Химическая физика и физическая химия в чем разница
Чем химическая физика отличается от физхимии?
Химическая физика изучает электронную структуру молекул и твердых тел, молекулярные спектры, элементарные акты химических реакций, процессы горения и взрыва, то есть физические аспекты химических явлений. Термин введен немецким химиком А. Эйкеном в 1930.
Основатель Института химической физики РАН Н.Н. Семенов вел глубокие исследования цепных реакций. Они представляют собой серию самоинициируемых стадий в химической реакции, которая, однажды начавшись, продолжается до тех пор, пока не будет пройдена последняя стадия. Несмотря на то, что немецкий химик М. Боденштейн впервые предположил возможность таких реакций еще в 1913 г., теории, объясняющей стадии цепной реакции и показывающей ее скорость, не существовало. Ключом же к цепной реакции служит начальная стадия образования свободного радикала – атома или группы атомов, обладающих неспаренным электроном и вследствие этого чрезвычайно химически активных. Однажды образовавшись, он взаимодействует с молекулой таким образом, что в качестве одного из продуктов реакции образуется новый свободный радикал. Новообразованный свободный радикал может затем взаимодействовать с другой молекулой, и реакция продолжается до тех пор, пока что-либо не помешает свободным радикалам образовывать себе подобные, т.е. пока не произойдет обрыв цепи.
Особенно важной цепной реакцией является реакция разветвленной цепи, открытая в 1923 г. физиками Г.А. Крамерсом и И.А. Кристиансеном. В этой реакции свободные радикалы не только создают активные центры, но и множатся, создавая новые цепи и ускоряя реакцию. Фактический ход реакции зависит от ряда внешних ограничителей, например таких, как размеры сосуда, в котором она происходит. Если число свободных радикалов быстро растет, то реакция может привести к взрыву. В 1926 г. два студента Н.Н. Семенова впервые наблюдали это явление, изучая окисление паров фосфора водяными парами. Эта реакция шла не так, как ей следовало идти в соответствии с законами химической кинетики того времени. Семенов увидел причину этого несоответствия в том, что они имели дело с результатом разветвленной цепной реакции. Но такое объяснение было отвергнуто М. Боденштейном, в то время признанным авторитетом по химической кинетике. Еще два года продолжалось интенсивное изучение этого явления Н.Н. Семеновым и С.Н. Хиншелвудом, который проводил свои исследования в Англии независимо, и по прошествии этого срока стало очевидно, что Семенов прав.
Н.Н. Семенов опубликовал монографию (Цепные реакции. Л., ОНТИ.,1934), в которой доказал, что многие химические реакции, включая реакцию полимеризации, осуществляются с помощью механизма цепной или разветвленной цепной реакции. Позднее было установлено, что и реакция деления ядер урана-235 нейтронами также носит характер разветвленной цепной реакции.
В 1956 г. Семенову совместно с Хиншелвудом была присуждена Нобелевская премия по химии «за исследования в области механизма химических реакций». В Нобелевской лекции Семенов заявил: «Теория цепной реакции открывает возможность ближе подойти к решению главной проблемы теоретической химии – связи между реакционной способностью и структурой частиц, вступающих в реакцию… Вряд ли можно в какой бы то ни было степени обогатить химическую технологию или даже добиться решающего успеха в биологии без этих знаний…».
Работают Институт химической физики РАН (Москва), Институт проблем химической физики РАН (Черноголовка). Есть журнал «Химическая физика». Можно почитать: Бучаченко А.Л. Современная химическая физика: Цели и пути прогресса // Успехи химии. – 1987. – Т. 56. – № 11.
Различие между физической химией и химической физикой
Физическая химия
«Введение в истинную физическую химию». Рукопись М. В. Ломоносова. 1752
Физи́ческаяхи́мия (часто в литературе сокращённо — физхимия) — раздел химии, наука об общих законах строения, структуры и превращения химических веществ. Исследует химические явления с помощью теоретических и экспериментальных методов физики.
Содержание
· 1История физической химии
· 2Предмет изучения физической химии
· 3Различие между физической химией и химической физикой
· 4Разделы физической химии
o 4.1Коллоидная химия
o 4.5Учение о строении атома
o 4.6Учение о коррозии металлов
o 4.7Учение о растворах
o 4.8Химическая кинетика
o 4.10Химическая термодинамика
o 4.11Физико-химический анализ
o 4.12Теория реакционной способности химических соединений
o 4.13Химия высоких энергий
o 4.14Лазерная химия
o 4.15Радиационная химия
o 4.16Ядерная химия
o 4.19Структурная химия
История физической химии[
Затем последовал более чем столетний перерыв и одним из первых в России физикохимические исследования в конце 1850-х годов начал Д. И. Менделеев.
Следующий курс физической химии читал уже Н. Н. Бекетов в Харьковском университете в 1865 году.
Первая в России кафедра физической химии была открыта в 1914 году на физико-математическом факультете Санкт−Петербургского университета, осенью приступил к чтению обязательного курса и практическим занятиям по физической химии ученик Д. П. Коновалова М. С. Вревский.
Первый научный журнал, предназначенный для публикации статей по физической химии, был основан в 1887 году В. Оствальдом и Я. Вант-Гоффом.
Предмет изучения физической химии[
Физическая химия является основным теоретическим фундаментом современной химии, использующим теоретические методы таких важнейших разделов физики, как квантовая механика,статистическая физика и термодинамика, нелинейная динамика, теория поля и др. Она включает учение о строении вещества, в том числе: о строении молекул, химическую термодинамику, химическую кинетику и катализ. В качестве отдельных разделов в физической химии выделяют также электрохимию, фотохимию, физическую химию поверхностных явлений (в том числе адсорбцию), радиационную химию, учение о коррозии металлов, физико-химию высокомолекулярных соединений (см. физика полимеров) и др. Весьма близко примыкают к физической химии и подчас рассматриваются как её самостоятельные разделы коллоидная химия, физико-химический анализ и квантовая химия. Большинство разделов физической химии имеет достаточно чёткие границы по объектам и методам исследования, по методологическим особенностям и используемому аппарату.
Различие между физической химией и химической физикой
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).
Что такое физическая химия и химическая физика?
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, раздел науки, пограничный между химией и физикой. Изучает электронную структуру молекул и твердых тел, молекулярные спектры, элементарные акты химических реакций, процессы горения и взрыва и др., с использованием методов теоретической и экспериментальной (оптическая и радиоспектроскопия, рентгеновский структурный анализ, масс-спектрометрия и др.) физики. Сформировалась в кон. 20-х — нач. 30-х гг. 20 в. в связи с развитием квантовой механики и использованием ее представлений в химии. Сейчас граница между химической физикой и физической химией условна. Термин введен немецким химиком А. Эйкеном в 1930
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, наука, объясняющая химические явления и устанавливающая их закономерности на основе общих принципов физики. Название науки «Физическая химия» введено М. В. Ломоносовым, который впервые (1752-1753) сформулировал ее предмет и задачи и установил один из основных законов — сохранения массы закон при химических превращениях. Выделение физической химии в самостоятельную отрасль химической науки произошло в кон. 19 в. На первом этапе своего развития физическая химия ограничивалась изучением макроскопических (непосредственно наблюдаемых) характеристик систем и процессов. Основные задачи современной физической химии — изучение состояния и строения вещества, химические связи, кинетики и механизма химических превращений с использованием новейших экспериментальных и расчетных методов. Физическая химия включает квантовую химию, химическую термодинамику, химическую кинетику, учение о катализе, механохимию и др. В физическую химию обычно включают также коллоидную химию, электрохимию, фотохимию, радиационную химию, плазмохимию, лазерную химию и др. Физическая химия служит теоретической основой неорганической, органической и аналитической химии, а также химической технологии.
Различие между физической химией и химической физикой
История физической химии
Начало физической химии было положено в середине 18 века. Термин «Физическая химия» принадлежит М.В. Ломоносову, который в 1752году впервые прочитал студентам Петербургского университета «Курс истинной физической химии». В этом курсе он сам дал такое определение этой науке: «Физическая химия — наука, которая должна на основании положений и опытов физических объяснить причину того, что происходит через химические операции в сложных телах».
Затем последовал более чем столетний перерыв и следующий курс физической химии читал уже академик Н.Н. Бекетов в Харьковском университете в 1865году. Вслед за Н.Н. Бекетовым началось преподавание физической химии и в других университетах в России. Флавицкий (Казань 1874г.), В. Оствальд (университет в Тарту 1880г7.), И.А. Каблуков (Московский университет 1886г.).
Признание физической химии, как самостоятельной науки и учебной дисциплины, выразилась в Лейпцигском университете (Германия) в 1887г. Первой кафедрой физической химии во главе с В. Оствальдом и в основании там же первого научного журнала по физической химии. В конце 19 века Лейпцигский университет был центром развития физической химии, а ведущими физико-химиками являлись: В. Оствальд, Я. Вант-Гофф, Аррениуси Нернст.
Первая в России кафедра физической химии была открыта в 1914 году на физико-математическом факультете Санкт−Петербургского универстета, где осенью приступил к чтению обязательного курса и практическим занятиям по физической химии М. С. Вревский.
Молекулы, ионы, свободные радикалы.
Молекулой называется наименьшая нейтральная частица вещества, обладающая его химическими свойствами и способная к самостоятельному существованию. Различают одноатомные и многоатомные молекулы (двух-, трехатомные и т.д.). В обычных условиях из одноатомных молекул состоят благородные газы; молекулы высокомолекулярных соединений, напротив, содержат много тысяч атомов.
Свободным радикалом называется частица, обладающая ненасыщенными валентностями, т. е. частица с неспаренными электронами. Такими частицами являются, например ·СН3 и ·NH2. В обычных условиях свободные радикалы, как правило, не могут существовать длительное время, поскольку чрезвычайно реакционноспособны и легко реагируют, образуя инертные частицы. Так, два метильных радикала ·СНз соединяются в молекулу С2Н6 (этан). Протекание многих реакций невозможно без участия свободных радикалов. При очень высоких температурах (например, в атмосфере Солнца) единственными двухатомными частицами, которые могут существовать, являются свободные радикалы (·CN, ·ОН, ·СН и некоторые другие). Много свободных радикалов присутствует в пламени.
Ковалентная связь.
Каждая химическая связь в структурных формулах представляется валентной чертой, например:
H−H (связь между двумя атомами водорода)
H3N−H + (связь между атомом азота молекулы аммиака и катионом водорода)
(K + )−(I − ) (связь между катионом калия и иодид-ионом).
Химическая связь образуется за счет притяжения ядер атомов к паре электронов (обозначаются точками ··), которую в электронных формулах сложных частиц (молекул, сложных ионов) изображают валентной чертой −, в отличие от собственных, неподеленных пар электронов каждого атома, например:
| . F−F. | (F2); | H−Cl. | (HCl); | .. H−N−H | H | (NH3) |
Химическая связь называется ковалентной, если она образована путем обобществления пары электронов обоими атомами.
Полярность молекул
Молекулы, которые образованы атомами одного и того же элемента, как правило, будут неполярными, как неполярны и сами связи в них. Так, молекулы Н2, F2, N2 неполярны.
Молекулы, которые образованы атомами разных элементов, могут быть полярными и неполярными. Это зависит от геометрической формы.
Если форма симметрична, то молекула неполярна (BF3, CH4, CO2, SO3), если асимметрична (из-за наличия неподелённых пар или неспаренных электронов), то молекула полярна (NH3, H2O, SO2, NO2).
При замене одного из боковых атомов в симметричной молекуле на атом другого элемента также происходит искажение геометрической формы и появление полярности, например в хлорпроизводных метана CH3Cl, CH2Cl2 и CHCl3 (молекулы метана CH4 неполярны).
Полярность несимметричной по форме молекулы вытекает из полярности ковалентных связей между атомами элементов с разной электроотрицательностью.
Как отмечалось выше, происходит частичный сдвиг электронной плотности вдоль оси связи к атому более электроотрицательного элемента, например:
| H δ+ → Cl δ− | B δ+ → F δ− |
| C δ− ← H δ+ | N δ− ← H δ+ |
Чем больше разность электроотрицательностей элементов, тем выше абсолютное значение заряда δ и тем более полярной будет ковалентная связь.
Водородная связь.
Водородные связи малоустойчивы и разрушаются довольно легко (например, при плавлении льда, кипении воды). Однако на разрыв этих связей затрачивается некоторая дополнительная энергия, и поэтому температуры плавления и кипения веществ с водородными связями между молекулами оказываются значительно выше, чем у подобных веществ, но без водородных связей:
| Вещество | Температура плавления | Температура кипения |
| HF | −83,36 °C | +19,52 °C |
| HCl | −114,00 °C | −85,08 °C |
| H2O | 0,00 °C | +100,00 °C |
| H2S | −8,54 °C | −60,35 °C |
Валентность. Донорно-акцепторные связи.Согласно теории молекулярного строения, атомы могут образовывать столько ковалентных связей, сколько орбиталей у них занято одним электроном, однако так бывает не всегда. [В принятой схеме заполнения АО вначале указывают номер оболочки, затем тип орбитали и далее, если на орбитали находится более одного электрона, – их число (верхний индекс). Так, запись (2s) 2 означает, что на s-орбитали второй оболочки находятся два электрона.] Атом углерода в основном состоянии ( 3 Р) имеет электронную конфигурацию (1s) 2 (2s) 2 (2px)(2py), при этом две орбитали не заполнены, т.е. содержат по одному электрону. Однако соединения двухвалентного углерода встречаются очень редко и обладают высокой химической активностью. Обычно углерод четырехвалентен, и связано это с тем, что для его перехода в возбужденное 5 S-состояние (1s) 2 (2s) (2px)(2py)(2pz) с четырьмя незаполненными орбиталями нужно совсем немного энергии. Энергетические затраты, связанные с переходом 2s-электрона на свободную 2р-орбиталь, с избытком компенсируются энергией, выделяющейся при образовании двух дополнительных связей. Для образования незаполненных АО необходимо, чтобы этот процесс был энергетически выгодным. Атом азота с электронной конфигурацией (1s) 2 (2s) 2 (2px)(2py)(2pz) не образует пятивалентных соединений, поскольку энергия, необходимая для перевода 2s-электрона на 3d-орбиталь с образованием пятивалентной конфигурации (1s) 2 (2s)(2px)(2py)(2pz)(3d), слишком велика. Аналогичным образом, атомы бора с обычной конфигурацией (1s) 2 (2s) 2 (2p) могут образовывать трехвалентные соединения, находясь в возбужденном состоянии (1s) 2 (2s)(2px)(2py), которое возникает при переходе 2s-электрона на 2р-АО, но не образует пятивалентных соединений, поскольку переход в возбужденное состояние (1s)(2s)(2px)(2py)(2pz), обусловленный переводом одного из 1s-электронов на более высокий уровень, требует слишком много энергии. Взаимодействие атомов с образованием связи между ними происходит только при наличии орбиталей с близкими энергиями, т.е. орбиталей с одинаковым главным квантовым числом. Соответствующие данные для первых 10 элементов периодической системы суммированы ниже. Под валентным состоянием атома понимают состояние, в котором он образует химические связи, например состояние 5 S для четырехвалентного углерода.
| ВАЛЕНТНЫЕ СОСТОЯНИЯ И ВАЛЕНТНОСТИ ПЕРВЫХ ДЕСЯТИ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ТАБЛИЦЫ | |||
| Элемент | Основное состояние | Обычное валентное состояние | Обычная валентность |
| H | (1s) | (1s) | |
| He | (1s) 2 | (1s) 2 | |
| Li | (1s) 2 (2s) | (1s) 2 (2s) | |
| Be | (1s) 2 (2s) 2 | (1s) 2 (2s)(2p) | |
| B | (1s) 2 (2s) 2 (2p) | (1s) 2 (2s)(2px)(2py) | |
| C | (1s) 2 (2s) 2 (2px)(2py) | (1s) 2 (2s)(2px)(2py)(2pz) | |
| N | (1s) 2 (2s) 2 (2px)(2py)(2pz) | (1s) 2 (2s) 2 (2px)(2py)(2pz) | |
| O | (1s) 2 (2s) 2 (2px) 2 (2py)(2pz) | (1s) 2 (2s) 2 (2px) 2 (2py)(2pz) | |
| F | (1s) 2 (2s) 2 (2px) 2 (2py) 2 (2pz) | (1s) 2 (2s) 2 (2px) 2 (2py) 2 (2pz) | |
| Ne | (1s) 2 (2s) 2 (2px) 2 (2py) 2 (2pz) 2 | (1s) 2 (2s) 2 (2px) 2 (2py) 2 (2pz) 2 |
Указанные закономерности проявляются в следующих примерах:
История физической химии
Начало физической химии было положено в середине 18 века. Термин «Физическая химия» принадлежит М.В. Ломоносову, который в 1752году впервые прочитал студентам Петербургского университета «Курс истинной физической химии». В этом курсе он сам дал такое определение этой науке: «Физическая химия — наука, которая должна на основании положений и опытов физических объяснить причину того, что происходит через химические операции в сложных телах».
Затем последовал более чем столетний перерыв и следующий курс физической химии читал уже академик Н.Н. Бекетов в Харьковском университете в 1865году. Вслед за Н.Н. Бекетовым началось преподавание физической химии и в других университетах в России. Флавицкий (Казань 1874г.), В. Оствальд (университет в Тарту 1880г7.), И.А. Каблуков (Московский университет 1886г.).
Признание физической химии, как самостоятельной науки и учебной дисциплины, выразилась в Лейпцигском университете (Германия) в 1887г. Первой кафедрой физической химии во главе с В. Оствальдом и в основании там же первого научного журнала по физической химии. В конце 19 века Лейпцигский университет был центром развития физической химии, а ведущими физико-химиками являлись: В. Оствальд, Я. Вант-Гофф, Аррениуси Нернст.
Первая в России кафедра физической химии была открыта в 1914 году на физико-математическом факультете Санкт−Петербургского универстета, где осенью приступил к чтению обязательного курса и практическим занятиям по физической химии М. С. Вревский.
Различие между физической химией и химической физикой
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 физической химии).
Лекция 2Строение молекул и природа химической связи. Виды химических связей. Понятие об электроотрицательности элемента. Поляризация. Дипольный момент. Атомная энергия образования молекул. Методы экспериментального исследования строения молекул.
Строение молекул(молекулярная структура), взаимное расположение атомов в молекулах. В ходе химических реакций происходит перегруппировка атомов в молекулах реагентов и образуются новые соединения. Поэтому одна из фундаментальных химических проблем состоит в выяснении расположения атомов в исходных соединениях и характера изменений при образовании из них других соединений.
Первые представления о структуре молекул основывались на анализе химического поведения вещества. Эти представления усложнялись по мере накопления знаний о химических свойствах веществ. Применение основных законов химии позволяло определить число и тип атомов, из которых состоит молекула данного соединения; эта информация содержится в химической формуле. Со временем химики осознали, что одной химической формулы недостаточно для точной характеристики молекулы, поскольку существуют молекулы-изомеры, имеющие одинаковые химические формулы, но разные свойства. Этот факт навел ученых на мысль, что атомы в молекуле должны иметь определенную топологию, стабилизируемую связями между ними. Впервые эту идею высказал в 1858 немецкий химик Ф.Кекуле. Согласно его представлениям, молекулу можно изобразить с помощью структурной формулы, в которой указаны не только сами атомы, но и связи между ними. Межатомные связи должны также соответствовать пространственному расположению атомов. Этапы развития представлений о строении молекулы метана отражены на рис. 1. Современным данным отвечает структура г: молекула имеет форму правильного тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах – атомы водорода.
 |
| Рис. 1. ЧЕТЫРЕ СПОСОБА ИЗОБРАЖЕНИЯ МОЛЕКУЛЫ МЕТАНА а – химическая формула. Указаны лишь число и тип атомов; б – структурная формула; в – реальная схема молекулы; г – пространственное расположение атомов в молекуле. |
Подобные исследования, однако, ничего не говорили о размерах молекул. Эта информация стала доступна лишь с разработкой соответствующих физических методов. Наиболее важным из них оказалась рентгеновская дифракция. Из картин рассеяния рентгеновских лучей на кристаллах появилась возможность определять точное положение атомов в кристалле, а для молекулярных кристаллов удалось локализовать атомы в отдельной молекуле. Среди других методов можно отметить дифракцию электронов при прохождении их через газы или пары и анализ вращательных спектров молекул.
Вся эта информация дает только общее представление о структуре молекулы. Природу химических связей позволяет исследовать современная квантовая теория. И хотя с достаточно высокой точностью молекулярную структуру рассчитать пока не удается, все известные данные о химических связях можно объяснить. Было даже предсказано существование новых типов химических связей.
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.
