Физическая химия

Скорость химической реакции

Важным понятием химической кинетики является скорость химической реакции. Эта величина определяет, как  изменяется концентрация компонентов  реакции с течением времени. Скорость химической реакции — величина всегда положительная, поэтому если она  определяется по исходному веществу (концентрация которого убывает в  процессе реакции), то полученное значение домножается на −1.

В 1865 году Н. Н. Бекетовым  и в 1867 году К. М. Гульдбергом и  П. Вааге был сформулирован закон действующих масс, согласно которому скорость химической реакции в каждый момент времени пропорциональна концентрациям реагентов, возведённым в некоторые степени. Кроме концентрации на скорость химической реакции оказывают влияние следующие факторы: природа реагирующих веществ, наличие катализатора, температура (правило Вант-Гоффа) и площадь поверхности раздела фаз.

 

 

• Катализ

Катализ — процесс, заключающийся в изменении скорости химических реакций в присутствии веществ, называемых катализаторами. Каталитические реакции — реакции, протекающие в присутствии катализаторов.

Положительным называют катализ, при котором скорость реакции возрастает, отрицательным (ингибированием) — при котором она убывает. Примером положительного катализа может служить процесс окисления аммиака на платине при получении азотной кислоты. Примером отрицательного — снижение скорости коррозии при введении в жидкость, в которой эксплуатируется металл, нитрита натрия, хромата и дихромата калия.

Многие важнейшие  химические производства, такие, как  получение серной кислоты, аммиака, азотной кислоты, синтетического каучука, ряда полимеров и др., проводятся в присутствии катализаторов.

Термин «катализ»  был введён в 1835 году шведским учёным химиком Йёнсом Якобом Берцелиусом.

Явление катализа распространено в природе (большинство процессов, происходящих в живых организмах, являются каталитическими) и широко используется в технике (в нефтепереработке и нефтехимии, в производстве серной кислоты, аммиака, азотной кислоты  и др.). Большая часть всех промышленных реакций — это каталитические.

Основные принципы катализа

Катализатор изменяет механизм реакции на энергетически  более выгодный, то есть снижает  энергию активации. Катализатор  образует с молекулой одного из реагентов  промежуточное соединение, в котором  ослаблены химические связи. Это  облегчает его реакцию со вторым реагентом. Важно отметить, что катализаторы ускоряют обратимые реакции, как  в прямом, так и в обратном направлениях.

Химия катализа

Химия катализа изучает  вещества, изменяющие скорость химических реакций. Вещества, замедляющие реакции, называются ингибиторами. Ферменты — это биологические катализаторы. Катализатор не находится в стехиометрических отношениях с продуктами и регенерируется после каждого цикла превращения реагентов в продукты. Несмотря на появление новых способов активации молекул (плазмохимия, радиационное и лазерное воздействия и другие), катализ − основа химических производств (относительная доля каталитических процессов составляет 80-90 %).

Реакция, накормившая  человечество (решение проблемы связанного азота) — цикл Габера-Боша. Аммиак получают с катализатором — пористым железом. Протекает при Р = 30 МПа и Т = 420—500 °C

3Н2 + N2 = 2NH3

Водород для синтеза NH3 получают путем двух последовательных каталитических процессов: конверсии  СН4(СН4 + Н2О → СО + 3Н2) на Ni-катализаторах и конверсии образующегося оксида углерода (СО + Н2О → СО2 + Н2). Для достижения высоких степеней превращения последнюю реакцию осуществляют в две стадии: высокотемпературная (315—480 °C) — на Fe−Cr−оксидных катализаторах и низкотемпературная (200—350 °C) — на Cu−Zn−оксидных катализаторах. Из аммиака получают азотную кислоту и другие соединения азота — от лекарств и удобрений до взрывчатых веществ.

Типы катализа 

Гомогенный катализ

Примером гомогенного  катализа является разложение пероксида  водорода в присутствии ионов  йода.

При гомогенном катализе действие катализатора связано с  тем, что он вступает во взаимодействие с реагирующими веществами с образованием промежуточных соединений, это приводит к снижению энергии активации.

Гетерогенный катализ

При гетерогенном катализе ускорение процесса обычно происходит на поверхности твердого тела —  катализатора, поэтому активность катализатора зависит от величины и свойств  его поверхности. На практике катализатор  обычно наносят на твердый пористый носитель.

Механизм гетерогенного  катализа сложнее, чем у гомогенного. Механизм гетерогенного катализа включает пять стадий, причем все они обратимы.

1. Диффузия реагирующих веществ к поверхности твердого вещества
2. Физическая адсорбция на активных центрах поверхности твердого вещества реагирующих молекул и затем хемосорбция их
3. Химическая реакция между реагирующими молекулами
4. Десорбция продуктов с поверхности катализатора
5. Диффузия продукта с поверхности катализатора в общий поток

                Примером гетерогенного катализа  является окисление SO2 в SO3 на  катализаторе V2O5 при производстве  серной кислоты (контактный метод).

Весьма близко примыкают  к физической химии и подчас рассматриваются  как её самостоятельные разделы  коллоидная химия, физико-химический анализ (комплекс методов анализа физико-химических систем путем построения и геометрического анализа диаграмм состояния и комплекс методов анализа физико-химических систем путем построения и геометрического анализа диаграмм состояния и диаграмм состав-свойство. Этот метод позволяет обнаружить существование соединений (например, медистого золота CuAu), существование которых невозможно подтвердить другими методами анализа) и квантовая химия (направление химии, рассматривающее строение и свойства химических соединений, реакционную способность, кинетику и механизм химических реакций на основе квантовой механики). Большинство разделов физической химии имеет достаточно чёткие границы по объектам и методам исследования, по методологическим особенностям и используемому аппарату.

Большинство разделов физической химии имеет достаточно чёткие границы  по объектам и методам исследования, по методологическим особенностям и  используемому аппарату.

 

 

 

 

 

 

 

Химическая  физика — наука о физических законах, управляющих строением и превращением химических веществ.

Рождение химической физики как самостоятельной науки обусловлено появлением в начале XX века квантовой механики, законы которой стали базой теории химической связи, межмолекулярных взаимодействий и реакционной способности молекул. Термин «Химическая физика» ввел Арнольд Эйкен в 1930 г, озаглавив изданное им ранее руководство по физической химии как «Учебник химической физики».

Одним из достижений химической физики следует  считать теорию разветвленных цепных реакций.

В современной химической физике выделяют два главных направления: определение электронной и атомно-молекулярной структуры химических частиц и образованных ими веществ и исследования, связанные с решением проблем химической динамики, то есть изменений во времени энергетических и структурных характеристик частиц.

 

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

• Учение о строении вещества, свойствах молекул, ионов, радикалов, природе химической связи — В этот раздел входит учение о строении атомов и молекул и учение об агрегатных состояниях вещества. Учение о строении атома, относящееся в большей степени к физике, в курсах физической химии необходимо для выяснения вопросов образования молекул из атомов, природы химической связи.
• Химическая термодинамика — В этом разделе физической химии рассматриваются основные соотношения, вытекающие из первого закона термодинамики, которые позволяют рассчитать количество выделяемой или поглощаемой теплоты и определить, как будет влиять на него изменение внешних условий. На основе второго закона термодинамики определяется возможность самопроизвольного течения процесса, а также условия положения равновесия и его смещения под влиянием изменения внешних условий. Внутри данного раздела можно выделить несколько подразделов:
• Термодинамика газов
• Термодинамика растворов рассматривает природу растворов, их внутреннюю структуру и важнейшие свойства, зависимость свойств от концентрации и химической природы компонентов и вопросы растворимости
• Термодинамика адсорбции
• Статистическая термодинамика позволяет получать термодинамические параметры системы исходя из строения компонентов системы и внешних условий
• Химическая кинетика — изучает скорость химических реакций, её зависимость от внешних условий (температура, концентрации). Является одним из важнейших разделов химии, показывает какой именно продукт образуется в сложной системе
• Электрохимия изучает некоторые особенности свойств растворов электролитов, электропроводность растворов, процессы электролиза)
• Звукохимия (акустохимия) изучает химические процессы, протекающие при действии звуковых волн. К области звукохимии так же относятся некоторые физико-химические процессы в звуковом поле: сонолюминесценция (явление возникновения вспышки света при схлопывании кавитационных пузырьков, рождённых в жидкости мощной ультразвуковой волной), диспергирование вещества при действии звука, эмульгирование и другие коллоидно-химические процессы. Основное внимание сонохимия уделяет исследованию химических реакций, возникающих под действием акустических колебаний — звукохимическим реакциям.

Типичный опыт по наблюдению сонолюминесценции выглядит следующим  образом: в ёмкость с водой  помещают резонатор и создают  в ней стоячую сферическую  ультразвуковую волну. При достаточной  мощности ультразвука в самом  центре резервуара появляется яркий  точечный источник голубоватого света  — звук превращается в свет.

 

Как правило, звукохимические  процессы исследуют в ультразвуковом диапазоне (от 20 кГц до нескольких МГц). Звуковые колебания в килогерцовом диапазоне и инфразвуковой диапазон изучаются значительно реже.

Звукохимия исследует  процессы кавитации — образование  в жидкости полостей (кавитационных  пузырьков, или каверн), заполненных  паром. Кавитация возникает в  результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить  либо при увеличении её скорости (гидродинамическая  кавитация), либо при прохождении  акустической волны большой интенсивности  во время полупериода разрежения (акустическая кавитация), существуют и другие причины возникновения  эффекта. Перемещаясь с потоком  в область с более высоким  давлением или во время полупериода  сжатия, кавитационный пузырёк захлопывается, излучая при этом ударную волну — поверхность разрыва, которая движется относительно газа и при пересечении которой давление, плотность, температура и скорость испытывают скачок. Часто путают с понятием волна от удара, это не одно и то же, во втором случае не сами параметры испытывают скачок, а их производные.

• Потенциометрия — междисциплинарная область физической химии, подразумевающая использование различных электрохимических и термодинамических методов, методов аналитической химии, — широко применяемых в научных исследованиях различной принадлежности, — в производственной практике; в том числе — ионометрии, pH-метрии, а также при создании измерительной аппаратуры используемой в них.

 

Примечание

«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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Подводя итог своего реферата, считаю, что данная область науки является одной из приоритетных на данный момент времени, и её открытия могут существенно увеличить объём знаний людей об окружающей их природе.