В 1962 г. вышла в свет в переводе на русский язык монография Э. Me л вин-Хью за «Физическая химия»— фундаментальный курс физической химии, предназначенный для углубленного изучения предмета аспирантами, научными работниками и студентами высших химических учебных заведений. В отличие от монографии Мелвин-Хьюза книга Ж. Фичини, Н. Ламброзо-Бадер и Ж.-К. Депезе — руководство для широкого круга читателей. По простоте изложения материала она близка к ставшему малодоступным изданию «Основы физической химии» Ф. X. Гетмана (Госхимиздат, Л.-М., 1941). Помимо традиционных разделов курса физической химии, настоящая книга включает разделы «Атом» и «Химические связи», рассматривающиеся чаще в курсах общей химии и физики. Большое внимание в книге уделено кислотно-основным и окислительно-восстановительным равновесиям. К сожалению, такие разделы, как «Теория растворов», «Физико-химический анализ», «Поверхностные явления»,— обычные для учебников по физической химии — в книге не представлены. Тем не менее она очень полезна для понимания основных законов физической химии, изложенных в простой и доступной форме. Можно надеяться, что книга окажется ценной для работы преподавателей химии в средней школе, студентов химических техникумов, а также старшеклассников как книга для внеклассного чтения. Интересные методические приемы изложения материала найдут в книге и преподаватели химических дисциплин ВУЗов и ВТУЗов.
В связи с переходом на новую систему Международных физических единиц (СИ) в тексте книги в соответствующих местах, наряду с традиционными единицами, приводятся коэффициенты пересчета в единицы: системы СИ.
В конце книги дается список рекомендуемой дополнительной литературы к каждой главе. Список включает как научно-популярную, так и специальную литературу для более глубокого ознакомления с излагаемым в книге материалом.
СОДЕРЖАНИЕ
От издательства ......................... 5
Глава I. Атом........................ 7
1.1. Состав атома ....................... 7
1.1.1. Электрон ..................... 7
1.1.1.1. Как обнаружить электрон .......... 8
1.1.1.2. Определение отношения elm ......... 9
1.1.1.3. Определение заряда электрона. Опыт Милликена 12
1.1.2. Протон....................... 14
1.1.2.1. Опыт Голдштеина .............. 14
1.1.2.2. Опыты Д/к. Дж. Томсона .......... 14
1.1.3. Нейтрон ...................... 15
1.2. Строение атома...................... 15
1.2.1. Планетарная модель атома ............. 15
1.2.1.1. Опыт Резерфорда .............. 15
1.2.1.2. Атомный номер; его значение ........ 16
1.2.1.3. Понятие изотопа. Массовое число ....... 18
1.2.1.4. Недостатки гипотезы Резерфорда ...... 20
1.2.2. Квантовая теория. Модель Бора........... 21
1.2.2.1. Введение .................. 21
1.2.2.2. Модель Бора ................ 22
J.2.3. Квантовомеханпческая модель атома ......... 24
1.2.3.1. Теория электрона де Бройля ......... 24
1.2.3.2. Основные принципы квантовой механики ... 25
1.2.3.3. Электронные уровни энергии. Квантовые числа 26
1.2.3.4. Теоретическое обоснование периодической системы элементов ................ 30
1.2.3.5. Электронная конфигурация ......... 35
1.2.3.6. Свойства атомов............... 38
1.2.4. Исследование ядра и ядерных реакций ........ 41
1.2.4.1. Ядро .................... 41
1.2.4.2. Ядерные реакции и их энергии ........ 42
1.2.4.3. Природная радиоактивность ........ 43
1.2.4.4. Искусственные превращения ......... 45
лава II. Химические связи .................. 47
11.1. Межатомные связи.................... 49
II.1.1. Ионная связь ................... 49
11.1.1.1. Образование ионов ............ 49
11.1.1.2. Природа и энергия ионных связей ..... 50
II. 1.2. Ковалентная связь ................ 52
11.1.2.1. Введение ................. 52
11.1.2.2. Гомеополярная ковалентная связь ..... ЯД
11.1.2.3. Гстерополярная ковалентная связь ..... 58
11.1.2.4. Семиполярпая, или координационная, связь 60
11.1.3. Геометрия молекул. Гибридизация ......... 64
11.1.4. Стереохимия органических соединений ....... 70
II.1.4.1. Понятая конформациоиного аналша .... 70
П.1.4.2. Понятно изомерии ............ 74
IIЛ.5. Резонанс ..................... 80
II.2. Межмолекулярные связи ................ 85
П.2.1. Природа межмолекулярыых сил .......... 86
П.2.2. Водородная связь ................ 87
Глава III. Состояния вещества ................. 89
II 1.1. Общие замечания о веществе QQ
III.1.1. Различные состояния вещества .......... 89
ттт ' " " -ва; чистые вещества и смеси ....
;ства вещества .......
III.2. Газообразное состояние
.. -, - _ - - -.^^.^ ^AliU-LH \SWl\JJ114lfL JiC-UJ^lJ -I- ^<*......... "
111.1.2. Строение вещества; чистые вещества и смеси .... 90
111.1.3. Единица количества вещества .......... 90
91
111.2.1. Законы идеальных газов ............. 91
111.2.1.1. Закон Бойля — Марпотта ....... 91
111.2.1.2. Закон Шарля ............. 92
111.2.1.3. Закон Гей-Лгоссака .......... 93
111.2.2. Уравнение состояния идеального газа ...... 93
111.2.2.1. Уравнение состояния ......... 93
111.2.2.2. Закон Дальтона. Парциальное давление 95
111.2.3. Кинетическая теория газов ........... 96
III.2.3.1. Кинетическая интерпретация абсолютной
температуры .............. 96
ГП.2.3.2. Скорость молекул ........... 97
111.2.3.3. Закон Авогадро ........... 97
111.2.4. Закон распределения скоростей.......... 98
111.2.5. Реальные газы.................. 100
111.2.5.1. Экспериментальные результаты...... 100
111.2.5.2. Уравнение Ван-дер-Ваальса....... 100
111.2.6. Определение молекулярного веса газов...... 101
111.3. Жидкое состояние.................... 102
111.3.1. Сравнение жидкого состояния с твердым и газообразным состояниями................. 102
111.3.2. Строение жидкостей ............... ЮЗ
111.4. Твердое состояние.................... ЮЗ
111.4.1. Кристаллические системы............. ЮЗ
111.4.2. Определение кристаллических структур с помощью рентгеновских лучей............... Ю°
111.4.3. Различные типы кристаллических решеток..... Ю7
111.4.3.1. Ионные решетки ............ Ю7
111.4.3.2. Ковалентные решетки . . . ^...... ^
111.4.3.3. Молекулярные решетки . . .'...... |'^
111.4.3.4. Металлические решетки......... 14
" 190
111.4.4. Связь между свойствами кристалла и его структурой L^
Глава IV. Химическая кинетика................. *
j 23
IV.1. Скорость химических реакции . ,.............. %
IV.1Л. Определение ................... J24
IV.1.2. Измерение скорости реакций............
IV.2. Слияние концентраций на скорость реакций......... 125
IV.2.1. Порядок реакции................. 125
IV.2.2. Порядок и механизм реакций........... 127
IV.2.2.1. Элементарные процессы ......... 127
IV.2.2.2. Сложные процессы............ 129
IV.2.3. Экспериментальное определение механизма реакций 130 IV.2.4. Количественные соотпошения между скоростью реакции
и концентрациями реагентов............ 133
1У.2.4Л. Реакции первого порядка......... 133
IV.2.4.2. Реакции второго порядка......... 136
IV.3. Влияние температуры на скорость реакции........ 139
IV.3.1. Энергия активации. Теория Аррениуса....... 139-
IV. 3.2. Теория столкновений............... 143
IV.3.3. Теория переходного состояния........... 145
IV.4. Влияние излучений на скорость реакций. Цепные реакции 147
IV.5. Катализ......................... 149
IV.5.1. Гомогенный катализ................ 150
IV.5.2. Гетерогенный катализ............... 151
IV.5.3. Ферментативный катализ ............. 152
IV.6. Задачи ..................-....... 154
IV.6.1. Реакция первого порядка............. 154
IV.6.2. Реакция второго порядка............. 155-
Глава V. Химическая термодинамика ............... 158-
V.I. Определения и понятия, применяемые в термодинамике .... 15&
V.I.I. Система и внешняя среда.............. 158
V.I.2. Различные формы энергии; единицы; условия знаков при
обмене энергией между системой и внешней средой . . . 159-
V.I.3. Состояние системы ................. 160
V.1.3.1. Параметры состояния............ 16Q
V.I.3.2. Состояния равновесия............ 160
V.1.3.3. Обратимое и необратимое превращения .... 161
V.I.3.4. Функция состояния............. 161
V.2. Первое начало термодинамики............... 165-
V.2.I. Формулировка первого начала. Понятие внутренней энергии ........................ 165
V.2.2. Процессы при постоянном объеме........... 166
V.2.3. Процессы при постоянном давлении. Энтальпия .... 167
V.3. Приложение первого начала термодинамики к химии..... 16S
V.3.I. Теплота реакции.................. 168
V.3.1.1. Понятие теплоты реакции.......... 168-
V.3.I.2. Теплота реакции при постоянном объеме (Qv) 168 V.3.1.3. Теплота реакции при лостояпном давлении (Qp) 1691
V.3.1.4. Стандартное состояние............ 169-
V.3.I.5. Соотношение между Qp и Qv для реакции между
идеальными газами............. 169*
V.3.I.6. Изучение изменения теплот реакции как функции
температуры ................ 171
V.3.2. Использование понятия теплоты реакции в различных
термохимических расчетах.............. 176
V.3,2,1, Косвенное определение теплот реакции .... 176-
V.3,2.2. Энтальпия образования........... 177
V.3.2.3. Энергия связи .......
V.4. Второе начало термодинамики ................ 186
V.4.I. Введение....................... 186
V.4.2. Энтропия. Формулировка второго начала термодинамики 187 V.4.3. Применение второго начала термодинамики к изолированным системам.................... 188
V.4.4. Статистическая интерпретация энтропии........ 189
V.4.5. Примеры расчетов изменения энтропии........ 191
V.4.5.I. Изотермическое расширение идеального газа 191 V.4.5.2. Изменение энтропии при изменении состояния
чистого вещества.............. 192
V.4.6. Изменение энтропии чистого вещества с изменением температуры ...................... 193
V.5. Третье начало термодинамики............... 194
V.5.I. Формулировка третьего начала термодинамики..... 194
V.5.2, Абсолютная энтропия................ 194
V.5.3. Расчеты изменения энтропии химической реакции . . . 196 V.6, Свободная энергия при постоянном давлении (свободная энтальпия) G............,........... 198
V.6.I. Определение свободной энергии G и полезной работы А 199
V.6.2. Свободная энергия и направление химических реакций 200 V.6.3. Расчет изменения свободной энергии для химической
реакции...................... 201
V.6.4. Физический смысл изменения свободной энергии . , . 203 V.6.5. Изменение свободной энергии при изменении температуры
и давления..................... 204
V.7. Изучение равновесий ................... 206
V.7.I. Изменепие свободной энергии химической реакции между идеальными газами в зависимости от парциальных давлений этих газов.....'.............. 206
V.7.2. Закон действующих масс............... 207
V.7.3. Законы смещения равновесия............. 213
V.7.3.I. Изменение константы равновесия с изменением
температуры ................ 213
V.7.3.2. Влияние давления и концентраций на смещение
равновесия ................ 215
V.7.4. Равновесия между фазами для чистых веществ и диаграмма состояния.................. 216
V.7.4.1. Уравнение .Клапейрона........... 218
V.7.4.2. Диаграмма состояния чистого вещества . . . 220
V.8. Задача. Синтез аммиака.................. 222
Глава VI. Ионные равновесия в водном растворе......... 226
VI.1. Введение в учение о растворах............... 226
VI.2. Развитие понятий кислоты и основания........... ^'
VI.3. Теория Бренстеда .................... ^°
VI.3.1. Понятие кислоты и основания............ ?~
VI.3.2. Сила кислот и оснований.............. *$%
VI.3.3. Шкала кислотности по отношению к воде...... "^
VI.4. Количественное определение кислотности водных р'астворов 23d
VI.4.1. Кислый, щелочной и нейтральный растворы. Понятие рН ^ V1.4.2. Классификация кислот и оснований по отношению в воде.
Понятие рК ................... ?о7
VI,4.3. Расчет рП кислых и щелочных растворов......
VI,4.3.1. Сильные кислоты ............
VI.4.3.2. Сильные основания ........... 238
VI.4.3,3. Слабые кислоты............. 239
VI.4.3.4. Слабые оспования............ 241
VI.4.3.5. Примеры расчетов............ 242
VI.4.3.6. Точный расчет рН раствора слабой кислоты
или слабого основания.......... 243
VI.4.4, Вычисление рН водных растворов солей....... 244
VI.4.4.1. Гидролиз солей сильной кислоты и сильного
основания................ 244
VI.4.4.2. Гидролиз солей сильной кислоты и слабого
основания................ 244
VI.4.4.3. Гидролиз соли слабой кислоты и сильного
основания................. 246
VI.4.4.4. Гидролиз соли слабой кислоты и слабого основания .................. 247
VI.5. Буферные растворы ................... 248
VI.5.1. Смесь слабая кислота — соль слабой кислоты и сильного основания.................. 248
VI.5.2. Смесь слабое основание — соль слабого основания
и сильной кислоты................ 250
VI.5.3. Свойства буферных растворов............ 251
VI.6. Кривые нейтрализации кислот и оснований......... 252
VI.6.1. Экспериментальные определения рН........ 253
VI.6.1.1. Использование окрашенных индикаторов 253
VI.6.1.2. Электрометрическое измерение рН..... 255
VI.6.2. Ход кривых нейтрализации............. 257
VI.6.2.1. Кривая нейтрализации сильной кислоты сильным основанием............. 257
VI.6.2.2. Кривая нейтрализации слабой кислоты сильным основанием............. 253
VI.6.2.3, Кривая нейтрализации сильной кислоты слабым основанием............. 259
VI.6.3. Определение концентрации кислот и оснований . . . 260
VI.7. Изучение многоосновных кислот и смесей двух кислот .... 260
VI.7.1. Смесь двух кислот................ 260
VI.8. Равновесия при растворении................ 265
VI.8.1. Произведение растворимости............ 265
VI.8.2. Изучение растворимости малорастворимых соединений 267 VI.8.2.1. Определение растворимости малорастворимого соединения............. 267
VI.8.2.2. Влияние добавок общего иона на растворимость соединения ............ 268
VI.8.2.3. Влияние pll на растворимость....... 269
VI.9. Равновесия комплексообразования...........'. , 271
VI.10. Задачи ......................... 272
лава VII. Окислитель но-восстановительные равновесия...... 276
VII,1- Определения ...................... 276
VII.1.1. Окисление .................... 276
VII.1.2. Восстановление................. 277
VII.1.3. Окислительно-восстановительная реакция .... 277
VII.1.4. Число окисления................ 278
VII.2. Схемы окислительно-восстановительных реакций...... 381
