Энциклопедический Словарь. 1953—1955
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, раздел химии, тесно связанный с физикой, включающий учение о строении вещества, химич. термодинамику, химич. кинетику, учение о катализе, растворах, электрохимию, коллоидную химию. Иногда наз. также теоретич. химией. Основоположником Ф. х. явился великий русский учёный М. В. Ломоносов, создавший первый в мире курс Ф. х. «Введение в истинную физическую химию» (1752). Ф. х.— наука, посвящённая изучению теоретич. основ многообразных химич. явлений и процессов, имеющих весьма важное научное значение, а также разработке и теоретич. обоснованию промышленных химико-технологич. процессов.
Советский Энциклопедический Словарь. 1980
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, наука, объясняющая хим. явления и устанавливающая их закономерности на основе общих принципов физики. Назв. науки «Ф. х.» введено М. В. Ломоносовым, к-рый впервые (1752—1753) сформулировал её предмет и задачи и установил один из осн. законов Ф. х.— сохранения массы закон при хим. превращениях. Выделение Ф. х. в самостоят. отрасль хим. науки произошло в кон. 19 в. На первом этапе своего развития Ф. х. ограничивалась изучением макроскопич. (непосредственно наблюдаемых) характеристик систем и процессов. Осн. задача совр. Ф. х.— выяснение детального механизма явлений. Гл. разделы Ф. х.— химическая термодинамика и химическая кинетика. В курсы Ф. х. обычно включают учение о строении атомов, ионов и молекул, коллоидную химию, а также отдельные разделы фотохимии, радиационной химии и электрохимии. Ф. х. служит теоретич. основой неорганич., органич. и аналитич. химии, а также химич. технологии.
А. И. Бусев, И. П. Ефимов. Словарь химических терминов. Издательство «Просвещение». Москва. 1971
Физическая химия — важнейшая область химической науки, использующая все достижения физики для исследования, объяснения, установления закономерностей химических явлений. Ф. х. включает учение о строении вещества, химическую термодинамику и химическую кинетику, электрохимию и коллоидную химию, учение о катализе, растворах, фотохимию и радиационную химию. Без применения достижений Ф. х. невозможно развитие других областей химии — органической, неорганической, аналитической.
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ // Большая российская энциклопедия. Электронная версия (2017). Новая версия
ФИЗИ́ЧЕСКАЯ ХИ́МИЯ, наука об общих законах и закономерностях, определяющих строение и физико-химич. свойства веществ, механизм и динамику их химич. превращений при различных внешних условиях. Исследует химич. явления с помощью теоретич. и эксперим. методов физики. Как самостоят. наука Ф. х. оформилась к сер. 18 в. Термин «Ф. х.» принадлежит М. В. Ломоносову, который в 1752–53 прочитал студентам Академич. ун-та курс «Введение в истинную физическую химию». Первый науч. журнал, предназначенный для публикации статей по Ф. х. («Zeitschrift für physikalische Chemie»), основан в 1887 В. Оствальдом и Я. Х. Вант-Гоффом.
Феноменологич. основы Ф. х. получили своё обоснование с появлением и развитием таких важнейших разделов физики, как термодинамика и статистическая физика, квантовая механика, теория поля и др. Ф. х. является осн. теоретич. фундаментом химии. Ф. х. включает учение о строении вещества (в т. ч. о строении молекул), термодинамику химическую, кинетику химическую и катализ. В качестве отд. разделов Ф. х. выделяют электрохимию, химию поверхности (в т. ч. адсорбцию и хроматографию), нанохимию, фотохимию, химию высоких энергий, химию высоких давлений и радиационную химию, учение о коррозии и др. Весьма близко примыкают к Ф. х. такие разделы химии, как коллоидная химия, квантовая химия и физико-химический анализ.
Важным источником информации о строении молекул, об их разл. характеристиках и особенностях возможных превращений служат результаты квантовохимич. расчётов. Помимо количественных данных квантовая химия даёт систему понятий и представлений, активно используемых в Ф. х. для установления корреляций между свойствами отд. молекул и молекул в рядах родств. соединений, а также при объяснении особенностей химич. и биологич. свойств соединений. Эти корреляции широко используются, в частности, и для решения обратной задачи – прогнозирования строения соединений с заданными свойствами. Благодаря развитию эксперим. методов и возможностей методов квантовохимич. расчётов Ф. х. на совр. этапе подошла к всестороннему изучению свойств соединений в возбуждённых состояниях и соединений нестабильных (короткоживущих), а также к изучению свойств соединений в экстремальных условиях.
Развитие квантовых представлений об атомных и молекулярных системах и их применение к объяснению химии явлений привело в нач. 1930-х гг. к выделению отд. направления – химической физики. За Ф. х. предполагалось сохранить её классич. разделы и направления, тогда как направление, опирающееся на квантовые представления, предполагалось отнести к химич. физике. Такое деление оказалось в итоге условным, определённую границу между этими двумя направлениями сегодня провести уже невозможно, что чётко проявляется и при рассмотрении строения молекул, и при разработке представлений и аппарата совр. химич. кинетики.
Важную часть Ф. х. составляет химич. термодинамика – раздел Ф. х., посвящённый изучению макроскопич. химич. систем в разл. фазовых состояниях и происходящих в них процессов (реакции, фазовые превращения и др.) на основе общих законов взаимопревращения теплоты, разл. видов работы и энергии. В разработке осн. принципов феноменологич. термодинамики и решении её прикладных задач, в частности задач химич. термодинамики, участвовали мн. выдающиеся учёные 19–20 вв. Й. Д. Ван дер Ваальс, H. Л. С. Карно, P. Клаузиус, Г. И. Гесс, Д. П. Коновалов, Г. Л. Ф. Гельмгольц, Я. Х. Вант-Гофф, Ф. Рауль, Дж. У. Гиббс, А. Ле Шателье, В. Оствальд, В. Нернст сформулировали осн. законы и принципы термодинамики, разработали её математич. аппарат. Дальнейшее развитие было определено таким разделом науки, как статистич. термодинамика (см. в ст. Статистическая физика), которая не только дала обоснование положениям феноменологич. теории на молекулярно-статистич. уровне, но и привела к новым возможностям расчёта термодинамич. величин на основании эксперим. и расчётных данных о строении и системе энергетич. уровней молекул исследуемого вещества.
Рабочим инструментом химич. термодинамики являются характеристич. функции (внутренняя энергия, энтропия, энтальпия, энергия Гиббса, энергия Гельмгольца) и уравнения, связывающие их друг с другом и с параметрами, задающими внешние условия, в которых находится система. Для определения характеристич. функций используются, в частности, такие эксперим. методы, как калориметрия и метод электродвижущих сил. С помощью характеристич. функций формулируются условия равновесия и устойчивости систем, определяются количественные характеристики равновесных состояний и направления осуществления тех или иных обратимых химич. процессов.
Хотя химич. термодинамика позволяет сформулировать точные количественные соотношения для характеристич. функций только для веществ в равновесных состояниях, тем не менее она может указать направление осуществления тех или иных обратимых процессов либо предсказать возможность их осуществления при заданных внешних условиях. Важное направление химич. термодинамики – количественные расчёты равновесного состава сложных многокомпонентных систем, расчёты диаграмм фазового равновесия и поиск на основе термодинамич. соотношений оптимальных по тем или иным свойствам составов.
Отд. раздел Ф. х., базирующийся на химич. термодинамике, – учение о поверхностных явлениях и адсорбции, обобщающее данные о свойствах межфазных границ и равновесных процессах в гетерогенных системах. Информация о структуре и термодинамич. свойствах поверхности играет важную роль для гетерогенного катализа и для хроматографич. методов разделения и очистки веществ. Особое внимание привлекает развитие представлений о системах наноразмерных частиц, свойства которых определяются их размерами и морфологией, особенностями их поверхности.
Ограничение обычной термодинамики описанием равновесных состояний и обратимых процессов отчасти было снято при переходе к термодинамике неравновесных процессов, возникшей в 1930-е гг. Этот раздел Ф. х. изучает неравновесные процессы, в которых скорость возникновения энтропии локально сохраняется постоянной (такие системы локально близки к равновесным). Термодинамика неравновесных процессов позволяет рассматривать системы с химич. реакциями, диффузией, термодиффузией, переносом теплоты, электрич. зарядов и т. п.
Превращения химич. веществ во времени (в частности, скорость химической реакции и механизм химической реакции, их зависимость от соотношения и концентраций реагентов, от внешних условий) изучает химич. кинетика. В химич. кинетике выделяют такие крупные разделы, как формальная кинетика, кинетика реакций в растворах, кинетика цепных реакций, кинетика гетерогенных реакций.
Большинство химич. реакций представляет собой сложные многостадийные химические реакции, в которых с большей или меньшей определённостью можно выделить отд. элементарные акты химич. превращения, переноса вещества и энергии. Теоретич. химич. кинетика анализирует механизмы элементарных реакций и возможные модели сложных химич. превращений с последующим расчётом констант скоростей изучаемых процессов на основе представлений и математич. аппарата классич. механики и квантовой теории. Теоретич. химич. кинетика устанавливает связь между строением реагирующих веществ и их реакционной способностью, зависимость скорости химич. превращения от фазового состояния реагентов, их внешнего теплового и электромагнитного возбуждения. Наиболее важную роль в теоретич. описании реакций играют активных столкновений теория и активированного комплекса теория.
Совр. эксперим. методы позволяют исследовать быстрые (вплоть до фемтосекундных) химич. превращения, автоматизировать регистрацию и обработку кинетич. данных, проводить параллельные измерения несколькими методами и т. п. При этом математич. моделирование (в т. ч. компьютерное моделирование) химич. процессов позволяет осуществлять детальную проверку гипотез о механизмах реакций.
В теоретич. химич. кинетике, наряду с квантовым подходом, широко представлены качественные модели осуществления той или иной реакции при следовании вдоль т. н. пути реакции, отвечающего минимальной кривой на поверхности потенциальной энергии при переходе от исходных реагентов к продуктам реакции. Такой анализ, хотя и выполняется, как правило, не для всей поверхности, а лишь для некоторых её сечений, часто способствует правильным заключениям о механизме реакции и возможностях его изменения при изменении состава реакционной смеси и внешних условий.
Весьма важный раздел Ф. х., тесно связанный с химич. кинетикой, – учение о катализе, т. е. об изменении скорости и направления химич. реакции при воздействии веществ (катализаторов), участвующих в реакции, но остающихся химически неизменными после каждого цикла превращений и поэтому не входящих в состав конечных продуктов. Изменяя скорость химич. реакции, катализатор не меняет равновесный состав её продуктов.
При гомогенном катализе катализатор и реагирующие вещества находятся в одной фазе в молекулярно-дисперсном состоянии, тогда как при гетерогенном катализе катализатор образует самостоятельную, как правило твёрдую, фазу, отделённую границей раздела от фазы, в которой находятся реагирующие вещества. Катализ проходит на границе раздела фаз и поэтому зависит от состояния поверхности катализатора и её изменений в ходе каталитич. процесса. В зависимости от типа используемых катализаторов и специфики соответствующих каталитич. процессов выделяют ферментативный катализ и мембранный катализ, играющие весьма важную роль в биологич. процессах, металлокомплексный катализ, отличающийся высокой селективностью осуществления реакций, мицеллярный катализ и др.
Большинство химич. процессов, осуществляемых в пром-сти, являются каталитическими (см. Промышленный катализ). Мн. реакции биологически важных соединений, если их рассматривать на молекулярном уровне, также относятся к каталитическим. Существенной особенностью таких реакций является их высокая селективность, позволяющая получать с высоким выходом целевые продукты высокой чистоты. Катализ активно используется и в областях, связанных с повышенным антропогенным воздействием на окружающую среду, когда необходимо удалять токсичные и вредные вещества из атмосферы и гидросферы Земли (напр., при выбросах токсичных пром. и парниковых газов).
Ф. х. – активно развивающаяся наука, что определяется не только необходимостью решения большого числа прикладных задач по получению количественных данных о физико-химич. свойствах соединений, но и развитием новых направлений, в частности связанных с пониманием свойств наноразмерных объектов, выяснением влияния на свойства соединений биологически активных сред, осуществлением низкоэнергетич. ядерно-химич. реакций, ведущих к превращениям ядер (в т. ч. к ядерному синтезу), и рядом др. направлений. Роль Ф. х. в понимании фундам. основ химич. науки на совр. этапе является определяющей, что позволяет к тому же и формулировать чёткие прогностич. выводы о возможностях и оптимальных условиях осуществления новых химич. реакций.
Библиография
Лит.: Эмануэль Н. М., Кнорре Д. Г. Курс химической кинетики. 4-е изд. М., 1984; Пригожин И. Р., Кондепуди Д. Современная термодинамика: От тепловых двигателей до диссипативных структур. М., 2002; Ягодовский В. Д. Статистическая термодинамика в физической химии. М., 2005; Стромберг А. Г., Семченко Д. П. Физическая химия. 7-е изд. М., 2009; Горшков В. И., Кузнецов И. А. Основы физической химии. 4-е изд. М., 2011; Основы физической химии. 2-е изд. М., 2013. Ч. 1–2.
