Физическая химия - Physical chemistry

Ломоносов Chymiae Physicae 1752

Физическая химия это изучение макроскопический, и явления твердых частиц в химический систем с точки зрения принципов, практики и концепций физика Такие как движение, энергия, сила, время, термодинамика, квантовая химия, статистическая механика, аналитическая динамика и химическое равновесие.

Физическая химия, в отличие от химическая физика, 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 следующие эффекты:

  1. Межмолекулярные силы которые влияют на физические свойства материалов (пластичность, предел прочности, поверхностное натяжение в жидкости ).
  2. Кинетика реакции на скорость реакции.
  3. Идентичность ионов и электропроводность материалов.
  4. Наука о поверхности и электрохимия из клеточные мембраны.[1]
  5. Взаимодействие одного тела с другим в количественном выражении высокая температура и работай называется термодинамикой.
  6. Передача тепла между химической системой и ее окружением во время изменения фаза или же химическая реакция происходящее называется термохимия
  7. Исследование коллигативные свойства количества видов, присутствующих в растворе.
  8. Количество фаз, количество компонентов и степень свободы (или дисперсия) могут быть соотнесены друг с другом с помощью правило фазы.
  9. Реакции электрохимические ячейки.

Ключевые идеи

Ключевые концепции физической химии - это способы, которыми чистая физика применяется к химическим проблемам.

Одно из ключевых понятий классической химии заключается в том, что все химические соединения можно описать как группы атомы связанный вместе и химические реакции можно описать как создание 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 ядра атомов и как электроны распределяются вокруг них.[2]
Квантовая химия, подраздел физической химии, особенно связанный с применением квантовая механика к химическим проблемам, предоставляет инструменты для определения прочности и формы связи,[2] как движутся ядра и как свет может поглощаться или испускаться химическим соединением.[3] Спектроскопия является смежной дисциплиной физической химии, которая конкретно занимается взаимодействием электромагнитное излучение с материей.

Другой набор важных вопросов в химии касается того, какие реакции могут происходить спонтанно и какие свойства возможны для данной химической смеси. Это изучается в химическая термодинамика, который устанавливает ограничения на количество, например, как далеко может продолжаться реакция или энергия можно превратить в работу в двигатель внутреннего сгорания, и который обеспечивает связи между свойствами, такими как коэффициент теплового расширения и скорость изменения энтропия с давление для газ или жидкость.[4] Его часто можно использовать для оценки осуществимости конструкции реактора или двигателя или для проверки достоверности экспериментальных данных. В ограниченной степени квазиравновесие и неравновесная термодинамика может описать необратимые изменения.[5] Однако классическая термодинамика в основном занимается системами в равновесие и обратимые изменения а не то, что на самом деле происходит или как быстро происходит нарушение равновесия.

Какие реакции действительно возникают и как быстро - предмет химическая кинетика, еще один раздел физической химии. Ключевой идеей химической кинетики является то, что для реагенты реагировать и формировать товары, большинство химических веществ должны пройти через переходные состояния которые выше в энергия чем реагенты или продукты, и служат барьером для реакции.[6] Как правило, чем выше барьер, тем медленнее реакция. Во-вторых, большинство химических реакций происходит в виде последовательности элементарные реакции,[7] каждый со своим собственным переходным состоянием. Ключевые вопросы кинетики включают в себя зависимость скорости реакции от температуры, концентраций реагентов и катализаторы в реакционной смеси, а также то, как катализаторы и условия реакции могут быть разработаны для оптимизации скорости реакции.

Тот факт, что скорость протекания реакций часто может быть определена всего несколькими концентрациями и температурой, вместо того, чтобы знать все положения и скорости каждой молекулы в смеси, является частным случаем другой ключевой концепции физической химии, которая в том, что в той мере, в какой инженеру нужно знать, все происходит в смеси очень больших чисел (возможно, порядка Константа Авогадро, 6 х 1023) частиц часто можно описать всего несколькими переменными, такими как давление, температура и концентрация. Точные причины этого описаны в статистическая механика,[8] специальность в области физической химии, которую также разделяют с физикой. Статистическая механика также предоставляет способы прогнозирования свойств, которые мы видим в повседневной жизни, на основе молекулярных свойств, не полагаясь на эмпирические корреляции, основанные на химическом сходстве.[5]

История

Фрагмент рукописи М. Ломоносова «Физическая химия» (1752 г.)

Термин «физическая химия» был введен Михаил Ломоносов в 1752 году, когда он прочитал курс лекций под названием «Курс истинной физической химии» перед студентами Петербургский университет.[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 благодаря работам химическая термодинамика, электролиты в растворах, химическая кинетика и другие предметы. Важной вехой стала публикация в 1876 г. Джозайя Уиллард Гиббс его бумаги, О равновесии неоднородных веществ.. В этой статье были представлены несколько краеугольных камней физической химии, такие как Энергия Гиббса, химические потенциалы, и Правило фаз Гиббса.[10]

Первый научный журнал именно в области физической химии был немецкий журнал, Zeitschrift für Physikalische Chemie, основанная в 1887 г. Вильгельм Оствальд и Якобус Хенрикус ван 'т Хофф. Вместе с Сванте Август Аррениус,[11] это были ведущие деятели физической химии конца 19 - начала 20 веков. Все трое были награждены Нобелевская премия по химии между 1901–1909 гг.

События следующих десятилетий включают применение статистическая механика к химическим системам и работаем над коллоиды и химия поверхности, куда Ирвинг Ленгмюр сделал много вкладов. Еще одним важным шагом стала разработка квантовая механика в квантовая химия с 1930-х годов, где Линус Полинг было одним из ведущих имен. Теоретические разработки шли рука об руку с разработкой экспериментальных методов, в которых использование различных форм спектроскопия, Такие как ИК-спектроскопия, микроволновая спектроскопия, электронный парамагнитный резонанс и спектроскопия ядерного магнитного резонанса, вероятно, самая важная разработка ХХ века.

Дальнейшее развитие физической химии можно объяснить открытиями в ядерная химия, особенно в разделении изотопов (до и во время Второй мировой войны), более поздние открытия в астрохимия,[12] а также разработка алгоритмов расчета в области «аддитивных физико-химических свойств» (практически все физико-химические свойства, такие как точка кипения, критическая точка, поверхностное натяжение, давление пара и т. д. - всего более 20-ти - могут быть точно рассчитаны исходя только из химической структуры, даже если химическая молекула остается несинтезированной),[нужна цитата ] и в этом заключается практическое значение современной физической химии.

Видеть Метод группового взноса, Метод Лидерсена, Метод Joback, Теория приращения группы Бенсона, количественная взаимосвязь структура – ​​активность

Журналы

Некоторые журналы, посвященные физической химии, включают: Zeitschrift für Physikalische Chemie (1887); Журнал физической химии А (с 1896 г. Журнал физической химии, переименована в 1997 г.); Физическая химия Химическая физика (с 1999 г., ранее Фарадеевские операции с историей 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); ХимФисХим (2000); Журнал физической химии C (2007); и Письма в журнале физической химии (с 2010 г. объединенные письма, ранее публиковавшиеся в отдельных журналах)

Исторические журналы, освещающие как химию, так и физику, включают: Анналы химии и тела (начат в 1789 г., издается под указанным здесь названием с 1815–1914 гг.).

Филиалы и связанные темы

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Торбен Смит Соренсен (1999). Химия поверхности и электрохимия мембран. CRC Press. п. 134. ISBN  0-8247-1922-0.
  2. ^ а б Аткинс, Питер и Фридман, Рональд (2005). Молекулярная квантовая механика, п. 249. Oxford University Press, Нью-Йорк. ISBN  0-19-927498-3.
  3. ^ Аткинс, Питер и Фридман, Рональд (2005). Молекулярная квантовая механика, п. 342. Oxford University Press, Нью-Йорк. ISBN  0-19-927498-3.
  4. ^ Ландау, Л. и Лифшиц, Э.М. (1980). Статистическая физика, 3-е изд. п. 52. Эльзевьер Баттерворт Хайнеманн, Нью-Йорк. ISBN  0-7506-3372-7.
  5. ^ а б Хилл, Террелл Л. (1986). Введение в статистическую термодинамику, п. 1. Dover Publications, Нью-Йорк. ISBN  0-486-65242-4.
  6. ^ Шмидт, Лэнни Д. (2005). Инженерия химических реакций, 2-е изд. п. 30. Oxford University Press, Нью-Йорк. ISBN  0-19-516925-5.
  7. ^ Шмидт, Лэнни Д. (2005). Инженерия химических реакций, 2-е изд. С. 25, 32. Издательство Оксфордского университета, Нью-Йорк. ISBN  0-19-516925-5.
  8. ^ Чендлер, Дэвид (1987). Введение в современную статистическую механику, п. 54. Oxford University Press, Нью-Йорк. ISBN  978-0-19-504277-1.
  9. ^ Александр Вучинич (1963). Наука в русской культуре. Издательство Стэнфордского университета. п. 388. ISBN  0-8047-0738-3.
  10. ^ Джозайя Уиллард Гиббс, 1876 г. "О равновесии неоднородных веществ. ", Труды Академии наук Коннектикута
  11. ^ Лайдлер, Кит (1993). Мир физической химии. Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. стр.48. ISBN  0-19-855919-4.
  12. ^ Хербст, Эрик (12 мая 2005 г.). «Химия звездообразующих областей». Журнал физической химии А. 109 (18): 4017–4029. Bibcode:2005JPCA..109.4017H. Дои:10.1021 / jp050461c. PMID  16833724.

внешняя ссылка