ЧАСТИНА I. ФІЗИЧНА ХІМІЯ ВСТУП

Фізична хімія - це наука, яка вивчає хімічні процеси і явища та встановлює загальні закономірності їх перебігу на основі фун­даментальних методів фізики. Вона є базовою дисципліною, яка визначає становлення кваліфікованого фахівця-технолога, в якій би галузі виробництва він не працював, сприяє розвитку науко­вого та інженерного мислення у студентів та готує їх до вивчення таких дисциплін, як колоїдна хімія, біохімія, процесів і апаратів, спеціальних технологій.

Сьогодні висуваються високі вимоги до раціонального вибо­ру вихідних речовин та методів їх переробки. Така раціональність у вирішенні технологічних проблем забезпечується використан­ням основних фізико-хімічних закономірностей. В усіх галузях хімії - неорганічній, органічній, аналітичній, біологічній - немо­жливо обійтися без використання ідей та методів фізичної хімії. Особливо зараз, коли стираються межі між традиційно відокрем­леними науками та інтенсифікуються міждисциплінарні дослі­дження, коли вирішення наукових проблем неможливе без залу­чення теоретичних та експериментальних розробок інших наук.

Сучасний кваліфікований фахівець-технолог зобов'язаний оперативно використовувати специфічну інформацію про конк­ретний технологічний процес, у першу чергу про кінетичні його параметри, термодинамічні умови перебігу хімічних реакцій, що лежать в основі технологічних процесів, володіти глибокими знаннями про фізико-хімічну структуру поживних речовин, які беруть участь у технологічному процесі, вміти виявляти оптима­льні умови його проведення з досягненням заданого кінцевого результату. Крім того, він повинен уміти визначати оптимальні режими зберігання та переробки харчової сировини.

Ці знання та вміння студенти технологічних вузів набувають під час вивчення комплексу хімічних дисциплін, стрижнем якого є фізична хімія. Сучасна фізична хімія є теоретичною основою всіх світових хімічних технологій. Синтез аміаку, розробка соля­них родовищ, деякі металургійні процеси, перегонка, ректифіка­ція проводяться у відповідності із законами фізичної хімії. Ця на­ука дає теоретичні основи для досліджень як у галузі неорганіч­ної, органічної та аналітичної хімії, так і хімічних технологій. Фі­зичній хімії належить зайняти такі ж позиції і в технологіях хар­чових виробництв, бо всі передові технології майбутнього будуть спиратись на свій теоретичний фундамент - фізичну хімію.

Стосовно підготовки фахівців-технологів, що навчаються за напрямом 0917 "Харчова технологія та інженерія", структура ди­сципліни "Фізична хімія" включає два модулі, перший з яких складається з семи тем, другий - з трьох. Перший модуль містить теми наступних розділів.

Б у д о в а р е ч о в и н и.

В даному розділі розглядаються явища поляризації та рефра­кції, а також методи визначення параметрів, які характеризують властивості молекул. Ці методи цілком доступні для будь-якої технологічної лабораторії, разом з тим вони достатньо інформа­тивні. Йдеться про рефрактометричні методи дослідження, за до­помогою яких визначають молекулярні константи, що дозволяє здійснювати контроль за складом сировини, напівпродуктів на рі­зних стадіях технологічного циклу та готового продукту, визна­чати наявність та склад домішок і тим самим характеризувати якість кінцевої продукції.

Х і м і ч н а т е р м о д и н а м і к а

Цьому розділу присв'ячені дві теми першого модуля, за яки­ми розглядаються перший та другий закони термодинаміки щодо вивчення хімічних реакцій і процесів, в результаті яких відбува­ються зміни фізико-хімічних властивостей речовин, пов'язані з виділенням або поглинанням теплової енергії. Термодинамічний метод є одним із потужних наукових методів фізичної хімії. Він дає точні співвідношення між енергією та властивостями систе­ми, без будь-яких відомостей про будову молекул, відповідає на запитання, глибокою має бути реакція, перш ніж буде досягнута рівновага. Хімічна термодинаміка встановлює значення хімічного складу як одного з найважливіших факторов, які визначають по­ведінку і склад системи в конкретних умовах.

Вивчення теплових ефектів, які супроводжують хімічні реак­ції, а також деяких термічних характеристик реагуючих речовин дозволяє встановлювати критерії довільного перебігу реакцій, а також критерії рівноваги. В результаті виводиться один із важли­вих законів хімії - закон діючих мас, що визначає концентрації компонентів системи в умовах хімічної рівноваги.

X і м і ч н і та ф а з о в і р і в н о в а г и

Вчення про хімічні рівноваги - один із основних розділів ку­рсу. В ньому вирішуються питання, пов'язані з розрахунками хі­мічної рівноваги, визначенням спрямування процесів та оптима­льних режимів хімічних перетворень, які дозволяють досягти ма­ксимального виходу продукту. Використання термодинамічних даних з вивчень рівноважного стану хімічних реакцій дає можли­вість, не вдаючись в дослідження хімічних перетворень, які по­в'язані зі значними матеріальними затратами, теоретично перед­бачити можливість здійснення даного процесу і розрахувати ви­хід продукту за різних умов його перебігу.

Загальні закономірності, якими описуються рівноважні сис­теми, що містять будь-яку кількість фаз та компонентів, встанов­люються правилом фаз Гіббса. Викладання матеріалу за темою "Фазові рівноваги" засноване на цьому правилі, яке є найбільш загальним принципом, що дозволяє в логічній послідовності роз­глянути всі фазові рівноваги, починаючи з рівноваг в однокомпо­нентних системах і закінчуючи рівновагами в складних системах, в тому числі в електролітах. Велика увага приділяється дослі­дженню фазових переходів (процесів плавлення, кристалізації, випаровування, конденсації і т.ін.).

X і м і ч н а к і н е т и к а та к а т а л і з

У цьому розділі викладаються загальні закономірності пере­бігу хімічних процесів в часі, визначаються основні поняття хімі­чної кінетики, на основі закону діючих мас виводяться кінетичні рівняння хімічних реакцій різних порядків, аналізуються основні положення теорій хімічної кінетики: теорії Арреніуса, теорії ак­тивних зіткнень та перехідного стану. Розглянутий матеріал дає можливість розраховувати кінетичні константи, енергію активації хімічних реакцій, визначати за експериментальними даними по­рядок реакції, ступінь перетворення вихідних речовин на даний момент часу.

Таким чином, хімічна кінетика та хімічна термодинаміка да­ють можливість уявляти хімічні процеси узагальнено та всебічно.

Багато процесів харчових виробництв проходять за участі ка­талізаторів біологічного походжения - ферментів, тому в розділі приділяється увага вченню про каталіз.

Вивчення матеріалу цього розділу, який відповідає двом останнім темам першого модуля, дозволяє більш успішно вирі­шувати питання інтенсифікації виробництва.

Другий модуль містить три теми наступних розділів.

О с н о в и т е о р і ї р о з ч и н і в

З умов фазової рівноваги в двокомпонентній системі виво­диться закон Рауля, який встановлює залежність складу парової фази від складу рідинної для ідеальних систем. Вивчення реаль­них рідинних систем засноване на законах Коновалова, які пояс­нюються на основі аналізу діаграм стану систем тиск пари -склад, температура кипіння - склад. Показано, що різні види пе­регонки сумішей здійснюються завдяки різниці в складі рівнова­жних пари та рідини, наведено приклади застосування правила важіля.

У цьому розділі розглянуто основні властивості розчинів твердих речовин: зниження тиску пари розчинника над розчином, підвищення температури кипіння розчину, зниження температу­ри його замерзання, осмотичний тиск, показано взаємозв'язок між цими властивостями, виведено рівняння для розрахунку знижен­ня температури замерзання та підвищення температури кипіння, рівняння для розрахунку кріоскопічної та ебуліоскопічної сталих.

Е л е к т р о х і м і я

У розділі викладено закономірності, пов'язані із взаємним перетворенням хімічної та електричної форм енергії, тобто з пе­ребігом електрохімічних реакцій. Електрохімічні реакції, з тер­модинамічної точки зору, не ідентичні хімічним, тому електрохі­мію розглядають як самостійний розділ фізичної хімії. Електро­хімічні системи, в яких проходять електрохімічні реакції, розгля­нуті в рівноважних та нерівноважних умовах за двома темами ві­дповідно. Викладено електрохімічні методи дослідження, дано класифікацію електродів та електрохімічних систем.

Завдяки фундаментальності і широкому використанню мате­матичного апарату фізична хімія інколи сприймається як наука абстрактна, що не відповідає дійсності. Для спростування таких уявлень автори доповнюють матеріал підручника прикладами і показують практичну значимість питань, які розглядаються. Фі­зична хімія стає важким предметом тільки в тому випадку, коли математика і хімія "втрачають контакт".

Особливістю цього навчального посібника є його відповід­ність новим вимогам з урахуванням кредитно-модульної системи навчання, а також доступне викладення матеріалу з висвітленням сучасних уявлень та досягнень науки, велика кількість ілюстра­цій, прикладів застосування теоретичних положень на практиці, в тому числі при розробці технологій харчових виробництв.

На практиці фахівець-технолог оцінює хід технологічного процесу за числовими значеннями відповідних параметрів та по­казаннями приладів (тиск, температура, об'єм і т.ін.). Тому крім теоретичного матеріалу у підручнику подаються довідкові дані та наводяться приклади, які показують методику розрахунку зна­чень того чи іншого параметра. Після кожної теми пропонуються контрольні запитання, а після кожного модуля наводяться прик­лади розв'язання типових задач та завдання для самостійного ко­нтролю, пропонуються підсумкові контрольні запитання, які від­повідають узагальненню теоретичного матеріалу та складають той необхідний мінімум, який має засвоїти студент.

Таким чином, поряд з фактичним матеріалом по дисципліні. у посібнику введено елементи задачника та довідника, що забез­печує комплексний підхід до вивчення досить складного курсу, яким є фізична хімія. По суті, зміст його поданий у вигляді ком­плексу методичної літератури з фізичної хімії, що, безумовно, є однією з його переваг.