Физическая химия
| Часть серии о |
| Химия |
|---|
 |
|
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:
- Межмолекулярные силы , действующие на физические свойства материалов ( пластичность , прочность на разрыв , поверхностное натяжение в жидкостях ).
- Кинетика реакции от скорости реакции .
- Тождественность ионов и электропроводность материалов.
- Наука о поверхности и электрохимия клеточных мембран . [1]
- Взаимодействие одного тела с другим с точки зрения количества теплоты и работы называется термодинамикой .
- Перенос 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 дисперсии) можно соотнести друг с другом с помощью правила фаз .
- Реакции электрохимических клеток .
- Поведение микроскопических систем с использованием квантовой механики и макроскопических систем с использованием статистической термодинамики .
- Расчет энергии движения электронов в молекулах и металлокомплексах.
Ключевые понятия
[ редактировать ]Ключевые понятия физической химии — это способы чистой физики применения 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 того, как они соединяются, является одной 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]
Дисциплины
[ редактировать ]Квантовая химия , раздел 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 химические соединения могут поглощать или излучать свет. [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 , другой отрасли 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 протекают как последовательность элементарных реакций . [7] каждый со своим переходным состоянием. 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, которую должен знать инженер, все происходит в смеси очень больших чисел (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 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]
История
[ редактировать ]
Термин «физическая химия» был введен Михаилом Ломоносовым в 1752 году, когда он читал курс лекций «Курс настоящей физической химии студентами » перед Петербургского университета . [9] В преамбуле к этим лекциям он дает определение: «Физическая химия — это наука, которая должна объяснить 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] это были ведущие деятели 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 разработка алгоритмов расчета в области «аддитивных физико-химических свойств» (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 из химической структуры, даже если химическая молекула остается несинтезированной), [ нужна ссылка ] и в этом практическое значение современной физической химии.
См. Метод группового вклада , Метод Лидерсена , Метод Джобака , Теорию приращения группы Бенсона , Количественную связь структура-активность.
Журналы
[ редактировать ]Некоторые журналы, посвященные физической химии, включают:
- Журнал физической химии (1887 г.)
- Журнал физической химии А (с 1896 г. как Журнал физической химии , переименован в 1997 г.)
- Физическая химия Химическая физика (с 1999 г., ранее - Faraday Transactions с историей, начинающейся с 1905 г.)
- Макромолекулярная химия и физика (1947)
- Ежегодный обзор физической химии (1950)
- Молекулярная физика (1957)
- Журнал физической органической химии (1988)
- Журнал физической химии B (1997)
- ХимФизХим (2000)
- Журнал физической химии C (2007)
- Journal of Physical Chemistry Letters (с 2010 г., объединенные письма, ранее опубликованные в отдельных журналах)
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).
Отрасли и смежные темы
[ редактировать ]См. также
[ редактировать ]- Список важных публикаций по химии#Физическая химия
- Список нерешенных задач по химии#Задачи физической химии
- Физическая биохимия
- Категория: Физико-химики
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Торбен Смит Соренсен (1999). Химия поверхности и электрохимия мембран . ЦРК Пресс. п. 134. ИСБН 0-8247-1922-0 .
- ^ Jump up to: а б Аткинс, Питер и Фридман, Рональд (2005). Молекулярная квантовая механика , с. 249. Издательство Оксфордского университета , Нью-Йорк. ISBN 0-19-927498-3 .
- ^ Аткинс, Питер и Фридман, Рональд (2005). Молекулярная квантовая механика , с. 342. Издательство Оксфордского университета, Нью-Йорк. ISBN 0-19-927498-3 .
- ^ Ландау, Л.Д. и Лифшиц, Э.М. (1980). Статистическая физика , 3-е изд. п. 52. Эльзевир Баттерворт Хайнеманн, Нью-Йорк. ISBN 0-7506-3372-7 .
- ^ Jump up to: а б Хилл, Террелл Л. (1986). Введение в статистическую термодинамику , с. 1. Dover Publications, Нью-Йорк. ISBN 0-486-65242-4 .
- ^ Шмидт, Лэнни Д. (2005). Инженерия химических реакций , 2-е изд. п. 30. Издательство Оксфордского университета, Нью-Йорк. ISBN 0-19-516925-5 .
- ^ Шмидт, Лэнни Д. (2005). Инженерия химических реакций , 2-е изд. стр. 25, 32. Издательство Оксфордского университета, Нью-Йорк. ISBN 0-19-516925-5 .
- ^ Чендлер, Дэвид (1987). Введение в современную статистическую механику , с. 54. Издательство Оксфордского университета, Нью-Йорк. ISBN 978-0-19-504277-1 .
- ^ Вучинич, Александр (1963). Наука в русской культуре . Издательство Стэнфордского университета. п. 388. ИСБН 0-8047-0738-3 .
- ^ Джозайя Уиллард Гиббс, 1876, « О равновесии гетерогенных веществ », Труды Академии наук Коннектикута.
- ^ Лейдлер, Кейт (1993). Мир физической химии . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. стр. 48 . ISBN 0-19-855919-4 .
- ^ Хербст, Эрик (12 мая 2005 г.). «Химия областей звездообразования». Журнал физической химии А. 109 (18): 4017–4029. Бибкод : 2005JPCA..109.4017H . дои : 10.1021/jp050461c . ПМИД 16833724 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Мир физической химии (Кейт Дж. Лейдлер, 1993)
- Физическая химия от Оствальда до Полинга (Джон В. Сервос, 1996)
- Физическая химия: ни рыба, ни мясо? (Иоахим Шуммер, Автономия химии , Вюрцбург, Кенигсхаузен и Нейман, 1998, стр. 135–148)
- Кембриджская история науки: современные физико-математические науки (Мэри Джо Най, 2003)
Отрасли химии |
|---|
