В.В. Ерёмин, С.И. Каргов, И.А. Успенская, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин - Основы физической химии. Теория и задачи

ф Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова ТЕОРИЯ И ЗАДА.ьИ Рекомендовано УМО по классическому университетскому образованию в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности 011000 — Химия и по направлению 510500 - Химия Издательство «ЭКЗАМЕН» МОСКВА 2005 ОСНОВЫ ФИЗИЧЕС КОИ ХИМИИ УДК 544(075.8) ББК 24.5я73 0-75 Коллектив авторов: доцент химического факультета МГУ, доктор физико- математических наук, лауреат Премии Президента РФ в области образования; доцент химического факультета МГУ, кандидат химиче- ских наук; доцент химического факультета МГУ, кандидат химиче- ских наук; профессор химического факультета МГУ, доктор физико- математических наук, лауреат Премии Президента РФ в области образования; академик РАН, профессор химического факультета МГУ, доктор химических наук, лауреат Премии Президента РФ в области образования.

Еремии В.В. Каргов С.И. Успенская И.А. Кузьменко И.Е. Лупин В.В. Рецеизепгпьк профессор Коробов М.В., профессор Собянин В.А. ! БВХ 5-472-00834-4 Книга представляет собой краткий курс современной физической химии. Она построена по классическому принципу; каждый параграф начинается с изложения теоретического материала, за которым следуют примеры решения задач и задачи для самостоятельного решения. Всего в книге содержится около 800 задач по основным разделам физической химии. Ко всем расчетным залачам ланы ответы илн указания к решению.

В приложении приведена вся необходимая для решения задач информация: таблицы термодннамическнх и кинетических данных, список основных физико-химических формул н математический минимум, Книга предназначена для студентов и преподавателей университетов, а также химических, биологических и медицинских вузов. УДК 544(075.8) ББК 24.5я73 Подписало в печать с диапозитивов 20.05.2005. Формат 70х!08П 6. Гарнитура «Таймс». Бумага офсетная. Уч -и ы 1 2 Н77, Уел. печ. л. 42,0. Тираж 5000 зкз. Заказ 712 578 ) 8 В 0) 5-472-00834-4 45 Коллектив авторов, 2005 © Издательство «ЭКЗАМЕН», 2005 О-75 Основы физической химии.

Теория и задачи: Учеб. пособие для вузов В.В. Еремин, С.И. Каргов, И.А. Успенская, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин. — Мг Издательство «Экзамен», 2005. — 480 с. (Серия «Классический университетский учебника) Оглавление ПРЕД ИСЛО В И Е .. Г Л А В А 1. ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ 8 1. Основные понятия термодинамики. Уравнения состояния ....... 8 2. Первый закон термодинамики.. з 3. Термохимия.

з 4. Второй закон термодинамики. Энтропия .................................... з 5. Термодинамические потенциалы .. .... 7 24 36 .. 49 ..65 ГЛ А В А 2. ПРИЛОЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ 8 6. Термодинамика растворов неэлектролитов ...................... 9 7. Гетерогенные равновесия.

Правило фаз Гиббса. Фазовые равновесия в однокомпонентных системах..... з 8. Фазовые равновесия в двухкомпонентных системах ....... з 9. Химическое равновесие.. ~ 10. Адсорбция . ..... 83 ... 105 ... 123 140 158 ГП А В А 3. ЭЛЕКТРОХИМИЯ З 1 !. Термодинамика растворов электролитов ............. 8 12.

Электропроводность растворов электролитов ..... з 13. Электрохимические цепи.. ... 1 7 ! ... 179 !9! ГЛ А В А 5. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА 8 ! 7. Основные понятия химической кинетики ........................................... 258 8 18. Кинетика реакций целого порядка, 268 З 19. Методы определения порядка реакции ............................................... 277 з 20. Влияние температуры на скорость химических реакций ...,...,........ 286 8 21. Кинетика сложных реакций .. 297 8 22. Приближенные методы химической кинетики ...................,..........,.... 310 З 23.

Катализ .. 323 з 24. Фотохимические реакции . 346 8 25. Теории химической кинетики . 356 з 26. Химическая динамика.. ............................................. 3 7 7 ГЛ А В А 4. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА З 14. Основные понятия статистической термодинамики. Ансамбли ....... 206 8 15. Сумма по состояниям и статистический интеграл,............................ 219 з 16. Статистический расчет термодинамических свойств идеальных и реальных систем. Оглавление ,...

393 . 403 ОТВЕТЫ . ..446 .468 ЛИТЕРАТУРА ..471 Г Л А В А 6. ЭЛЕМЕНТЫ НЕРАВНОВЕСНОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ 9 27. Линейная неравновесная термодинамика .......... 9 28. Сильно неравновесные системы ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение 1. Единицы измерения физических величин ............. Приложение П.Фундаментальные физические постоянные,......... Приложение 1П.Таблицы физико-химических данных ........,......... Приложение 1У.

Математический минимум,..........,....,.............., Приложение У. Список основных физико-химических формул ... Глава 1. Основы химической термодинамики ...,...,...,......„...... Глава 2. Приложения химической термодинамики,...,...........,.

Глава 3. Электрохимия . Глава 4. Статистическая термодинамика ..............,................... Глава 5. Химическая кинстнка.. Глава 6. Элементы неравновесной термодинамики .........,....... ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ .. ,..... 4 1 2 ...... 4 1 2 ......4 1 3 ......424 ...... 433 ,..... 433 ,..... 436 ..439 ,..... 44 1 ..

442 ......445 Предисловие Предлагаемая вашему вниманию книга представляет собой учебник по физической химии, предназначенный, главным образом, для студентов и преподавателей университетов. Она обобщает многолетний опыт преподавания физической химии студентам естественнонаучных факультетов Московского государственного университета им.

М. В. Ломоносова. Безусловное влияние на отбор материала и характер его изложения оказало общение авторов со студентами и преподавателями факультетов МГУ. От классических учебников по физической химии наша книга отличается тем, что, во-первых, теоретический материал представлен в сжатом и весьма концентрированном виде, и, во-вторых, он подкреплен большим количеством примеров, задач и упражнений. Для тех, кто хочет более тщательно изучить отдельные теоретические вопросы, мы составили подробный список литературы к каждой главе.

Предшественником данной книги послужил наш сборник «Задачи по физической химии» (М.: Экзамен, 2003). Постоянно используя его в работе, мы пришли к выводу, что изложенный в нем теоретический материал нуждается в серьезной переработке. Уровень этой переработки оказался настолько глубоким, что появилась фактически новая книга, в которой основной акцент сделан уже не на задачи, а на теоретические положения физической химии.

Сильнее всего изменились разделы, посвященные основным положениям и прикладным аспектам химической термодинамики. Кроме того, добавлены совершенно новые разделы, в которых рассмотрены современные достижения науки в области нелинейной динамики и химической динамики в фемтосекундном диапазоне. При изложении теоретического материала мы старались быть логичными и стремились показать связь любых физико-химических результатов, приложений и формул с основами, то есть с фундаментальными законами химической термодинамики и химической кинетики. Книга состоит из шести глав, охватывающих основные разделы курса физической химии, можно даже сказать «классические» разделы, имея в виду то обстоятельство, что не только в МГУ, но и в большинстве других университетов ряд разделов традиционной физической химии, таких как коллоидная химия, строение молекул, спектроскопия, имеют статус самостоятельных курсов.

Предисловие Мы решили представить материал каждого параграфа в следующей последовательности: !) теоретическое введение к каждому разделу, содержащее основные определения и формулы; 2) примеры решения задач; 3) задачи для самостоятельного решения. Такая форма изложения, по нашему мнению, является оптимальной для проведения семинарских занятий и подготовки к экзамену по физической химии. К большинству тем приведено по 20 — 30 задач различной степени сложности и по несколько примеров их решения.

Во всех разделах мы стремились, по возможности, комбинировать расчетные и смысловые задачи. Многие задачи содержат «изюминку», то есть требуют глубокого понимания предмета, интуиции и некоторого воображения, а не просто подстановки чисел в известную формулу. Ко всем расчетным залачам приведены ответы или указания к решению. Некоторые задачи взяты из известных учебников и задачников по физической химии (см. список литературы), многие задачи — оригинальные разработки авторов. Разноплановость задач и различие в уровнях сложности позволяют нам надеяться, что этот сборник можно использовать не только в традиционных курсах физической химии, но и в близких по содержанию курсах, например общей или неорганической химии. Мы стремились к тому, чтобы этот учебник был, по возможности, самодостаточным, и поэтому включили в приложение таблицы физико- химических данных и список наиболее часто используемых математических формул.

Приложение содержит также список основных физико- химических формул, который пригодится студентам для экспресс- подготовки к экзамену. Мы выражаем искреннюю благодарность профессору М.В. Коробову за критические замечания, учет которых позволил улучшить качество книги. Авторы буду признательны за любые замечания, пожелания и предложения, которые можно присылать по адресу: 119992, Москва, В-234, Ленинские горы, д.

1, етр. 3, химический факультет МГУ илн по электронной почте: наг))гп®едис.с)зегпэпзц.ги йагйон®р!зуз.сбей.тзи.гп )гаЯ!б.сЬеш.шзц.гц пей!зйедос.с)зетзпзц.ги нн!ОП1п®кое.гпзц.гц В.В. Еремин С.И Киргон ИА. Успенская И.Е. Кузьменко В.В..Жнзин Апрель 2005 г. Глава Основы химической термодинамики ~ 1. Основные понятия термодинамики. Уравнения состояния Основные понятия Термодинамика — наука, изучающая взаимные переходы теплоты и работы в равновесных системах н при переходе к равновесию. Химическая термодинамика — раздел физической химии, в котором термодинамические методы применяются для анализа химических и физикохнмических явлений: химических реакций, фазовых переходов и процессов в растворах.