Физическая 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

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

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 , 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 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

The term "physical chemistry" was coined by Mikhail Lomonosov in 1752, when he presented a lecture course entitled "A Course in True Physical Chemistry" ( Russian : Курс истинной физической химии ) before the students of Petersburg University . ^{[ 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

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

См. также

Ссылки

^ 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

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)

[1] Торбен Смит Соренсен (1999). Химия поверхности и электрохимия мембран . ЦРК Пресс. п. 134. ИСБН 0-8247-1922-0 .

[Atkins249-2] 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 .

[3] Аткинс, Питер и Фридман, Рональд (2005). Молекулярная квантовая механика , с. 342. Издательство Оксфордского университета, Нью-Йорк. ISBN 0-19-927498-3 .

[4] 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 .

[Hill1-5] Jump up to: ^а ^б Хилл, Террелл Л. (1986). Введение в статистическую термодинамику , с. 1. Dover Publications, Нью-Йорк. ISBN 0-486-65242-4 .

[6] Шмидт, Лэнни Д. (2005). Инженерия химических реакций , 2-е изд. п. 30. Издательство Оксфордского университета, Нью-Йорк. ISBN 0-19-516925-5 .

[7] Шмидт, Лэнни Д. (2005). Инженерия химических реакций , 2-е изд. стр. 25, 32. Издательство Оксфордского университета, Нью-Йорк. ISBN 0-19-516925-5 .

[Chandler-8] Чендлер, Дэвид (1987). Введение в современную статистическую механику , с. 54. Издательство Оксфордского университета, Нью-Йорк. ISBN 978-0-19-504277-1 .

[9] Вучинич, Александр (1963). Наука в русской культуре . Издательство Стэнфордского университета. п. 388. ИСБН 0-8047-0738-3 .

[10] Джозайя Уиллард Гиббс, 1876, « О равновесии гетерогенных веществ », Труды Академии наук Коннектикута.

[11] Лейдлер, Кейт (1993). Мир физической химии . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. стр. 48 . ISBN 0-19-855919-4 .

[12] 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 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

v т и Отрасли химии
Glossary of chemical formulae List of biomolecules List of inorganic compounds Periodic table
Analytical	Instrumental chemistry Electroanalytical methods Spectroscopy IR Raman UV-Vis NMR Mass spectrometry EI ICP MALDI Separation process Chromatography GC HPLC Crystallography Characterization Titration Wet chemistry Calorimetry Elemental analysis
Theoretical	Quantum chemistry Computational chemistry Mathematical chemistry Molecular modelling Molecular mechanics Molecular dynamics Molecular geometry VSEPR theory
Physical	Electrochemistry Spectroelectrochemistry Photoelectrochemistry Thermochemistry Chemical thermodynamics Surface science Interface and colloid science Micromeritics Cryochemistry Sonochemistry Structural chemistry Chemical physics Molecular physics Femtochemistry Chemical kinetics Spectroscopy Photochemistry Spin chemistry Microwave chemistry Equilibrium chemistry Mechanochemistry
Inorganic	Coordination chemistry Magnetochemistry Organometallic chemistry Organolanthanide chemistry Cluster chemistry Solid-state chemistry Ceramic chemistry
Organic	Stereochemistry Alkane stereochemistry Physical organic chemistry Organic reactions Organic synthesis Retrosynthetic analysis Enantioselective synthesis Total synthesis / Semisynthesis Fullerene chemistry Polymer chemistry Petrochemistry Dynamic covalent chemistry
Biological	Biochemistry Molecular biology Cell biology Chemical biology Bioorthogonal chemistry Medicinal chemistry Pharmacology Clinical chemistry Neurochemistry Bioorganic chemistry Bioorganometallic chemistry Bioinorganic chemistry Biophysical chemistry
Interdisciplinarity	Nuclear chemistry Radiochemistry Radiation chemistry Actinide chemistry Cosmochemistry / Astrochemistry / Stellar chemistry Geochemistry Biogeochemistry Photogeochemistry Environmental chemistry Atmospheric chemistry Ocean chemistry Clay chemistry Carbochemistry Food chemistry Carbohydrate chemistry Food physical chemistry Agricultural chemistry Soil chemistry Chemistry education Amateur chemistry General chemistry Clandestine chemistry Forensic chemistry Forensic toxicology Post-mortem chemistry Nanochemistry Supramolecular chemistry Chemical synthesis Green chemistry Click chemistry Combinatorial chemistry Biosynthesis Chemical engineering Stoichiometry Materials science Metallurgy Ceramic engineering Polymer science
See also	History of chemistry Nobel Prize in Chemistry Timeline of chemistry of element discoveries "The central science" Chemical reaction Catalysis Chemical element Chemical compound Atom Molecule Ion Chemical substance Chemical bond Alchemy Quantum mechanics
Category Commons Portal WikiProject

v т и Основные разделы физики
Divisions	Pure Applied Engineering
Approaches	Experimental Theoretical Computational
Classical	Classical mechanics Newtonian Analytical Celestial Continuum Acoustics Classical electromagnetism Classical optics Ray Wave Thermodynamics Statistical Non-equilibrium
Modern	Relativistic mechanics Special General Nuclear physics Quantum mechanics Particle physics Atomic, molecular, and optical physics Atomic Molecular Modern optics Condensed matter physics
Interdisciplinary	Astrophysics Atmospheric physics Biophysics Chemical physics Geophysics Materials science Mathematical physics Medical physics Ocean physics Quantum information science
Related	History of physics Nobel Prize in Physics Philosophy of physics Physics education Timeline of physics discoveries

Базы данных авторитетного контроля
International	FAST
National	France BnF data Germany Israel United States Japan Czech Republic