Физическая химия — это изучение макроскопических и микроскопических явлений в химических системах с точки зрения принципов, практик и концепций физики, таких как движение , энергия , сила , время , термодинамика , квантовая химия , статистическая механика , аналитическая динамика и химическое равновесие .
Физическая химия, в отличие от химической физики , является преимущественно (но не всегда) супрамолекулярным естествознанием, поскольку большинство принципов, на которых она основана, относятся к объему, а не только к молекулярной или атомной структуре (например, химическое равновесие и коллоиды ).
Некоторые из взаимосвязей, которые физическая химия стремится понять, включают эффекты:
Ключевые концепции физической химии — это способы применения чистой физики к химическим проблемам.
Одной из ключевых концепций классической химии является то, что все химические соединения можно описать как группы атомов, связанных вместе, а химические реакции можно описать как создание и разрыв этих связей. Предсказание свойств химических соединений на основе описания атомов и того, как они связаны, является одной из основных целей физической химии. Чтобы точно описать атомы и связи, необходимо знать как то, где находятся ядра атомов, так и то, как электроны распределены вокруг них. [2]
Квантовая химия , подраздел физической химии, занимающийся в основном применением квантовой механики к химическим проблемам, предоставляет инструменты для определения прочности и формы связей, [2] как движутся ядра и как свет может поглощаться или испускаться химическим соединением. [3] Спектроскопия — это смежная дисциплина физической химии, которая занимается взаимодействием электромагнитного излучения с веществом.
Другой набор важных вопросов в химии касается того, какие реакции могут происходить спонтанно и какие свойства возможны для данной химической смеси. Это изучает химическая термодинамика , которая устанавливает ограничения на величины, такие как то, насколько далеко может зайти реакция, или сколько энергии может быть преобразовано в работу в двигателе внутреннего сгорания , и которая обеспечивает связи между свойствами, такими как коэффициент теплового расширения и скорость изменения энтропии с давлением для газа или жидкости . [4] Его часто можно использовать для оценки того, осуществима ли конструкция реактора или двигателя, или для проверки достоверности экспериментальных данных. В ограниченной степени квазиравновесная и неравновесная термодинамика может описывать необратимые изменения. [5] Однако классическая термодинамика в основном занимается системами в равновесии и обратимыми изменениями , а не тем, что на самом деле происходит или как быстро происходит вдали от равновесия.
Какие реакции происходят и насколько быстро, является предметом химической кинетики , другого раздела физической химии. Ключевая идея в химической кинетике заключается в том, что для того, чтобы реагенты реагировали и образовывали продукты , большинство химических видов должны пройти через переходные состояния , которые имеют более высокую энергию, чем реагенты или продукты, и служат барьером для реакции. [6] В общем, чем выше барьер, тем медленнее реакция. Во-вторых, большинство химических реакций происходят как последовательность элементарных реакций , [7] каждая со своим собственным переходным состоянием. Ключевые вопросы кинетики включают в себя то, как скорость реакции зависит от температуры и от концентраций реагентов и катализаторов в реакционной смеси, а также то, как катализаторы и условия реакции могут быть спроектированы для оптимизации скорости реакции.
Тот факт, что скорость протекания реакций часто можно определить с помощью всего лишь нескольких концентраций и температуры, вместо того, чтобы знать все положения и скорости каждой молекулы в смеси, является частным случаем другой ключевой концепции физической химии, которая заключается в том, что в той степени, в которой инженеру необходимо знать, все, что происходит в смеси очень большого количества (возможно, порядка постоянной Авогадро , 6 x 10 23 ) частиц, часто можно описать всего несколькими переменными, такими как давление, температура и концентрация. Точные причины этого описаны в статистической механике [ 8], специальность в физической химии, которая также является общей с физикой. Статистическая механика также предоставляет способы предсказывать свойства, которые мы видим в повседневной жизни, из молекулярных свойств, не полагаясь на эмпирические корреляции, основанные на химическом сходстве. [5]
Термин «физическая химия» был введен Михаилом Ломоносовым в 1752 году, когда он читал курс лекций под названием «Курс истинной физической химии» студентам Петербургского университета . [ 9 ] В преамбуле к этим лекциям он дает определение: «Физическая химия есть наука, которая должна объяснять на основании физических опытов причину того, что происходит в сложных телах посредством химических действий».
Современная физическая химия возникла в 1860-1880-х годах с работами по химической термодинамике , электролитам в растворах, химической кинетике и другим предметам. Одной из вех стала публикация в 1876 году Джозайей Уиллардом Гиббсом его статьи « О равновесии гетерогенных веществ» . В этой статье были представлены несколько краеугольных камней физической химии, таких как энергия Гиббса , химические потенциалы и правило фаз Гиббса . [10]
Первым научным журналом , посвященным физической химии, был немецкий журнал Zeitschrift für Physikalische Chemie , основанный в 1887 году Вильгельмом Оствальдом и Якобусом Генрикусом ван 'т Хоффом . Вместе со Сванте Августом Аррениусом [ 11] они были ведущими фигурами в области физической химии в конце 19-го и начале 20-го века. Все трое были удостоены Нобелевской премии по химии между 1901 и 1909 годами.
Разработки в последующие десятилетия включают применение статистической механики к химическим системам и работу над коллоидами и поверхностной химией , где Ирвинг Ленгмюр внес большой вклад. Другим важным шагом было развитие квантовой механики в квантовую химию с 1930-х годов, где Лайнус Полинг был одним из ведущих имен. Теоретические разработки шли рука об руку с разработками в экспериментальных методах, где использование различных форм спектроскопии , таких как инфракрасная спектроскопия , микроволновая спектроскопия , электронный парамагнитный резонанс и ядерно-магнитная резонансная спектроскопия , является, вероятно, наиболее важным достижением 20-го века.
Дальнейшее развитие физической химии можно отнести к открытиям в ядерной химии , особенно в разделении изотопов (до и во время Второй мировой войны), более поздним открытиям в астрохимии [12] , а также к разработке алгоритмов расчета в области «аддитивных физико-химических свойств» (практически все физико-химические свойства, такие как точка кипения, критическая точка, поверхностное натяжение, давление пара и т. д. — всего более 20 — могут быть точно рассчитаны только из химической структуры, даже если химическая молекула остается несинтезированной), [ необходима ссылка ] и в этом заключается практическое значение современной физической химии.
См. Метод группового вклада , Метод Лайдерсена , Метод Джобака , Теория группового приращения Бенсона , Количественная связь структуры и активности.
Некоторые журналы, посвященные физической химии, включают:
Исторические журналы, освещающие как химию, так и физику, включают Annales de chimie et de physique (начался в 1789 году, издавался под указанным здесь названием с 1815 по 1914 год).
