Przejdź do treści
Strona główna

Chemia fizyczna: teoria, metody i zastosowania

Przegląd chemii fizycznej: zakres badań, główne działy (termodynamika, kinetyka, chemia kwantowa, mechanika statystyczna), metody eksperymentalne i obliczeniowe oraz praktyczne zastosowania.

Autor: Utworzono: Zaktualizowano:

Przegląd

Chemia fizyczna bada zjawiska chemiczne przy użyciu pojęć i narzędzi z fizyki, analizując układy zarówno na poziomie makroskopowym, jak i atomowym oraz cząsteczkowym. Zajmuje się tu wielkościami takimi jak ruch, energia, siła czy czas, aby opisać i przewidywać zachowanie substancji i układów chemicznych.

Galeria obrazów

2 Obrazy
File:Lomonosov_Chymiae_Physicae_1752.jpg
simple.wikipedia.org · CC BY-SA 3.0

Główne działy i pojęcia

Do najważniejszych obszarów należą: termodynamika i bilans energetyczny, kinetyka reakcji, termodynamika chemiczna, mechanika statystyczna, chemia kwantowa, spektroskopia, elektrochemia oraz dynamika molekularna. W praktyce te działy łączą się: termodynamika określa możliwe przemiany, a kinetyka mówi, jak szybko do nich dochodzi.

Metody i narzędzia

Chemia fizyczna korzysta z metod eksperymentalnych i teoretycznych. Do pierwszych należą: kalorymetria, techniki spektroskopowe (IR, UV–Vis, NMR), metody elektrochemiczne, mikroskopia powierzchniowa oraz badania transportu i przewodnictwa. Po stronie teoretycznej stosuje się obliczenia kwantowo-chemiczne, mechanikę statystyczną i symulacje dynamiki molekularnej, łącząc modele matematyczne z danymi laboratoryjnymi.

Historia i rozwój

Korzenie chemii fizycznej sięgają XIX wieku, kiedy rozwój termodynamiki i kinetyki (prace takich uczonych jak Gibbs, van 't Hoff, Arrhenius czy Boltzmann) pozwolił połączyć obserwacje chemiczne z zasadami fizycznymi. W XX wieku rozwój mechaniki kwantowej i spektroskopii umocnił pozycję tej dyscypliny jako łącznika między chemią a fizyką.

Zastosowania i przykłady

W praktyce chemia fizyczna wyjaśnia i optymalizuje procesy takie jak szybkość reakcji katalitycznych, równowaga fazowa i gazowa, projektowanie ogniw i baterii, analiza materiałów, opracowanie leków oraz techniki chromatograficzne i spektroskopowe używane w diagnostyce. Przykładem są pomiary kinetyczne określające mechanizm reakcji albo symulacje przewidujące właściwości nowych materiałów.

Różnice, uwagi i znaczenie

Terminologia bywa myląca: chemia fizyczna i fizyka chemiczna silnie się przenikają, lecz częściej chemia fizyczna kładzie nacisk na aspekty chemiczne i zastosowania, natomiast fizyka chemiczna może koncentrować się na problemach fizycznych w układach chemicznych. W praktyce oba podejścia współpracują, tworząc interdyscyplinarną bazę dla nauk materiałowych, energetyki i biochemii. Badania obejmują też klasyczne zagadnienia, takie jak równowaga chemiczna, oraz nowoczesne wyzwania technologiczne.

Więcej o powiązanych koncepcjach i technikach można znaleźć w materiałach specjalistycznych i podręcznikach kursów z chemii fizycznej oraz na stronach edukacyjnych: fizyka, poziom makroskopowy, skala atomowa, skala cząsteczkowa, ruch, energia, siła, czas, termodynamika, mechanika statystyczna i równowaga chemiczna.

Historia

Termin "chemia fizyczna" został po raz pierwszy użyty przez Michaiła Łomonosowa w 1752 roku. Przedstawił on kurs wykładowy pod tytułem "Kurs prawdziwej chemii fizycznej" (ros. "Курс истинной физической химии") dla studentów Uniwersytetu Petersburskiego.

Nowoczesna chemia fizyczna została rozwinięta w latach 1860-1880 dzięki pracom nad termodynamiką chemiczną, elektrolitami w roztworach, kinetyką chemiczną i innymi zagadnieniami. W 1876 r. Josiah Willard Gibbs napisał artykuł zatytułowany "O równowadze substancji niejednorodnych". Artykuł ten wprowadził wiele z głównych części chemii fizycznej, takich jak energia Gibbsa, potencjały chemiczne, reguła faz Gibbsa. Do innych ważnych odkryć należy praca Heike Kamerlingh Onnesa nad entalpią i procesami wielkocząsteczkowymi.

Pierwszym czasopismem naukowym poświęconym chemii fizycznej było niemieckie czasopismo Zeitschrift für Physikalische Chemie. Zostało ono założone w 1887 roku przez Wilhelma Ostwalda i Jacobusa Henricusa van 't Hoffa. Ci dwaj chemicy oraz Svante August Arrhenius byli wiodącymi ludźmi w dziedzinie chemii fizycznej pod koniec XIX wieku i na początku XX wieku. Wszyscy trzej zostali uhonorowani Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii.

W XX wieku dokonano ważnych odkryć. Należą do nich zastosowanie mechaniki statystycznej do układów chemicznych oraz praca Irvinga Langmuira nad koloidami i chemią powierzchni. W latach 30-tych Linus Pauling i inni zastosowali mechanikę kwantową do rozwoju chemii kwantowej. Teorie chemiczne rozwijały się wraz z nowymi odkryciami eksperymentalnymi. W XX wieku zaczęto stosować nowe formy spektroskopii, w tym: spektroskopię w podczerwieni, spektroskopię mikrofalową, spektroskopię EPR i spektroskopię NMR.

Chemia fizyczna poprawiła się również dzięki odkryciom w chemii jądrowej, zwłaszcza w dziedzinie rozdzielania izotopów. Miało to miejsce w okresie przed i w czasie II wojny światowej. Chemicy odkryli ważne fakty w astrochemii.

Fragment rękopisu M. Łomonosowa "Chemia fizyczna" (1752)
Fragment rękopisu M. Łomonosowa "Chemia fizyczna" (1752)

Czasopisma

Czasopisma te obejmują chemię fizyczną:

  • Journal of Physical Chemistry (1887)
  • Journal of Physical Chemistry A (od 1896 jako Journal of Physical Chemistry, przemianowany w 1997)
  • Physical Chemistry Chemical Physics (od 1999, dawniej Faraday Transactions z historią sięgającą 1905 roku)
  • Chemia i fizyka makromolekularna (1947)
  • Roczny przegląd chemii fizycznej (1950)
  • Fizyka molekularna (czasopismo)|Fizyka molekularna (1957)
  • Journal of Physical Organic Chemistry (1988)
  • Journal of Physical Chemistry B (1997)
  • ChemPhysChem (2000)
  • Journal of Physical Chemistry C (2007)
  • Journal of Physical Chemistry Letters (od 2010, połączone pisma wcześniej publikowane w oddzielnych czasopismach)

Historycznym czasopismem, które obejmowało zarówno chemię, jak i fizykę, było Annales de chimie et de physique. Zaczęło się ono w 1789 roku i było wydawane pod podaną tu nazwą w latach 1815-1914.

Oddziały i tematy pokrewne

Pytania i odpowiedzi

P: Co to jest chemia fizyczna?

O: Chemia fizyczna jest dziedziną nauki, która wykorzystuje fizykę do badania układów chemicznych na poziomie makroskopowym, atomowym, subatomowym i cząsteczkowym.

P: Czym różni się chemia fizyczna od fizyki chemicznej?

O: Chociaż obie dyscypliny wykorzystują fizykę do badania systemów chemicznych, chemia fizyczna skupia się bardziej na nauce makroskopowej lub ponadmolekularnej i właściwościach masowych niż na samej strukturze molekularnej/atomowej.

P: Jakie są niektóre pojęcia badane w chemii fizycznej?

O: Chemia fizyczna zajmuje się takimi pojęciami jak ruch, energia, siła, czas, termodynamika, chemia kwantowa, mechanika statystyczna i dynamika.

P: Jakiego rodzaju zależności stara się rozwiązać chemia fizyczna?

O: Chemia fizyczna próbuje rozwiązać problemy związane z takimi zjawiskami jak równowaga chemiczna i koloidy.

P: Czy chemia fizyczna skupia się na strukturze molekularnej/atomowej?

Nie, chociaż może zajmować się strukturą molekularną/atomową, jeżeli jest to niezbędne do zrozumienia pewnych zjawisk, większość jej pojęć dotyczy raczej właściwości masowych niż pojedynczych cząsteczek lub atomów.

P: Jakim rodzajem nauki jest chemia fizyczna?

O: Chemia fizyczna jest w większości nauką makroskopową lub ponadmolekularną.

Powiązane artykuły

Autor

AlegsaOnline.com Chemia fizyczna: teoria, metody i zastosowania

URL: https://pl.alegsaonline.com/art/76643

Udostępnij

Źródła