamaan keadaan gas ideal ketiga yang terkenal - persamaan Mendeleev-Clapeyron:

di mana R adalah konstanta gas universal (R = 8,314 J / (mol × K)), n adalah jumlah mol gas.

Namun, untuk sebagian besar sistem nyata, persamaan umum keadaan f(P,V,T) = 0 tidak diketahui atau terlalu rumit dan tidak cukup akurat, yang memaksa kita untuk menggunakan hubungan tertentu dari sifat-sifat individual sementara yang lain konstan.

Biasanya, variabel independen dianggap sebagai variabel yang nilainya, dalam kondisi tertentu, lebih mudah ditentukan dan diubah. Sangat sering ini adalah suhu dan tekanan. Dalam sistem multikomponen, konsentrasi komponen ditambahkan ke dalamnya.

Ada properti yang luas, mis. bergantung pada jumlah zat, atau massa sistem (misalnya volume), dan intensif, tidak bergantung pada massa (misalnya suhu). Banyak sifat intensif mudah diperoleh dari sifat ekstensif. Jadi, volume molar (atau molar) V m , yang merupakan sifat intensif, dapat diperoleh dengan membagi volume total sistem (sifat ekstensif) dengan jumlah mol zat penyusunnya. Kepadatan - massa satuan volume suatu zat - juga merupakan sifat intensif. Dalam termodinamika, mereka terutama beroperasi dengan sifat molar, karena nilainya dalam keadaan setimbang adalah sama untuk seluruh sistem dan untuk bagian mana pun darinya.

Sifat intensif independen dari suatu sistem disebut parameter negara. Properti lain dianggap sebagai fungsi dari parameter ini.

Nilai properti apa pun dari sistem tidak bergantung pada keadaan sebelumnya, mis. tidak tergantung pada jalur termodinamika dimana sistem sampai pada keadaan tertentu. Setiap perubahan yang terjadi pada sistem, dan dikaitkan dengan perubahan sifat-sifatnya, disebut proses. Dengan demikian, perubahan properti tidak bergantung pada jalur proses, tetapi hanya ditentukan oleh keadaan awal dan akhir sistem. DI DALAM

Di masa mendatang, kita akan menggunakan huruf Yunani (misalnya, V ) untuk menampilkan perubahan terbatas pada properti, dan huruf Latin d atau (dalam turunan parsial) untuk menampilkan perubahan sangat kecil pada properti ini.

Proses di mana sistem, setelah meninggalkan keadaan awal dan mengalami serangkaian perubahan, kembali ke keadaan semula, disebut lingkaran. Jelaslah bahwa perubahan sifat-sifat sistem dalam proses sirkular sama dengan nol. Proses yang terjadi pada suhu konstan (T \u003d const) disebut isotermal, pada tekanan konstan (P = const ) – isobarik atau isobarik pada volume sistem yang konstan (V = const ) -

isokorik atau isokorik. Proses di mana pertukaran energi antara sistem dan lingkungan hanya terjadi dalam bentuk kerja, disebut

adiabatik.

Keadaan suatu sistem di mana semua parameternya pada titik mana pun telah mengambil nilai konstan dan tidak berubah dari waktu ke waktu disebut kesetimbangan. Proses dimana suatu sistem melewati serangkaian keadaan setimbang disebut proses kesetimbangan. Ini hanya bisa menjadi proses yang sangat lambat. Konsep "equilibrium" dalam hal ini bertepatan dengan konsep "reversible". Dapat dibalik adalah proses termodinamika yang memungkinkan sistem untuk kembali ke keadaan semula tanpa meninggalkan perubahan apa pun di lingkungan. Setiap proses kesetimbangan dapat dibalik dan, sebaliknya, selama proses yang dapat dibalik, sistem melewati serangkaian keadaan kesetimbangan. Setelah bocor proses ireversibel sistem tidak dapat berdiri sendiri, mis. tanpa pengaruh eksternal, kembali ke keadaan semula. Semua proses yang nyata dan mengalir secara spontan tidak dapat diubah dan hanya dapat sampai batas tertentu mendekati konsep proses yang dapat dibalik.

Seperti disebutkan di atas, sistem termodinamika dapat bertukar energi dengan lingkungan dalam dua bentuk: kerja (bentuk makrofisika) dan panas (bentuk mikrofisika).

Kerja adalah ukuran kuantitatif dari jenis perpindahan gerak (energi) ini, yang dilakukan dengan menggerakkan massa hingga, mis. sistem secara keseluruhan atau bagian-bagiannya di bawah pengaruh kekuatan apa pun.

Satuan yang paling umum digunakan untuk energi dan kerja, khususnya dalam termodinamika, adalah SI joule (J) dan satuan di luar sistem, kalori (1

kal = 4,18 J).

Sebagai contoh proses yang disertai dengan kinerja kerja, pertimbangkan pemuaian gas di dalam silinder di bawah piston, yang mengalami tekanan P (Gambar 1).

Jika gas di bawah piston (bergerak tanpa gesekan) mengembang dari keadaan volume V 1 ke keadaan volume V 2 , itu bekerja A melawan tekanan eksternal. Gaya F dengan mana gas bekerja pada piston

F=PS

dimana S adalah luas penampang silinder. Pekerjaan yang sangat kecil δA dilakukan sambil mengangkat

Gambar 1 - Melakukan pekerjaan dengan gas bertekanan selama ekspansi

tinggi piston dh adalah

δ A = F dh = PS dh,

δ A = P dV.

Untuk perubahan volume gas yang terbatas, mengintegrasikan persamaan yang dihasilkan, kami memperoleh:

A = ∫ PdV .

Contoh yang dipertimbangkan dapat diilustrasikan secara grafis untuk dua jalur yang berbeda (a dan b) dari transisi sistem dari keadaan 1 ke keadaan 2 (Gambar 2).

Gambar 2 - Perbedaan jumlah usaha yang dilakukan oleh gas yang mengembang dari volume V 1 ke volume V 2, dalam proses yang terjadi di sepanjang jalur a dan sepanjang jalur b

Karena pekerjaan secara numerik sama dengan luas di bawah kurva, yang merupakan grafik integral (P ), jelas bahwa A a A b , meskipun keadaan awal dan akhir sistem dalam kedua kasus, serta perubahan dalam properti (P dan V ), adalah sama.

Oleh karena itu, kerja bergantung pada jalur proses, dan karenanya bukan merupakan properti sistem. Kerja adalah karakteristik dari suatu proses. Oleh karena itu, tidak seperti perubahan properti (, d dan ) untuk bekerja dan sangat kecil kuantitas sebutan yang diadopsi A dan δA, masing-masing.

Jika gas mengembang pada tekanan eksternal konstan (P = const ), maka, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, usaha dihitung dengan mengalikan tekanan dengan perubahan volume akibat transisi sistem dari keadaan awal ke keadaan akhir.

		3 - Pekerjaan ekspansi gas di
		proses isobarik

A = P(V2 - V1 )

Panas adalah ukuran kuantitatif dari jenis perpindahan gerak (energi) ini, yang dilakukan oleh tumbukan kacau molekul dari dua benda yang berdampingan.

Panas, seperti kerja, bukanlah sifat sistem, tetapi karakteristik proses, dan bergantung pada jalurnya. Oleh karena itu, tidak mungkin membicarakan cadangan panas dalam sistem. Penunjukan panas - Q atau untuk jumlah yang sangat kecil - δ Q . Sistem dapat menyerap dan melepaskan panas sehubungan dengan proses yang terjadi di dalamnya. Penyerapan panas, secara kondisional dianggap positif dalam hal ini ( Q > 0) terjadi di endotermikproses. Pelepasan panas oleh sistem, diperhitungkan dengan tanda minus ( Q< 0), terkait dengan aliraneksotermikproses (Gambar 4). Usaha yang dilakukan oleh sistem dianggap positif ( A> 0). Usaha yang dilakukan pada sistem di bawah aksi gaya luar dianggap negatif ( A< 0).

A< 0

Termodinamika

Q > 0
Endo termal	Ekso termal
proses	proses

Gambar 4 - Aturan tanda yang diadopsi dalam termodinamika untuk panas dan kerja

Salah satu besaran terpenting dalam termodinamika adalah energi dalam(U ) dari sistem, yang merupakan propertinya. Ini mencirikan cadangan energi sistem, termasuk energi gerak translasi dan rotasi molekul, energi gerak vibrasi intramolekul atom, energi gerak elektron, dan energi intranuklear. Energi dalam tidak termasuk energi kinetik sistem secara keseluruhan dan energi potensial posisinya.

Energi dalam merupakan fungsi dari suhu dan volume sistem. Kecanduan

U pada suhu disebabkan oleh ketergantungan energi kinetik gerak molekul padanya. Pengaruh volume yang ditempati oleh sistem terhadap besarnya energi dalam disebabkan oleh fakta bahwa energi potensial dari interaksi molekul bergantung pada jarak di antara mereka.

Nilai absolut dari energi internal sistem saat ini tidak dapat dihitung atau diukur, karena tidak ada informasi tentang nilai energi intranuklear. Namun, dimungkinkan untuk menghitung perubahan energi internal dalam berbagai proses:

U = U2 - U1.

Bagian 2. Penerapan hukum pertama termodinamika pada perhitungan efek termal dari proses

Hukum pertama termodinamika

Hukum ini merupakan kasus khusus dari hukum umum kekekalan energi yang diterapkan pada fenomena termal. Itu tidak terbukti secara teoritis, tetapi merupakan hasil dari generalisasi fakta-fakta eksperimental. Validitasnya dikonfirmasi oleh fakta bahwa tidak ada konsekuensi hukum yang bertentangan dengan pengalaman. Ini dirumuskan sebagai berikut.

Hukum pertama: dalam setiap proses, kenaikan energi dalam sistem sama dengan jumlah kalor yang disalurkan ke sistem dikurangi jumlah usaha yang dilakukan oleh sistem.

Catatan matematis dari hukum pertama termodinamika adalah ekspresinya

jika pekerjaan yang dilakukan oleh sistem hanya dikaitkan dengan ekspansinya. Dalam kasus umum, bila kerja dapat dilakukan tidak hanya terhadap tekanan luar, tetapi juga terhadap gaya listrik, magnet, dan gaya lainnya, harus ditulis

du = δQ – PdV – δA′ ,

di mana nilai δA ′ disebut pekerjaan "berguna". Kami selanjutnya akan memperhitungkan δA ′ hanya jika diperlukan.

Contoh penerapan hukum pertama untuk berbagai proses

1 Proses melingkar ( U = konstanta ) . Jelas, sebagai hasil dari proses seperti itu, dU = 0, yang berarti δQ = δA, atau Q = A. Dalam proses melingkar, semua pekerjaan dilakukan oleh sistem dengan memasok panas ke dalamnya.

2 Proses isotermal ( T = konstanta ). Untuk menyederhanakan penurunan, mari kita perhatikan penerapan persamaan dU = δQ T – PdV untuk proses yang terjadi dalam gas ideal. Dalam hal ini, energi dalam sistem tidak bergantung pada volume, jadi U = f(T). Pada suhu konstan, dU = 0. Oleh karena itu, semua kalor yang disuplai ke sistem dihabiskan untuk melakukan kerja:

δQ = δA = PdV.

Semua pekerjaan, dengan mempertimbangkan persamaan gas ideal keadaan PV = nRT, sama dengan

	A = V2	PdV = V2		dV = log nRT
	A = V2	PdV = V2		dV = log nRT




	Proses isokorik (V = const). Karena dV = 0, maka
	dU = δQV –		δA = δQV – PdV = δQV ,
		atau dU = δ QV .
Semua panas yang dipasok ke sistem digunakan untuk meningkatkan energi internal: Q V \u003d U.
	proses adiabatik (δ Q = 0). Persamaan dU = δQ – δA diubah menjadi bentuk dU =
	δA, atau δA = – dU . Sistem melakukan pekerjaan karena kehilangan energi internalnya.
	proses isobarik ( P = konstanta ). Mari kita nyatakan persamaan hukum pertama dU = δQ P – PdV
		δQP = dU + PdV,
		δQP = dU + PdV,

di mana, dengan menggunakan sifat-sifat diferensial, kami melakukan transformasi berikut:

δQP = dU + d(PV) = d(U + PV).

Nilai dalam kurung U + PV dilambangkan dengan huruf H dan disebut entalpi sistem. Kemudian

δQP = dH; Q \u003d H \u003d H2 - H1.

Dengan demikian, panas yang diterima sistem dalam proses isobarik dihabiskan untuk kenaikan entalpi. Entalpi adalah properti atau fungsi dari keadaan sistem, dan perubahannya tidak bergantung pada jalur prosesnya, karena perubahan dalam ketiga kuantitas U , P dan V hanya ditentukan oleh keadaan awal dan akhir sistem. Nilai absolut entalpi, seperti energi dalam, tidak dapat ditentukan. Berdasarkan data eksperimen, hanya perubahan entalpi H dari zat yang ditinjau yang ditentukan ketika kondisi eksternal berubah atau H sistem yang ditinjau ketika proses berlangsung di dalamnya.

Kita melihat bahwa dalam dua kasus khusus, yaitu ketika V = const dan P = const , panas yang diterima oleh sistem akan meningkatkan nilai fungsi keadaan, masing-masing U