Радиационная химия возникла после открытия x-лучей В. Рентгеном в 1895 году и радиоактивности А. Беккерелем в 1896 году, которые первыми наблюдали радиационные эффекты в фотопластинках.
Первые работы по радиационной химии были выполнены в 1899—1903 годах супругами М.Кюри и П. Кюри. В последующие годы наибольшее число исследований было посвящено радиолизу воды иводных растворов.
Ядерная химия
Ядерная химия — часть химии высоких энергий, раздел физической химии — изучает ядерные реакции и сопутствующие им физико-химические процессы, устанавливает взаимосвязь между физико-химическими и ядерными свойствами вещества[12]. Часто под ядерной химией подразумевают области исследования радиохимии (иногда как её раздел) и радиационной химии. Это разные науки, но ядерная химия является для них теоретическим фундаментом. Термин ядерная химия даже в настоящее время не является общепринятым по причине того, что превращение атомных ядер это изначально область ядерной физики, а химия по определению изучает только химические реакции при которых ядра атомов остаются неизменными. Ядерная химия зародилась на стыке радиохимии,химической физики и ядерной физики
Основные направления ядерной химии:
· исследование ядерных реакций и сопутствующих физико-химических процессов;
· химия «новых атомов»;
· поиск и синтез новых элементов и радионуклидов реакторным методом;
· поиск новых видов радиоактивного распада.
Электрохимия
Электрохи́мия — — раздел химической науки, в котором рассматриваются системы и межфазные границы при протекании через них электрического тока, исследуются процессы в проводниках, наэлектродах (из металлов или полупроводников, включая графит) и в ионных проводниках (электролитах). Электрохимия исследует процессы окисления и восстановления, протекающие на пространственно-разделённых электродах, перенос ионов и электронов. Прямой перенос заряда с молекулы на молекулу в электрохимии не рассматривается.
Традиционно электрохимию разделяют на теоретическую и прикладную.
Теоретическая электрохимия
· Теория электролитов
Электролитическая диссоциация
Термодинамика растворов
Теория Дебая-Хюккеля
Диффузия
Миграция ионов
Электропроводность растворов
Расплавы
Твердые электролиты
· Электрохимия гетерогенных систем
Электрохимическая термодинамика
Двойной электрический слой
Адсорбция
Электрохимическая кинетика
Прикладная электрохимия
· Химические источники тока (ХИТ)
· Гальванотехника, Гальванопластика
· Электрохимические производства
· Технология печатных плат
Звукохимия[править | править вики-текст]
Звукохимия (сонохимия) — раздел химии, который изучает взаимодействие мощных акустических волн и возникающие при этом химические и физико-химические эффекты[13]. Звукохимия исследует кинетику и механизм звукохимических реакций, происходящих в объёме звукового поля. К области звукохимии так же относятся некоторые физико-химические процессы в звуковом поле:сонолюминесценция, 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. 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.
Для изучения звукохимических реакций применяют следующие методы:
· Обратный пьезоэлектрический эффект и эффект магнитострикции для генерирования высокочастотных звуковых колебаний в жидкости;
· Аналитическая химия для исследования продуктов звукохимических реакций.
Структурная химия[править | править вики-текст]
Структурная химия — раздел, область химии, изучающая связь различных физических и физико-химических свойств различных веществ с их химическим строением и реакционной способностью. Структурная химия рассматривает не только геометрическое строение молекул; изучению подвергается следующее — длины химических связей, валентные углы, координационные числа, конформации и конфигурации молекул; эффекты их взаимного влияния, ароматичность.
Структурная химия базируется на следующих экспериментальных способах изучения веществ:
· рентгеновский структурный анализ,
· инфракрасная спектроскопия,
· ультрафиолетовая спектроскопия,
· фотоэлектронная спектроскопия,
· нейтронография,
· электронография,
· спектроскопия комбинационного рассеивания,
· микроволновая спектроскопия,
· резонансные методы:
· ЯМР, ЭПР, мёссбауэровская спектроскопия, ядерный квадрупольный резонанс
· адсорбция,
· катализ и др.
ФИЗИЧЕСКАЯХИМИЯ, наука об общих законах, определяющих строение и хим. превращения в-в при разл. внеш. условиях. Исследует хим. явления с помощью теоретич. и эксперим. методов физики.
Как самостоят, наука физическая химия оформилась к сер. 18 в. Термин "физическая химия" принадлежит М.В. Ломоносову, к-рый в 1752 впервые прочитал студентам Петербургского университета курс физической химии. Ему же принадлежит след.определение: "Физическая химия есть наука, объясняющая на основе положений и опытов физики то, что происходит в смешанных телах при химических операциях". Первый научный журнал, предназначенный для публикации статей по физической химии, был основан в 1887 В. Ост-вальдом и Я. Вант-Гоффом.
Физическая химия является основным теоретич. фундаментом совр. химии, опирающимся на такие важнейшие разделы физики, как квантовая механика, статистич. физика и термодинамика, нелинейная динамика, теория поля и др. Она включает учение о строении в-ва, в т.ч. о строении молекул, химическую термодинамику, кинетику химическую и катализ. В качестве отдельных разделов в физической химии часто выделяют также электрохимию,фотохимию, физическую химию поверхностныхявлений (в т. ч. адсорбцию), радиационную химию, учение окоррозии металлов, физико-химию высокомол. соед. и др. Весьма близко примыкают к физической химии и подчас рассматриваются как ее самостоят. разделы коллоидная химия, физико-химический анализ и квантовая химия. Большинство разделов физической химии имеет достаточно четкие границы по объектам и методам исследования, по методологич. особенностям и используемому аппарату.
Совр. этапу развития физической химии присущи углубленный анализ общих закономерностей хим. превращений на мол.уровне, широкое использование мат. моделирования, расширение диапазона внеш. воздействий на хим. систему (высокие и криогенные т-ры, высокие давления, сильные радиац. и магн. воздействия), изучение сверхбыстрых процессов, способов накопления энергии в хим. в-вах и т. п.
Применение квантовой теории, прежде всего квантовой механики, при объяснении хим. явлений повлекло за собой значит.усиление внимания к уровню интерпретации и привело к выделению двух направлений в химии. Направление, опирающееся на квантовомех. теорию и оперирующее на микроскопич. уровне объяснения явлений, часто называют хим. физикой, а направление, оперирующее с ансамблями большого числа частиц, где в силу вступают статистич. законы,- физической химией. При таком подразделении граница между физической химияей и хим. физикой не м. б. проведена резко, что особенно проявляется в теории скоростей хим. р-ций.
Учение о строении в-ва и строении молекул обобщает обширный эксперим. материал, полученный при использовании таких физ. методов, как молекулярная спектроскопия, изучающая взаимод. электромагн. излучения с в-вом в разл. диапазонах длин волн, фото- и рентгеноэлектронная спектроскопия, электронография, нейтронографияирентгенодиффракционные методы, методы на основе магнитооптич. эффектов и др. Эти методы позволяют получать структурные данные об электронной конфигурации молекул, о равновесных положениях и амплитудах колебаний ядер в молекулах и конденсир. в-ве, о системе энергетич. уровней молекул и переходах между ними, об изменении геом. конфигураций при изменении окружения молекулы или отдельных ее фрагментов и т.д.
Наряду с задачей соотнесения свойств в-в с их строением совр. физическая химия активно занимается и обратной задачей прогнозирования строения соединений с заданными св-вами.
Весьма важным источником информации о строении молекул, их характеристиках в разл. состояниях и особенностях хим. превращений служат результаты квантовохим. расчетов. Квантовая химия дает систему понятий и представлений, к-рая используется в физической химии при рассмотрении поведения хим. соединений на мол.уровне и при установлении корреляций между характеристиками молекул, образующих в-во, и св-вами этого в-ва. Благодаря результатам квантовохим. расчетов пов-стей потенциальной энергии хим. систем в разл. квантовых состояниях и эксперим. возможностям последних лет, прежде всего развитию лазерной химии, физическая химиявплотную подошла к всестороннему изучению св-в соед. в возбужденных и высоковозбужденных состояниях, к анализу особенностей строения соед. в таких состояниях и специфики проявления этих особенностей в динамике хим. превращений.
Химическая термодинамика составляет существенную часть физической химии и в значит.мере определяет ее структуру и развитие. Многие выдающиеся ученые 2-й пол. 19 - нач. 20 вв. участвовали в разработке осн. принципов и решений прикладных задач термодинамики, в частности в приложении к задачам физической химиия, находившейся тогда в периоде становления. H. Карно, P. Клаузиус, Г.И. Гесс, Д.П. Коновалов, Г. Гельм-гольц, Я. Вант-Гофф, Ф. Рауль, Дж. Гиббс, А. ЛеШателье, В. Оствальд, В. Нернст и мн. другие сформулировали законы, принципы, правила и ур-ния, к-рые и по сей день сохраняют свое непреходящее значение.
Будучи наукой феноменологической, термодинамика играет в физической химии двоякую роль. Она позволяет, с одной стороны, на основе общих принципов разделить все мыслимые процессы в хим. системах на возможные и невозможные и дает ясные критерии такого разделения. С другой стороны, термодинамика позволяет получать соотношения, в к-рые входят измеряемые на опыте величины, и с помощью этих соотношений рассчитывать важные характеристики исследуемых систем, а также предсказывать, какие из соед. будут наиб.перспективными для решения конкретных прикладных задач в тех или иных условиях. Важное направление хим. термодинамики -количеств. расчеты равновесного состава сложных многокомпонентных систем (напр., высокотемпературныхсверхпроводников), расчеты диаграмм фазового равновесия, многопа-раметрич. оценка перспективных топлив и др. энергоносителей и т. п.
Рабочим инструментом хим. термодинамики являются ха-рактеристич. ф-ции (внутр. энергия, энтропия, энтальпия,энергия Гиббса и энергия Гельмгольца; см. также Термодинамические потенциалы)иур-ния, связывающие их друг с другом и с параметрами, определяющими внеш. условия, в к-рых находится система. Как правило, они получаются на основе эксперим. исследования св-с в-вразл. термодинамич. методами, такими, как калориметрия, метод электродвижущих сил. С помощью характеристич. ф-ций формулируются условия равновесия и устойчивости систем, определяются количеств, характеристики равновесных состояний и направления осуществления хим. процессов.
Классич. термодинамика дополняется таким важным разделом науки, как статистическая термодинамика. Этот раздел не только дает обоснование феноменологич. термодинамики на мол.-статистич. уровне, но и существенно расширяет ее вычислит, возможности, позволяя привлекать для нахождения термодинамич. величин эксперим. и квантовохим. данные о строении и энергетике мол. систем.
Отдельным разделом физической химии, базирующимся на хим. термодинамике, является учение о поверхностных явлениях и адсорбции, обобщающее данные о св-вах межфазных границ и равновесных процессах в гетерогенных системах. Поверхностные явления составляют и предмет коллоидной химии, к-рая имеет дело прежде всего с проявлениями поверхностных явлений у дисперсных систем.
Для адсорбции флюид (газ или жидкость) - твердое тело обычно проводится достаточно условное разделение на физ. адсорбцию и хемосорбцию. В основе такого разделения лежат эксперим. данные об энергетич. характеристикахадсорбции и представления о характере взаимод. молекул адсорбируемого в-ва с твердым телом.
Ограничением обычной термодинамики является то, что она позволяет описывать только равновесные состояния и обратимые процессы. Реальные необратимые процессы составляют предмет возникшей в 30-е гг. 20 в.термодинамики необратимых процессов. Эта область физической химии изучает неравновесные макроскопич. системы, в к-рых скорость возникновения энтропии локально сохраняется постоянной (такие системы локально близки к равновесным). Она позволяет рассматривать системы с хим. р-циями и переносом массы (диффузией), тепла, электрич. зарядов и т. п.
Химическая кинетика изучает превращения хим. в-в во времени, т. е. скорости хим. р-ций, механизмы этих превращений, а также зависимость хим. процесса от условий его осуществления. Она устанавливает закономерности изменения состава превращающейся системы во времени, выявляет связь между скоростью хим. р-ции и внешними условиями, а также изучает факторы, влияющие на скорость и направление хим. р-ций.
Большинство хим. р-ций представляет собой сложные многостадийные процессы, состоящие из отдельных элементарных актов хим. превращения, транспорта реагентов и переноса энергии. Теоретич. хим. кинетика включает изучение механизмов элементарных р-ций и проводит расчет констант скоростей таких процессов на основе идей и аппарата классич. механики и квантовой теории, занимается построением моделей сложных хим. процессов, устанавливает связь между строением хим. соединений и их реакц. способностью. Выявление кинетич. закономерностей для сложных р-ций (формальная кинетика) базируется часто на мат. моделировании и позволяет осуществлять проверку гипотез о механизмах сложных р-ций, а также устанавливать систему дифференц. ур-ний, описывающих результаты осуществления процесса при разл. внеш. условиях.
Для хим. кинетики характерно использование многих физ. методов исследования, позволяющих проводить локальные возбуждения реагирующих молекул, изучать быстрые (вплоть до фемтосекундных) превращения, автоматизировать регистрацию кинетич. данных с одновременной обработкой их на ЭВМ и т. п. Интенсивно накапливается кинетич. информация через банки кинетич. констант, в т.ч. для хим. р-ций в экстремальных условиях.
Весьма важным разделом физической химии, тесно связанным с хим. кинетикой, является учение о катализе, т. е. об изменении скорости и направления хим. р-ции при воздействии в-в (катализаторов), участвующих в р-ции, но остающихся химически неизменными после каждого цикла превращений и поэтому не входящих в состав конечных продуктов. При гомогенном катализе катализатор и реагирующие в-ва находятся в одной фазе в мол.-дисперсном состоянии, тогда как при гетерогенном катализе катализатор образует самостоят, фазу, отделенную границей раздела от фазы, в к-рой находятся реагирующие в-ва. Наличие границы раздела фаз в гетерогенном катализеозначает его зависимость от физ. состояния пов-сти катализатора и его изменений в ходе р-ции. В качестве самостоят. типа рассматривают микрогетерогенный катализ, напр. ферментативный катализ и мембранный катализ, играющие особенно важную роль в биол. процессах. Быстро развивается металлокомплексный катализ, характеризующийся весьма высокой селективностью и мягкими условиями осуществления р-ций.
Учение о катализе очень важно для решения прикладных вопросов хим. технологии, поскольку подавляющее большинство хим. процессов, осуществляемых в пром-сти, является каталитическими. Оно не менее важно для понимания большинства биол. процессов на мол.уровне. Многие стереосе-лективные р-ции, в частности р-ции получения практически только одного оптич. изомера, проводятся сегодня с помощью металлокомплексов, находящихся в той же фазе, где проходит хим. р-ция, или иммобилизованных на пов-сти твердых тел.
Катализ играет решающую роль в защите окружающей среды от токсичных компонентов выхлопных газовавтотранспорта и стационарных энергетич. установок. Разрабатываются катали-тич
https://bio.sfu-kras.ru/files/419_u_sam.pdf
ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение 1 Глоссарий
Адсорбция – явление самопроизвольного сгущения в поверхностном слое массы вещества, понижающего своим присутствием поверхностное натяжение.
Азеотропные смеси – смеси, на диаграммах состояния (раствор – пар) которых имеется максимум или минимум.
Активность a – «эффективная концентрация», эмпирическая величина, заменяющая концентрацию, связанная с концентрацией C через коэффициент активности f': a = f'·C. Этот коэффициент является мерой отклонения свойств реального раствора от идеального. Величина адсорбции (Г, моль/м2) – избыток адсорбирующегося компо-нента, приходящегося на единицу площади поверхностного слоя, т.е. избы- точная концентрация адсорбированного вещества в объеме поверхност- ного слоя (V, м 3) по сравнению с концентрацией в таком же объеме в глуби- не фазы. Водородный электрод представляет собой платиновую пластинку, омываемую газообразным водородом, погруженную в раствор, содержащий ионы водорода. Время полупревращения – время, за которое прореагирует половина ис-ходного вещества. – химический источник электрического тока, названный в честь ЛуиджиГальвани. Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, при- водящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. ЭДС гальванического элемента зависит от материала электродов и состава элек-тролита. Гетерогенный катализ – каталитические реакции, идущие на поверх-ности раздела фаз, образуемых катализатором и реагирующими веществами. Гомогенный катализ – каталитические реакции, в которых реагенты и катализатор находятся в одной фазе. Дисперсность (S) представляет собой удельную поверхность дисперс- ной фазы и определяется соотношением S = S1,2 /V, где S1,2 – площадь по-
ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение 1 2 Физическая химия. Метод.указания по самостоятельной работе 44 верхности раздела между дисперсной фазой (1) и дисперсионной средой (2); V – объем дисперсной фазы. Дисперсные системы – системы, состоящие из 2 или более фаз, одна из которых состоит из отдельных мелких частиц (дисперсная фаза), распреде- ленных в другой фазе (дисперсионной среде). Каждая частица состоит из дос-таточно большого числа молекул. Идеальный раствор – это раствор, в котором энергия взаимодействия разнородных частиц EA-B близка к энергиям взаимодействия одинаковых час-тиц EA-A и EB-B. Изотонический коэффициент (i) – это величина, которая показывает, на сколько частиц распадается молекула в результате диссоциации в растворе. Ионная сила раствора (I) – равна полусумме концентраций всех ионов, умноженных на квадрат их заряда: 2 = 0,5 () ∑ i iICz. Катализ – явление изменения скорости химической реакции в присут-ствии веществ, состояние и количество которых после реакции остаются не-изменными. Катализатор – вещество, входящее в структуру активированного ком-плекса, но не являющееся реагентом. Квантовый выход фотохимической реакции γ – отношение числа частиц, претерпевших превращение, к числу поглощенных веществом кван-тов света. Кинетическая кривая – графическое изображение зависимости концен-трации реагентов от времени. Кинетическое уравнение химической реакции – зависимость скорости реакции от концентраций реагирующих веществ, определяемая эксперимен-тально. Коллигативные свойства растворов – свойства, зависящие только от концентрации растворенных частиц и не зависящие от их природы. К ним относят: 1) понижение давления пара; 2) повышение температуры кипения – эбулиоскопия; 3) понижение температуры замерзания – криоскопия; 4) осмо-тическое давление. Коллоидная химия – физхимия поверхностных явлений; раздел физиче-ской химии, изучающий двух- или многофазные системы, в которых хотя бы одна из фаз находится в высокодисперсном состоянии. Коллоидные системы (другое название – золи) – дисперсные системы с размером частиц 10-7 –10-9 м. Константа химического равновесия – математическое выражение, свя-зывающее равновесные концентрации (давления) компонентов реакции и со- храняющее постоянное значение при неизменной температуре. Например, ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение 1 2 Физическая химия. Метод.указания по самостоятельной работе 45 для реакции: aA + bВ = cC + dD, константы равновесия, выраженные через равновесные концентрации или давления равны, соответственно, KС и Kр: C D A B =, c d С a b C C K C CC D A B = c d p a b p p K p p. Концентрационная цепь – гальванический элемент, состоящий из двух одинаковых металлических электродов, опущенных в растворы соли этого металла с различными активностями а1 > а2. Метастабильная система – система, находящаяся в состоянии относи- тельной устойчивости. Молекулярность реакции – число частиц, которые участвуют в элемен- тарном акте химического взаимодействия. Мольная доля X – отношение числа молей данного компонента к обще-му числу молей всех компонентов в системе: B B A B ν = ν +ν X. Моляльная концентрация m – число молейνВ растворенного вещества в одном килограмме растворителя. Молярная концентрация С – число молей νВ растворенного вещества в одном литре раствора. Насыщенный раствор – раствор, находящийся в равновесии с раство-ренным веществом. Нормальная концентрация N – число эквивалентов растворенного ве-щества в одном литре раствора. Общий порядок реакции – сумма показателей степени в кинетическом уравнении химической реакции. Окислительно-восстановительный электрод (или редокс-электрод) – электрод, состоящий из инертного проводника, помещенного в раствор элек-тролита, содержащего один элемент в различных степенях окисления. По-тенциалокислительно-восстановительного электрода также определяют от- носительно стандартного водородного электрода: Pt, H2 / 2H+ // Fe3+, Fe2+ / Pt Осмос – процесс перехода растворителя через полупроницаемую мем-брану из области с меньшей концентрацией в область с большей концентра- цией раствора. Осмотическое давление (π) – это давление, которое оказывает раство-ритель на полупроницаемую мембрану при переходе из области с меньшей концентрацией в область с большей концентрацией. ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение 1 2 Физическая химия. Метод.указания по самостоятельной работе 46 Поверхностно-активные вещества (ПАВ) – вещества, уменьшающие поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение σ – избыток энергии (по сравнению со свободной энергией в глубине каждой из соприкасающихся фаз) на едини-цу площади раздела фаз S. Поверхностное натяжение представляет собой частные производные термодинамических потенциалов по площади раз- дела фаз: 1,2, ∂ σ = ∂ V T F S; 1,2, ∂ σ = ∂ i p T U S 1,2, ∂ σ = ∂ V S U S; 1,2, ∂ σ = ∂ p S H S; или работу W, необходимую для увеличения площади раздела фаз на единицу: 1,2. δ σ = ∂ W S Поверхностное натяжение σ – сила поверхностного натяжения F', действующая на единицу длины поверхностного слоя l: '. ∂ σ = ∂ F l Процентная концентрация ω – число граммов растворенного вещества в 100 граммах раствора. Раствор – гомогенная система, состоящая из двух или более компо-нентов, состав которой может непрерывно изменяться в некоторых пределах без скачкообразного изменения её свойств. Растворимость – концентрация компонента в насыщенном растворе. Ректификация – разделение компонентов жидкого раствора, имеющих различные температуры кипения, за счёт многократного повторения циклов испарения. Силы поверхностного натяжения – силы, возникающие на поверхно-сти раздела фаз в результате различных межмолекулярных взаимодействий; направлены от поверхности внутрь фазы перпендикулярно касательной к по- верхности. Скорость химической реакции – изменение концентрации реагирую-щих веществ в единицу времени (при постоянном объеме). Сольюбилизация – гидрофобное связывание. Теплота (энтальпия) образования соединения – количество теплоты, выделяемой или поглощаемой при образовании 1 моля этого соединения из ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение 1 2 Физическая химия. Метод. указания по самостоятельной работе 47 простых веществ, находящихся в наиболее устойчивом состоянии при дан-ных условиях. Теплота (энтальпия) сгорания соединения – теплота, выделяющаяся при сгорании одного моля вещества в кислороде до высших оксидов. Фазовая диаграмма – диаграмма, выражающая зависимость состояния системы от внешних условий или от состава системы. Ферментативный катализ – каталитические реакции, протекающие с участием ферментов – биологических катализаторов белковой природы. Фотохимические реакции – реакции, в которых активация частиц яв-ляется результатом их взаимодействия с квантами света видимой области спектра. Функция состояния – такая термодинамическая функция, изменение которой не зависит от пути перехода системы из начального состояния в ко-нечное, а зависит только от параметров этих состояний. Химический потенциал µ – частная производная термодинамического потенциала (G, F, H или U) по числу молей. Химическое равновесие – такое состояние системы, при котором кон-центрации всех реагирующих веществ не меняются во времени при постоян- ствевнешних условий. Химическое равновесие является динамическим; при этом скорости прямой и обратной реакций равны. Частный порядок реакции по компонентам А или В – показатель сте- пени при концентрации каждого из реагирующих веществ в кинетическом уравнении химической реакции. ЭДС – электродвижущия сила. Электродный потенциал электрода ε – ЭДС элемента, составленного из данного электрода и стандартного водородного электрода, электродный потенциал которого принят равным нулю. Электролиты – вещества, которые при растворении или в расплавах проводят электрический ток. Энергия активации ЕА – необходимый избыток энергии (по сравнению со средней энергией реагирующих веществ), которым должны обладать мо-лекулы, чтобы их столкновение могло привести к химическому взаимодей- ствию.