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:
- Межмолекулярные силы , влияющие на физические свойства материалов ( пластичность , предел прочности , поверхностное натяжение в жидкостях ).
- Кинетика реакции от скорости реакции .
- Идентичность ионов и электропроводность материалов.
- Поверхность науки и электрохимии из клеточных мембран . [1]
- Взаимодействие одного тела с другим с точки зрения количества тепла и работы называется термодинамикой.
- Передача тепла между химической системой и ее окружением во время смены фазы или химической реакции , называемой термохимией.
- Изучение коллигативных свойств ряда видов, присутствующих в растворе.
- Количество фаз, количество компонентов и степень свободы (или дисперсия) могут быть соотнесены друг с другом с помощью правила фаз .
- Реакции электрохимических ячеек .
Ключевые идеи
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 сильны и какой формы связи, [2] как движутся ядра и как может поглощаться или испускаться свет. 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 то, как 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. 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 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 должны 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 реакции происходят 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 другого ключевого понятия в физической химии, которое 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 можно описать всего несколькими переменными, такими как давление, температура и концентрация. Точные причины этого описаны в статистической механике , [8] специальность в пределах физической химии , которая также совместно 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
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, где использование различных форм спектроскопии , таких как инфракрасная спектроскопия , микроволновая спектроскопия , электронный парамагнитный резонанс и спектроскопия ядерного магнитного резонанса , вероятно, является наиболее важным достижением 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
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 г., публикуются под указанным здесь названием с 1815–1914 гг.).
- Термохимия
- Химическая кинетика
- Квантовая химия
- Электрохимия
- Фотохимия
- Химия поверхности
- Химия твердого тела
- Спектроскопия
- Биофизическая химия
- Материаловедение
- Физико-органическая химия
- Микромеритика
Смотрите также
- Список важных публикаций по химии # Физическая химия
- Список нерешенных проблем химии # Проблемы физической химии
- Физическая биохимия
- Категория: Физико-химики
Рекомендации
- ^ Торбен Смит Соренсен (1999). Химия поверхности и электрохимия мембран . CRC Press. п. 134. ISBN 0-8247-1922-0.
- ^ a b Аткинс, Питер и Фридман, Рональд (2005). Молекулярная квантовая механика , стр. 249. Oxford University Press , Нью-Йорк. ISBN 0-19-927498-3 .
- ^ Аткинс, Питер и Фридман, Рональд (2005). Молекулярная квантовая механика , стр. 342. Издательство Оксфордского университета, Нью-Йорк. ISBN 0-19-927498-3 .
- ^ Ландау, Л.Д., Лифшиц, Е.М. (1980). Статистическая физика , 3-е изд. п. 52. Эльзевьер Баттерворт Хайнеманн, Нью-Йорк. ISBN 0-7506-3372-7 .
- ^ a b Хилл, Террелл Л. (1986). Введение в статистическую термодинамику , стр. 1. Dover Publications, Нью-Йорк. ISBN 0-486-65242-4 .
- ^ Шмидт, Лэнни Д. (2005). Инженерия химических реакций , 2-е изд. п. 30. Oxford University Press, Нью-Йорк. ISBN 0-19-516925-5 .
- ^ Шмидт, Лэнни Д. (2005). Инженерия химических реакций , 2-е изд. С. 25, 32. Oxford University Press, Нью-Йорк. ISBN 0-19-516925-5 .
- ^ Чендлер, Дэвид (1987). Введение в современную статистическую механику , стр. 54. Oxford University Press, Нью-Йорк. ISBN 978-0-19-504277-1 .
- ^ Александр Вучинич (1963). Наука в русской культуре . Издательство Стэнфордского университета. п. 388. ISBN. 0-8047-0738-3.
- ^ Джозайя Уиллард Гиббс, 1876, " О равновесии гетерогенных веществ ", Труды Академии наук Коннектикута
- ^ Лайдлер, Кейт (1993). Мир физической химии . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. С. 48 . ISBN 0-19-855919-4.
- ^ 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
- 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? (Йоахим 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)