Химическая физика

физика (далее Х) научная область, пограничная между химией и новыми разделами физики. Возникновение Х было подготовлено многими выдающимися открытиями в физике начала 20 в. (см. АтомнаяХ, Квантовая механика). Как следствие быстрого прогресса физики появились новые возможности теоретического и экспериментального решения проблем, а это, в свою очередь, привело к расширению исследований с применением физически методов. Складывались современные представления о строении и электрических свойствах и молекул, природе межмолекулярных сил и элементарного акта взаимодействия. После открытия нем. ученым М. Боденштейном неразветвленных цепных реакций (1913) и установления В. Нернстом принципиального механизма таких реакций начался новый этап развития кинетики химической. Механизм реакций рассматривается как сложная совокупность элементарных процессов с участием молекул, свободных радикалов, ионов, возбужденных частиц. Открыты и изучены ранее неизвестные типы реакций, например цепные разветвленные реакции (Н. Н. Семенов, С. Хиншелвуд), и явления, свойственные этому типу реакций; создана теория процессов горения и взрывов, базирующаяся на кинетике (Семенов).

Впервые термин "Х" в понимании, близком к современному, ввел немецкий ученый А. Эйкен, опубликовав "Курс физики" (1930). До этого (1927) вышла книга В. Н. Кондратьева, Н. Н. Семенова и Ю. Б. Харитона "Электронная название которой в известной мере раскрывает смысл термина "Х". В 1931 был организован институт физики АН СССР; с 1933 в США издается "Журнал физики" (Journal of Chemical Physics).

Уже с 20—30-х гг. к Х стали относить работы по изучению строения электронной оболочки квантово-механической природы сил; строения и свойств молекул, и жидкостей; проблем кинетики — природы элементарных актов взаимодействия, свойств свободных радикалов, квантовомеханической теории реакционной способности соединений, фотохимических реакций и реакций в разрядах, теории горения и взрывов.

Современный этап в развитии Х характеризуется широким применением многочисленных весьма эффективных физических методов, дающих большой объем информации о структуре и молекул и механизмах реакций. Это спектрально-оптические методы, масс-спектрометрия, метод молекулярных пучков, рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, электромагнитные методы определения поляризуемости, восприимчивости, электронография и ионография, нейтронография и нейтроно-спектроскопические методы, электронный парамагнитный резонанс, ядерный резонанс, ядерный квадрупольный резонанс, двойные резонансы, метод спинового эха, поляризация электронов и ядер, гамма-резонансная спектроскопия, методы установления структурных и динамических свойств молекул с помощью мезонов и позитронов, методы определения импульсов электронов в молекулах, импульсные методы изучения быстрых процессов (импульсный радиолиз, импульсный, в том числе лазерный, фотолиз), ударно-волновые и др. методы.

Растет значение квантовой химии, применение ЭВМ для расчета электронного строения и свойств соединений и выполнения др. расчетов, необходимых для развития теории реакций.

Большое внимание уделяется изучению механизмов элементарных актов превращения в газовой и конденсированной фазах. Применительно к газофазным реакциям интенсивно исследуется кинетика неравновесных процессов, важных в условиях высоких температур и глубокого вакуума, выясняется роль колебательного возбуждения молекул. Разрабатывается теория туннельных переходов в кинетике реакций, устанавливаются критерии, характеризующие температуры, ниже которых туннельные переходы преобладают над барьерными. Изучаются особенности процессов при температурах, близких к абсолютному нулю. Развивается низких температур (низкотемпературные реакции протекают направленно, с весьма высоким выходом целевых продуктов, с большими, иногда взрывными, скоростями).

Интенсивно ведутся работы по химии высоких энергий — области Х, связанной с исследованиями кинетики, механизма и практических приложений процессов, в которых энергии отдельных молекул, радикалов превышают энергию теплового движения, а зачастую и энергию связей.

Важным разделом химико-физических исследований является фотохимия, имеющая большое значение для теории процессов, решения проблем фотосинтеза, фоторецепции, фотографии, светостабилизации полимерных материалов. С помощью современных импульсных методов исследуются весьма быстрые фотопроцессы, что важно для установления механизма элементарных реакций. Изучается механизм фотохромизма, знание которого необходимо в связи с широким применением фотохромных материалов в технике.

Ведутся теоретические и прикладные исследования в области низкотемпературной плазмы, разрабатываются общие принципы неравновесной кинетики реакций в плазме и научные основы плазмо- технологии (см. Плазмохимия).

Сравнительно новое направление Х — изучение превращений конденсированных веществ в результате их сжатия под действием ударных волн. Изучается кинетика быстрых неизотермических реакций в условиях адиабатического расширения и сжатия газов.

Возрастает роль и значение работ по ядерной химии, которая занимается изучением последствий ядерных процессов (ядерные реакции, радиоактивный распад), исследованиями в области химии новых трансурановых элементов, а также своеобразных систем (в частности, мезоатомов), возникающих при воздействии на вещество позитронов и мезонов. Развиваются методы радиационной химии.

Одним из фундаментальных следствий теории цепных процессов является вывод об образовании высоких концентраций свободных и радикалов в ходе цепных разветвленных реакций. Этот вывод лежит в основе многочисленных теоретических и экспериментальных работ, имеющих большое практическое значение. Развиваются исследования цепных процессов с энергетическими разветвлениями цепи. На основе таких процессов создаются лазеры. Новым научным направлением становится изучение влияния полей на механизм реакций с участием свободных радикалов. Сохраняет свое большое теоретическое и практическое значение изучение теплового взрыва, горения и детонации.

Большое внимание уделяется изучению кинетики и механизма реакций в твердом теле (см. также Топохимические реакции) и химико-физическим аспектам катализа. В области гетерогенного катализа Х сосредоточивает внимание на изучении свойств частиц, адсорбированных на поверхности катализатора, установлении структуры и распределения активных центров на поверхности твердых тел, разработке элементарного акта гетерогенного катализа. Перспективным объектом химико-физического изучения становится металлокомплексный катализ, приближающийся по эффективности к ферментативному.

В области электрохимии Х разрабатывает квантовохимическое обоснование особенностей электрохимических реакций, занимается экспериментальным изучением механизма элементарного акта электродных реакций, а также процессов в объеме раствора, сопровождающихся переносом электронов, исследованием сольватированных электронов, теоретическим анализом темновой и фотоэмиссии электронов из металла в раствор.

Химико-физические методы и подходы становятся эффективным инструментом научных исследований во всех разделах науки. Современная физическая химия также во все возрастающей степени использует при решении проблем новейшие достижения физики и физические методы исследования.

Лит.: Кондратьев В. Н., Семенов Н. Н., Харитон Ю. Б., Электронная М. — Л., 1927; Эйкен А,, Курс физики, пер. с нем., вып. 1—3, М. — Л., 1933—1935; Семенов Н. Н., Кондратьев В. Н., Эмануэль Н. М., Х в Академии наук СССР, "Вестник Академии наук СССР", 1974, № 2, с. 49; Семенов Н. Н., Х. (Физические основы кинетики), Черноголовка, 1975.

Н. М. Эмануэль.

	Copyright © 1999-2023 Oval.ru, All Rights Reserved.