В условиях перестройки образования, намеченной решениями XXVII съезда КПСС, возрастает необходимость значительного повышения научно-теоретического уровня химических дисциплин и одновременно с этим усиливается роль фундаментальных химических исследований в научных сельскохозяйственных разработках. Это способствует экономически эффективному использованию всех средств химического воздействия на сельскохозяйственное производство и повышению его качества.
Создание и рациональное применение новых и высокоэффективных удобрений, разработка и внедрение пестицидов, улучшение физических и физико-химических свойств почвы невозможны без знания основ физической химии. Изучение почвенно-погло-щающего комплекса и гумуса почв, так необходимое для раскрытия способов повышения плодородия, прежде всего осуществляется с выявления физико-химического механизма возникновения, изменения и деградации этих систем. Глубокое исследование процессов фотосинтеза на основе знания механизма фотохимических реакций позволит в будущем повысить коэффициент использования солнечной энергии культурными растениями.
Физическая химия позволяет создать прочный фундамент для изучения таких специальных дисциплин, как биотехнология, агрономическая и биологическая химия, почвоведение, физиология Растений и животных, земледелие и многие другие.
В настоящем учебнике рассмотрены все основные разделы физической и коллоидной химии с традиционным расположением материала. Исключен раздел физической химии, посвященный строению атомов и молекул, так как он подробно излагается в курсе общей химии и частично в курсе физики. Не рассматриваются также физико-химические методы исследования и анали-!а, ибо даже короткое обсуждение основных инструментальных
Q
методов значительно перегрузило бы учебник. Желающие могут ознакомиться с этими методами по учебному пособию Р. А. Хмельницкого «Современные методы исследования агрономических объектов» (М., Высшая школа, 1981).
Автор надеется, что учебник будет полезен студентам не только сельскохозяйственных, но и других вузов, программа которых близка к программам сельскохозяйственных вузов страны.
Главы книги «Электрическая проводимость растворов электролитов» и «Электрохимические процессы» написаны совместно с канд. хим. наук, доц. В. А. Кончицем.
Автор благодарен доц. В. А. Кончицу и доц. Е. В. Храповой за прочтение и обсуждение всех глав.
Автор приносит глубокую благодарность проф. В. М. Глазову и доц. В. Д. Зиновьеву за весьма ценные замечения, сделанные в процессе рецензирования, а также канд. биол. наук А. Ю. То-мащук и С. Н. Булычеву за большую помощь при подготовке учебника к изданию.
Замечания и пожелания по книге можно направлять по адресу: 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14, издательство «Высшая школа».
Автор
ВВЕДЕНИЕ
Более двухсот лет тому назад один из основоположников физической химии — гениальный русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов — дал следующее определение этой науки: «Физическая химия — наука, которая должна на основании положений и опытов физических объяснить причину того, что происходит через химические операции в сложных телах». С тех пор физическая химия как наука прошла долгий путь, непрерывно развиваясь, усложняясь и охватывая все большее число химических объектов и методов исследования, однако определение М. В. Ломоносова не утратило своего значения и даже сейчас поражает точностью формулировки.
Физическая химия характеризует связи между физическими и химическими явлениями, между физическими и химическими свойствами веществ. Установленные закономерности этих связей позволяют сформулировать общие принципы протекания химических реакций, необходимые для достижения конечной цели — предсказания направления реакции и получения нужного продукта.
Возникновение и развитие физической химии диктовалось прежде всего необходимостью создания теоретических и практических основ важнейших технологических процессов, определяющих прогресс цивилизации. Управление современными процессами с целью получения продуктов с заданными характеристиками потребовало создания современных физико-химических методов исследования^ анализа и производственного контроля веществ и их смесей. Глубокое изучение характеристик веществ и обобщение химических явлений привели к сильному проникновению в химию физики с ее уже развитым математическим аппаратом и наиболее прогрессивным объяснением сложных химических превращений на атомно-молекулярном уровне.
Физическая химия включает следующие основные разделы.
Строение вещества. В этот раздел входит учение о строении атомов и молекул и учение об агрегатных состояниях вещества, [де рассматривается зависимость строения и важнейших свойств В(?Ществ, находящихся в газообразном, твердом и жидком состояниях.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие...................... 3
Введение........................ 5
Глава I. Агрегатные состояния вещества............ 8
1. Классификация состояний............... 8
2. Газообразное состояние................ 9
2. . Законы идеальных газов............... 10
2. .1. Закон Бойля—Мариотта.............. 10
2. .2. Закон Шарля.................. 10
2. .3. Закон Гей-Люссака................ 11
2. .4. Уравнение состояния идеального газа.......... 12
2.2. Парциальное давление. Закон Дальтона......... 14
2.3. Кинетическая интерпретация абсолютной температуры .... 15
2.4. Закон Авогадро.................. 15
2.5. Скорость молекул. Диффузия. Эффузия.......... 16
2.6. Реальные газы................... 21
2.6.1. Уравнение Ван-дер-Ваальса............. 21
2.6.2. Конденсация газов и критическое состояние....... 23
2.6.3. Соответственные состояния.............. 25
2.6.4. Межмолекулярные взаимодействия........... 25
3. Твердое состояние.................. 27
3.1. Аморфное и кристаллическое состояния. Полиморфизм .... 27
3.2. Ионные решетки.................. 30
3.3. Ковалентные решетки................ 31
3.4. Молекулярные решетки . . . . :.......... 32
3.5. Металлические решетки............... 33
4. Жидкое состояние................. 34
4.1. Плотность и молярный объем............. 36
4.2. Электрический дипольный момент............ 37
4.3. Вязкость.................... 39
4.4. Давление насыщенного пара жидкости.......... 42
4.5. Вода и лед.................... 44
4.6. Жидкие кристаллы................. 48
Глава II. Химическая термодинамика............. 50
1. Классическая и статистическая термодинамика ....... 50
2. Система и внешняя среда............... 50
3. Термодинамические параметры состояния системы....... 52
4. Состояние равновесия. Обратимые и необратимые превращения 53
5. Энергия. Работа. Теплота............... 55
6. Функция состояния.................. 57
7. Первое начало термодинамики............. 60
8. Приложение первого начала термодинамики к химическим процессам....................... 63
8.1. Теплота реакции (тепловой эффект)........... 63
8.2. Теплоемкость. Зависимость теплоты реакции от температуры 66
8.3. Скрытая теплота изменения состояния.......... 70
8.4. Энтальпия образования............... 71
8.5. Закон Гесса................... 72
8.6. Энергия связи................... 75
9. Второе начало термодинамики.............. 79
9.1. Энтропия. Математическая формулировка второго начала термодинамики.................... 82
9.2. Статистическая интерпретация энтропии......... 84
10. Третье начало термодинамики............. 87
11. Свободная энергия................. 89
12. Свободная энергия и направление химических реакций..... 90
13. Понятие о химических потенциалах........... 93
Глава III. Химические и фазовые равновесия........... 95
1. Химические равновесия................ 95
1.1. Влияние изменения внешних условий на равновесие..... 97
1.2. Закон действующих масс............... 100
1.3. Количественная оценка смещения равновесия с изменением температуры и давления................ 102
2. Равновесие между фазами и диаграмма состояния...... 105
2.1. Правило фаз................... 105
2.2. Уравнение Клапейрона................ 108
Глава IV. Химическая кинетика............... 111
1. Кинетика и механизм реакций. Реагенты и продукты...... 111
2. Скорость химической реакции.............. 113
3. Порядок и константа скорости реакции.......... 114
4. Элементарные (простые) реакции. Молекулярность реакции . . . 117
5. Сложные реакции.................. И8
6. Количественные соотношения между скоростью некоторых реакций '
и концентрациями реагентов............... 125
7. Влияние температуры на скорость реакции. Энергия активации 129
8. Теории столкновений и переходного состояния........ 134
9. Понятие о кинетике реакций в открытых системах....... 137
Глава V. Катализ.................... 139
1. Каталитические процессы и катализаторы.......... 139
2. Кислотно-основной н окислительно-восстановительный катализ . . 141
3. Гомогенный и гетерогенный катализ........... 142
4. Ферментативный катализ............... 149
Глава VI. Фотохимические реакции.............. 153
1. Взаимодействие излучения с веществом.......... 153
2. Закон фотохимической эквивалентности Эйнштейна и квантовый
выход ..................... 155
3. Скорость фотохимических реакций............ 158
4. Фотосинтез.................... 160
Глава VII. Растворы неэлектролитов............... 165
1. Образование растворов. Растворимость. . ......... 165
2. Состав растворов. Парциальная молярная величина. Концентрация 172
3. Понижение давления насыщенного пара разбавленных растворов 173
4. Температура кристаллизации разбавленных растворов..... 174
5. Температура кипения разбавленных растворов........ 177
6. Осмотическое давление................ 178
7. Состав пара идеальных и реальных растворов........ 182
8. Понятие активности................. 183
Глава VIII. Растворы электролитов.............. .og
1. Образование ионов в водных растворах.......... 185
2. Слабые -и сильные электролиты............. 1Й9
2.1. Слабые электролиты. Степень диссоциации . . 190
2.2. Сильные электролиты. Активность ... -......... 193
3. Развитие понятия кислоты и основания........... 196
4. Сила кислот и оснований............... 198
5. Ионное произведение воды. Понятие рН.......... 200
6. Классификация кислот и оснований по отношению к воде .... 202
6.1. Расчет рН кислых и щелочных растворов......... 203
6.2. Вычисление рН водных растворов солей.......... 207
7. Буферные системы.................. 210
Глава IX. Электрическая проводимость растворов электролитов .... 216
1. Скорость движения ионов. Числа переноса......... 216
2. Удельная электрическая проводимость электролитов...... 219
3. Молярная электрическая проводимость электролитов..... 222
4. Связь молярной электрической проводимости со скоростями дви-
жения ионов................... 225
5. Закон независимости движения ионов...........- 227
6. Зависимость электрической проводимости от природы электролита 230
7. Практическое применение электрической проводимости..... 232
Глава X. Электрохимические процессы............. 238
1. Электродные потенциалы. Электрохимические элементы и электродвижущие силы.................. 238
2. Измерение ЭДС. Нормальный элемент Вестона........ 242
3. Термодинамика электрохимических элементов........ 244
4. Электрические потенциалы на фазовых границах...... . 246
5. Классификация электродов. Электроды первого и второго рода . . . 251
6. Окислительно-восстановительные электроды и их потенциалы . . . 256
7. Концентрационные элементы и диффузионный потенциал . . . 260
8. Потенциометрия................... 264
Глава XI. Поверхностные явления............... 267
1. Адсорбция. Адсорбция на границе твердое тело — газ..... 267
2. Теории адсорбции.................. 270
3. Адсорбция на границе твердое тело — раствор........ 276
3.1. Молекулярная адсорбция из растворов........... 276
3.2. Адсорбция элекролитов............... 277
3.3. Обменная адсорбция................ 278
4. Поверхностное натяжение. Смачивание.......... 280
5. Адсорбция на границе раздела раствор — газ........ 288
Глава XII. Коллоидные системы и методы получения лиофобных коллоидов ........................ 292
1. Общая характеристика коллоидных систем......... 292
2. Методы получения лиофобных коллоидов.......... 294
2.1. Методы конденсации................ 295
2.2. Дисперсионные методы................ 297
2.3. Метод пептизации. . . . -.............. 298
Глава XIII. Молекулярно-кинетические, оптические и электрические свойства лиофобных коллоидов................ 300
1. Броуновское движение................ 300
2. Осмотическое давление................ 303
3. Седиментация................... 305
4. Вязкость..................... 309
5. Очистка коллоидных растворов............. 310
6. Оптические свойства................. 312
7. Электрические свойства................ 316
7.1. Строение мицеллы................. 316
7.2. Двойной электрический слой и электрокинетические явления . . 319
Глава XIV. Устойчивость и коагуляция лиофобных коллоидов..... 324
1. Кинетическая и агрегативная устойчивость......... 324
2. Коагуляция ................... 327
2.1. Действие электролитов................ 328
2.2. Коагуляция и дзета-потенциал............. 331
2.3. Теория коагуляции электролитами............ 332
2.4. Кинетика коагуляции................ 334
2.5. Старение золей и пептизация............. 336
2.6. Защитное действие молекулярных адсорбирующих слоев .... 338
2.7. Роль процессов коагуляции в образовании почв....... 340
Глава XV. Микрогетерогенные системы............. 342
1. Суспензии .................... 342
2. Эмульсии..................... 343
3. Пены...................... 347
4. Аэрозоли..................... 348
Глава XVI. Растворы высокомолекулярных соединений (растворы ВМС) 351
1. Общие характеристики растворов ВМС.......... 351
2. Электрические, молекулярно-кинетические и оптические свойства растворов ВМС................... 352
3. Набухание и растворение ВМС............. 363
4. Нарушение устойчивости растворов ВМС......... . . 368
Глава XVII. Гели. Студни. Полуколлоиды............. 371
1. Гелди. Студни................... 371
2. Полуколлоиды................... 374
Заключение ...................... 379
Литература ...................... 380
Приложение...................... 381
Предметный указатель.................. 385
Именной указатель ................... 395
Цена: 200руб.
