Физическая химия

 
 
 
 
Е. Е. Истомина 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ 
 
Учебник 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 
1 

УДК 544 
ББК 24.5 
И89 
 
 
 
Рецензенты: 
кандидат химических наук, доцент, доцент кафедры естественнонаучных дисциплин  
Педагогического института ФГБОУ ВО «Иркутский государственный университет»  
Шкурченко И. В.; 
кандидат химических наук, старший научный сотрудник ФГБУН «Иркутский институт химии им. А. Е. Фаворского СО РАН» Жилицкая Л. В. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Истомина, Е. Е. 
И89  
Физическая химия : учебник / Е. Е. Истомина. – Москва ; Вологда : 
Инфра-Инженерия, 2024. – 172 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1861-4 
 
Содержит теоретический материал по основным разделам физической химии. 
Представлены примеры решения основных типов задач по физической химии и задания 
для самостоятельного решения студентами. Таблицы, необходимые для решения задач, 
приведены в приложении. 
Для студентов педагогических вузов направлений 44.03.05 и 44.03.01 «Педагогическое образование» (c двумя и одним профилем подготовки «Биология-Химия»,  
«Химия-Биология», «Химия»), изучающих физическую химию, а также может быть использовано при изучении дисциплин «Общая и неорганическая химия», «Коллоидная 
химия» и др. Может быть полезно студентам профильных специальностей СПО, изучающих данные дисциплины. 
 
УДК 544 
ББК 24.5 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1861-4 
© Истомина Е. Е., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................ 5 
История физической химии .................................................................................. 6 
СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА ..................................................................................... 8 
Основные законы химии ....................................................................................... 8 
Атомно-молекулярное учение .............................................................................. 8 
Квантово-химические модели строения атома ................................................. 16 
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА 
.............................................................. 28 
Параметры состояния термодинамической системы 
........................................ 29 
Основные законы термодинамики ..................................................................... 33 
Первое начало термодинамики 
........................................................................... 36 
Термохимия 
.......................................................................................................... 42 
Обратимые и необратимые процессы ................................................................ 53 
Работа тепловых машин. Цикл Карно 
................................................................ 54 
Самопроизвольные и несамопроизвольные процессы ..................................... 56 
Второй закон термодинамики 
............................................................................. 57 
Третий закон термодинамики 
............................................................................. 61 
Термодинамические потенциалы ....................................................................... 63 
Химическое равновесие ...................................................................................... 70 
Химическое сродство .......................................................................................... 74 
ФАЗОВОЕ РАВНОВЕСИЕ ................................................................................. 77 
Диаграмма состояния воды 
................................................................................. 78 
Диаграмма состояния серы ................................................................................. 81 
Правило фаз для двухкомпонентных систем .................................................... 82 
ТЕРМОДИНАМИКА РАСТВОРОВ .................................................................. 83 
Коллигативные свойства растворов 
................................................................... 85 
Перегонка ............................................................................................................. 92 
Осмос .................................................................................................................... 93 
ЭЛЕКТРОХИМИЯ .............................................................................................. 96 
Электролиты ........................................................................................................ 96 
Классификация электролитов 
............................................................................. 98  
Смещение ионных равновесий ........................................................................... 99 
Буферные растворы ........................................................................................... 101 
Реакции ионного обмена 
................................................................................... 101 
Гидролиз солей .................................................................................................. 103 
Окислительно-восстановительные реакции .................................................... 106 
3 

Электрохимические процессы 
.......................................................................... 108 
Гальванические элементы 
................................................................................. 108 
Электролиз ......................................................................................................... 115 
Коррозия металлов ............................................................................................ 119 
ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА 
........................................................................... 124 
Факторы, влияющие на скорость реакции 
....................................................... 132 
Влияние температуры на скорость реакции .................................................... 133 
Катализ ............................................................................................................... 136 
Ферментативный катализ 
.................................................................................. 139 
Фотохимические реакции ................................................................................. 140 
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ...................................................................... 144 
Смачивание ........................................................................................................ 146 
Адсорбция .......................................................................................................... 149 
Обменная адсорбция ......................................................................................... 153 
Хроматография .................................................................................................. 155 
ПРИЛОЖЕНИЯ ................................................................................................. 159 
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУТЫ ............................................ 171 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Физическая химия является уникальной наукой, которая объединяет 
принципы физики и химии для объяснения различных химических явлений. 
Она изучает не только фундаментальные аспекты, но и имеет практическое применение в различных областях науки и промышленности.  
В курсе физической химии обычно выделяют несколько разделов. 
Обычно курс начинается с изучения строения вещества. Здесь рассматривается строение атомов и молекул, агрегатные состояния вещества. В этой 
своей части физическая химия очень тесно переплетается со многими направлениями современной химии, особенно квантовой, так как изучение химических свойств вещества вне связи со строением атомов и молекул на современном уровне невозможно. 
Одним из важных разделов физической химии является химическая термодинамика. Она позволяет нам понять энергетические эффекты, связанные с 
химическими процессами. Термодинамика помогает определить, возможна ли 
химическая реакция, ее направление и глубину протекания в определенных 
условиях. Например, изучая термохимию (науку о тепловых эффектах химических реакций, входит в термодинамику), мы можем вычислить количество энергии, выделяющейся или поглощающейся во время реакции. Это знание особенно полезно при разработке новых материалов или оптимизации процессов в 
промышленности.  
Еще одним важным разделом физической химии является учение о растворах. Изучая процессы образования растворов и их свойства, мы можем понять зависимость этих свойств от природы компонентов раствора. Это знание 
имеет большое значение в медицине, где растворы играют важную роль в процессе лекарственной терапии, а также в промышленности, где растворы используются в различных технологических процессах. 
Электрохимия также является важным разделом физической химии. Она 
изучает свойства растворов электролитов и явления электропроводности. Электрохимия имеет широкое применение в различных областях, включая производство батарей и аккумуляторов, аналитическую химию и даже электрохимическую коррозию. Понимание электрохимических явлений помогает разрабатывать более эффективные источники энергии и улучшать процессы хранения 
электричества.  
Химическая кинетика, еще один раздел физической химии, изучает скорость и механизмы протекания химических реакций. Исследуя зависимость 
скорости реакций от различных условий, таких как температура и концентрация 
реагентов, мы можем контролировать и ускорять химические процессы. Здесь 
5 

также рассматриваются катализ и ингибирование реакций, методы активации 
реакций. В этом разделе рассматриваются активирующиеся светом фотохимические реакции, играющие огромную роль для нашей планеты (фотосинтез).  
Кинетика имеет огромное значение в промышленности, где эффективность процессов и скорость реакций играют важную роль.  
Еще один раздел – поверхностные явления, в котором рассматриваются 
термодинамические особенности границ раздела фаз. 
Физическая химия является ключевой наукой, которая помогает нам понять основы химических процессов с точки зрения физики. Она объясняет энергетические эффекты, свойства растворов, электрохимические явления и скорость реакций. Эти знания имеют широкое применение в различных областях, 
включая промышленность, медицину и науку, и помогают нам разрабатывать 
новые материалы, оптимизировать процессы и создавать более эффективные 
технологии. 
 
История физической химии 
 
Считается, что физическая химия возникла в конце XVIII века, когда для 
понимания химических процессов стали использовать физические законы и методы.  
Основоположником физической химии считается русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов. В 1751–1754 годах он прочитал первый в истории 
курс физической химии в Петербургском академическом университете (4 часа 
лекций в неделю). В 1752 году он начал писать первый учебник по физической 
химии, в котором дал следующее определение этой науки: «Физическая химия 
есть наука, дающая объяснение на основании физических начал и опытов тому, 
что происходит при смешении тел вследствие химических операций. Она может быть названа также химической философией...». 
Ломоносов сделал ряд важных открытий в области физической химии, в 
том числе установил, что теплота – это форма движения материи; исследовал 
тепловые эффекты химических реакций; разработал метод получения азотной 
кислоты из воздуха; разработал теорию химического строения веществ.  
В конце XVIII – начале XIX веков в развитии физической химии важную 
роль сыграли работы французских учёных Антуана Лавуазье и Пьера Лапласа, 
которые установили законы сохранения массы и энергии (независимо от Ломоносова). Начинает зарождаться электрохимия. Луиджи Гальвани препарирует 
лягушек и приходит к мысли о существовании «животного электричества», 
вступая в спор с Алессандро Вольта по поводу природы электричества. 
6 

В этот период также были проведены важные исследования в области химического сродства и равновесия.  
В первой половине XIX века получили широкое распространение атомистические представления, которые оказали большое влияние на развитие физической химии. В этот период были открыты законы Авогадро, Дальтона и другие фундаментальные законы. В 1824 году была опубликована работа французского инженера и учёного Сади Карно «Размышление о движущей силе огня», 
которая положила начало термодинамике. В 1830 году английский физик 
Майкл Фарадей открыл количественные законы электролиза, что заложило основы электрохимии.  
В 1840 г. Гесс опубликовал основной закон термохимии, который рассматривается сейчас как одно из выражений первого закона термодинамики. 
В середине XIX века началось интенсивное развитие разных отраслей химии, в том числе и физической. Были открыты новые законы и закономерности, 
основанные на применении физических методов исследования. В этот период 
появились работы таких учёных, как Юлиус Роберт Майер, Джеймс Прескотт 
Джоуль, Рудольф Клаузиус, Уильям Томсон (Кельвин), Герман Гельмгольц, 
Людвиг Больцман. В конце XIX века была создана классическая термодинамика, которая стала основой физической химии.  
В XX веке физическая химия продолжала интенсивно развиваться. Были 
проведены множество исследований в области высоких энергий и низких температур, с помощью научного аппарата дисциплины разработаны технологические схемы крупнотоннажных производств, совершенствовались методы физико-химического анализа веществ. 
Современная физическая химия – это обширная и динамично развивающаяся наука. Она включает в себя множество разделов, изучающих различные 
аспекты взаимодействия веществ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 

М. В. Ломоносов 
СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА 
 
Основные законы химии 
 
Еще античные философы считали, что вещества состоят из множества 
мельчайших частиц. Их называли «атом» (от греческого atomos – неделимый). 
Основоположником этой теории был Демокрит, который указывал не только на 
бесконечное число атомов, но и на разнообразие их форм. 
В эпоху Возрождения теории атомизма придерживался Николай Коперник, а Галилео Галилей считал, что материя состоит из абсолютно неделимых 
атомов. 
В XVIII веке эти воззрения стали подвергаться серьёзному переосмыслению, и начинает формироваться атомно-молекулярное учение привычном 
нам виде. 
  
Атомно-молекулярное учение 
 
Атомно-молекулярное учение утверждает, что 
все вещества состоят из мельчайших частиц – атомов и 
молекул. Атомы являются наименьшими частицами элементов, а молекулы – наименьшими частицами веществ, 
обладающими их химическими свойствами.  
В XVIII–XIX веках, благодаря развитию экспериментальной физики и химии, атомно-молекулярное учение стало научной теорией. Основоположником атомномолекулярного учения считается русский учёный Михаил Ломоносов.  
В своей работе «Элементы математической химии» (1741 г.) он сформулировал основные положения атомно-молекулярного 
учения, которые были впоследствии подтверждены экспериментально.  
Основные положения атомно-молекулярного учения:  
Вещество состоит из мельчайших частиц – атомов и молекул, молекулы 
могут состоять из двух или более атомов.  
Атомы одного элемента одинаковы, атомы различных элементов различны.  
Атомы и молекулы могут соединяться друг с другом, образуя более сложные вещества.  
8 

Антуан Лоран  
Лавуазье 
Альберт  
Эйнштейн 
Д. И. Менделеев 
В настоящее время известно около 120 химических элементов, а так как атомы могут соединяться друг 
с другом различными способами, образуя различные 
типы молекул, число различных веществ велико.  
Некоторые вещества, например, соли, имеют не 
молекулярную, а ионную структуру. Другие вещества 
имеют атомное строение. В веществах, имеющих ионное 
или атомное строение, носителем химических свойств 
являются не молекулы, а те комбинации ионов или атомов, которые образуют данное вещество.  
М. В. Ломоносов в 1748 г. и Лавуазье в 1789 г. независимо друг от друга 
сформулировали закон сохранения массы (веса) вещества:  
Масса (вес) веществ, вступающих в реакцию, равна массе (весу) веществ, 
образующихся в результате реакции, и сохраняется масса каждого из элементов, входящих в состав взаимодействующих веществ. 
 В 1905 г. А. Эйнштейн показал, что между массой 
тела (m) и его энергией (Е) существует связь, выражаемая 
соотношением 
                           
Е = mс2, 
 
где с – скорость света в вакууме, 2,997925Â108 м /с-1 (или 
приближенно 300000 км/с).  
Это уравнение Эйнштейна справедливо как для макроскопических тел, так и для частиц микромира (например, 
электронов, протонов). При химических реакциях всегда выделяется или поглощается энергия. Поэтому при учете массы веществ необходимо принимать во 
внимание прирост или убыль ее, отвечающие поглощению или выделению 
энергии при данной реакции. Однако из-за громадного 
значения величины с2, тем энергиям, которые выделяются или поглощаются при химических реакциях, отвечают очень малые массы, лежащие вне пределов возможности измерений. Поэтому при химических реакциях можно не принимать во внимание ту массу, которая приносится или уносится с энергией. 
Дмитрий Иванович Менделеев указал на необходимость различать понятия простого (элементарного) 
вещества и химического элемента.  
 
9 

Химический элемент – это совокупность атомов с одинаковым зарядом 
ядра и, соответственно, одинаковым количеством протоном в ядре и электронов 
вокруг ядра.  
Простое вещество – это форма существования химических элементов с 
одинаковым зарядом ядра. Основное отличие между химическим элементом и 
простым веществом заключается в том, что химический элемент – это абстрактное понятие, а простое вещество обладает определенными физическими и химическими свойствами. Химический элемент не имеет физических свойств, так 
как он не является веществом. Его свойства проявляются только в том случае, 
если он образует простое вещество. Простое вещество обладает определенными 
физическими и химическими свойствами, которые зависят от строения его молекул.  
Например, кислород – это простое вещество, которое состоит из двух атомов кислорода, соединенных между собой ковалентной связью. Кислород 
имеет следующие физические свойства: бесцветный газ, без запаха, вкуса, растворяется в воде. Химические свойства кислорода: реагирует с большинством 
веществ, образуя оксиды.  
В природе встречаются вещества, которые состоят из атомов одного и 
того же элемента, но имеют разные физические и химические свойства. Такие 
вещества называются аллотропами. Например, фосфор существует в двух аллотропных формах: белый и красный фосфор. Белый фосфор – это белое, полупрозрачное вещество, плавящееся при 44,2 °С, очень ядовитое; на воздухе в 
темноте фосфор светится и может самовоспламеняться. Красный фосфор – это 
красно-фиолетовое вещество, не светится в темноте, не ядовитое, не самовоспламеняется на воздухе. Белый и красный фосфор состоят из одних и тех же 
атомов фосфора, но имеют разную структуру молекул. В молекуле белого фосфора атомы фосфора расположены в виде тетраэдра, а в молекуле красного фосфора – в виде цепочки.  
Элементы, составляющие земную кору, представлены в различных количествах, и их распределением занимается геохимия. Исследования в этой области были проведены советскими учеными В. И. Вернадским и А. Е. Ферсманом. 
Кислород является самым распространенным элементом в земной коре, а за ним 
следует кремний, составляющий около 27 % ее массы. Также значительные 
доли составляют алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний и водород. 
Все эти элементы вместе составляют более 98 % массы земной коры, в то время 
как остальные элементы составляют менее 2 %. В эти 2 % входят также элементы, широко используемые в промышленности и народном хозяйстве, такие 
как медь, цинк, свинец, никель, сера, фосфор и другие. Ферсман ввел понятие 
10