ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ — раздел химии, посвященный изучению взаимосвязи химических и физических явлений в природе. Положения и методы Ф. х. имеют важное значение для медицины и медико-биологических наук, методы Ф. х. используются для изучения жизненных процессов как в норме, так и при патологии.

Основными предметами изучения Ф. х. являются строение атомов (см. А том) и молекул (см. Молекула), природа хим. связей, хим. равновесие (см. Равновесие химическое) и кинетика (см. Кинетика химическая, Кинетика биологических процессов), катализ (см.), теория газов (см.), жидкостей и растворов (см.), структура и хим. свойства кристаллов (см.) и полимеров (см. Высокомолекулярные соединения), термодинамика (см.) и тепловые эффекты хим. реакций (см. Термохимия), поверхностные явления (см. Детергенты, Поверхностное натяжение, Смачивание), свойства р-ров электролитов (см.), электродные процессы (см. Электроды) и электродвижущие силы, коррозия металлов, фотохим. и радиационные процессы (см. Фотохимические реакции, Электромагнитное излучение). Большинство теорий Ф. х. базируется на законах статики, квантовой (волновой) механики и термодинамики. При изучении поставленных проблем в Ф. х. широко применяют различные сочетания экспериментальных методов физики и химии, так наз. физ.-хим. методы анализа, основы к-рых были разработаны в 1900—1915 гг.

К наиболее распространенным фи-зико-химическихм методам второй половины 20 в. относятся электронный парамагнитный резонанс (см.), ядерный магнитный резонанс (см.), масс-спектрометрия (см.), использование эффекта Мессбауэ-ра (ядерный гамма-резонанс), радиоспектроскопия (см. Спектроскопия), спектрофотометрия (см.) и флюориметрия (см.), рентгеноструктурный анализ (см.), электронная микроскопия (см.), улыпрацентрифу-гирование (см.), газовая и жидкостная хроматография (см.), электрофорез (см.), изоэлектрическое фокусирование (см.), полярография (см.), потенциометрия (см. Потенциометрическое титрован ие), кондуктомет-рия (см.), осмометрия (см. Осмотическое давление), эбулли ометрия (см.) и др.

Термин «физическая химия» впер-вые появился в трудах нем. алхимика Кунрата (H. Kuhnrath, 1599), однако долгое время смысл, вкладываемый в этот термин, не соответствовал истинному его значению. Задачи Ф. х., близкие к их современному пониманию, впервые сформулировал М. В. Ломоносов в курсе «Введение в истинную физическую химию», прочитанном им в 1752 г. студентам Петербургской акадехмии наук: физическая химия, по М. В. Ломоносову, есть наука, объясняющая на основании положений и опытов физики то, что происходит в смешанных телах при хим. реакциях. Систематическое преподавание Ф. х. было начато с 1860 г. в Харьковском ун-те H. Н. Бекетовым, к-рый впервые на естественном ф-те этого ун-та организовал физико-химическое отделение. Вслед за Харьковским ун-том преподавание Ф. х. было введено в Казанском (1874), Юрьевском (1880) и Московском (1886) ун-тах. С 1869 г. начинает выходить журнал Русского физико-химического об-ва. За рубежом кафедра физической химии впервые была учреждена в Лейпциге в 1887 г.

Формирование Ф. х. как самостоятельной научной дисциплины связано с атомно-молекулярным учением, т. е. прежде всего с открытием в 1748—1756 гг. М. В. Ломоносовым и в 1770—1774 гг. А. Лавуазье закона сохранения массы веществ при хим. реакциях. Работы Рихтера (J. В. Richter, 1791 — 1802), открывшего закон паев (эквивалентов), Пруста (J. L. Proust, 1808), открывшего закон постоянства состава, и др. способствовали созданию в 1802—1810 гг. Дж. Дальтоном атомной теории и открытию закона кратных отношений, устанавливающего закономерности образования хим. соединений. В 1811 г. Авогадро (A. Avogadro) ввел понятие «молекула», связывающее атомную теорию строения вещества с законами идеальных газов. Логическим завершением формирования атомистических взглядов на природу материи явилось открытие Д. И. Менделеевым в 1869 г. периодического закона хим. элементов (см. Периодическая система химических элементов).

Современное представление о строении атома сложилось в начале

20 в. Наиболее важными вехами на этом пути являются экспериментальное открытие электрона и установление его заряда, создание квантовой теории (см.) Планком (М. Plank) в 1900 г., работы Бора (N. Bohr, 1913), предположившего существование у атома электронной оболочки и создавшего его планетарную модель, и другие исследования, послужившие подтверждением квантовой теории строения атома. Завершающим этапом формирования современных представлений о строении атома явилась разработка квантовой (волновой) механики, с помощью методов к-рой в последующем удалось объяснить природу и направленность хим. связей, теоретически рассчитать физ.-хим. константы простейших молекул, развить теорию межмолекулярных сил и др.

Первоначальное развитие хим. термодинамики, изучающей законы взаимных превращений различных форм энергии в равновесных системах, связано с исследованиями Карно (S. Carnot) в 1824 г. Дальнейшие работы Майера (R. Mayer), Джоуля (J. Joule) и Г. Гельмгольца привели к открытию закона сохранения энергии — так наз. первого начала, или первого закона термодинамики. Введение Клаузиусом (R. Clausius) в 1865 г. понятия «энтропия» как меры свободной энергии, привело к разработке второго закона термодинамики. Третий основной закон термодинамики был выведен из тепловой теоремы Нернста об асимптотическом сближении свободной энергии и теплосодержания системы, в 1907 г. Эйнштейн (A. Einstein) составил уравнение теплоемкости простых гармонических осцилляторов, а в

1911 г. Планком был сделан вывод: энтропия чистых веществ при абсолютном нуле равна нулю.

Начало самостоятельному существованию термохимии — науки о тепловых эффектах хим. реакций, было положено трудами Г. И. Гесса, установившего в 1840 г. закон постоянства сумм теплоты. Большое значение для развития термохимии имели труды Бертло (Р. E. М. Berthelot), к-рый разработал калориметрические методы анализа (см. Калориметрия) и открыл принцип максимальной работы. В 1859 г. Кирхгоф (H. Kirch-hoff) сформулировал закон, связывающий тепловой эффект реакции с теплоемкостями реагирующих веществ и продуктов реакции. В 1909—

1912 гг. Нернст (W. H. Nernst), Эйнштейн и Дебай (P. Debye) разработали теорию квантовой теплоемкости.

Развитие электрохимии, занимающейся изучениехМ связи между химическими и электрическими явлениями и исследованием действия электрического тока на различные вещества в р-рах, связано с созданием Вольтой (A. Volta) в 1792—1794 гг. гальванического элемента. В 1800 г. появились первые работы Никольсо-на (V. Nicolson) и Карлейля (А. Каг-leil) по разложению воды, а в 1803— 1807 гг. работы И. Берцелиуса и Ги-зингера (W. Hisinger) об электролизе (см.) р-ров солей. В 1833—1834 гг. Фарадей (М. Faraday) сформулировал основные законы электролиза, связывающие выход электрохим. реакций с количеством электричества и хим. эквивалентами веществ. В 1853—1859 гг. Гитторф (J. W. Hittorf) установил зависимость между электрохим. действием и подвижностью ионов, а в 1879 г. Кольрауш (F. W. Kohlrausch) открыл закон независимого движения ионов (см.) и установил связь между эквивалентной электропроводностью и подвижностью катионов и анионов. В 1875 — 1878 гг. Гиббс (J. VV. Gibbs) и в 1882 г. Г. Гельмгольц разработали математическую модель, связывающую электродвижущую силу гальванического элемента с внутренней энергией хим. реакций. В 1879 г. Г. Гельмгольц создал учение о двойном электрическом слое. В 1930—1932 гг. Фольмер (М. Vol-mer) и А. Н. Фрумкин предложили количественную теорию электродных процессов.

Начало учению о растворах было положено работами Гассенфратца (J. H. Hassenfratz, 1798) и Ж. Гей-Люссака (1819) о растворимости солей. В 1881 —1884 гг. Д. П. Коновалов заложил научные основы теории и практики перегонки р-ров, а в 1882 г. Рауль (F. М. Raoult) открыл закон понижения температуры замерзания растворов (см. Криометрия). Первые количественные измерения осмотического давления (см.) были произведены в 1877 г. Пфеффером (W. F. Ph. Pfeffer), а в 1887 г. Я. Вант-Гофф создал термодинамическую теорию разбавленных р-ров и вывел уравнение, связывающее осмотическое давление с концентрацией р-ра, его объемом и абсолютной температурой. С. Аррениус в 1887 г. сформулировал теорию электролитической диссоциации и ионизации солей в р-рах (см. Электролиты), а Нернст в 1888 г.— осмотическую теорию. Оствальд (W. Ostwald) обнаружил закономерности, связывающие степень диссоциации электролита с его концентрацией. В 1911 г. Доннан (F. G. Don-пап) создал теорию распределения электролитов по обе стороны полупроницаемой мембраны (см. Мембранное равновесие), к-рая нашла широкое применение в биофизической химии (см.) и коллоидной химии (см.). В 1923 г. Дебай и Гюккель (E. Huckel) разработали статистическую теорию сильных электролитов.

Развитие учения о кинетике хим. реакций, равновесии и катализе началось с работ Вильгельми (L. Wil-helmy), создавшего в 1850 г. первую количественную теорию хим. реакций, и Вильямсона (A. W. Williamson), представившего равновесие как состояние равенства скоростей прямой и обратной реакций. Понятие «катализ» было введено в физическую хихмию И. Берцелиусом в

1835 г. Основные принципы учения

о хим. равновесии были сформулированы в трудах Бертолле (С. L. Вег-thollet). Начало динамической теории равновесий положено работами Вильямсона и Клаузиуса, принцип подвижного равновесия разработан Я. В ант-Гоффом, Гиббсом и Ле Ша-телье (H. Le Chatelier). Бертло и Пеан-сен-Жиль (L. Pean-saint-Gilles) установили связь между скоростью реакции и состоянием равновесия. Основной закон хим. кинетики о пропорциональности скорости реакции произведению активных масс (т. е. концентраций) реагирующих веществ — закон действующих масс — был сформулирован в 1864—1867 гг. Гульдбергом (С. М. Guldberg) и Ваа-ге (P. Waage). В 1893—1897 гг. А. Н. Бах и Энглер (К. Engler) создали перекисную теорию медленного окисления (см. Перекиси), в 1899— 1904 гг. Абегг (R. Abegg) и Бодлендер (H. Bodlander) развили представление о валентности как способности атома принимать или отдавать электроны, в 1913—1914 гг. Л. В. Писар-жевский и С. В. Дайн разработали электронную теорию окислительно-восстановительных реакций (см.). В 1903—1905 гг. Н. А. Шилов предложил теорию сопряженных реакций, а в 1913 г. Боденштейн (М. Во-denstein) открыл цепные реакции (см.), теоретические основы протекания к-рых были разработаны в 1926 —1932 гг. H. Н. Семеновым и Хиншелвудом (С. N. Hinsheiwood).

Явление радиоактивного распада атомов (радиоактивности) было открыто в 1896 г. А. Беккерелем. С тех пор изучению радиоактивности (см.) уделяется большое внимание и в этой области достигнуты существенные успехи, начиная с искусственного расщепления атомов и кончая разработками по управляемому термоядерному синтезу. Среди проблем Ф. х. необходимо выделить изучение влияния на молекулы гамма-излучений (см.), потока частиц высоких энергий (см. Альфа-излучение, Ясс-мическое излучение, Нейтронное излучение, Лротонное излучение), лазерного излучения (см. Лазер), а также изучение реакций в электрических разрядах и низкотемпературной плазме (плазмохимия). Успешно развивается физ.-хим. механика, исследующая влияние поверхностных явлений на свойства твердых тел.

Один из разделов Ф. х.— фотохимия (см.), изучает реакции, протекающие при поглощении веществом световой энергии от внешнего источника излучения.

В Ф. х. нет такого раздела, к-рый бы не имел значения для медико-биол. дисциплин и в конечном счете для практической медицины (см. Биофизическая химия). Физ.-хим. методы позволяют изучать живую клетку и ткани in vivo, не подвергая их разрушению. Не меньшее значение для медицины имеют физ.-хим. теории и представления. Так, учение об осмотических свойствах р-ров оказалось чрезвычайно существенным для понимания водного обмена (см. Водно-солевой обмен) у человека в норме и при патологии. Создание теории электролитической диссоциации существенно повлияло на представление о биоэлектрических явлениях (см.) и положило начало ионной теории возбуждения (см.) и торможения (см.). Теория кислот, и оснований (см.) дала возможность объяснить постоянство внутренней среды организма и послужила основой для изучения кислотно-щелочного равновесия (см.). Для понимания энергетики жизненных процессов (напр., функционирования АТФ) широко используют исследования, осуществляемые с помощью методов хим. термодинамики. Развитие физ.-хим. представлений о поверхностных процессах (поверхностном натяжении, смачивании и др.) существенно для понимания реакций клеточного иммунитета (см.), распластывания клеток на неклеточных поверхностях, адгезии и др. Теория и методы хим. кинетики являются основой для изучения кинетики биологических, прежде всего ферментативных, процессов. Большую роль в понимании сущности биол. процессов играет изучение биолюминесценции, хемолюминесценции (см. Биохемилюминесценция), использование люминесцирующих антител (см. Иммунофлюоресценция), флюо-р охр омов (см.) и др. для изучения свойств тканевой и субклеточной локализации белков, нуклеиновых к-т и др. Физ.-хим. методы определения интенсивности основного обмена (см.) чрезвычайно важны при диагностировании многих заболеваний, в т. ч. эндокринных.

Необходимо отметить, что изучение физ.-хим. свойств биол. систем и процессов, протекающих в живом организме, дает возможность глубже заглянуть в суть и выявить специфику живой материи и этих явлений.

Основными исследовательскими центрами в области физической химии в СССР являются научно-исследовательские ин-ты АН СССР, ее филиалов и отделений, АН союзных республик: Физико-химический ин-т им. Л. Я. Карпова, Ин-т физической химии, Ин-т химической физики, Ин-т новых химических проблем, Ин-т органической и физической химии им. А. Е. Арбузова, Ин-т катализа, Ин-т химической кинетики и горения, Ин-т физической химии АН УССР и др., а также соответствующие кафедры в ун-тах.

Основными печатными органами, систематически публикующими статьи по Ф. х., являются: «Журнал физической химии», «Кинетика и катализ», «Журнал структурной химии», «Радиохимия», «Электрохимия». За рубежом статьи по Ф. х. печатаются в «Zeitschrift fiir physi-kalische Chemie», «Journal of Physical Chemistry», «Journal de chimie physique et de physico-chimie bio-logique».

Библиогр.: Бабко А. К. и др.

Физико-химические методы анализа, М., 1968; Киреев В. А. Курс физической химии, М., 1975; Мелвин-Хьюз

Э. А. Физическая химия, пер. с англ., т. 1 — 2, М., 1962; Николаев Л. А. Физическая химия, М., 1972; Развитие

физической химии в СССР, под ред. Я. И. Герасимова, М., 1967; Соло

вьев Ю. И. Очерки по истории физической химии, М., 1964; Физическая

химия, Современные проблемы, под ред. Я. М. Колотыркина, М., 1980.

Периодические издания — Журнал структурной химии, М., с 1960; Журнал физической химии, М., с 1930; Кинетика и катализ, М., с 1960; Радиохимия, М.— Л., с 1959; Электрохимия, М., с 1965; Journal de chimie physique et de physico-chimie biologique, P., с 1903; Journal of Physical Chemistry, Baltimore, с 1896; Zeitschrift fiir physikalische Chemie, Lpz., с 1887.

В. А. Пеккель.