新西伯利亚国立大学（Novosibirsk State University）

Физическая химия

4 ratings

ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ ПРЕПАРАТА Физическая химия позволяет нам описывать все окружающее нас многообразие превращений веществ с помощью простых и элегантных подходов. Физическая химия не очередная лупа, с помощью которой можно подглядывать за кулисы природы, — это мощный и универсальный рычаг, с помощью которого мы можем изменять мир, окружающий нас. По итогам курса вы сможете не только предсказывать возможность протекания практически любой химической реакции, ограничиваясь лишь фантазией, но и получите ключевые инструменты для управления ее скоростью! Надеюсь, что после прочтения первого абзаца все ринутся в материалы курса, потому что дальше начинается горькая правда. Физическая химия — сплошной обман: это и не химия, и, тем более, не физика. Физическая химия — жалкая попытка математики прорваться в ряд естественных наук! В курсе вы не найдете ничего, кроме боли арифметики и многоэтажных формул… ДОЗИРОВКА Курс состоит их пяти недельных терапий, которые предлагается принимать внутрь головы последовательно. СОСТАВ Начав с особенностей строения вещества (неделя 1), мы познакомимся с обширными возможностями химической термодинамики, включающей в себя не только тепловые превращения (неделя 2), но и химическое равновесие (неделя 3) наряду с электрохимией (неделя 4), подготовившись тем самым к разговору о химической кинетике (неделя 5). ТЕРАПЕВТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ Для оценки эффекта по итогам каждой недели и всего курса в целом будет проводиться базовый тест на мелкую моторику пальцев и когнитивные способности. Пациенты, показавшие свыше 70% правильных вопросов, вносятся в специальные списки и получают сертификат о прохождении курса. Пациенты, набравшие >90%, вносятся в список наиболее упорных и получают сертификаты с отличием. ПОБОЧНЫЕ ЭФФЕКТЫ Те же из вас, кто постигнет этот дзен, получат совершенно новые, другие глаза, которые покажут истинную природу Вселенной с ее холодной и фатальной предсказуемостью и последовательностью. Этот особый взгляд на мир. ПЕРЕДОЗИРОВКА Контрольные группы не показали каких-либо изменений в поведении при передозировке, сохранив прежний уровень сумасшествия. ПАЦИЕНТЫ, КОТОРЫМ КУРС ПОКАЗАН В ОБЯЗАТЕЛЬНОМ ПОРЯДКЕ Если вы: Уже прошли органику и неорганику и не можете остановиться Школьник, планирующий в скором времени поступать в университет на химическое отделение Соискатель, штурмующий вершины олимпиадных конкурсов Студент, чья судьба зависит от физической химии Просто человек, дочитывающий длинные списки до конца, — то добро пожаловать в самое занудное путешествие вашего времени!

From the lesson

Химическое равновесие

В ходе третьей недели мы сосредоточимся на овладении инструментарием, полученным ранее. Расчет равновесного состава сложной системы, системы, состоящей из множества реакций, возможен с точки зрения математики всегда, поэтому мы в большей степени будем уделять внимание тому, какие данные используются, и как прийти к решению, затратив оптимальный объем времени. Также в ходе этой недели мы уделим особое внимание равновесию в растворе и способам его контроля. В ходе недели Вы сможете: (1) вычислить равновесный состав системы, исходя из табличных термодинамических данных; (2) рассчитывать равновесный состав любого набора химических реакций; (3) обоснованно пренебрегать превращениями, не оказывающими эффекта на окончательный расчет; (4) предположить направление изменения равновесного состава под действием внешних изменений; (5) доказать присутствие ионов в растворе

3.1. Константа химической реакции9:41

Meet the Instructors

Дмитрий Красников
кандидат химических наук, преподаватель
Факультет естественных наук

Всем привет.

Это третья неделя курса.

Спасибо, что вы все еще с нами.

[ЗВУК] [ЗВУК]

Мы уже с вами знаем,

какие процессы могут протекать, а какие при данных условиях не пойдут никогда,

мы с вами знаем, что энтропия должна постоянно увеличиваться.

Но эта неделя курса самая интересная.

Здесь вы познаете всю мощь темной стороны.

Мы сможем с вами рассчитать равновесное состояние абсолютно любой системы.

Более того, мы с вами сможем поговорить о равновесии как таковом,

о том, как его достичь, понять, и о том, как на него можно повлиять.

В реальности равновесие — достаточно хрупкая штука.

Так, примерно полтора века назад корабль, отправлявшийся из

Южной Англии в Австралию, захватил с собой некоторое количество кроликов,

которые жили в Южной Англии на лугах, полях, лесах.

Я уверен, что у людей, отправивших этих милых пушистых

зверьков в Австралию, были исключительно благие намерения.

Но получилось, как всегда.

Уже через пару лет популяция кроликов разрослась до 750 миллионов особей,

что в десятки раз превышало людское население континента.

Это привело к огромной экологической катастрофе.

Наиболее эффективным способом борьбы против этих маленьких хладнокровных убийц,

оказалось вирусное заболевание миксоматоз,

и когда наконец кроличий мор разразился,

погибло примерно 98,8 % особей.

Но оставшиеся в живых герои не только выработали иммунитет,

но и быстро восстановили популяцию.

Так что уже через пару лет снова отлавливали примерно по

76 миллионов кроликов ежегодно.

Земля знала немало природных и экологических катастроф.

Тем не менее, силы природы постоянно приходили к равновесию.

Не к статическому, мертвому, а к динамическому, подвижному.

На прошлой неделе мы с вами узнали, что изменение свободной энергии Гиббса

позволяет нам предсказать направление протекания химической реакции.

Например, если Δ G < 0, то реакция протекает в прямом направлении.

Если же больше нуля, то в обратном.

Важным является состояние Δ G = 0, это так называемое состояние равновесия,

когда прямая и обратная реакции равны.

Это равновесие не статическое, а как и во всей природе, динамическое.

То есть даже если мы не наблюдаем никаких изменений, то это не значит,

что все реакции остановились.

Это по сути основа так называемого принципа детального равновесия,

то есть когда у нас даже много систем и много различных равновесий,

каждая пара между собой находится в равном положении.

Давайте попробуем отследить эволюцию системы к равновесию.

Для этого используем следующее построение.

Пусть Δ G текущего компонента у нас будет равно некое Δ G0 при

стандартных условиях + RT логарифм отношения давлений или концентраций,

в зависимости от того, где у нас протекает химическая реакция.

При этом P0 и C0 — это и есть стандартные состояния.

Поэтому если у нас P = P0 и C = C0, то Δ G — это просто ΔG0,

так что никаких противоречий.

Если так, то для Δ G реакции у нас появляется очень интересная

дробь — отношение продуктов реакции к реагентам в степенях,

соответствующих стехиометрическим коэффициентам.

Мы назовем это выражение произведением реакции,

и по сути оно отражает то, насколько близко мы подошли к равновесию.

Для того чтобы еще более упростить нашу систему,

мы изменим ΔG0 аналогично произведению и получим следующее

выражение: теперь условие равновесия абсолютно легкое.

Если произведение равно константе реакции, то есть K, то у нас система равновесия.

Если же произведение не равно константе реакции,

то система стремится к этому состоянию.

Давайте посмотрим, что нам дают наши новые знания на примере конкретных задач.

Давайте разбираться с константой равновесия на конкретном примере.

Пусть у нас некое твердое вещество A при

взаимодействии с двумя эквивалентами газа B

дает газовый же AB2.

Тоже в газовой среде.

Если так, то чему будут равны константы равновесия?

Как мы с вами помним, константа равновесия,

например, KP будет равна произведениям по всем

продуктам все давления

i-тые в степенях стехиометрических коэффициентов,

отнесенные к произведению всех реагентов также

в соответствующих степенях.

В нашем случае это будет давление AB2 в 1-й степени,

отнесенное к давлению B².

Все очень просто.

Вот так всегда записывается константа равновесия.

Также выделяют еще константу равновесия, записанную через концентрацию KC.

Это все то же самое, только концентрация, а не давление.

Концентрация AB2, отнесенная к концентрации B².

Смотрите, мы не включаем A в нашу константу равновесия,

потому что это твердое вещество и оно не имеет никакого давления и,

как правило, не влияет на константу равновесия в первом приближении.

Во всяком случае в рамках данного курса мы будем рассматривать именно так.

Для того чтобы связать KP и KC, мы можем использовать, например,

уравнение состояние идеального газа PV = νRT,

и тогда мы можем сказать, что P — это CRT,

и соответственно, что концентрация — это давление, отнесенное к RT.

И мы тогда получаем концентрацию AB2 / RT,

отнесенное к концентрации B / RT².

И тем самым мы получаем концентрацию AB2 / на

концентрацию B² * RT.

Или KP * RT в 1-й степени.

Будет получаться всегда примерно похожая зависимость.

В общем виде мы всегда можем записать, что KP — это то же самое,

что KC (RT) в степени Δ n,

где Δ n — изменение числа моль газовых молекул.

У нас здесь было две частицы, здесь одна частица, соответственно Δ n — это −1.

Тем не менее, KP и KC совпадают, во-первых, когда у нас количество

частиц равно, а во-вторых, когда давление прямо не зависит от числа частиц,

например, когда мы будем проводить процессы в жидкости.

Константы записываются всегда одинаково и очень просто.

Давайте потом уже перейдем в следующих лекциях к более сложным примерам.

Давайте немножко усложним.

Какие в принципе возможны в природе схемы превращений?

Сейчас вы видите пять вариантов, которые я смог написать для схемы из трех реагентов.

Если внимательно присмотреться, то третье выражение — это по

сути вечный двигатель первого рода: A в B, B в C, C в A.

Это по сути та же самая невозможная гравюра Эшера.

Если еще внимательнее присмотреться,

то системы 4 и 5 — это тоже вариации третьей системы.

Мы опять будем крутиться по кругу, не вкладывая в систему никаких

дополнительных работ и энергий, что нарушает первый закон термодинамики.

Поэтому реализуются только первые две системы.

Первая система — это по сути детальная и наглядная иллюстрация принципа детального

равновесия, когда каждая пара будет находиться в своем собственном равновесии.

Ну а вторая схема — это просто превращение B в C,

иногда через интермедиат,

или промежуточное вещество, A.