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) супрамолекулярной наукой, поскольку большинство принципов, на которых она была основана, относятся к объему, а не только к молекулярной или атомной структуре (например, химическая химия). равновесие и коллоиды ).
Некоторые из взаимосвязей, которые пытается понять физическая химия, включают эффекты:
Ключевые понятия физической химии — это способы применения чистой физики к химическим проблемам.
Одна из ключевых концепций классической химии заключается в том, что все химические соединения можно описать как группы атомов , связанных вместе, а химические реакции можно описать как образование и разрыв этих связей. Предсказание свойств химических соединений на основе описания атомов и способов их связи — одна из основных целей физической химии. Для точного описания атомов и связей необходимо знать как где находятся ядра атомов, так и как вокруг них распределяются электроны. [2]
Квантовая химия , раздел физической химии, особенно занимающийся применением квантовой механики к химическим проблемам, предоставляет инструменты для определения того, насколько прочны и какой формы связи, [2] как движутся ядра и как свет может поглощаться или излучаться химическими веществами. сложный. [3] Спектроскопия — это родственный раздел физической химии, который конкретно занимается взаимодействием электромагнитного излучения с веществом.
Другой комплекс важных вопросов химии касается того, какие реакции могут происходить самопроизвольно и какие свойства возможны для данной химической смеси. Это изучается в химической термодинамике , которая устанавливает ограничения на такие величины, как, например, насколько далеко может протекать реакция или сколько энергии может быть преобразовано в работу в двигателе внутреннего сгорания , и которая обеспечивает связь между такими свойствами, как коэффициент теплового расширения и скорость изменения. энтропии с давлением для газа или жидкости . [4] Его часто можно использовать для оценки целесообразности конструкции 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, находящимися в равновесии и обратимыми изменениями , а не тем, что на самом деле происходит или как быстро происходит выход из равновесия.
Какие реакции действительно происходят и насколько быстро является предметом химической кинетики , другого раздела физической химии. Ключевая идея химической кинетики заключается в том, что для того, чтобы реагенты вступали в реакцию и образовывали продукты , большинство химических веществ 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 из которых имеет свое переходное состояние. Ключевые вопросы кинетики включают в себя то, как скорость реакции зависит от температуры и концентрации реагентов и катализаторов в реакционной смеси, а также как можно спроектировать катализаторы и условия реакции для оптимизации скорости реакции.
Тот факт, что скорость протекания реакций часто можно определить с помощью всего лишь нескольких концентраций и температуры вместо необходимости 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 инженер должен знать, все, что происходит в смеси очень большого числа (возможно, порядка постоянной Авогадро , 6 x 10 23 ) частиц, часто может быть описано всего несколькими переменными, такими как давление, температура и концентрация. Точные причины этого описаны в статистической механике [ 8] — области физической химии, которая также является общей с физикой. Статистическая механика также предоставляет способы предсказать свойства, которые мы видим в повседневной жизни, на основе 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 «Курс настоящей физической химии» перед студентами Петербургского университета . [9] В преамбуле к этим лекциям он дает определение: «Физическая химия — это наука, которая должна объяснять по положениям физических экспериментов причину того, что происходит в сложных телах посредством химических операций».
Современная физическая химия зародилась 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 некоторые краеугольные камни физической химии, такие как энергия Гиббса , химические потенциалы и правило фаз Гиббса . [10]
Первым научным журналом конкретно в области физической химии стал немецкий журнал Zeitschrift für Physikalische Chemie , основанный в 1887 году Вильгельмом Оствальдом и Якобусом Хенрикусом ван 'т Хоффом . Вместе со Сванте Августом Аррениусом [ 11] они были ведущими деятелями физической химии конца 19 — начала 20 веков. Все трое были удостоены Нобелевской премии по химии в период с 1901 по 1909 год.
Разработки следующих десятилетий включают применение статистической механики к химическим системам, а также работы по коллоидам и химии поверхности , в которые Ирвинг Ленгмюр внес большой вклад. Еще одним важным шагом стало развитие квантовой механики в квантовой химии с 1930-х годов, где Лайнус Полинг был одним из ведущих имен. Теоретические разработки шли рука об руку с разработками экспериментальных методов, где использование различных форм спектроскопии , таких как инфракрасная спектроскопия , микроволновая спектроскопия , электронный парамагнитный резонанс и спектроскопия ядерного магнитного резонанса , вероятно, является самым важным достижением 20-го века.
Дальнейшее развитие физической химии можно объяснить открытиями в ядерной химии , особенно в области разделения изотопов (до и во время Второй мировой войны), более поздними открытиями в астрохимии , [12] , а также разработкой алгоритмов вычислений в области «аддитивных физико-химические свойства» (практически все физико-химические свойства, такие как температура кипения, критическая точка, поверхностное натяжение, давление пара и т. д. — всего более 20 — могут быть точно рассчитаны только на основе химической структуры, даже если химическая молекула остается несинтезированной), [ нужна ссылка ] и в этом заключается практическое значение современной физической химии.
См. Метод группового вклада , Метод Лидерсена , Метод Джобака , Теорию приращения группы Бенсона , Количественную связь структура-активность.
Некоторые журналы, посвященные физической химии, включают:
Исторические журналы, охватывающие как химию, так и физику, включают Annales de chimie et de Physique (начаты в 1789 году, публиковались под данным здесь названием с 1815 по 1914 год).
