Файл: Болдырев, А. И. Физическая и коллоидная химия учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 14.10.2024
Просмотров: 124
Скачиваний: 0
гии составляет примерно 0,5—1,5%, а для таких культур, как рис, сое вые бобы, сахарная свекла, сахарный тростник, кукуруза и некоторых других, 4—5% от общего количества солнечной энергии, попадающей на посевы за вегетационный период. Есть основание считать, что пол ное раскрытие наукой механизма процесса фотосинтеза и овладение управлением им даст возможность повысить коэффициент использова ния солнечной энергии растениями в два-три и более раз.
Такие дисциплины, как агрохимия, почвоведение, физиология рас тений, микробиология, биохимия, земледелие, защита растений и многие другие, широко используют методы и основные теоретические положения физической химии.
Преподавание физической химии в сельскохозяйственных высших учебных заведениях имеет свою специфику. Основной задачей курса является изучение теоретических основ этой науки, знакомство с физи ко-химическими методами исследования с целью их применения в ре шении основных вопросов сельского хозяйства.
Роль русских и советски: ученых в развитии физической химии. Основате лем физической химии является великий русский ученый М. В. Л о м о н о с о в (1711 —1765). Ему принадлежит сам термин «физическая химия»; определение задач этой науки было дано им еще в 1752 г., когда он приступил к чтению систе матического курса физической химии для студентов Академии наук. Ломоносовым было написано первое учебное пособие «Введение в истинную физическую химию», а также составлена программа экспериментальных работ — «Опыт физической химии» (1754). Под его непосредственным руководством студенты не только про ходили лабораторный практикум, но и выполняли дипломные работы по физи ческой химии.
Задачи, которые должна решить физическая химия, Ломоносов сформулиро вал следующим образом: «Физическая химия есть наука, объясняющая на осно вании положений и опытов физики то, что происходит в смешанных телах при хи мических операциях». Это определение физической химии очень близко к совре менному.
Ломоносов выдвинул и обосновал целый ряд положений, которые легли в ос нову физической химии и не потеряли своего значения и сейчас. Им впервые был открыт закон сохранения материи и движения — один из величайших законов природы.
Ломоносов создал стройную кинетическую теорию материи и объяснил теп лоту как проявление движения молекул. Он первым указал на невозможность
перехода теплоты от холодного тела к горячему, |
и тем самым вплотную подошел |
к формулировке второго закона термодинамики. |
Ломоносов впервые ввел в нау |
ку представление о молекулах и установил четкое различие между молекулами н атомами. Он объяснил природу газового состояния, высказал мысль о существо вании абсолютного нуля температуры, дал правильное толкование процесса раст ворения как проявления взаимодействия молекул растворенного вещества с мо
лекулами растворителя, выполнил целый ряд обстоятельных работ по изучению растворов.
Таким образом, Ломоносов является не только основателем физической хи мии, но и первым в мире физико-химиком.
Русский ученый Г. И. Г е с с (1802—1850) профессор Горного института в Петербурге впервые сформулировал основной закон термохимии о постоянстве сумм тепла при химических реакциях. Этот закон, впоследствии названный его именем, следует рассматривать как одно из выражений открытого позднее перво го закона термодинамики применительно к химическим реакциям.
Большая заслуга в |
дальнейшем развитии физической химии принадлежит |
русскому ученому Н. Н. |
Б е к е т о в у (1826—1911), который с 1865 г. возобно |
вил после Ломоносова чтение курса физической химии; он впервые (1865) дал частную формулировку закона действующих масс. Значительный вклад в разви
— 8 —
тие физической химии внесли работы Бекетова по изучению восстанавливающей способности одних металлов по отношению к другим.
Первый в мире учебник по физической химии также был создан в России Н. Н. Л ю б а в и н.ы м. Он вышел в 1876—1877 гг. и выдержал два издания.
Ценный вклад в развитие представлений о строении вещества внес осново положник теории химического строения органических соединений А. М. Бутле ров (1828—1886).
Для развития химической науки вообще и для физической химии в частности огромное значение имело открытие Д. И. М е н д е л е е в ы м (1834 — 1907) пе риодического закона химических элементов (1869), впоследствии названного его именем. Этот закон позволил на основании знания химических свойств одних элементов предвидеть свойства других. Оценивая это открытие Д. И. Менделеева,
Ф. Энгельс |
писал: «Менделеев, применив бессознательно гегелевский |
закон |
о переходе |
количества в качество, совершил научный подвиг, который |
смело |
можно поставить рядом с открытием Леверье, вычислившего орбиту еще неиз вестной планеты — Нептуна»*.
Менделеев является также автором гидратной теории растворов, на которой основаны современные исследования в области растворов.
Большая роль в развитии сельского хозяйства в России принадлежит трудам Д. И. Менделеева в области агрохимии. Он впервые поставил задачу широкого использования химии для подъема отечественного сельского хозяйства. Можно с полным правом утверждать: если бы Менделеев не открыл и не разработал пери одический закон химических элементов, его имя вошло бы в историю науки и на родного хозяйства благодаря замечательным трудам в области сельского хозяй ства, особенно в области удобрений.
Известный русский ученый К. А. Тимирязев проходил сельскохозяйственную практику под руководством Д. И. Менделеева, а Д. Н. Прянишников был учени ком и последователем К. А. Тимирязева. Благодаря такой преемственности воз никло целое направление в отечественной агрохимии, которое сыграло выдаю щуюся роль в широком творческом проникновении химии в сельское хозяйство, в его всесторонней химизации (выражение Д. Н. Прянишникова).
Известную роль в развитии физической химии сыграли работы И. А. Каблу кова (1857—1942), который, исходя из гидратной теории Д. И. Менделеева, уста новил явление гидратации ионов электролитов в водных растворах и сущность химического взаимодействия в процессах электролитической диссоциации (1891). Им впервые были выполнены работы по исследованию поведения электролитов в неводных растворах. Каблуков организовал первую кафедру физической хи мии в сельскохозяйственном вузе и начал читать систематический курс физиче ской химии будущим агрономам.
После Великой Октябрьской социалистической революции физическая хи мия стала развиваться особенно бурно.
Работы Н. С. Курнакова — создателя физико-химического анализа, Н. Д. Зе линского — основателя научной школы органического катализа, Н. А. Шилова, выполнившего ряд важных работ в области кинетики сопряженных химических реакций и адсорбции растворенных веществ из растворов, а также других ученых заложили прочный фундамент в развитии физической химии. Крупный вклад в развитие физической химии внесли исследования Н. Н. Семенова, разработав шего теорию цепных разветвленных реакций, П. А. Ребиндер, А. Н. Фрумкин, М. М. Дубинин и другие советские ученые в исследованиях, охватывающих об ласть поверхностных явлений и адсорбции. Огромное практическое значение для повышения плодородия почв имели исследования К. К. Гедройца — создателя учения о почвенном поглощающем комплексе, а также Д. Н. Прянишникова.
* Ф. Э н г е л ь с . Диалектика природы. Политиздат, 1965, стр. 49.
«Химик без знания физики подобен человеку, который всего искать должен ощупом. И сии две науки так соединены между собой, что одна без другой в со вершенстве быть не могут».
М. В. Ломоносов
Г л а в а I
МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ТРЕХ АГРЕГАТНЫХ СОСТОЯНИЙ ВЕЩЕСТВА
§ 1. Агрегатные состояния вещества. Понятие о плазме
В зависимости от внешних условий (температуры и давления) почти каждое вещество может находиться в газообразном, жидком или твердом состоянии. Это есть агрегатные состояния вещества. Агрегат ное состояние характеризуется двумя факторами — силами межмоле кулярного взаимодействия и кинетической энергией теплового движе ния молекул.
Вещество в газообразном состоянии обладает способностью беспре пятственно расширяться и стремится занять весь предоставленный ему объем. Молекулы газа находятся на сравнительно больших рассто яниях друг от друга, поэтому силы взаимодействия между ними очень слабые. При повышении давления газы легко изменяют свой объем.
Жидкость принимает форму заключающего ее сосуда, но сохраня ет постоянным своп объем. В жидкостях молекулы более сближены, чем в газах. Силы межмолекулярных взаимодействий в жидкостях больше, чем в газах.
Однако молекулы их не закреплены в определенных точках про-, странства и аналогично газам находятся в хаотическом поступатель ном движении. При повышении давления жидкости лишь незначитель но изменяют свой объем, поскольку этому препятствуют силы электро статического отталкивания, увеличивающиеся при сближении моле кул. Иными словами, жидкости являются практически несжимаемыми веществами.
Твердое вещество имеет собственную форму и объем. Силы притя жения между молекулами в твердых телах уравновешиваются силами отталкивания. Этим объясняется геометрически правильное располо жение частиц кристалла в определенных точках пространства, обра зующих пространственную кристаллическую решетку. Частицы твер дого тела утрачивают свободу поступательного движения и испытывают только колебательные движения, находясь в узлах кристаллической решетки.
- ю
Не все вещества способны находиться во всех трех агрегатных со стояниях. Для некоторых веществ возможны только одно или два агре гатных состояния. Так, карбонат кальция СаС03 практически невоз можно получить ни в жидком, ни в газообразном состояниях, посколь ку при нагревании он разлагается на нелетучую окись кальция и га зообразную двуокись углерода. Другие вещества при определенных условиях могут находиться одновременно в двух или даже трех агрегат ных состояниях. Так, вода при давлении 4,579 мм pm. cm. (6,14 х X 102«/л<2) и температуре 0,0075° С находится в устойчивом равновесии в трех состояниях: твердом (лед), жидком (жидкая вода) и газообраз ном (водяной пар).
Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется
парообразованием, из твердого в газообразное — сублимацией и из твердого в жидкое — плавлением. Обратные процессы перехода соот ветственно носят название сжижения, десублимации и отвердевания.
Все эти процессы, как правило, сопровождаются выделением теплоты (теплоты парообразования, сублимации, плавления и т. д.).
Постепенно изменяя внешние условия (температуру и давление), можно осуществлять переход из одного агрегатного состояния в другое.
С изменением температуры и давления постепенно изменяются рас стояния между частицами в веществе, что оказывает влияние на ко личественную сторону, а на определенном этапе в результате скачка вещество приобретает новое качество, т. е. переходит в новое агрегат ное состояние. Агрегатные состояния, — по выражению Энгельса, — узловые точки, где количественное изменение переходит в качественное.
Кроме перечисленных выше трех состояний вещество может нахо диться в четвертом агрегатном состоянии — плазменном, которое от крыто сравнительно недавно. Состояние плазмы возникает в том слу чае, если на вещество в газообразном состоянии действуют такие силь ные ионизирующие факторы, как сверхвысокие температуры (в не сколько миллионов градусов), мощные электрические разряды или электромагнитные излучения. При этом происходит разрушение моле кул и атомов вещества и превращение его в смесь, состоящую из по ложительно заряженных ядер и электронов, движущихся с колоссаль ными скоростями. По этой причине плазму иногда называют электрон но-ядерным газом.
Различают два вида плазмы: изотермическую и газоразрядную. Изотермическая плазма получается при высоких температурах, под влиянием которых имеет место термическая диссоциация атомов Еещества, и может существовать неограниченно долго. Такой вид плаз мы представляет собой вещество звезд, а также шаровых молний. Ионосфера Земли — это также особая разновидность плазмы; одна ко в данном случае ионизациия происходит под влиянием ультрафиоле
тового излучения Солнца.
Изотермическая плазма играет исключительно важную роль в кос мических процессах. Три других агрегатных состояния вещества в кос мическом пространстве являются исключением.
Газоразрядная плазма образуется при электрическом разряде и по этому устойчива только при наличии электрического поля. Как только
прекращается действие внешнего поля, газоразрядная плазма вслед ствие образования нейтральных атомов из ионов и электронов исчеза
ет в течение I0-s —10-4 сек.
Одним из замечательных свойств плазмы является ее высокая элек тропроводность. Чем выше температура плазмы, тем выше ее электро проводность. В силу этого через плазму можно пропускать токи в
сотни тысяч и миллионы ампер.
При прохождении через плазму электрический ток создает вокруг нее сильное магнитное поле, которое сжимает поток электронов и ионов в плазменный шнур. Этим достигается тепловая изоляция плазмы от стенок сосуда. С увеличением силы тока электромагнитное сжатие плаз
мы проявляется сильнее.
При пропускании через плазму токов большой величины можно под нять ее температуру до миллиона градусов и выше, а давление — до десятка миллиардов атмосфер. Подобные условия, как известно, бла гоприятны для проведения термоядерных реакций синтеза.
В Советском Союзе в настоящее время ведутся работы по осущест влению управляемой термоядерной реакции. Пионером в этой области был академик И. В. Курчатов. При условии успешного завершения этих работ человечество получит новыйнеисчерпаемый источник энергии.
ГАЗООБРАЗНОЕ (ПАРООБРАЗНОЕ) СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА
Сила взаимодействия между молекулами, как известно, зависит от расстояния, на котором они находятся друг от друга. Силы межмэлекулярного взаимодействия (так называемые силы когезии) за пре
делами расстояния большего 10~7 см от центра молекулы |
настолько ос |
лабевают, что ими можно пренебречь. |
молекул газа |
Средней кинетической энергии теплового движения |
вполне достаточно, чтобы преодолеть силы когезии (силы межмолеку лярного взаимодействия). При столкновении молекул друг с другом, когда одна молекула попадает в силовое поле притяжения другой моле кулы, между ними возникает мгновенное когезионное взаимодействие. Однако из-за больших скоростей молекулы не могут сколько-нибудь длительно удерживаться друг возле друга и быстро разлетаются в раз ные стороны до следующего соударения с другими молекулами и т. д. Число этих соударений в 1 сек для одной молекулы равно 10я. Вот по чему газ путем почти беспрепятственной диффузии может равномерно распределяться по всему объему, который ему предоставлен (текучесть газа).
Чем больше давление, тем больше число столкновений молекул га за в 1 сек, а следовательно, и суммарные мгновенные когезионные вза имодействия между ними оказывают большее влияние на свойства дан ного газа. И наоборот, в состоянии сильного разрежения размеры мо лекул по сравнению с межмолекулярными расстояниями и силы взаи модействия между молекулами ничтожны.
В силу хаотического движения молекул газа концентрация их в лю бой части занимаемого газом пространства одинакова, как и плотность его во всей массе.
12 —