Взаимосвязь химии с физикой

те же объекты, но только каждая наука видит в этих

объектах свой предмет исследования. Так, молекула является объектом, изучаемым не только химией, но и молекулярной физикой. Химия изучает ее с точки зрения закономерностей образования, состава, химических свойств, связей, условий ее диссоциации на составляющие атомы. Молекулярная физика  изучает поведение масс молекул, обусловливающее тепловые явления, различные агрегатные состояния, переходы из газообразной в жидкую и твердую фазу и обратно,– свойства, не связанные с изменением состава молекул и их внутреннего химического строения.
На стыке физики и химии возникла и успешно развивается физическая химия – сравнительно молодое направление, которое оформилась в конце XIX в. в результате успешных попыток количественного изучения физических свойств химических веществ и смесей, теоретического объяснения молекулярных структур. Экспериментальной и теоретической базой для этого послужили работы Д.И. Менделеева (открытие периодического закона), Я. Вант-Гоффа (термодинамика химических процессов), С. Аррениуса (теория электролитической диссоциации) и т.д.

химических веществ.
Химическая физика научная область, пограничная между химией и новыми разделами

физики. Возникновение Х. ф. было подготовлено многими выдающимися открытиями в физике начала 20 в. Как следствие быстрого прогресса физики появились новые возможности теоретического и экспериментального решения химических проблем, а это, в свою очередь, привело к расширению исследований с применением физически методов. Складывались современные представления о строении и электрических свойствах атомов и молекул, природе межмолекулярных сил и элементарного акта химического взаимодействия. После открытия нем. учёным М. Боденштейном неразветвлённых цепных реакций (1913) и установления В. Нернстом принципиального химического механизма таких реакций начался новый этап развития кинетики химической. Механизм химических реакций рассматривается как сложная совокупность элементарных химических процессов с участием молекул, атомов, свободных радикалов, ионов, возбуждённых частиц. Открыты и изучены ранее неизвестные типы химических реакций, например цепные разветвленные реакции (Н. Н. Семенов, С. Хиншелвуд), и явления, свойственные этому типу реакций; создана теория процессов горения и взрывов, базирующаяся на химической кинетике (Семенов). Впервые термин "Х. ф." в понимании, близком к современному, ввёл немецкий учёный А. Эйкен, опубликовав "Курс химической физики" (1930). До этого (1927) вышла книга В. Н. Кондратьева, Н. Н. Семенова и Ю. Б. Харитона "Электронная химия", название которой в известной мере раскрывает смысл термина "Х. ф.". В 1931 был организован институт химической физики АН СССР; с 1933 в США издаётся "Журнал химической физики".

Химическая физика

помощью теоретических и экспериментальных методов химии и физики.
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 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.

можно выделить несколько подразделов:
▪   3) Термодинамика газов.
▪   4) Термодинамика растворов рассматривает природу растворов, их

внутреннюю структуру и важнейшие свойства, зависимость свойств от концентрации и химической природы компонентов и вопросы растворимости.
▪   5) Термодинамика адсорбции.
▪   6) Статистическая термодинамика позволяет получать термодинамические параметры системы исходя из строения компонентов системы и внешних условий.
▪   7) Химическая кинетика — изучает скорость химических реакций, её зависимость от внешних условий (температура, концентрации). Является одним из важнейших разделов химии, показывает какой именно продукт образуется в сложной системе
▪   8) Электрохимия изучает некоторые особенности свойств растворов электролитов, электропроводность растворов, процессы электролиза)
▪   9) Звукохимия (акустохимия) изучает химические процессы, протекающие при действии звуковых волн.
▪   10) Потенциометрия — междисциплинарная область физической химии, подразумевающая использование различных электрохимических и термодинамических методов, методов аналитической химии.
 
Ломоносов, Михаил Васильевич Основоположник атомно-молекулярного учения («Элементы математической химии», 1741). Ввёл термин «физическая химия», в 1752 впервые прочитал студентам Петербургского университета «Курс истинной физической химии»

Разделы физической химии

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:
▪   1) физическая химия рассматривает суммарно процессы, протекающие с одновременным участием множества частиц;
▪    2) 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).

Различия между химической физикой и физической химией

стекла
Физика и химия миктромира
Физика и химия наноматериалов
Физика и химия новых

материалов
Физика и химия плазмы
Физика и химия реактивного движения
Физика и химия твердого состояния

Применение физики и химии

содержание, классификация и разновидности, отличительные особенности, условия и возможности практического

применения. Криминалистическое исследование бумаги, используемые материалы и инструменты.

2) Физико-химические методы исследования фоточувствительных материалов.
 Понятие о черно-белом и цветном фотопроцессе; сенситометрия черно-белых фотоматериалов; денситометрия оптических плотностей; основные сенситометрические характеристики; спектральная сенситометрия; сенситометрия черно-белых фотографических бумаг; сенситометрия цветных фотоматериалов; гранулометрия; разрешающая способность; резольвометрия; теория частотно - контрастной характеристики; основы теории фотографического воспроизведения тонов; сенситометрия несеребреных материалов для записи оптической информации. 

материалов, а также влияние среды на разрушение, деформацию и диспергирование твердых и жидких тел.
4)

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА, основаны на зависимости физ. св-в в-ва от его природы, причем ана-лит. сигнал представляет собой величину физ. св-ва, функционально связанную с концентрацией или массой определяемого компонента. Физико-химические методы анализа могут включать хим. превращения определяемого соед., растворение образца, концентрирование анализируемого компонента, маскирование мешающих в-в и др. В отличие от "классич." химических методов анализа, где аналит. сигналом служит масса в-ва или его объем, в физико-химических методах анализа в качестве аналит. сигнала используют интенсивность излучения, силу тока, электропроводность, разность потенциалов и др.

машиностроении и металлообработке при изготовлении изделий из материалов, которые невозможно

обрабатывать обычными механическими способами. К этим методам относят электроискровой, электроимпульсный, электроконтантный и анодно-механический. Обработка металла при этих способах основана на явлении местного разрушения металла под действием электрической энергии, которая вводится непосредственно в зону обработки.
6) Механические методы удаления нефти
К ним относятся различные методы сбора нефти с водной поверхности, начиная от ручного вычерпывания нефти до машинных комплексов нефтемусоросборщиков.

обработки сырья растительного происхождения с использованием импульсного воздействия.
Разрушение структуры материала

связано с энергетическим взаимодействием источника энергии и разрушаемого материала. Перенос энергии возможен либо в виде импульса силы при непосредственном контакте, либо в виде кванта излучения. В работе приводится анализ основных направлений развития измельчительной техники, который показывает, что с развитием техно- логии конструкционных материалов в агрегатах все больше используется вибронапряженное состояние импульсного воздействия. Это позволяет не только снизить энергозатраты на процесс измельчения, но и существенно повысить надежность машин и агрегатов, уменьшить ремонтные простои, а значит и повысить производительность.

а также электромагнитные поля способны вызывать существенные изменения в организме,

влиять на активность его функциональных систем и формообразование. Характер эффекта зависит от интенсивности воздействия, способа и места его приложения, вида выбранного воздействия или их сочетаний.
10) Физико-химические методы очистки.
  Данные методы используют для очистки от растворенных примесей, а в некоторых случаях и от взвешенных веществ. Многие методы физико-химической очистки требуют предварительного глубокого выделения из сточной воды взвешенных веществ

их химическое строение и выявлять пути и механизмы химических реакций.

Рассматриваются общая характеристика прямых и обратных задач физических методов исследования и их классификация.

КЛАССИФИКАЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ В ХИМИИ
Классификация методов не может быть абсолютно строгой, поскольку не всегда удается выделить специфические свойства, определяемые данным методом. Но в целом возможно оценить наиболее важные характеристики методов исследования.

Физические методы исследования в химии

через вещество или рассеянное веществом, от частоты n, то есть

определяют функцию I(n). В настоящее время диапазон частот распространяется на значения от минимальных ν ≈ 106 в ядерном магнитном резонансе (ЯМР) до 1019 Гц (гамма-излучение). Частоты n и длины волн l излучения связаны простым соотношением с = λν, с - скорость света в вакууме. Для указанного диапазона частот длины волн изменяются от λ ≅ 200 до λ ≅ 3 ⋅ 10−14 м. Столь значительный диапазон частот (длин волн) требует различных источников излучения и выявляет различные физические свойства вещества. Наблюдаемые частоты соответствуют разностям энергий Е двух состояний молекул:
ν1, 2 = (E2 - E1)/ h,
где h - постоянная Планка. Основные характеристики спектроскопических методов представлены в таблице 1. Переходами между уровнями энергии E1 и E2 "управляют" правила отбора. Это означает, что не все переходы возможны. Из таблицы видно, что разница, например, между двумя уровнями энергии валентных электронов (УФ-спектры - ультрафиолетовые спектры) ∆Е (УФ) = E2 - E1 значительно больше, чем ∆Е (ЯМР).
Для химии важны не только абсолютные разницы ∆Е, но их изменения в различных соединениях, вызванных изменениями в составе или под влиянием ближайшего окружения.
Наибольшее распространение для идентификации веществ получили колебательные и электронные спектры, а также спектры ядерного магнитного резонанса.

Спектроскопические методы

электронов и нейтронов. Волновые свойства рентгеновских лучей были открыты в

1912 году немецким физиком Лауэ. Он заложил основы рентгеноструктурного анализа. Гипотеза о волновых свойствах частиц выдвинута французским физиком Луи де Бройлем в 1924 году. Эта гипотеза выражена простым соотношением между длиной волны l, массой m и скоростью u движущейся частицы:
В 1927 году экспериментально подтверждено явление дифракции электронов. Позднее открыта дифракция нейтронов.
В дифракционных методах измеряют зависимость интенсивности рассеянного излучения от угла рассеяния q, то есть функцию I(q). При этом длина волны после рассеяния не изменяется. Имеет место так называемое упругое рассеяние. В основе дифракционных методов лежит простое соотношение для длины волны и расстояния между рассеивающими атомами r : λ <= r
Наиболее широкое применение в химии нашли два метода:
1. Рентгеноструктурный анализ, который позволяет определять координаты атомов в трехмерном пространстве кристаллических веществ от простейших соединений типа NaCl до сложных белков.
2. Газовая электронография, с помощью которой определяют геометрию свободных молекул в газах, то есть молекул, не подверженных влиянию соседних молекул, как это имеет место в кристаллах.
Сопоставление данных обоих методов для одних и тех же веществ дает возможность оценить влияние кристаллического поля на молекулу.

Дифракционные методы

Физические величины, которые измеряют, представляют следующий ряд:
1) n - показатель

преломления: n = c / u, где с - скорость света в вакууме, u - скорость света в веществе;
2) α - угол поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света при прохождении через оптически активное вещество, которое вращает плоскость поляризации падающего линейно поляризованного света;
3) ρ - коэффициент деполяризации, то есть отношение интенсивности рассеянного под углом 90? света с поляризацией, перпендикулярной плоскости падающего линейно поляризованного света I^ , к интенсивности рассеянного света с параллельной поляризацией I|| , то есть r = I^ / I|| .
4) ∆n = n||-n⊥ = f (E||2) - эффект Керра, где n|| и n⊥ - показатели преломления для линейно поляризованных лучей, распространяющихся вдоль электрического поля E|| и перпендикулярно этому полю соответственно;
5) α(В) - эффект Фарадея, где α(В) - зависимость угла поворота плоскости поляризации света от величины магнитного поля В ;
6) ε(λ) - молярный коэффициент поглощения света как функция λ и др.; этот параметр определяется также в спектроскопических методах.
Результаты оптических методов используются для идентификации веществ, выявления взаимного влияния атомов в молекуле, расчета поляризуемости молекул, отнесения частот в колебательном анализе, изучения влияния растворителя на исследуемую систему и т.д.

Оптические методы

взаимодействия какого-либо падающего излучения или потока частиц на вещество измеряются

потоки других частиц. Так, в масс-спектрометрии падающим потоком может быть поток электронов, ультрафиолетовое излучение, поток заряженных атомов или молекул, то есть ионов, которые порождают потоки молекулярных ионов изучаемого вещества или осколочных ионов, получившихся в результате распада молекулярного иона.
Методом масс-спектрометрии определяют молекулярные массы, идентифицируют вещества, устанавливают химическое строение веществ, изучают теплоты испарения и реакций, механизмы химических реакций, измеряют потенциалы ионизации и энергии разрыва химических связей.
В методах рентгеновской электронной спектроскопии (РЭС) и оптической электронной спектроскопии (фотоэлектронной спектроскопии, ФЭС) падающим излучением I0 является рентгеновское или ультрафиолетовое излучение. Однако в отличие от масс-спектрометрии измеряют энергии потока электронов, вырванных из молекулы или вещества, то есть измеряют I(Eэл).
Рентгеновское излучение вырывает электроны из внутренних оболочек атомов веществ. Поэтому метод РЭС позволяет определять энергию связи внутренних электронов остовов атомов в молекуле и веществе. Методом ФЭС определяют последовательные потенциалы ионизации из валентной оболочки атомов в молекуле. Оба эти метода дают возможность идентифицировать вещества и изучать закономерности влияния атомов ближайшего окружения на энергию связи электронов в атомах на разных орбиталях.

Масс-спектрометрия и спектроскопия электронов

веществ внешние электрическое и соответственно магнитное поля изменяют поведение вещества

в этих полях по сравнению с поведением в отсутствие поля.
Измерения диэлектрической проницаемости e позволяют определить величину электрического дипольного момента m, который характеризует полярность молекул. Кроме того, величина m является источником структурной информации при использовании аддитивных расчетных схем.
Магнетохимические исследования дают возможность оценивать по степени парамагнетизма число неспаренных электронов в атомах вещества (парамагнитные вещества втягиваются в магнитное поле). Диамагнетики выталкиваются магнитным полем и степень этого выталкивания обусловлена электронным строением молекул и вещества. Особенно показательно различие молярных диамагнитных восприимчивостей cd , параллельных и перпендикулярных плоскости молекул бензола, нафталина и других ароматических углеводородов. Это доказывает существование электронных токов в плоскостях ароматических молекул.

Диэлькометрия и магнетохимия

полное описание физического состояния веществ, но и более полное описание

химического строения веществ. Так, если рентгеноструктурное исследование не позволило определить координаты легких атомов водорода, то метод ЯМР (имеется в виду протонный резонанс) дополняет картину химического строения вещества.
Рентгенография и нейтронография дополняют друг друга тем, что в рентгеноструктурных исследованиях определяют полное распределение электронной плотности кристаллических веществ, а в нейтронографических исследованиях - положение ядер атомов таких веществ. При совместной обработке данных рентгенографии и нейтронографии находят распределение электронной плотности в химических связях. Этого достигают тем, что из полной электронной плотности атомов вещества вычитают электронную плотность атомных остовов, положения которых вычисляют из данных нейтронографии.
Более надежно и полно определяются геометрические параметры молекул веществ в газовой фазе, если используют одновременно данные газовой электронографии, микроволновой спектроскопии, колебательной спектроскопии и результаты квантово-химических расчетов.
Только совместное использование данных перечисленных методов позволяет решить поставленную задачу. Так, были определены структуры многих соединений: акролеина CH2=CH-CH=O, 1,1-дифторэтилена F2C=CH2 , фосфабензола C5H5P, арсабензола C5H5As и др.
Поляризуемость молекул в общем случае выражается тремя числами, которые характеризуют различную поляризацию молекул в трех направлениях трехмерного пространства. Так, молекула хлорбензола имеет три так называемых главных значения для поляризуемости: наибольшие вдоль кольца и меньшие в перпендикулярном направлении. Однако для того, чтобы экспериментально определить эти значения, необходимо совместно обработать данные по измерениям показателя преломления, изучить эффект Керра, найти электрический дипольный момент.

Интеграция различных физических методов