Д.Г. Кнорре, Л.Ф. Крылова, В.С. Музыкантов - Физическая химия

Д.Г. КНОРРЕ, Л.Ф. КРЫЛОВА, В.С. МУЗЫКАНТОВ Кй! М М!Я ИЗДАНИЕ ВГОРОЕ, ИСПРАВЛЕННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ Допущено Государственным комитетом СССР по народному образованию в качестве учебника для студентов химических и биологических специальностей высших учебных заведений ЧР~Ц~13~Ц~ййС© й1ОСЕВА ВЫСШАЯ ШКОЛА 1990 ЬЙЛ~ ББК 24.5 Кбб УДК 541 Кнорре Д. Г., Крылова Л, Ф., ййузыкантов В, С.

К53 Физическая химия: Учеб. для биол. ф-тов университетов и пед. вузов. — 2-е иэд., испр. и доп. — М.: Высш. шк., 1990.— 416 с.: ил. 15 В)т) 5-06-000655-7 Нстрааициаиво ахлетаютса строеиие вещестае, термоциввмика и кааетика хв- митеских ироцессев, ссстоакие вещества. Рессмвъриваютса ловерхлостиые авлеииа, ИролессЫ церелосв с акцеитом ва Лвффтвию, електретескрю Ировоаимость. сеаимех.

твцаю и хроттетотрвфию, ББК 24.0 041 1708000000(4309000000) %33 00Ц01) — 90 110 — 90 Й Л. Г. Кворре, Л. 4т. Крылова, В. С, Музыкантов, Г990 18 ВИ 5-06-000655-7 Рецензент — проф. О, М. Полторак (Московский гасударственный универ- ситет иы. М В. Ломоносова) ПРщмслОвие В учебнике изложены три основных раздела физической химии — строение вещества, химическая термодинамика и химическая кинетика, необходимые для осмысленного восприятия неорганической, органической и аналитической химии.

Он составлен на основе курса лекций, читаемого авторами на протяжении ряда лет студентам факультета естественных наук Новосибирского университета, специализирующимся по химии н биологии. Главная особенность данного учебника, отличающая его от других существующих курсов физической химии, состоит в том, что он предназначен для студентов первого курса. Позтому изложение основных идей и понятий физической химии опирается на знания в объеме школьных программ по химии, физике и математике. Курс состоит нз двух частей. В первой рассматривается строение вещества. Здесь принят подход к химической системе как системе из взаимодействующих злектронов и ядер, из которых формируются атомы, многоатомные частицы, а затем и макроскопические системы — вещества и нх смеси (растворы).

Чтобы показать в неразрывной связи со строением состояние соответствующих систем, авторы отказались от традиционного расположения материала. В частности, понятия внутренней знергии и знтропии вводятся в первой части курса в связи с изложением вопросов строения и состояния макроскопнческих систем. Это же относится к таким понятиям теории растворов, как предельно разбавленный и идеальный растворы, связанным именно с особенностями строения растворов, определяемого характером взаимодействия между частицами в растворе.

Вторая часть курса содержит теорию химического процесса. Здесь рассматриваются термодинамика и кинетика химических реакций. В учебнике, предназначенном для студентов первого курса, нельзя строго определить многие фундаментальные понятия, дать физическое обоснование н подробный математический вывод некоторых фундаментальных законов физической химин. Однако авторы сочли необходимым хотя бы постулативно ввести эти законы и если не обосновать, то пояснить смысл вводимых понятий. Это позволило построить изложение курса на квантовых и стати- 3 стических законах, опираясь при этом на понятия о волновых функциях, молекулярных орбиталях„термодннамических потенциалах, коэффициентах активности, актнвированных комплексах.

Знакомство студентов с физической химией на начальном этапе химического образования позволяет более компактно рассматривать последующие дисциплины, избегая многочисленных, рассеивающих внимание теоретических отступлений, необходимых для изложения этих дисциплин на современном уровне, но относящихся по существу к физической химии. Более компактное построение преподавания цикла химических дисциплин особенно существенно для студентов-биологов, так как позволяет раньше приступить к изучению биологической химии и молекулнрной биологии. При работе над вторым изданием данного учебника авторы считали своей основной задачей дополнить его теми разделами, которые особенно остро необходимы для создания у будущих специалистов-биологов полного фундамента физико-химических знаний. С этой целью написаны две новые главы в о процессах переноса (с главным акцентом на процессы диффузии„седиментации и электрической проводимости, гл.

ХЧ111) и о поверхностных явлениях и дисперсных системах (составляющих предмет специального раздела физической химии, часто называемого коллоидной химией, гл. ХИ1). Кроме того, в гл. Ч111 (строение макроскопических систем) введен параграф ($8.5) о высокомолекулярных соединениях. Остальные изменения представляют собой небольшие дополнения, уточнения в формулировках и некоторые перестановки, неизбежные при введении нового материала. Прн этом был учтен опыт работы с первым изданием и пожелания коллег. Хотя подбор материала и иллюстраций к общим положениям в существенной мере учитывает интересы именно биологического образования, изложение носит достаточно общий характер, чтобы книга могла быть использована для обучения физической химии студентов периого курса химической специализации в качестве курса„ предваряющего изучение неорганической, органической и аналитической химии.

Конечно, при этом предполагается, что будущие специалисты-химики на старших курсах получат необходимые сведения по тем разделам физической химии, которые существенно базируются на знании основ теоретической физики и серьезного математического аппарата — квантовой химии, статистической термодинамики, теории сложных химических процессов. Авторы Строение и состояние вещества члсть гпавл т СИСТЕМЫ И ИХ СОСТОЯНИЕ Прн изучении материального мира принято выделять нсследуемый объект (мысленно нлн реально) н называть его системой, а все остальное рассматрнвать как окружающую среду, Система может быть изолирована от окружающей среды нлн взанмодействовать с ней, Она может состоять нз отдельной частицы (молекулы, атома, электрона н т.

д.) нлн нз многих частиц (определенного колнчества газа, жидкости, твердого вещества н т. д.). Поведенне системы полностью определяется природой образующих ее частиц, характером нх взанмодействня между собой н характером взаимодействия системы с окружающей средой. Важнейшнм понятием, характернзующнм систему, является состояние системы. Под этнм термином понимается совокупность всех свойств системы, которые обычно определяются некоторымн количественными характеристиками — физическими величинами. Между этими величинами существуют определенные связи, так что для однозначного определения состояния чаще всего необходнм лишь нх сравнительно ограниченный набор. $1.1. Состояния чветнц Строение н свойства веществ завнсят от расположения н двнження образующих нх частиц. Поэтому прежде всего необходимо рассмотреть состояния отдельных частиц н наиболее общие характернстнкн движения, т.

е. такне, которые не зависят от природы частиц. Существование этих свойств н связи между ними вытекают нз законов механики. Рассмотрим вращательное движение частицы относительно некоторого центра: материальная точка с массой т движется по окружности радиуса Р с постоянной угловой скоростью го. Даже такая примитивная система обладает большим числом разнообразных свойств. Из законов механики известно, что эта материальная точка имеет постоянную по модулю, но изменяющуюся по направлению скорость о=гаР. Движение точки характеризуется определенным ускорением (центростремительное ускорение) гиаР.

Ей свойствен импульс р то=тгоР. Е Очень важной характеристикой вращательного движения является момент импульса, представляющий собой вектор р М, направленный вдоль оси, которая проходит через центр вращения и перпендикулярна плоскости орбиты (рис. а 1). В случае движения по окружности модуль этого вектора М = РР = тмРа. (1.1) Рнс. П Вращение матернааьноз тонни с массою гн В более общем случае момент имно окружности радиуса й пульса можно найти как векторное про- вокруг оси а: нзведенне радиуса-вектора материальной "„„-,~~„"",гм"' „"а„,а „„"„: „а,, точки и ее импульса М=[1(, р).

Вектор- ным произведением двух векторов пазы. вается вектор, перпендикулярный обоим векторам и равный по величине произведению их модулей на синус угла между ними. Направление вектора М ясно нз рис. 1. Материальная точка обладает кинетической энергией ~к 2 2 Важной величиной при описании вращения является момент иперции точки (1.2) где т — ее масса; Р— расстояние до оси вращения.

Пользуясь величинами момента импульса и момента инерции, можно записать выражение для кинетической энергии: (1.3) к 2 2гайа 2Е а для угловой скорости вращения Соотношение (1.3) можно рассматривать как аналог известного выражения для кинетической энергии тчз (ие)з эг 2 2и 2ш а (1.4) — как аналог соотношения о р/гп, так что момент импульса и момент инерции при вращении — аналоги импульса и массы частицы, совершающей поступательное движение. Более общим случаем является движение двух жестко связанных точечных масс пь и шэ, расположенных на расстоянии Я.

В такой системе вращение происходит относительно центра масс, расстояния которого до материальных точек обратно пронорцнональны нх массам, т. е. пиЯ~=тЯь Учитывая, что Р~+й~ Я, получаем Я~ )тшз(~т~+гпе) н Яз=Вп,фл~+иД. Подставив эти соотношения в выражение для общего момента инерции Х=т,ф~~+тДз~= ~'~' Щ (1.5) м~ + ~~э видим, что соотношение (1.5) сонпадает с (1.2), если заменить массу и на приведенную массу р. определяемую уравнением ачюэз (1.6) ~1+ м2 При этом сохраняют свою форму н все другие соотношения для характеристик вращательного движения. Существенно, что, несмотря на огромное число различных свойств вращательного движения для частицы заданной массы, все эти свойства с помощью соответствующих законов механики можно выразить через две величины, определяющие движение материальной точки, — в и Я.