Физикохимия: определение, термодинамика и квантова химия

Физикохимия: основи, термодинамика и квантова химия — ясно обяснени концепции, равновесие, енергия и молекулни взаимодействия за студенти и изследователи.

Физичната химия използва физиката за изучаване на химичните системи. Тя ги изучава на макроскопично, атомно, субатомно и прахово ниво. Разглежда понятия като движение, енергия, сила, време, термодинамика, квантова химия, статистическа механика и динамика.

Физикохимията не е същото като химичната физика. Физикохимията е предимно макроскопична или надмолекулна наука. По-голямата част от понятията на физикохимията се отнасят до свойствата на обема, а не само до молекулната/атомната структура. Сред тях са химичното равновесие и колоидите.

Някои от връзките, които физикохимията се опитва да разреши, включват ефектите на:

• дифузия и транспортиране на маса (конвекция, дифузия и масов поток);
• скорости на реакциите и кинетични механизми;
• влиянието на температура и налягане върху равновесието и фазовото поведение;
• разтваряне, солватация и ефекти на разтворителя върху структурата и реактивността;
• електростатични взаимодействия, йонна сила и електрохимични явления;
• неидеални разтвори и активни кофициенти;
• колективни и колоидни ефекти, като стабилност на емулсии и суспензии;
• адсорбция, повърхностно напрежение и свойства на интерфейсите;
• квантово-механични ефекти в химичните връзки и спектроскопията;
• ниуклеация, кристализация и растеж на фази;
• колективни флуктуации и статистическо поведение на системи с много частици.

Какво включва термодинамиката във физикохимията

Термодинамиката изучава енергията и нейните преобразувания в химични системи. Основни понятия са вътрешна енергия, работа, топлина, енталпия, ентропия и свободна енергия (Гибсова и Хелмхолцова). Чрез термодинамични закони се преценява дали един процес е възможен и в каква посока ще протече, както и как се определят равновесните концентрации на реакционните видове.

Квантова химия

Квантовата химия обяснява как атомите и молекулите образуват химични връзки и как електронните структури определят свойствата и реактивността. Използват се уравнения като уравнението на Шрьодингер, методи за приближение (Хартри–Фок, DFT) и разчленяване на енергетични нива. Това поле е особено важно за спектроскопията, електронната структура и дизайн на нови молекули.

Статистическа механика и кинетика

Статистическата механика свързва микроскопичните свойства на частици (позиции, импулси, енергетични състояния) със макроскопичните величини (температура, налягане, ентропия). Тя дава статистическо обяснение за термодинамични явления и флуктуации. Кинетиката изучава скоростите на химичните реакции и факторите, които ги контролират — концентрация, температура, катализатори, ензими и повърхности.

Повърхности, интерфейси и колоиди

Поведението на системите в близост до повърхности и интерфейси често е различно от това в обема. Физикохимията изследва адсорбцията, междумолекулните сили, интерфейсните явления и стабилността на колоидни системи, които са важни за наноматериали, емулсии, фармацевтика и екологични процеси.

Експериментални методи

Типични експериментални техники във физикохимията включват:

• калориметрия за измерване на топлинни ефекти;
• спектроскопични методи (ИК, UV-Vis, NMR, мас-спектрометрия) за изследване на структура и динамика;
• електрохимични измервания (волтаметрия, потенциометрия);
• дифракция и разсейване на рентгенови лъчи и неутрони за определяне на структура;
• микроскопски техники (AFM, SEM, TEM) за визуализиране на повърхности и наноструктури;
• динамични измервания на транспортни свойства (вязкост, проводимост, масова дифузия).

Приложения

Физикохимията е ключова за развитието на батерии и горивни клетки, катализатори, фармацевтични формулировки, материали с контролирани повърхности, аналитични методи и разбиране на биохимични процеси. Тя осигурява теоретични и експериментални основи за инженерни и научни решения в химията и свързаните дисциплини.

Кратко казано, физикохимията съчетава инструменти и идеи от физиката и химията, за да обясни и предскаже как химичните системи се държат, трансформират и взаимодействат — от макроскопичните явления до квантовите ефекти върху молекулно ниво.

История

Терминът "физикохимия" е използван за първи път от Михаил Ломоносов през 1752 г. Той изнася лекционен курс със заглавие "Курс истинной физической химии" (на руски: "Курс истинной физической химии") пред студентите от Петербургския университет.

Съвременната физична химия се развива през 60-те и 80-те години на XIX век с работа върху химичната термодинамика, електролитите в разтвори, химичната кинетика и други теми. През 1876 г. Джосая Уилард Гибс пише статия, озаглавена "За равновесието на хетерогенните вещества". Тази статия въвежда много от основните части на физикохимията, като например енергията на Гибс, химичните потенциали, фазовото правило на Гибс. Други важни открития включват работата на Хайке Камерлинг Онес върху енталпията и макромолекулните процеси.

Първото научно списание за физикохимия е немското списание Zeitschrift für Physikalische Chemie. То е основано през 1887 г. от Вилхелм Оствалд и Якобус Хенрикус ван 'т Хоф. Двамата химици и Сванте Аугуст Арениус са водещите фигури във физикохимията в края на XIX и началото на XX век. И тримата са удостоени с Нобелова награда за химия.

Важни открития са направени през 20-ти век. Сред тях са прилагането на статистическата механика към химичните системи и работата на Ървинг Лангмюр върху колоидите и химията на повърхностите. През 30-те години на ХХ век Линус Полинг и други прилагат квантовата механика, за да развият квантовата химия. Химичните теории се развиват с новите експериментални открития. През XX век започват да се използват нови форми на спектроскопия, включително: инфрачервена спектроскопия, микровълнова спектроскопия, ЕПР спектроскопия и ЯМР спектроскопия.

Физикохимията се подобрява и с откритията в ядрената химия, особено в областта на изотопното разделяне. Това се случва около времето преди и по време на Втората световна война. Химиците откриха важни факти в астрохимията.

 
Фрагмент от ръкописа на М. Ломоносов "Физикохимия" (1752 г.)  

Въпроси и отговори

В: Какво представлява физикохимията?

В: По какво физичната химия се различава от химичната физика?

В: Кои са някои понятия, изучавани във физикохимията?

В: Какви видове взаимоотношения се опитва да разреши физикохимията?

В: Физикохимията фокусира ли се върху молекулярната/атомната структура?

В: Какъв вид наука е физикохимията?

Търсене по буква