Chimia fizică este studiul bazei fizice a sistemelor și metodelor chimice. În special, descrierea energetică a diferitelor transformări face parte din chimia fizică. Apelează la discipline importante precum termodinamica chimică (sau termochimie ), cinetica chimică , mecanica statistică , spectroscopie și electrochimie .
Printre fenomenele pe care chimia fizică încearcă să le explice sunt:
Conceptele cheie în chimia fizică sunt diferitele modalități de aplicare a fizicii la descrierea problemelor chimice.
Unul dintre conceptele cheie ale chimiei clasice este descrierea oricărei specii chimice în ceea ce privește grupurile de atomi legați între ele și a oricărei reacții chimice, cum ar fi formarea și ruperea acestor legături. Prezicerea proprietăților compușilor chimici dintr-o descriere a atomilor și a legăturilor acestora este un obiectiv principal al chimiei fizice. Pentru a descrie cu exactitate atomii și legăturile, trebuie să știți unde sunt nucleele atomice și cum sunt distribuiți electronii în jurul lor.
Chimia cuantică este chimia fizică sub-disciplina ca utilizarile mecanicii cuantice la rezolvarea problemelor chimice. Acesta oferă instrumente care sunt utilizate pentru a determina puterea legăturilor chimice, forma geometrică a legăturilor, modul de mișcare a nucleelor și modurile de absorbție sau emisie de lumină de către compușii chimici. Spectroscopiei este un domeniu legat de chimie fizică care se ocupă cu interacțiunea radiațiilor electromagnetice cu materia.
Un alt set de întrebări importante din chimie întreabă ce reacții pot apărea spontan și ce proprietăți sunt posibile pentru un anumit amestec chimic. Aceste întrebări sunt studiate în termodinamica chimică, care stabilește limite privind progresul posibil al unei reacții chimice sau cantitatea de energie chimică care poate fi transformată în lucru într-un motor cu ardere internă sau altă mașină termică . De asemenea, oferă legături între proprietăți precum coeficientul de expansiune termică și rata de schimbare a entropiei în funcție de presiunea unui gaz sau a unui lichid. Poate fi adesea folosit pentru a prezice dacă un reactor sau proiectarea unui motor este fezabil sau pentru a verifica validitatea datelor experimentale. Într-o oarecare măsură, termodinamica proceselor de cvasi-echilibru sau neechilibru poate descrie schimbări ireversibile . Cu toate acestea, termodinamica clasică descrie în principal sistemele în echilibru și schimbările reversibile și nu procesele departe de echilibru sau viteza lor.
Viteza reacțiilor și mecanismele acestora fac obiectul cineticii chimice , o altă ramură a chimiei fizice. O idee cheie a cineticii chimice este că pentru trecerea de la reactanți la produse, majoritatea reacțiilor chimice trebuie să treacă printr-o stare de tranziție care are o entalpie liberă mai mare decât reactanții sau produsele și care constituie un obstacol în calea reacției. În general, cu cât bariera este mai mare, cu atât reacția este mai lentă. O a doua idee cheie este că majoritatea reacțiilor chimice apar ca urmare a etapelor elementare de reacție , fiecare cu propria sa stare de tranziție. Întrebările cheie în cinetică includ dependența vitezei de reacție de temperatură și concentrațiile reactanților și catalizatorilor de amestecul de reacție, precum și modul în care catalizatorii și condițiile de reacție pot fi modificate pentru a optimiza viteza de reacție.
De fapt, viteza și mecanismele reacțiilor rapide pot fi adesea specificate în funcție de câteva concentrații și o temperatură, fără a fi nevoie să se cunoască pozițiile și viteza fiecărei molecule din amestecul de reacție. Acesta este un exemplu al unui alt concept cheie în chimia fizică, care este că, în măsura cunoașterii cerute de un inginer, orice se întâmplă într-un amestec de un număr foarte mare (posibil de ordinul constantei lui Avogadro , 6 × 10 23 ) de particule pot fi adesea descrise prin câteva variabile precum presiunea, temperatura și concentrația. Motivele precise pentru acest lucru sunt descrise în mecanica statistică , o ramură a chimiei fizice care este împărtășită cu fizica. Mecanica statistică oferă, de asemenea, modalități de a prezice proprietățile observate în viața de zi cu zi din proprietățile moleculare, fără a se baza pe corelații empirice bazate pe asemănări chimice.
Numele „chimie fizică” a fost folosit probabil pentru prima dată de Mihail Lomonosov în 1752 , când a prezentat un curs intitulat „Curs de chimie fizică reală” ( rusă : „ Курс истинной физической химии ”) în fața elevilor Sfântului Universitatea de Stat din Petersburg .
Bazele chimiei fizice au fost puse în 1876 de Josiah Willard Gibbs după publicarea articolului Despre echilibrul substanțelor heterogene , care conține bazele teoretice ale chimiei fizice precum potențialele chimice sau entalpia liberă .
Primul periodic științific pentru publicații de chimie fizică a fost Zeitschrift für Physikalische Chemie , fondat în 1887 de Wilhelm Ostwald și Jacobus Henricus van 't Hoff . Amândoi erau cu Svante Arrhenius , personalități recunoscute în acest domeniu , la sfârșitul XIX - lea începe al XX - lea secol. Toți trei au primit Premiul Nobel pentru chimie între 1901 și 1909.
Evoluțiile din XX - lea secol includ aplicarea fizicii statistice la sistemele chimice și cercetarea privind coloidală și știința de suprafață , la care Irving Langmuir a făcut multe contribuții. Un alt pas important a fost aplicarea mecanicii cuantice în chimie pentru a naște chimia cuantică , unde Linus Pauling a fost unul dintre pionieri. Progresele teoretice au însoțit progrese în metode experimentale, în special utilizarea diferitelor metode de spectroscopie moleculară , cum ar fi spectroscopie în infraroșu , spectroscopia de rotație (în regiunea microundelor care departe infraroșu), rezonanță magnetică nucleară (RMN) și rezonanță paramagnetică electronică ( EPR).