Физи́ческая хи́мия (часто в литературе сокращённо — физхимия) — раздел химии, наука об общих законах строения, структуры и превращения химических веществ. Исследует химические явления с помощью теоретических и экспериментальных методов физики. Наиболее обширный раздел химии.
История физической химии Термин «физическая химия» впервые был использован немецким алхимиком Генрихом Кунратом в 1598-м годуKhunrath H. Symbolum Physico-Chymicum. Hamburg, 1598.; в XVII—XVIII вв. этот термин являлся общепринятым для обозначения того, что сегодня мы называем «теоретической химией»Соловьёв Ю. И. Очерки по истории физической химии. М: Наука, 1964. С. 7..
В отечественной историографии химии считается, что начало физической химии было положено в середине XVIII века. Термин «Физическая химия», в современном понимании методологии науки и вопросов теории познания«Физической химией» ещё в алхимии именовали определённые концептуальные представления этого философского конгломерата искусства и науки, но то понятие, конечно, никоим образом нельзя ассоциировать с методологической системой, которую подразумевает предложенное к разработке и развивавшееся им самим учение М. В. Ломоносова, принадлежит М. В. Ломоносову, который в 1752 году впервые читал студентам Академического университета «Курс истинной физической химии». В преамбуле к этим лекциям он даёт такое определение: «Физическая химия — наука, которая должна на основании положений и опытов физических объяснить причину того, что происходит через химические операции в сложных телах». Учёный в трудах своей корпускулярно-кинетической теории тепла касается вопросов, в полной мере отвечающих вышеизложенным задачам и методам. Именно такой характер носят и экспериментальные действия, служащие подтверждению отдельных гипотез и положений настоящей концепции. М. В. Ломоносов следовал таким принципам во многих направлениях своих исследований: в разработке и практической реализации основанной им же «науки о стекле», в различных опытах, посвящённых подтверждению закона сохранения вещества и силы (движения); — в работах и экспериментах, имеющих отношение к учению о растворах — им была разработана обширная программа исследований настоящего физико-химического феномена, находящаяся в процессе развития до настоящего времени.
Затем последовал более чем столетний перерыв и одним из первых в России физикохимические исследования в конце 1850-х годов начал Д. И. Менделеев.
Следующий курс физической химии читал уже Н. Н. Бекетов в Харьковском университете в 1865 году.
Во второй половине XIX века значительный вклад в развитие физической химии сделал американец Гиббс.
Первый научный журнал, предназначенный для публикации статей по физической химии («Zeitschrift für physikalische Chemie»), был основан в 1887 году В. Оствальдом и Я. Вант-Гоффом.
Первая в России кафедра физической химии была открыта в 1914 году на физико-математическом факультете Санкт-Петербургского университета, осенью приступил к чтению обязательного курса и практическим занятиям по физической химии ученик Д. П. Коновалова М. С. Вревский.
Предмет изучения физической химии Физическая химия является основным теоретическим фундаментом современной химии, использующим теоретические методы таких важнейших разделов физики, как квантовая механика, статистическая физика и термодинамика, нелинейная динамика, теория поля и др. Она включает учение о строении вещества, в том числе: о строении молекул, химическую термодинамику, химическую кинетику и катализ. В качестве отдельных разделов в физической химии выделяют также электрохимию, фотохимию, физическую химию поверхностных явлений (в том числе адсорбцию), радиационную химию, учение о коррозии металлов, физико-химию высокомолекулярных соединений (см. физика полимеров) и др. Весьма близко примыкают к физической химии и подчас рассматриваются как её самостоятельные разделы коллоидная химия, физико-химический анализ и квантовая химия. Большинство разделов физической химии имеет достаточно чёткие границы по объектам и методам исследования, по методологическим особенностям и используемому аппарату.
Различие между физической химией и химической физикой Обе эти науки находятся на стыке между химией и физикой, иногда химическую физику включают в состав физической химии. Провести чёткую границу между этими науками не всегда возможно. Однако с достаточной степенью точности это отличие можно определить следующим образом: физическая химия рассматривает суммарно процессы, протекающие с одновременным участием множества частиц; химическая физика рассматривает отдельные частицы и взаимодействие между ними, то есть конкретные атомы и молекулы (таким образом, в ней нет места понятию «идеальный газ», которое широко используется в физхимии).
Разделы физической химии
Коллоидная химия Колло́идная хи́мия ( ‘клей’) — традиционное название физической химии дисперсных систем и поверхностных явлений, возникающих на границе раздела фазЗахарченко В. Н. Коллоидная химия: Учеб. для медико-биолог. спец. вузов.-2-е изд., перераб. и доп.-М.: Высш.шк., 1989.-238 с.: ил.. Она изучает адгезию, адсорбцию, смачивание, коагуляцию, электрофорез и разрабатывает технологии строительных материалов, бурения горных пород, золь-гель-технологии. Современная коллоидная химия представляет собой науку, которая находится на стыке химии, физики, биологии.
Основные направления современной коллоидной химии: Термодинамика поверхностных явлений. Изучение адсорбции ПАВ. Изучение образования и устойчивости дисперсных систем, их молекулярно-кинетических, оптических и электрических свойств. Физико-химическая механика дисперсных структур. Разработка теории и молекулярных механизмов процессов, происходящих в дисперсных системах под влиянием ПАВ, электрических зарядов, механического воздействия и т. п.
Кристаллохимия Кристаллохи́мия — это наука о кристаллических структурах и их связи с природой веществаБокий Г. Б. Кристаллохимия. М.: Изд-во МГУ, 1960. — 357 с.. Будучи разделом химии, кристаллохимия тесно связана с кристаллографией и изучает пространственное расположение и химическую связь атомов в кристаллах, а также зависимость физических и химических свойств кристаллических веществ от их строения. С помощью рентгеноструктурного анализа, структурной электронографии и нейтронографии кристаллохимия определяют абсолютные величины межатомных расстояний и углы между линиями химических связей (валентные углы). Кристаллохимия располагает обширным материалом о кристаллических структурах более 425 тысяч соединений, более половины из которых составляют неорганические соединения.
В задачи кристаллохимии входит: систематика кристаллических структур и описание наблюдающихся в них типов химической связи; интерпретация кристаллических структур (выяснение причин, определяющих строение того или иного кристаллического вещества) и их предсказание; * изучение связи физических и химических свойств кристаллов с их структурой и характером химической связи.
Радиохимия Радиохимия ведёт работу со сверхмалыми количествами веществ и с очень сильно разбавленными растворами, а также с источниками ионизирующих излученийНесмеянов А. Н., Радиохимия, М., 1972.. Радиоактивность изучаемых радиохимией веществ позволяет и требует использовать специфические высокочувствительные методы измерения их микроскопических количеств, дистанционные автоматизированные методы анализа.
Термохимия
Термохи́мия — раздел химической термодинамики, в задачу которой входит: определение и изучение тепловых эффектов реакций, установление их взаимосвязей с различными физико-химическими параметрами измерение теплоёмкостей веществ и установление их теплот фазовых переходов.
Основными экспериментальными методами термохимии являются: калориметрия, дифференциальный термический анализ, дериватография.
Учение о строении атома А́том (от др.-греч. ἄτομος — неделимый) — частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. В некоторых случаях под атомами понимают только электронейтральные системы, в которых заряд ядра равен суммарному заряду электронов, тем самым противопоставляя их электрически заряженным ионам.
Ядро, несущее более чем 99,9 % массы атома, состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: число протонов Z соответствует порядковому номеру атома в периодической системе и определяет его принадлежность к некоторому химическому элементу, а число нейтронов N — определённому изотопу этого элемента. Число Z также определяет суммарный положительный электрический заряд (Ze) атомного ядра и число электронов в нейтральном атоме, задающее его размер. Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.
Учение о коррозии металлов Корро́зия (от лат. corrosio — разъедание) — это самопроизвольное разрушение металлов в результате физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Причиной коррозии служит термодинамическая неустойчивость конструкционных материалов к воздействию веществ, находящихся в контактирующей с ними среде. В повседневной жизни для сплавов железа (сталей) чаще используют термин «ржавление». Менее известны случаи коррозии полимеров. Применительно к ним существует понятие «старение», аналогичное термину «коррозия» для металлов. Скорость коррозии, как и всякой химической реакции, очень сильно зависит от температуры. Повышение температуры на 100 градусов может увеличить скорость коррозии на несколько порядков.
Учение о растворах Раство́р — однородная смесь, состоящая из частиц растворённого вещества, растворителя и продуктов их взаимодействия. Образование того или иного типа раствора обусловливается интенсивностью межмолекулярного, межатомного, межионного или другого вида взаимодействия, то есть, теми же силами, которые определяют возникновение того или иного агрегатного состояния. Отличия: образование раствора зависит от характера и интенсивности взаимодействия частиц разных веществ. Растворы бывают газовыми, жидкими и твёрдыми.
Химическая кинетика
Химическая кинетика или кинетика химических реакций — раздел физической химии, изучающий закономерности протекания химических реакций во времени, зависимости этих закономерностей от внешних условий, а также механизмы химических превращений.
Молекулярность элементарной реакции — число частиц, которые, согласно экспериментально установленному механизму реакции, участвуют в элементарном акте химического взаимодействия.
Мономолекулярные реакции — реакции, в которых происходит химическое превращение одной молекулы (изомеризация, диссоциация и т. д.):
H2S → H2 + S
Бимолекулярные реакции — реакции, элементарный акт которых осуществляется при столкновении двух частиц (одинаковых или различных):
СН3Вr + КОН → СН3ОН + КВr
Тримолекулярные реакции — реакции, элементарный акт которых осуществляется при столкновении трёх частиц:
О2 + NО + NО → 2NО2
Реакции с молекулярностью более трёх неизвестны.
Для элементарных реакций, проводимых при близких концентрациях исходных веществ, величины молекулярности и порядка реакции совпадают. Чётко определённой взаимосвязи между понятиями молекулярности и порядка реакции нет, так как порядок реакции характеризует кинетическое уравнение реакции, а молекулярность — механизм реакции.
Катализ — процесс, заключающийся в изменении скорости химических реакций в присутствии веществ, называемых катализаторами. Каталитические реакции — реакции, протекающие в присутствии катализаторов.