Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Ломоносов Chymiae Physicae 1752
Не путать с физиологической химией или химической физикой .

Физическая химия - это изучение макроскопических явлений и явлений частиц 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) макроскопической или надмолекулярной наукой, поскольку большинство принципов, на которых она была основана, относятся к объему, а не только к молекулярной / атомной структуре (например, , химическое равновесие и коллоиды ).

Некоторые отношения, которые пытается разрешить физическая химия, включают в себя следующие эффекты:

  1. Межмолекулярные силы , влияющие на физические свойства материалов ( пластичность , предел прочности , поверхностное натяжение в жидкостях ).
  2. Кинетика реакции от скорости реакции .
  3. Идентичность ионов и электропроводность материалов.
  4. Поверхность науки и электрохимии из клеточных мембран . [1]
  5. Взаимодействие одного тела с другим с точки зрения количества тепла и работы называется термодинамикой.
  6. Передача тепла между химической системой и ее окружением во время смены фазы или химической реакции , называемой термохимией.
  7. Изучение коллигативных свойств ряда видов, присутствующих в растворе.
  8. Количество фаз, количество компонентов и степень свободы (или дисперсия) могут быть соотнесены друг с другом с помощью правила фаз .
  9. Реакции электрохимических ячеек .

Ключевые понятия [ править ]

Ключевые концепции физической химии - это способы, которыми чистая физика применяется к химическим проблемам.

Одна из ключевых концепций классической химии состоит 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 того, как они связываются, является одной из основных целей физической химии. Чтобы точно описать атомы и связи, необходимо знать, где находятся ядра атомов и как электроны распределяются вокруг них. [2]
Квантовая химия , подраздел физической химии, особенно связанный с 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 испускаться химическим соединением. [3] Спектроскопия - это смежная дисциплина физической химии, которая конкретно занимается взаимодействием электромагнитного излучения с веществом.

Другой набор важных вопросов в 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 дальность реакции или количество энергии, которое может быть преобразовано в работу в двигателе внутреннего сгорания , и которая обеспечивает связь между такими свойствами, как коэффициент теплового расширения и скорость изменения. по энтропии с давлением для газа или жидкости . [4]Его часто можно использовать для оценки осуществимости 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 состоянии равновесия и обратимыми изменениями, а не тем, что на самом деле происходит или насколько быстро происходит отклонение от равновесия.

Какие реакции действительно происходят и насколько быстро - это предмет химической кинетики , другого раздела физической химии. Ключевая идея химической кинетики состоит в том, что для того, чтобы реагенты реагировали и образовывали продукты , большинство химических веществ должно пройти через переходные состояния, которые имеют более высокую энергию, чем реагенты или продукты, и служат барьером для реакции. [6] В целом, чем выше барьер, тем медленнее реакция. Вторым является то , что большинство химических реакций происходит в виде последовательности элементарных реакций , [7]каждый 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 как катализаторы и условия реакции могут быть разработаны для оптимизации скорости реакции.

Тот факт, что скорость протекания реакций часто может быть задана всего несколькими концентрациями и температурой, вместо того, чтобы знать все положения и скорости каждой молекулы в смеси, является частным случаем другой ключевой концепции физической химии, которая состоит в том, что в той мере, в какой инженеру необходимо 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]специальность в области физической химии, которую также разделяют с физикой. Статистическая механика также предоставляет способы предсказывать свойства, которые мы видим в повседневной жизни, на основе молекулярных свойств, не полагаясь на эмпирические корреляции, основанные на химическом сходстве. [5]

История [ править ]

Смотрите также: История химии
Фрагмент рукописи М. Ломоносова «Физическая химия» (1752 г.)

Термин «физическая химия» был введен Михаилом Ломоносовым в 1752 году, когда он прочитал курс лекций «Курс истинной физической химии» перед студентами Петербургского университета . [9] В предисловии к этим лекциям он дает определение: «Физическая химия - это наука, которая должна объяснять в соответствии с положениями физических экспериментов причину того, что происходит в сложных телах посредством химических операций».

Современная физическая химия зародилась в 1860-1880-х годах с работ по химической термодинамике , электролитам в растворах, химической кинетике и другим предметам. Важной вехой стала публикация в 1876 году Джозайя Уилларда Гиббса его статьи « О равновесии гетерогенных веществ» . В этой статье представлены некоторые из краеугольных камней физической химии, такие как энергия Гиббса , химические потенциалы и правило фаз Гиббса . [10]

Первым научным журналом в области физической химии был немецкий журнал Zeitschrift für Physikalische Chemie , основанный в 1887 году Вильгельмом Оствальдом и Якобусом Хенрикусом ван'т Хоффом . Вместе с Сванте Август Аррениус , [11] они были ведущими фигурами в области физической химии в конце 19 - го века и в начале 20 - го века. Все трое были удостоены Нобелевской премии по химии в период с 1901 по 1909 год.

Разработки в последующие десятилетия включают применение статистической механики к химическим системам и работы по коллоидам и химии поверхности , в которые Ирвинг Ленгмюр внес большой вклад. Еще одним важным шагом стало превращение квантовой механики в квантовую химию с 1930-х годов, где Линус Полинг был одним из ведущих имен. Теоретические разработки идут рука об руку с разработками экспериментальных методов, в которых используются различные формы спектроскопии , такие как инфракрасная спектроскопия , микроволновая спектроскопия и др.электронный парамагнитный резонанс и спектроскопия ядерного магнитного резонанса , вероятно, являются наиболее важными разработками 20-го века.

Дальнейшее развитие физической химии может быть приписано открытий в ядерной химии , особенно в разделении изотопов (до и во время Второй мировой войны), более поздние открытия в астрохимия , [12] , а также разработка алгоритмов расчета в области «добавки физико-химические свойства »(практически все физико-химические свойства, такие как точка кипения, критическая точка, поверхностное натяжение, давление пара и т. д. - всего более 20 - можно точно рассчитать только на основе химической структуры, даже если химическая молекула остается несинтезированной), [ цитата необходима ] и в этом заключается практическое значение современной физической химии.

См метода группового вклада , метод Людерсена , метод Joback , групповая теорию приращения Benson , количественная структура-активность отношения

Журналы [ править ]

Основная категория: Журналы по физической химии

Некоторые журналы, посвященные физической химии, включают Zeitschrift für Physikalische Chemie (1887); Журнал физической химии А (с 1896 г. - « Журнал физической химии» , переименованный в 1997 г.); Физическая химия, химическая физика (с 1999 г., ранее - Фарадеевские транзакции, история которых восходит к 1905 г.); Химия и физика высокомолекулярных соединений (1947); Ежегодный обзор физической химии (1950); Молекулярная физика (1957); Журнал физической органической химии (1988); Журнал физической химии B (1997); ChemPhysChem (2000);Журнал физической химии C (2007); и Journal of Physical Chemistry Letters (с 2010 г., объединенные письма, ранее публиковавшиеся в отдельных журналах)

Исторические журналы, охватывающие как химию, так и физику, включают Annales de chimie et de Physique (начатую в 1789 году, публикуются под этим названием с 1815 по 1914 год).

Филиалы и связанные темы [ править ]

  • Термохимия
  • Химическая кинетика
  • Квантовая химия
  • Электрохимия
  • Фотохимия
  • Химия поверхности
  • Химия твердого тела
  • Спектроскопия
  • Биофизическая химия
  • Материаловедение
  • Физико-органическая химия
  • Микромеритика

См. Также [ править ]

  • Список важных публикаций по химии # Физическая химия
  • Список нерешенных проблем химии # Проблемы физической химии
  • Физическая биохимия
  • Категория: Физико-химики

Ссылки [ править ]

  1. ^ Торбен Смит Соренсен (1999). Химия поверхности и электрохимия мембран . CRC Press. п. 134. ISBN 0-8247-1922-0.
  2. ^ a b Аткинс, Питер и Фридман, Рональд (2005). Молекулярная квантовая механика , стр. 249. Oxford University Press , Нью-Йорк. ISBN 0-19-927498-3 . 
  3. ^ Аткинс, Питер и Фридман, Рональд (2005). Молекулярная квантовая механика , стр. 342. Издательство Оксфордского университета, Нью-Йорк. ISBN 0-19-927498-3 . 
  4. ^ Ландау, Л.Д., Лифшиц, Е.М. (1980). Статистическая физика , 3-е изд. п. 52. Эльзевьер Баттерворт Хайнеманн, Нью-Йорк. ISBN 0-7506-3372-7 . 
  5. ^ a b Хилл, Террелл Л. (1986). Введение в статистическую термодинамику , стр. 1. Dover Publications, Нью-Йорк. ISBN 0-486-65242-4 . 
  6. ^ Шмидт, Лэнни Д. (2005). Инженерия химических реакций , 2-е изд. п. 30. Oxford University Press, Нью-Йорк. ISBN 0-19-516925-5 . 
  7. ^ Шмидт, Лэнни Д. (2005). Инженерия химических реакций , 2-е изд. С. 25, 32. Oxford University Press, Нью-Йорк. ISBN 0-19-516925-5 . 
  8. ^ Чендлер, Дэвид (1987). Введение в современную статистическую механику , стр. 54. Oxford University Press, Нью-Йорк. ISBN 978-0-19-504277-1 . 
  9. ^ Александр Vucinich (1963). Наука в русской культуре . Издательство Стэнфордского университета. п. 388. ISBN. 0-8047-0738-3.
  10. ^ Джозайя Уиллард Гиббс, 1876, " О равновесии гетерогенных веществ ", Труды Академии наук Коннектикута
  11. ^ Laidler, Keith (1993). Мир физической химии . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. С.  48 . ISBN 0-19-855919-4.
  12. ↑ Хербст, Эрик (12 мая 2005 г.). «Химия звездообразующих областей». Журнал физической химии . 109 (18): 4017–4029. Bibcode : 2005JPCA..109.4017H . DOI : 10.1021 / jp050461c . PMID 16833724 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Мир физической химии (Кейт Дж. Лейдлер, 1993)
  • Физическая химия от Оствальда до Полинга (Джон В. Сервос, 1996)
  • 100 лет физической химии (Королевское химическое общество, 2004 г.)
  • Физическая химия: ни рыба, ни птица? (Иоахим Шуммер, Химическая автономия , Вюрцбург, Кенигсхаузен и Нойман, 1998, стр. 135–148)
  • Соборы науки (Патрик Коффи, 2008)
  • Кембриджская история науки: современные физико-математические науки (Мэри Джо Най, 2003)