Fizikalna hemija

Šablon:Hemija Fizička hemija je proučavanje fenomena makroskopske i mikroskopskih pojava u hemijskim sistemima u smislu principa, praksi i fizičkog koncepata, kao što su gibanje, energija, sila, vrijeme, termodinamika, kvantna hemija, statistička mehanika, analitička dinamika i hemijska ravnoteža.

Fizička hemija, za razliku od hemijske fizike, je pretežno (ali ne uvijek) supramolekulska nauka, jer se većina principa na kojima je zasnovana odnosi na masu, a ne samo na molekulsku ili atomsku strukturu ( naprimjer, hemijska ravnoteža i koloidi).

Neki od odnosa koje fizička hemija nastoji da razriješi uključuju efekte:

Intermolekularne sile koje djeluju na fizička svojstva materijala (plastičnost, zatezna čvrstoća, površinska napetost u tečnosti).
Kinetika reakcije na brzinu reakcije.
Identitet iona i električna provodljivost materijala.
Nauka o površini i elektrohemija ćelijske membrane.^[1]
Interakcija jednog tijela s drugim u smislu količina toplote i rada naziva se termodinamika.
Prenos toplote između hemijskog sistema i njegove okoline tokom promjene faze ili hemijske reakcije koja se naziva termohemija
Studija koligativnih svojstava broja vrsta prisutnih u rastvoru.
Broj faza, broj komponenti i stepen slobode (ili varijanse) mogu se međusobno povezati uz pomoć pravila faze.
Reakcije elektrohemijske ćelije.
Ponašanje mikroskopskih sistema koji koriste kvantnu mehaniku i makroskopskih sistema koji koriste statističku termodinamiku.

Ključni koncepti

Ključni koncepti fizičke hemije su načini na koje se čista fizika primjenjuje na hemijske probleme. Jedan od ključnih koncepata u klasičnoj hemiji je da se svi hemijski spojevi mogu opisati kao grupe atoma vezanih zajedno i hemijske reakcije mogu se opisati kao stvaranje i raskid tih veza. Predviđanje svojstava hemijskih spojeva iz opisa atoma i načina na koji se oni vezuju jedan je od glavnih ciljeva fizičke hemije. Da bismo precizno opisali atome i veze, potrebno je znati gdje su jezgra atoma i kako su elektroni raspoređeni oko njih.^[2]

Discipline

Kvantna hemija, podoblast fizičke hemije koja se posebno bavi primjenom kvantne mehanike na hemijske probleme, pruža alate za određivanje koliko su jake i kakvog oblika veze,^[2] kako se jezgra kreću i kako se svjetlost može apsorbirati ili emitovati od strane hemijskog spoja.^[3] Spektroskopija je srodna poddisciplina fizičke hemije koja se posebno bavi interakcijom elektromagnetnog zračenja sa materijom.

Drugi skup važnih pitanja u hemiji tiče se kakve se reakcije mogu dogoditi spontano i koja svojstva su moguća za datu hemijsku smesu. Ovo se proučava u hemijskoj termodinamici, koja postavlja ograničenja na količine poput toga koliko daleko reakcija može da se odvija ili koliko energije može da se pretvori u rad u motoru sa unutrašnjim sagorevanjem, i koja obezbeđuje veze između svojstava kao što su koeficijent toplinske ekspanzije i brzina promjene entropije sa pritiskom za plin ili tečnost.^[4] Često se može koristiti za procjenu da li je dizajn reaktora ili motora izvodljiv, ili za provjeru valjanosti eksperimentalnih podataka. U ograničenoj mjeri, kvaziekvilibrij i neravnotežna termodinamika mogu opisati nepovratne promjene.^[5] Međutim, klasična termodinamika se uglavnom bavi sistemima u ravnoteži i reverzibilnim promjenama, a ne ono što se zapravo događa, ili koliko brzo, daleko od ravnoteže.

Koje se reakcije dešavaju i koliko brzo je predmet hemijske kinetike, još jedne grane fizičke hemije. Ključna ideja u hemijskoj kinetici je da da bi reaktanti reagovali i formirali proizvode, većina hemijskih vrsta mora proći kroz prijelazno stanje koje su veće u energiji od reaktanata ili proizvoda i služi kao prepreka reakciji.^[6] Općenito, što je viša barijera, to je reakcija sporija. Druga je da se većina hemijskih reakcija odvija kao niz elementarnih reakcija,^[7] svaki sa svojim prelaznim stanjem. Ključna pitanja u kinetici uključuju kako brzina reakcije ovisi o temperaturi i koncentraciji reaktanata i katalizatora u reakcijskoj smjesi, kao i kako se katalizatori i uvjeti reakcije mogu konstruirati za optimizaciju brzine reakcije.

Činjenica da se brzina reakcija često može odrediti sa samo nekoliko koncentracija i temperaturom, umjesto da treba znati sve položaje i brzine svake molekule u mješavini, poseban je slučaj drugog ključnog koncepta u fizičkoj hemiji, koji je da, u mjeri u kojoj inženjer treba da zna, sve što se dešava u mješavini veoma velikih brojeva (možda reda Avogadrove konstante, 6 x 10²³) čestica može često opisuje samo nekoliko varijabli poput pritiska, temperature i koncentracije. Precizni razlozi za to su opisani u statističkoj mehanici,^[8] specijalnost u okviru fizičke hemije koja je zajednička i sa fizikom. Statistička mehanika također pruža načine za predviđanje svojstava koja vidimo u svakodnevnom životu na osnovu molekulskih svojstava bez oslanjanja na empirijske korelacije zasnovane na hemijskim sličnostima.^[5]

Historija

Fragment rukopisa M. Lomonosova Fizička hemija (1752)

Termin "fizička hemija" skovao je Mihail Lomonosov 1752. godine, kada je održao predavanje pod naslovom "Kurs istinske fizičke hemije" (ruski: „Курс истинной физической химии“ pred studentima Univerziteta u Petersburg u.^[9] U preambuli ovih predavanja on daje definiciju: "Fizička hemija je nauka koja mora da objasni pod odredbama fizičkih eksperimenata razlog za ono što se dešava u složenim tijelima kroz hemijske operacije".

Moderna fizička hemija nastala je od 1860-ih do 1880-ih radom na hemijskoj termodinamici, elektrolitima u rastvorima, hemijskoj kinetici i drugim predmetima. Jedna od prekretnica bila je publikacija Josiaha Willarda Gibbsa 1876. godine svog rada, „O ravnoteži heterogenih supstanci“ (On the Equilibrium of Heterogeneous Substances",. Ovaj rad je predstavljao jedan od nekoliko kamena temeljaca fizičke hemije, kao što su Gibbsova energija, hemijski potencijali i Gibbsovo fazno pravilo.^[10]

Prvi naučni časopis posebno u području fizičke hemije bio je njemački Zeitschrift für Physikalische Chemie, koji su 1887. osnovali Wilhelm Ostwald i Jacobus Henricus van't Hoff. Zajedno sa Svanteom Augustom Arrheniusom,^[11] koje su bile vodeće ličnosti fizičke hemije u kasnom 19. i početkom 20. stoljeća. Sva trojica su nagrađena Nobelovom nagradom za hemiju između 1901. i 1909. godine.

Razvoj u narednim decenijama uključuje primenu statističke mehanike na hemijske sisteme i rad na koloidima i hemiji površine, gde je Irving Langmuir dao mnogo doprinosa. Drugi važan korak bio je razvoj kvantne mehanike u kvantnu hemiju iz 1930-ih, gdje je Linus Pauling bio jedno od vodećih imena. Teorijski razvoj išao je ruku pod ruku s razvojem eksperimentalnih metoda, gdje se koriste različiti oblici spektroskopije, kao što su infracrvena spektroskopija, mikrotalasna spektroskopija, elektronska paramagnetna rezonanca i nuklearna magnetna rezonantna spektroskopija, su vjerovatno najvažnije oblasti razvoja u 20. stoljeću.

Dalji razvoj fizičke hemije može se pripisati otkrićima u nuklearnoj hemiji, posebno u odvajanju izotopa (prije i za vrijeme Drugog svjetskog rata), novijim otkrićima u astrohemiji,^[12] kao i razvoj algoritama proračuna u oblasti "aditivnih fizičko-hemijskih svojstava" (praktično sva fizičko-hemijska svojstva, kao što su tačka ključanja, kritična tačka, površinski napon, pritisak pare, itd.—više od 20 ukupno — mogu biti precizno izračunato samo iz hemijske strukture, čak i ako hemijska molekula ostane nesintetizovana) i u tome leži praktični značaj savremene fizičke hemije.

Vidi Metod grupnog doprinosa, Lydersenov metod, Jobackov metod, Teorija priraštaja Bensonove grupe, kvantitativni odnos strukture i aktivnosti

Poznatiji časopisi

Neki časopisi koji se bave fizičkom hemijom uključuju Zeitschrift für Physikalische Chemie (1887); Journal of Physical Chemistry A (od 1896. kao Journal of Physical Chemistry, preimenovasn 1997.); Physical Chemistry Chemical Physics (od 1999., bivši Faraday Transactions sa historijom od 1905.); Macromolecular Chemistry and Physics (1947); Annual Review of Physical Chemistry (1950); Molecular Physics (1957); Journal of Physical Organic Chemistry (1988); Journal of Physical Chemistry B (1997); ChemPhysChem (2000); Journal of Physical Chemistry C (2007); i Journal of Physical Chemistry Letters (od 2010., kombinovana pisma prethodno objavljena u zasebnim časopisima) Istorijski časopisi koji su pokrivali i hemiju i fiziku uključuju "Annales de chimie et de physique" (počeo 1789., objavljen pod ovdje navedenim imenom od 1815. do 1914.).

Grane i srodne teme

Također pogledajte

Reference

^ Torben Smith Sørensen (1999). Surface chemistry and electrochemistry of membranes. CRC Press. str. 134. ISBN 0-8247-1922-0.
^ ^a ^b Atkins, Peter and Friedman, Ronald (2005). Molecular Quantum Mechanics, p. 249. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-927498-3.
^ Atkins, Peter and Friedman, Ronald (2005). Molecular Quantum Mechanics, p. 342. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-927498-3.
^ Landau, L.D. and Lifshitz, E.M. (1980). Statistical Physics, 3rd Ed. p. 52. Elsevier Butterworth Heinemann, New York. ISBN 0-7506-3372-7.
^ ^a ^b Hill, Terrell L. (1986). Introduction to Statistical Thermodynamics, p. 1. Dover Publications, New York. ISBN 0-486-65242-4.
^ Schmidt, Lanny D. (2005). The Engineering of Chemical Reactions, 2nd Ed. p. 30. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-516925-5.
^ Schmidt, Lanny D. (2005). The Engineering of Chemical Reactions, 2nd Ed. pp. 25, 32. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-516925-5
^ Chandler, David (1987). Introduction to Modern Statistical Mechanics, p. 54. Oxford University Press, New York. ISBN 978-0-19-504277-1.
^ Vucinich, Alexander (1963). Science in Russian culture. Stanford University Press. str. 388. ISBN 0-8047-0738-3.
^ Josiah Willard Gibbs, 1876, Transactions of the Connecticut Academy of Sciences
^ Laidler, Keith (1993). The World of Physical Chemistry. Oxford: Oxford University Press. str. 48. ISBN 0-19-855919-4.
^ Herbst, Eric (May 12, 2005). "Chemistry of Star-Forming Regions". Journal of Physical Chemistry A. 109 (18): 4017–4029. Bibcode:2005JPCA..109.4017H. doi:10.1021/jp050461c. PMID 16833724.

Vanjski linkovi

Commons logo

Commons ima datoteke na temu: Fizikalna hemija

The World of Physical Chemistry (Keith J. Laidler, 1993)
Physical Chemistry from Ostwald to Pauling (John W. Servos, 1996)
100 Years of Physical Chemistry (Royal Society of Chemistry, 2004)
Physical Chemistry: neither Fish nor Fowl? (Joachim Schummer, The Autonomy of Chemistry, Würzburg, Königshausen & Neumann, 1998, pp. 135–148)
Cathedrals of Science (Patrick Coffey, 2008)
The Cambridge History of Science: The modern physical and mathematical sciences (Mary Jo Nye, 2003)

[1] Torben Smith Sørensen (1999). Surface chemistry and electrochemistry of membranes. CRC Press. str. 134. ISBN 0-8247-1922-0.

[Atkins249-2] Atkins, Peter and Friedman, Ronald (2005). Molecular Quantum Mechanics, p. 249. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-927498-3.

[3] Atkins, Peter and Friedman, Ronald (2005). Molecular Quantum Mechanics, p. 342. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-927498-3.

[4] Landau, L.D. and Lifshitz, E.M. (1980). Statistical Physics, 3rd Ed. p. 52. Elsevier Butterworth Heinemann, New York. ISBN 0-7506-3372-7.

[Hill1-5] Hill, Terrell L. (1986). Introduction to Statistical Thermodynamics, p. 1. Dover Publications, New York. ISBN 0-486-65242-4.

[6] Schmidt, Lanny D. (2005). The Engineering of Chemical Reactions, 2nd Ed. p. 30. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-516925-5.

[7] Schmidt, Lanny D. (2005). The Engineering of Chemical Reactions, 2nd Ed. pp. 25, 32. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-516925-5

[Chandler-8] Chandler, David (1987). Introduction to Modern Statistical Mechanics, p. 54. Oxford University Press, New York. ISBN 978-0-19-504277-1.

[9] Vucinich, Alexander (1963). Science in Russian culture. Stanford University Press. str. 388. ISBN 0-8047-0738-3.

[10] Josiah Willard Gibbs, 1876, Transactions of the Connecticut Academy of Sciences

[11] Laidler, Keith (1993). The World of Physical Chemistry. Oxford: Oxford University Press. str. 48. ISBN 0-19-855919-4.

[12] Herbst, Eric (May 12, 2005). "Chemistry of Star-Forming Regions". Journal of Physical Chemistry A. 109 (18): 4017–4029. Bibcode:2005JPCA..109.4017H. doi:10.1021/jp050461c. PMID 16833724.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]