No, ovo nije jedina znanost na kojoj programeri danas rade na popularizaciji. I naravno, njihova pažnja nije mimoišla ni kemiju - najzanimljiviju znanost o strukturi tvari, zbog koje se djeca obično plaše nerazumljivih elemenata i formula. No, kao i uvijek, čini se da je to stvar pristupa. Možda, ako diverzificirate proučavanje periodnog sustava raznim igrama i upoznate djecu s konceptom kemijske valencije koristeći šarenu i razumljivu aplikaciju, tada im se sam predmet neće činiti dosadnim ili nedostupnim. Stoga vam predstavljamo izbor aplikacija i igara za učenje kemije.

Aplikacija za istraživanje kemijskih elemenata, o kojoj je engleski pisac i glumac Stephen Fry svojedobno rekao: “Zbog ove aplikacije, trebali biste kupiti iPad!”. Elementi su svojevrsna baza podataka glavnih kemijskih elemenata predstavljenih u obliku visokokvalitetnih 3D modela. Aplikacija se temelji na The Elements autora Theodorea Graya, autora rubrike Gray Matter u časopisu Popular Science Magazine, ali značajke The Elements daleko su izvan tiska.

Za svaki element odabran je primjer koji je predstavljen u obliku rotirajućeg 3D modela (na primjer, kositreni vojnik za kositar, zlatni ingot za zlato, itd.), koji se može samostalno pokrenuti, prevrnuti, uvećan - općenito istražen sa svih strana . Pored svakog elementa nalazi se stupac podataka i činjenica s pojedinostima o njegovim značajkama. Programeri karakteriziraju svoj proizvod na sljedeći način:

Elements nije aplikacija za pomoć; je bogata i zadivljujuća ljubavna priča periodnog sustava, ispričana riječima i slikama, koja vam omogućuje da doživite ljepotu i veličanstvenost građevnih blokova našeg svemira kao nikada prije.

Više puta priznat kao jedan od najboljih programa za učenje kemije, The Elements košta samo 4,99 dolara. Aplikacija se može preuzeti s iTunes-a. Nažalost, video-recenzija je dostupna samo na engleskom jeziku, ali i vizualni prikazi su dovoljni da shvatite koliko je ovaj program dobar.

U ovoj besplatnoj aplikaciji pronaći ćete 3D modele raznih tvari. Molecules ima nekoliko načina vizualizacije koji korisnicima omogućuju rotiranje modela, skaliranje molekule, povećanje/smanjivanje i još mnogo toga. Sama aplikacija ima vrlo pristojnu bazu podataka molekularnih modela, ali u isto vrijeme korisnik ima priliku preuzeti primjere sa specijaliziranih stranica međunarodnih skladišta bioloških molekula i njihovih trodimenzionalnih modela. Da biste to učinili, unesite naziv tvari u traku za pretraživanje (Voda, zlato, inzulin itd.). Naravno, ovdje su predstavljene sveobuhvatne informacije o svakoj molekuli i molekularnom spoju: puni naziv molekularne strukture (a sjećate li se da su tvari najčešće skraćene, a puni naziv obično znaju samo stručnjaci?), broj i vrste aminokiselina u slučaju proteina, nukleotidne sekvence za DNA i RNA, imena istraživača spojeva i još mnogo toga. Aplikacija je dostupna na iTunes-u.

Kreiran od strane profesora kemije iz Michigana, ova aplikacija pomaže korisnicima razumjeti kako se molekule povezuju. Igra se sastoji od pet razina, od kojih svaka od igrača zahtijeva da sastavi 2D Lewisove strukture točaka. Onaj tko je izvršio zadatak bit će nagrađen transformacijom 2D strukture u 3D model. Osim toga, na kraju svake razine, aplikacija će vam dati filozofsko retoričko pitanje o strukturi svemira i njegovim supstancama, pa čak i ako ne uspijete shvatiti valenciju, filozofija kemije će vam postati malo bliža. Chemical Valence možete preuzeti s App Storea za 0,99 USD.

Ovo je svojevrsni virtualni kemijski laboratorij u vašem mobilnom uređaju. Ovdje možete provoditi eksperimente s raznim tvarima i promatrati najneočekivanije reakcije. Kao što razumijete, u virtualnom prostoru možete čak eksperimentirati s eksplozivima i radioaktivnim tvarima. Rezultati eksperimenata se simuliraju u stvarnom vremenu, dok program uzima u obzir hrpu parametara: sastav zraka, temperaturu okoline, masu i volumen miješanih tvari itd. Kako bi se kemičaru početniku olakšao zadatak, u aplikaciji je dostupna baza glavnih reakcija za svaku tvar iz periodnog sustava. Međutim, možete "kemizirati" i otkriti vlastite reakcije. Chemist Lab dostupan je na iTunesu za 4,99 dolara. Ali postoji i besplatna probna verzija.

Mislite li na drugi kemijski laboratorij? Nisam pogodio! Chem Lab je zabavan kviz koji će provjeriti vaše znanje o osnovnim kemijskim formulama. Od korisnika se traži redom izvršiti 5 zadataka (povući potrebne elemente u epruvetu za dobivanje plina ili kombinirati prikladne tvari, itd.). Na kraju pokusa prikazuju se potrebni rezultati za svaki zadatak i uspoređuju s vašim postignućima. Budite oprezni – ako reakcija ne uspije, nešto može eksplodirati ili se zapaliti. Naravno, rad u aplikaciji je siguran, ali eksplozija barem sugerira da se u stvarnosti ne isplati ponavljati takvo iskustvo. Aplikacija je dostupna u App Storeu i košta samo 0,99 USD.

Talking Ben the Dog igra je za najmlađe. Pas koji govori Ben je umirovljeni profesor kemije koji je umoran od života. Sve što radi je jede, pije i čita novine. Možete ga pokušati promiješati ili jednostavno pritisnuti tipku "Kemija" i poslati starog profesora u laboratorij da s njim provede jednostavne kemijske eksperimente (pomiješaj dvije tekućine i promatraj reakciju). Ništa posebno edukativno, ali dijete barem nauči da miješanje dviju tvari može dovesti do neočekivane reakcije. Čini se kao dobar početak za pričanje djetetu o kemiji kao znanosti. Aplikacija je dostupna besplatno na iTunes i Google Play.

Još jedan alat za proučavanje kemije, koji vam omogućuje upoznavanje s aktivnošću elemenata, proučavanje redoks reakcija, rješavanje problema iz kemije, dobivanje konačnih produkta reakcije i izjednačavanje koeficijenata. Aplikacija sadrži opis reakcija više od tisuću i pol kemijskih spojeva. Sučelje aplikacije je, međutim, iznimno jednostavno, kao i rad u njemu: za reakciju je dovoljno odabrati potrebne elemente iz tablice i povezati ih. Aplikacija se može besplatno preuzeti s Google Playa.

Aplikacija za igru ​​za učenje kemije. Sada ne trebate prisiljavati svoje dijete da trpa kemijske elemente, samo za njega instalirajte Elements Quiz, gdje se periodni sustav proučava u obliku jednostavne igre. Osnovna pravila igre su traženje kemijskih elemenata koje nudi program u tablici. Što bi moglo biti lakše? Ali dijete u procesu takve pretrage postupno pamti naziv elementa, njegov simbol i mjesto u tablici - osnove koje su potrebne za daljnje uspješno proučavanje predmeta. Za naprednije korisnike, aplikacija ima ugrađene kvizove s kojima nije tako jednostavno rukovati. Osim toga, aplikacija je povezana s Wikipedijom, tako da uvijek možete dobiti dodatne informacije o ovom ili onom elementu u besplatnoj enciklopediji.

Ovo je aplikacija koja vam omogućuje jednostavno crtanje formula organskih spojeva. No, kako korisnici primjećuju, nemoguće je opisati i prikazati cjelovite reakcije u programu, pa se MolPrime + za sada može koristiti samo kao uređivač formula. Usput, lako je podijeliti svoja postignuća u aplikaciji s prijateljima putem twittera i e-maila, tako da se možete natjecati u vještini. MolPrime+ je lako preuzeti s

Opći recept za pripremu za kemijske olimpijade vrlo je jednostavan: čitajte dobru literaturu i marljivo radite - rješavajte probleme, analizirajte gotova rješenja, proučavajte kemijska svojstva tvari. Dat ćemo vam popis knjiga s kratkim komentarima i poveznicama na elektroničke izvore. Naravno, ovaj popis daleko je od iscrpnog i nije univerzalan, ali sve na njemu zajamčeno je visoke kvalitete. Većina knjiga može se kupiti u knjižarama, a neke rabljene knjige mogu se preuzeti s weba.

Ako govorimo o konkretnim olimpijadama, onda je najbolji način pripreme rješavanje problema proteklih godina. Na netu možete pronaći kompletne zadatke i rješenja za gotovo svaku ozbiljnu olimpijadu iz kemije u zadnjih 5-7 godina. Međutim, takvo obilje informacija ne pomaže uvijek, možda neće biti dovoljno iskustva samostalnog rada. Evo nekoliko savjeta za učinkovit rad s problemima i rješenjima:

1. Uzmite cijeli niz zadataka, odvojite dovoljno vremena (na primjer, slobodan dan) i pokušajte riješiti što više zadataka. U svakom zadatku, čak i ako ne uspije u potpunosti, pokušajte se pomaknuti što je dalje moguće i popraviti pitanje na koje niste mogli odgovoriti.
2. Nakon toga možete se obratiti rješenjima. Dok analizirate svaki zadatak, zapišite za sebe u zasebnu bilježnicu:
1. Nove jednadžbe reakcija koje ste naučili;
2. Nove kemijske ideje koje ste razumjeli iz rješenja;
3. Nova tehnička rješenja (npr. jednadžba reakcije u općem obliku, način odabira varijabli, argumentirani odabir itd.);
4. Greške koje ste napravili dok ste ih rješavali.

Takva priprema će potrajati puno vremena, ali ona je najučinkovitija. Zatim, listajući dovršene bilježnice, možete jednostavno osvježiti potrebne informacije u sjećanju. I to neće biti samo površno upoznavanje s pravim odlukama, već duboko ovladavanje novim materijalom.

Ostaje samo pitanje: gdje dobiti toliko vremena? Odgovor na ovo može biti sljedeći: uvijek ima vremena, samo ga ne koristimo uvijek ispravno.

Uspjesi u pripremi i radu s literaturom!

Gdje početi:

Anorganska kemija

1. B. V. Nekrasov "Osnove opće kemije" (u 2 sveska, M .: Kemija, 1973). Jedna od najboljih domaćih knjiga o kemiji, apsolutni klasik. Enciklopedija zanimljive anorganske kemije, najbolja knjiga o kemiji elemenata. Knjiga ima dvije razine. Za kemičara početnika bolje je čitati samo veliki tisak. Ali najzanimljivije je tiskano malim slovima. U nekim je odjeljcima knjiga pomalo naivna sa modernog gledišta, ali to ne umanjuje njezinu vrijednost za kemičare početnike. Knjiga se može naći u knjižarama ili preuzeti s interneta.
2. E. A. Eremina, O. N. Ryzhova "Priručnik za školarce u kemiji" (M.: Izdavačka kuća Moskovskog državnog sveučilišta, 2014). Knjiga je napisana prema programu "Moskovsko državno sveučilište - škola". U početku se planiralo pomoći kandidatima za upis na Moskovsko državno sveučilište, ali se pokazalo vrlo korisnim za pripremu za olimpijade. U ovoj knjizi pažljivo su odabrane najvažnije reakcije organskih i anorganskih tvari, kao i jednostavan opis osnovnih fizikalnih i kemijskih pojmova.
3. I. A. Leenson "Kemijski elementi" (Moskva: AST, 2017). Detaljan vodič kroz periodni sustav, svojevrsnu enciklopediju elemenata, sastavio jedan od najboljih popularizatora kemije. Knjiga je zanimljiva i početnicima i profesionalnim kemičarima.

Organska kemija

1. I. I. Grandberg. "Organska kemija" (4. izd., M.: Drofa, 2001.). Broj izdanja govori sam za sebe. Ovo je udžbenik za studente, ali je napisan na tako jednostavan i razumljiv način da neće stvarati poteškoće ni školarcima.
2. V. M. Potapov. "Problemi i vježbe u organskoj kemiji" (3. izd., revidirano i dopunjeno, M.: Khimiya, 1989.). Prilično jednostavna, ali vrlo kompetentna problemska knjiga, koja sadrži puno zadataka. Može se besplatno preuzeti na internetu.

Fizička kemija

1. V. V. Eremin. "Teorijska i matematička kemija za školsku djecu" (2. izd., M.: MTsNMO, 2014.). Jedna od rijetkih knjiga fizikalne kemije koja je dostupna školarcima. Ovo je knjiga problema, ali svaki dio ima teoretski uvod. Tu je i uvodno poglavlje o matematici. Velika prednost knjige je što su zadaci podijeljeni u tri razine pa se s njom može pripremiti ne samo za međunarodnu, već i za školsku olimpijadu.

knjige problema

1. V. V. Eremin, N. E. Kuzmenko „Zbirka zadataka i vježbi iz kemije. Školski tečaj "(M .: Ispit, 2008.). Dobra zbirka zadataka prema kojoj se možete pripremiti za početničke olimpijade. Uspješna kombinacija računskih, kvalitativnih zadataka i lanaca transformacija. Svaki dio ima kratak teoretski uvod koji se može koristitipoput obrisa. Knjiga nije na prodaju.
2. N. E. Kuzmenko, V. V. Eremin, V. A. Popkov “Počeci kemije” (1-15. izd., M.: Ispit, 2000.-2013.; 16. izd., revidirano i dopunjeno, M. : Laboratorij znanja, 2016.). Iako na naslovnici piše "Udžbenik", ovo je vodič za kandidate za sveučilišta. Doživio je više od 15 izdanja i postao vrlo popularan. Knjiga sadrži mnogo problema i dobro istraženih primjera.
3. A. N. Levkin, N. E. Kuznetsova "Knjiga problema u kemiji" (zasebna knjiga za razrede 9, 10 i 11, M .: Ventana-Graf). Dobre zbirke problema na školskoj razini. Mnogi zadaci su obrazovne prirode. Razina složenosti nekih zadataka odgovara školskoj ili općinskoj fazi Sveruske olimpijade za školarce.

Kako nastaviti:

Anorganska kemija

1. Pod uredništvom Yu. D. Tretyakova "Anorganska kemija" (u 3 sveska, M .: Akademija, 2004-2007). Sveučilišni udžbenik koji su napisali profesori Moskovskog državnog sveučilišta. Mnogi su odjeljci dostupni i korisni za školarce, ali općenito su prilično složeni i bolje ih je upućivati ​​radi rješavanja pojedinačnih pitanja, a ne radi sustavnog rada.
2. N. Ya. Turova "Tablice-sheme o anorganskoj kemiji" (M.: MTsNMO, 2009). Legendarni vodič za anorgansku kemiju. Je na mreži.
3. N. N. Greenwood, A. M. Earnshaw "Kemija elemenata" (u 2 toma, Moskva: Binom. Laboratorij znanja, 2015.). Jedan od najboljih stranih udžbenika iz anorganske kemije. Izvrstan dodatak trotomnom izdanju, ur. Tretjakov.

Organska kemija

1. J. March "Organska kemija: reakcije, mehanizmi i struktura" (u 4 sveska, M.: Mir, 1987). Klasična knjiga o organskoj kemiji, prikladna za napredne studente. Možete kupiti u knjižarama ili besplatno preuzeti na internetu. Godine 2019. u izdanju izdavačke kuće Knowledge Lab objavljeno je 4-sveščano izdanje "Ožujska organska kemija. Reakcije, mehanizmi, struktura".
2. N. A. Tyukavkina, Yu. I. Baukov "Bioorganska kemija" (3. izd., Moskva, Drofa, 2004.). Općeprihvaćeni udžbenik za medicinske fakultete. Za napredne studente - jedna od najboljih publikacija o biokemiji.

knjige problema

1. A. Z. Lisitsyn, A. A. Zeifman “Vrlo nestandardni zadaci u kemiji” (Moskva: MTSNMO, 2015). Zbirka sadrži više od 500 nestandardnih problema iz anorganske, organske i fizikalne kemije. Zadaci su podijeljeni u nekoliko razina složenosti, za sve zadatke dani su odgovori i/ili upute. Zbirka je namijenjena, prije svega, dodatnoj nastavi kemije u školi: priprema za olimpijade, školske krugove, zanimat će sve one koji su povezani s kemijom i zanimaju ih lijepe i neobične kemijske strukture i transformacije.

Popularne i popularne znanstvene knjige o kemiji

1. Enciklopedija za djecu. Svezak 17. Kemija (Moskva: Avanta+, 2000, 2007, 2010). Prekrasna knjiga o kemiji za djecu i odrasle. Vrlo zanimljivi članci koji pokrivaju sve glavne dijelove kemije, izvrsne ilustracije, odličan ruski. Knjiga je dobra i za početnike i za one koji već nešto znaju. Svaki kemičar bi ovu knjigu trebao imati na polici.
2. M. G. Voronkov, A. Yu. Rulev „O kemiji i kemičarima i u šali i ozbiljno“ (M.: Mnemozina, 2011). Zbirka zanimljivih i smiješnih priča o kemijskim otkrićima i kemičarima u stvarnom životu. Ovo nije zbirka znanstvenih anegdota, već dobar udžbenik iz povijesti kemije, u kojem se iznose samo pomno provjerene činjenice. Ovu će knjigu biti zanimljivo čitati – i učenicima i njihovim roditeljima.
3. Kratak trenutak trijumfa (M.: Nauka, 1989). Knjiga o tome kako su nastala velika otkrića - u kemiji, fizici, biologiji. To je za one koji će se profesionalno baviti znanošću i koristiti čovječanstvu. Knjiga je rabljena, nema je u trgovinama, ali se može skinuti s mreže.

Još 4 knjige

1. I. S. Dmitriev, K. M. Nikitin “Dmitrij Mendeljejev. Autor velikog zakona” (M.: Ast-Press, 2013). Knjiga iz serije "Vodič kroz povijest Rusije". Kratka, ali vrlo informativna i pouzdana biografija najpoznatijeg ruskog znanstvenika na svijetu - D. I. Mendelejeva. Opisani su ne samo iznimna dostignuća znanstvenika, već i njegova traganja i neuspjesi u znanosti, javnom i osobnom životu.
2. Jednostavna znanost. Skup knjiga koje sadrže opise jednostavnih i vrlo zabavnih eksperimenata iz fizike i kemije. Sjajne knjige koje će djecu zainteresirati za znanost.
3. I. M. Titova “Kemija i umjetnost. 10-11 razredi” (udžbenik, M.: Ventana-Graf, 2007). Knjiga za ljude koji žele steći široko obrazovanje. Vrlo je zanimljivo prikazana interakcija znanosti i umjetnosti – dva bitno različita načina spoznavanja svijeta. Izvrstan primjer kako se kemija manifestira u područjima daleko od znanosti.
4. V. V. Eremin "Matematika u hemiji" (Moskva: MTsNMO, 2011). Knjiga za školarce s fizičkim i matematičkim načinom razmišljanja. Govori o tome kako se matematika koristi za rješavanje kemijskih problema. Raspravljaju se o ograničenjima matematičkim jednadžbama nametnutim zakonima kemije.

Olimpijade i mjesta za pripreme

1. u svim predmetima.
2. http://www.chem.msu.ru/rus/olimp/ - informativni materijali o olimpijadama: Moskovska, Sveruska, Mendeljejevska, međunarodna. Daju se zadaci teorijskih i eksperimentalnih krugova, detaljna rješenja, popisi pobjednika i fotografije.

Još 4 stranice

1. Olimpijada "Lomonosov" iz svih predmeta. Zahtijeva registraciju.
2. Materijali Svesibirske otvorene kemijske olimpijade.
3. http://chem.dist.mosolymp.ru/ je sustav učenja na daljinu koji je prvenstveno usmjeren na pripremu za olimpijade svih razina - od školske do međunarodne. Sadrži ogroman broj zadataka grupiranih i po temama i po olimpijadi. Za sve glavne dijelove kemije dat je teorijski materijal i analizirana rješenja tipičnih problema. Sustav je besplatan, ali zahtijeva minimalnu registraciju.

Internet resursi

1. Znanstveno-popularni projekt "Elementi velike znanosti" (fizika, kemija, matematika, astronomija, znanosti o životu, znanosti o Zemlji). Znanstvene vijesti, knjige, popularnoznanstveni članci, predavanja, enciklopedije.
2. Znanstveno-popularni časopis "Potencijal". Časopis izlazi od 2005. godine, rubrika "Kemija" - od 2011. godine. U njemu možete pronaći udžbenike opće i anorganske kemije, organske kemije, multimedijske materijale, probleme kemijskih olimpijada s rješenjima, probleme prijemnih ispita za pristupnike, materijale za nastavnike psihologije i pedagogije, svijetle tematske zbirke videa i interaktivne 3D ilustracije.

Federalna agencija za obrazovanje

USTU - UPI

Zavod za teoriju metalurških procesa

LA. Žukova, A.A. Žukov

FIZIČKA KEMIJA

Edukativno elektroničko tekstualno izdanje Priredio odsjek "Teorija metalurških procesa"

Sažetak predavanja iz discipline "Fizikalna kemija" za studente smjerova 150100 - Metalurgija, 150600 - Znanost o materijalima i tehnologija materijala

Ekaterinburg

Odjeljak 1. Uvod i osnovni pojmovi

Iz samog naziva discipline proizlazi da je to granična znanost između kemije i fizike. Glavni zadatak fizikalne kemije je proučavanje odnosa različitih fizikalnih i kemijskih pojava. Budući da je svaki stvarni fenomen složen, odabir pojedinačnih aspekata u njemu - fizičkih ili kemijskih - prilično je proizvoljan. Stoga je ponekad teško povući granicu između problematike fizikalne kemije i pojedinih odjeljaka fizike i kemije. Kao znanost fizikalna kemija se počela formirati u drugoj polovici 19. stoljeća, iako je naziv i opću definiciju sadržaja fizikalne kemije prvi dao M.V. Lomonosov (1752): "Fizikalna kemija je znanost koja mora, na temelju odredbi i eksperimenata fizikalnih znanstvenika, objasniti razlog onoga što se događa kroz kemijske operacije u složenim tijelima."

Fizikalna kemija se bavi multilateralnim proučavanjem kemijskih procesa

I pratećih fizičkih pojava, koristeći teorijske i eksperimentalne metode obiju znanosti, kao i vlastite. Time je moguće predvidjeti tijek kemijskog procesa i njegov rezultat te ga, posljedično, kontrolirati kako bi se dobio optimalan rezultat. Područje primjene fizikalne kemije obuhvaća sva pitanja kemijskih i faznih transformacija, utjecaja fizikalnih parametara na kemijske procese, te kemijskog sastava na fizikalna svojstva. Na temelju multilateralnog proučavanja različitih svojstava tvari i karakteristika različitih procesa s njihovim sudjelovanjem, fizikalna kemija rješava dva najvažnija zadatka - utvrđuje mogućnost procesa i njegovu brzinu, određuje čimbenike koji mu omogućuju upravljan.

Metalurgija se dugo temeljila na dostignućima fizikalne kemije, što je omogućilo razvoj teorije procesa koji se odvijaju u metalurškim jedinicama. Opravdavajući mogućnost različitih procesa u datim uvjetima, znanstveni pristup omogućuje identificiranje uvjeta za njihovo najpotpunije odvijanje, izračunavanje brzina tih procesa, uzimanje u obzir količine topline koja se apsorbira ili oslobađa tijekom njihovog odvijanja, te kao rezultat, optimizirati tehnološke režime za dobivanje visokokvalitetnog metala.

Proizvodnja metala i legura složen je i višestupanjski proces u kojem se u svakoj fazi, uključujući i tekuće stanje, formira potrebna struktura i potrebna svojstva budućeg konstrukcijskog materijala. Metode fizikalne kemije koriste se za potkrepljivanje kemijskog sastava legure zadanih svojstava i utvrđivanje načina za njegovo dobivanje, optimizaciju procesa koji se odvijaju tijekom njezine kristalizacije, određivanje brzine hlađenja ingota, što doprinosi stvaranju zadanog faznog sastava. i strukture, te u analizi mnogih drugih procesa u metalurgiji. Dakle, fizikalna kemija je teorijska osnova za dobivanje metala, legura i drugih materijala željenih svojstava.

U Trenutno je fizikalna kemija samostalna disciplina s vlastitim istraživačkim metodama i teorijska je osnova za niz primijenjenih disciplina.

Fizikalna kemija ima vodeću ulogu u oblikovanju znanstvenog gledišta metalurga specijalista, omogućujući s najopćenitijih pozicija analiziranje i predviđanje tijeka procesa dobivanja i obrade metala i legura.

Svrha studija fizikalne kemije je upoznati studente s osnovnim zakonitostima ove znanstvene discipline i njihovim posljedicama, nekim teorijskim

I eksperimentalne metode za proučavanje parametara ravnotežnog stanja sustava i kinetike tekućih procesa, razvijanje vještina i sposobnosti fizikalne i kemijske analize potrebne za dubinsko proučavanje metalurških procesa i tehnologija u posebnim kolegijima.

Raznolikost pojava koje proučava fizička kemija dovela je do unutarnje izolacije

Ima nekoliko odjeljaka, od kojih glavni uključuju sljedeće.

Kemijska termodinamika bavi se razmatranjem energetskih bilanca, pitanjima kemijske i fazne ravnoteže, kao i pojašnjavanjem smjera procesa u sustavima u kojima nema ravnoteže.

Struktura materije uključuje proučavanje strukture atoma, molekula i njihove interakcije u različitim agregatnim stanjima tvari.

Teorija rješenja ima za cilj objasniti i predvidjeti svojstva otopina i njihovih komponenti prema svojstvima čistih tvari koje čine otopinu.

Kemijska kinetika proučava brzinu i mehanizam kemijskih reakcija, njihovu ovisnost o uvjetima strujanja.

Površinski fenomeni razmotriti specifična svojstva površinskih slojeva tekućina i krutih tvari te njihov utjecaj na karakteristike sustava u cjelini.

Elektrokemija je proučavanje kemijskih procesa u kojima sudjeluju nabijene čestice - ioni.

Ne postoje jasne granice između ovih dijelova. Prilikom proučavanja bilo koje pojave potrebno je koristiti prikaze iz različitih dijelova.

Istraživanja u području fizikalne kemije temelje se na tri glavne metode, od kojih svaka ima svoj raspon koncepata, zakona i eksperimentalnih metoda istraživanja.

Metode fizikalne kemije

Termodinamička metoda. Svi pojmovi i zakoni dobiveni uz njegovu pomoć formulirani su kao rezultat opisa iskustva, bez prodora u molekularni mehanizam procesa. Zbog toga je ova metoda formalna, što donekle ograničava opseg njezine primjene. Međutim, to također olakšava praktične izračune.

statistička metoda. Temelji se na razmatranju tijela kao velikih skupova čestica, što omogućuje potkrijepiti pojmove i zakone termodinamike i proširiti raspon opisanih pojava. Ova metoda povezuje makroskopska svojstva tvari s mikroskopskim svojstvima molekula.

Molekularna kinetika metoda. Omogućuje vam da opišete svojstva tvari i karakteristike procesa s njihovim sudjelovanjem, uključujući brzinu, na temelju zakona gibanja i interakcije čestica koje čine te tvari.

Priroda pojava koje proučava fizikalna kemija je složena, stoga se njihov teorijski opis, unatoč stalnom usavršavanju teorijskih i eksperimentalnih metoda istraživanja, ne može smatrati iscrpnim. Sveobuhvatno razumijevanje suštine pojava ide putem stvaranja modelske reprezentacije s njihovim postupnim kompliciranjem i detaljima kako se akumuliraju nove eksperimentalne činjenice. Svaki model je manje-više pojednostavljena, namjerno idealizirana slika stvarnosti. Najpoznatije jednostavne apstrakcije koje se široko koriste u fizikalnoj kemiji su modeli idealnog plina, idealnog kristala, idealnog rješenja itd. Matematički izrazi koji opisuju pojave i procese na temelju najjednostavnijih modela ne sadrže teško odredive veličine, pojednostavljuje izračune. U pravilu, proračuni koji se temelje na njima ne daju zadovoljavajuće slaganje s eksperimentalno izmjerenim vrijednostima svojstava stvarnih sustava. Međutim, i takva je usporedba korisna. Na temelju prirode i veličine odstupanja teorijskih predviđanja od eksperimentalnih podataka, omogućuje otkrivanje značajki stvarnog objekta koje nisu uzete u obzir u idealiziranom modelu i uvođenje dodatnih parametara u naprednije verzije teorije modela.

Osnovni pojmovi i definicije

Osnovni dio fizikalne kemije je kemijska termodinamika. Pojmovni aparat koji je uveden u njegov okvir koristi se i u drugim dijelovima fizičke kemije.

Termodinamički sustav- ovo je tijelo ili skup tijela, odvojenih od okolnog prostora pomoću imaginarnog ili stvarnog sučelja. Masa termodinamičkog sustava je nepromijenjena, a njegova interakcija s okolinom ostvaruje se samo izmjenom energije u obliku topline i rada. U slučaju izmjene sustava s medijem materijom, naziva se otvorenim. Razmotrit ćemo samo takve termodinamičke sustave koji izmjenjuju energiju s okolinom, ali ne izmjenjuju materiju (zatvorene), nazivajući ih jednostavno "sustavom".

Energija je karakteristika gibanja materije, i kvantitativno i kvalitativno, t.j. mjera ovog kretanja. Svaki sustav ima energiju, a njegovi oblici su raznoliki, kao i oblici kretanja materije.

Sustav se naziva zatvorenim ili izoliranim ako ne izmjenjuje energiju s okolinom ni u obliku topline ni u obliku rada. Ako se razmjena energije događa samo u obliku rada, tada se sustav naziva adijabatski zatvorena. Sustav se naziva homogenim ako svako njegovo svojstvo ima istu vrijednost u različitim dijelovima sustava ili se kontinuirano mijenja od točke do točke. Sustav je heterogen ako se sastoji od više dijelova međusobno odvojenih fizičkim sučeljima, pri prolasku kroz koja se svojstva i struktura mogu naglo promijeniti. Homogeni dio sustava, odvojen od ostalih dijelova fizičkim sučeljem, naziva se faza. Primjer heterogenog sustava je tekućina s parama iznad nje, u zatvorenoj posudi. Ovaj sustav se sastoji od dva dijela (faze), pri prolasku kroz granicu između kojih se, primjerice, gustoća naglo mijenja.

Ukupnost svih fizikalnih i kemijskih svojstava sustava karakterizira njegovo stanje. Promjena bilo kojeg svojstva dovodi do promjene njegovog stanja. Međutim, nisu sva svojstva sustava neovisna. Neki od njih mogu se izraziti kroz druge. Na primjer, stanje idealnog plina može se odrediti s tri njegova svojstva: temperaturom T, volumenom V i tlakom P. Dovoljno je odabrati dva od njih kako bi se odredila treća od dobro poznate jednadžbe stanja idealnog plina - Mendeleev-Clapeyronova jednadžba:

gdje je R univerzalna plinska konstanta (R = 8,314 J / (mol × K)), n je broj molova plina.

Međutim, za većinu stvarnih sustava, opće jednadžbe stanja f(P,V,T) = 0 su nepoznate ili previše složene i nedovoljno točne, što nas tjera da koristimo određene odnose pojedinačnih svojstava dok druge ostaju konstantne.

Obično se kao neovisne varijable uzimaju one čije je vrijednosti, pod danim uvjetima, lakše odrediti i promijeniti. Vrlo često su to temperatura i tlak. U višekomponentnim sustavima dodaju im se koncentracije komponenti.

Postoje opsežna svojstva, t.j. ovisno o količini tvari, odnosno masi sustava (na primjer, volumen), i intenzivno, ne ovisno o masi (na primjer, temperatura). Mnoga intenzivna svojstva lako se dobivaju iz ekstenzivnih svojstava. Dakle, molarni (ili molarni) volumen V m , koji je intenzivno svojstvo, može se dobiti dijeljenjem ukupnog volumena sustava (ekstenzivno svojstvo) s brojem molova njegovih sastavnih tvari. Gustoća - masa jedinice volumena tvari - također je intenzivno svojstvo. U termodinamici uglavnom djeluju molarnim svojstvima, jer njihove vrijednosti u stanju ravnoteže su iste za cijeli sustav i za bilo koji njegov dio.

Neovisna intenzivna svojstva sustava nazivaju se parametara stanja. Ostala svojstva smatraju se funkcijama ovih parametara.

Vrijednost bilo kojeg svojstva sustava ne ovisi o stanjima u kojima je prethodno bio, t.j. ne ovisi o termodinamičkom putu kojim je sustav došao u određeno stanje. Svaka promjena koja se dogodi u sustavu, a povezana je s promjenom njegovih svojstava, naziva se procesom. Na ovaj način, promjena svojstva ne ovisi o putu procesa, već je određena samo početnim i konačnim stanjima sustava. U

U budućnosti ćemo koristiti grčko slovo (na primjer, V ) za prikaz konačne promjene svojstva, a latinska slova d ili (u djelomičnim izvedenicama) za prikaz beskonačno male promjene ovog svojstva.

Proces u kojem se sustav, nakon što je napustio početno stanje i prošao niz promjena, vraća u njega, naziva se kružnim. Očito je da su promjene svojstava sustava u kružnom procesu jednake nuli. Zovu se procesi koji se odvijaju pri konstantnoj temperaturi (T = const). izotermni, pri konstantnom tlaku (P = const ) – izobarni ili izobarični pri konstantnom volumenu sustava (V = const) -

izohoričan ili izohoričan. Procesi u kojima se razmjena energije između sustava i okoline odvija samo u obliku rada, tzv

adijabatski.

Stanje sustava u kojem su svi njegovi parametri u bilo kojoj točki zauzeli stalne vrijednosti i ne mijenjaju se tijekom vremena naziva se ravnoteža. Proces kojim sustav prolazi kroz niz ravnotežnih stanja naziva se ravnotežni proces. To može biti samo beskonačno spor proces. Koncept "ravnoteže" u ovom slučaju podudara se s konceptom "reverzibilnog". Reverzibilan je takav termodinamički proces koji omogućuje da se sustav vrati u prvobitno stanje bez ostavljanja ikakvih promjena u okolini. Svaki ravnotežni proces je reverzibilan i, obrnuto, tijekom reverzibilnog procesa, sustav prolazi kroz niz ravnotežnih stanja. Nakon curenja nepovratan proces sustav ne može samostalno, t.j. bez vanjskog utjecaja, vratiti se u prvobitno stanje. Svi stvarni, spontano tekuci procesi su nepovratni i mogu se samo donekle približiti konceptu reverzibilnog procesa.

Kao što je gore navedeno, termodinamički sustav može izmjenjivati ​​energiju s okolinom u dva oblika: rad (makrofizički oblik) i toplinu (mikrofizički oblik).

Rad je kvantitativna mjera ove vrste prijenosa gibanja (energije), koji se obavlja gibanjem konačnih masa, t.j. sustava u cjelini ili njegovih dijelova pod utjecajem bilo kakvih sila.

Najčešće korištene jedinice za energiju i rad, posebno u termodinamici, su SI džul (J) i izvansustavna jedinica, kalorija (1

kal = 4,18 J).

Kao primjer procesa praćenog izvođenjem rada razmotrite širenje plina u cilindru ispod klipa, koji je podvrgnut tlaku P (slika 1.).

Ako se plin ispod klipa (krećući se bez trenja) proširi iz stanja volumena V 1 u stanje volumena V 2 , radi A protiv vanjskog tlaka. Sila F kojom plin djeluje na klip

F=PS

gdje je S površina poprečnog presjeka cilindra. Beskonačno mali rad δA obavljen tijekom dizanja

Slika 1 - Izvođenje rada plinom pod tlakom tijekom ekspanzije

visina klipa dh je

δ A = F dh = PS dh,

δ A = P dV.

Za konačnu promjenu volumena plina, integrirajući rezultirajuću jednadžbu, dobivamo:

A = ∫ PdV .

Razmatrani primjer može se grafički ilustrirati za dva različita puta (a i b) prijelaza sustava iz stanja 1 u stanje 2 (slika 2).

Slika 2 - Razlika u količini rada kojeg plin širi od volumena V 1 do volumena V 2, u procesima koji se odvijaju duž puta a i duž puta b

Budući da je rad brojčano jednak površini ispod krivulje, koja je graf integranda (P ), očito je da A a A b , iako početno i konačno stanje sustava u oba slučaja, kao i promjene u svojstvima (P i V ), su isti.

Dakle, rad ovisi o putu procesa, pa stoga nije svojstvo sustava. Rad je karakteristika procesa. Stoga, za razliku od promjena svojstva (, d i ) za rad i njegov beskonačno mali količine usvojene oznake A i δA, respektivno.

Ako se plin širi pri konstantnom vanjskom tlaku (P = const ), tada se, kao što je prikazano na slici 3, rad izračunava množenjem tlaka s promjenom volumena kao rezultat prijelaza sustava iz početnog stanja u onaj konačni.

A = P(V2 - V1)

Toplina je kvantitativna mjera ovog tipa prijenosa gibanja (energije), koji se provodi kaotičnim sudarom molekula dvaju dodirujućih tijela.

Toplina, kao i rad, nije svojstvo sustava, već karakteristika procesa i ovisi o njegovom putu. Stoga je nemoguće govoriti o rezervi topline u sustavu. Oznaka topline - P ili za beskonačno malu njegovu količinu - δ P . Sustav može apsorbirati i otpuštati toplinu u vezi s procesima koji se u njemu odvijaju. Apsorpcija topline, koja se u ovom slučaju uvjetno smatra pozitivnom ( Q > 0) javlja se u endotermičkiprocesa. Oslobađanje topline od strane sustava, uzeto u obzir sa predznakom minus ( P< 0), povezan s protokomegzotermnaprocesa (slika 4). Rad sustava smatra se pozitivnim ( A > 0). Rad izvršen na sustavu pod djelovanjem vanjskih sila smatra se negativnim ( A< 0).

Termodinamički

Slika 4 – Pravilo predznaka usvojeno u termodinamici za toplinu i rad

Jedna od najvažnijih veličina u termodinamici je unutarnja energija(U ) sustava, što je njegovo svojstvo. Karakterizira rezervu energije sustava, uključujući energiju translacijskog i rotacijskog gibanja molekula, energiju intramolekularnog vibracijskog gibanja atoma, energiju gibanja elektrona i intranuklearnu energiju. Unutarnja energija ne uključuje kinetičku energiju sustava kao cjeline i potencijalnu energiju njegovog položaja.

Unutarnja energija je funkcija temperature i volumena sustava. Ovisnost

U na temperaturu je posljedica ovisnosti kinetičke energije molekularnog gibanja o njoj. Utjecaj volumena koji sustav zauzima na veličinu unutarnje energije zbog činjenice da potencijalna energija međudjelovanja molekula ovisi o udaljenostima između njih.

Apsolutna vrijednost unutarnje energije sustava trenutno se ne može izračunati niti izmjeriti, jer nema podataka o vrijednosti intranuklearne energije. Međutim, moguće je izračunati promjene unutarnje energije u različitim procesima:

U = U2 - U1.

Odjeljak 2. Primjena prvog zakona termodinamike na proračun toplinskih učinaka procesa

Prvi zakon termodinamike

Ovaj zakon je poseban slučaj općeg zakona održanja energije primijenjenog na toplinske pojave. Nije dokazano teoretski, već je rezultat generalizacije eksperimentalnih činjenica. Njegovu valjanost potvrđuje činjenica da nijedna od posljedica zakona nije u suprotnosti s iskustvom. Formulira se na sljedeći način.

Prvi zakon: u bilo kojem procesu povećanje unutarnje energije sustava jednako je količini topline prenesene sustavu umanjenoj za količinu rada koji sustav obavi.

Matematički zapis prvog zakona termodinamike je izraz

ako je rad sustava povezan samo s njegovim širenjem. U općem slučaju, kada se rad može izvesti ne samo protiv vanjskog pritiska, već i protiv električnih, magnetskih i drugih sila, treba napisati

du = δQ – PdV – δA′ ,

gdje se vrijednost δA ′ naziva “korisnim” radom. Dalje ćemo uzeti u obzir δA ′ samo tamo gdje je to potrebno.

Primjeri primjene prvog zakona na različite procese

1 Kružni proces ( U = konst). Očito, kao rezultat takvog procesa, dU = 0, što znači da je δQ = δA, odnosno Q = A. U kružnom procesu sav rad obavlja sustav dovodeći mu toplinu.

2 Izotermni proces ( T = konst). Da bismo pojednostavili izvođenje, razmotrimo primjenu jednadžbe dU = δQ T – PdV na proces koji se odvija u idealnom plinu. U tom slučaju unutarnja energija sustava ne ovisi o volumenu, pa je U = f(T). Pri konstantnoj temperaturi, dU = 0. Dakle, sva toplina dovedena u sustav troši se na obavljanje njegovog rada:

δQ = δA = PdV.

Sav rad, uzimajući u obzir jednadžbu idealnog plina stanja PV = nRT, jednak je

gdje, koristeći svojstva diferencijala, provodimo sljedeće transformacije:

δQP = dU + d(PV) = d(U + PV).

Vrijednost u zagradama U + PV označena je slovom H i naziva se entalpija sustava. Zatim

δQP = dH; Q \u003d H \u003d H2 - H1.

Dakle, toplina koju sustav primi u izobarnom procesu troši se na povećanje entalpije. Entalpija je svojstvo ili funkcija stanja sustava, a njezina promjena ne ovisi o putu procesa, jer promjene sve tri veličine U , P i V određene su samo početnim i konačnim stanjem sustava. Apsolutna vrijednost entalpije, kao i unutarnja energija, ne može se odrediti. Na temelju eksperimentalnih podataka određuju se samo promjene entalpije H tvari koja se razmatra kada se promijene vanjski uvjeti ili H promatranog sustava kada se u njemu odvija proces.

Vidimo da u dva posebna slučaja, naime, kada je V = const i P = const, toplina koju primi sustav ide na povećanje vrijednosti funkcija stanja, odnosno U