Как показывает само название, физическая химия рассматривает вопросы, находящиеся на стыке физики и химии.
Химические (связанные с изменением состава) процессы сопровождаются и инициируются физическими.
Химические реакции могут быть источником тепла, света, электрической энергии, а также приводить к взрыву. Течение и конечный результат химических реакций существенно зависят от подвода тепловой, световой или электрической энергии и от физического состояния реагентов.
Механизм химических процессов может быть понят лишь на основе физических теорий, описывающих движение реагирующих молекул и осуществляющих акт химической реакции электронов. Физические свойства тел существенно зависят от их химического состава.
Физическая химия охватывает все вопросы теории химических превращений и рассматривает влияние физических параметров на химические процессы и химического состава на физические свойства.
Существует множество типичных проблем физической химии, среди которых можно выделить основные: проблему химического равновесия, основой которой является расчет максимально возможного выхода химической реакции как функции параметров (температуры, давления и др.); проблему скорости химической реакции, состоящую в необходимости интенсификации процесса, определяемой скоростью химических превращений; проблему связи свойств тела с его структурой и химическим составом, заключающуюся в определении и достижении определенных прочностных свойств; проблему химической связи, состоящую в определении реакционной способности, структуры, формы, электрической и энергетической характеристик молекул.
Развитие научно-технической революции требует применения и развития физической химии. Это относится к изысканию новых энергетических и сырьевых ресурсов, а также к синтезу питательных веществ. Охрана окружающей среды, освоение богатств мирового океана, а также покорение космоса непосредственно связаны с решением ряда конкретных физико-химических задач.
Развитие химической и металлургической промышленностей,
8
получение новых продуктов, а также увеличение производительности и автоматизация процессов тесно связаны с развитием физической химии. Это относится, например, к получению материалов с заданными эксплуатационными свойствами, к получению особо чистых материалов, разделению и анализу смесей, применению сверхвысоких температур и давлений.
Все большую роль играет физическая химия в развитии биологии и биотехнологии.
Металлургия и металловедение непосредственно опираются на физическую химию, обосновывающую теорию химических процессов в металлургических агрегатах, позволяющую рассчитать скорости этих процессов и определить пути их интенсификации.
Свойства реальных сплавов зависят от их структуры, от того, какие процессы прошли при их получении. Физическая химия дает теоретические основы для характеристики структуры сплавов и скоростей идущих в них процессов.
Физическая химия как наука начала складываться во второй половине прошлого века, хотя уже М.В. Ломоносов впервые указал на важность этой дисциплины и создал первый курс физической химии. Ряд важнейших основ современной физической химии был заложен в России. А.М. Бутлерову принадлежат важнейшие идеи, положенные в основу химических структурных формул, Д.И. Менделееву - открытие периодической системы элементов. В наше время большое значение имеют работы автора теории цепных взрывов Н.Н. Семенова и одного из создателей современной электрохимии А.Н. Фрумкина.
Физическая химия, как наука, опирается на диалектический материализм и, в частности, на ленинскую теорию отражения.
Можно назвать три основных метода, которые характеризуют направление этой науки и определяют ее предмет.
Первый из этих методов - термодинамика. Она является опытной и формальной дисциплиной. Все законы и понятия формулируются в термодинамике как результат описания опыта без проникновения в молекулярный механизм процессов. Это обусловливает ограниченность ее применения, несмотря на большую практическую ценность ее методов расчета.
Второй метод - статистическая механика, опирающаяся на учение о молекулярной природе тел. Рассмотрение тел как больших коллективов частиц, подчиняющихся законам
9
механики, позволяет обосновать понятия и законы термодинамики и значительно расширить область описываемых явлений. Статистическая механика позволяет связать макроскопические свойства тел с микроскопическими свойствами молекул.
Третий метод физической химии основывается на учении о строении атома и молекул. Он позволяет объяснить свойства молекул и твердых тел на основе законов движения и свойств составляющих их частиц, в первую очередь электронов.
Каждому из приведенных трех методов соответствует свой круг понятий, законов и экспериментальных методик (в последние годы физическая химия стала пользоваться экспериментальными методами ядерной физики).
Рассмотренные методы развиваются наряду с развитием физической химии и определяют этапы последовательного решения основных ее проблем. На этом принципе построено изложение учебника.
Первая часть посвящена термодинамике, вторая - статистической механике, третья - учению о скоростях химических процессов, непосредственно опирающемуся на статистическую механику. В четвертой части освещены основы и физико-химические применения учения о строении атома и молекулы. Однако уже в первой части при изложении физического смысла основных понятий и законов используются молекулярные представления.
10
