Fizikinė chemija: apibrėžimas, pagrindinės sąvokos ir taikymai

Fizikinė chemija: apibrėžimas, pagrindinės sąvokos ir taikymai — suprask termodinamiką, kvantinę chemiją, statistinę mechaniką ir praktinius panaudojimus nuo molekulių iki makrolygmens.

Fizikinėje chemijoje cheminėms sistemoms tirti naudojama fizika. Ji tiria jas makroskopiniu, atominiu, subatominiu ir dalelių lygmenimis. Joje nagrinėjamos tokios sąvokos kaip judėjimas, energija, jėga, laikas, termodinamika, kvantinė chemija, statistinė mechanika ir dinamika.

Fizikinė chemija nėra tas pats, kas cheminė fizika. Fizikinė chemija dažniausiai yra makroskopinis arba viršmolekulinis mokslas. Dauguma fizikinės chemijos sąvokų yra susijusios su tūrinėmis savybėmis, o ne vien su molekuline ir (arba) atomine struktūra. Tai cheminė pusiausvyra ir koloidai.

Kai kurie fizikinės chemijos bandomi išspręsti ryšiai apima:

• Termodinaminė pusiausvyra ir fazių perėjimai – kaip skirtingos fazės (dujos, skystis, kietoji fazė) sąveikauja ir kada sistema pasiekia pusiausvyrą.
• Reakcijų kinetika – cheminių reakcijų greičio nustatymas, mechanizmų analizė ir jų temperatūrinės priklausomybės modeliavimas.
• Transporto procesai – masės, energijos ir impulso perdavimas (difuzija, konvekcija, laidumas).
• Kvantinė mechanika cheminiame kontekste – elektronų elgsena molekulėse, orbitalės, energijos lygiai ir jų įtaka cheminėms savybėms.
• Spektroskopija ir analizės metodai – kaip šviesa arba kiti spinduliavimo tipai naudojami medžiagų struktūrai ir dinamikai tirti.
• Paviršiaus ir kolloidų chemija – sąveikos, paviršiaus įtempiai, adsorbcija ir jų reikšmė katalizei bei medžiagų sintezei.
• Elektrochemija – elektrodų procesai, baterijos, kuro elementai ir laidžių sprendimų savybės.
• Statistinė mechanika – kaip mikroskopinės dalelių savybės pervedamos į makroskopines termodinamines savybes.

Pagrindinės sąvokos

Fizikinėje chemijoje dažnai vartojamos šios sąvokos ir principai:

• Energetika (entalpija, entropija, laisvoji energija) – sprendžia, ar procesas yra termodinamiškai palankus (pvz., Gibbso laisvoji energija ΔG).
• Termodinaminės pusiausvyros dėsniai – Le Chatelier principas, fazių diagramos, cheminė pusiausvyra tarp reagentų ir produktų.
• Kinetiniai modeliai – spartaus ir lėto reakcijų aprašymas, Arrheniuso lygtis temperatūrinei priklausomybei.
• Statistinė mechanika – Boltzmanno pasiskirstymas, mikrostato ir makrostato ryšys, nuo dalelės iki sistemos.
• Kvantinė chemija – Schrödingerio lygtis, elektronų bangų funkcijos, molekulinių orbitų teorija.

Metodai ir matavimo technikos

Fizikinės chemijos metodai apima tiek teorinius skaičiavimus, tiek laboratorinius eksperimentus:

• Spektroskopija (IR, UV–Vis, NMR, Raman ir kt.) – struktūros ir dinamikos tyrimai.
• Kalorimetrija – šilumos pokyčių matavimai, entalpijos nustatymas.
• Elektrochiminiai metodai – voltametrija, impedansinė spektroskopija, naudinga energijos kaupimo ir korozijos tyrimuose.
• Difuzija ir transporto matavimai – Ficko dėsniai, masės srauto stebėjimas.
• Skaičiavimų chemija – ab initio, DFT ir molekulinių dinamikos simuliacijos, leidžiančios modeliuoti procesus atominiu lygiu.

Taikymai

Fizikinė chemija turi plačias taikymo sritis:

• Medžiagų mokslas – naujų polimerų, puslaidininkių, katalizatorių ir nanomaterialų kūrimas.
• Energija – efektyvesni baterijų, kuro elementų ir saulės elementų sprendimai.
• Aplinka – taršos transporto modeliavimas, atmosferinė chemija ir išmetamųjų teršalų transformacijos.
• Biomedicina – vaistų sąveikos su biomolekulėmis, biomolekulių struktūrų tyrimai NMR ir spektroskopija.
• Pramonė – proceso optimizavimas, katalizės supratimas ir medžiagų atsparumas ekstremalioms sąlygoms.

Skirtumas tarp fizikinės chemijos ir cheminės fizikos

Nors abu terminai persipina, paprastai:

• Fizikinė chemija orientuota į cheminių sistemų savybių supratimą ir pritaikymą, dažnai nuo makroskopinių savybių link molekulinių priežasčių.
• Cheminė fizika gali labiau akcentuoti fundamentalius fizikos principus ir taikyti juos cheminėse problemose, dažnai su didesniu dėmesiu mikroskopiniams arba kvantiniams procesams.

Praktiniai pavyzdžiai

• Skysčių fazių diagrama: nustatant slėgio–temperatūros sąlygas, galima prognozuoti, kada atsiras kondensacija arba virimas.
• Reakcijos kinetika: žinodami greičio konstantą ir ordą, galima numatyti reagentų koncentracijų pokytį laike ir optimizuoti pramoninius procesus.
• Spektroskopiniai tyrimai: NMR naudojamas baltymų struktūroms tirti, o IR – funkcinių grupių atpažinimui organinėse molekulėse.

Trumpas santraukinis požiūris

Fizikinė chemija sujungia fizikos principus ir cheminių sistemų tyrimą, suteikdama gilesnį supratimą apie medžiagų elgseną įvairiuose lygmenyse — nuo atomų ir molekulių iki makroskopinių medžiagų. Tai tarpdisciplininė sritis, esminė kuriant naujas medžiagas, energijos technologijas ir suprantant gyvybinius procesus.

Istorija

Terminą "fizikinė chemija" pirmą kartą pavartojo Michailas Lomonosovas 1752 m. Peterburgo universiteto studentams jis pristatė paskaitų kursą pavadinimu "Tikrosios fizikinės chemijos kursas" (rus. "Курс истинной физической химии").

Šiuolaikinė fizikinė chemija buvo plėtojama nuo 1860-ųjų iki 1880-ųjų, nagrinėjant cheminės termodinamikos, elektrolitų tirpaluose, cheminės kinetikos ir kitus dalykus. 1876 m. Džosijas Vilardas Gibsas (Josiah Willard Gibbs) parašė straipsnį "Apie heterogeninių medžiagų pusiausvyrą". Šiame straipsnyje buvo pristatytos daugelis pagrindinių fizikinės chemijos dalių, tokių kaip Gibso energija, cheminiai potencialai, Gibso fazinė taisyklė. Kiti svarbūs atradimai - Heike Kamerlingh Onnes darbas apie entalpiją ir makromolekulinius procesus.

Pirmasis mokslinis žurnalas apie fizikinę chemiją buvo vokiečių žurnalas Zeitschrift für Physikalische Chemie. Jį 1887 m. įkūrė Vilhelmas Ostvaldas (Wilhelm Ostwald) ir Jokūbas Henrikas van 't Hofas (Jacobus Henricus van 't Hoff). Šie du chemikai ir Svante Augustas Arrheniusas XIX a. pabaigoje ir XX a. pradžioje buvo pagrindiniai fizikinės chemijos specialistai. Visi trys buvo apdovanoti Nobelio chemijos premija.

Svarbūs atradimai buvo padaryti XX amžiuje. Tarp jų - statistinės mechanikos taikymas cheminėms sistemoms ir Irvingo Langmuiro darbai, susiję su koloidais ir paviršiaus chemija. XX a. trečiajame dešimtmetyje Linusas Paulingas (Linus Pauling) ir kiti taikė kvantinę mechaniką kvantinei chemijai plėtoti. Cheminės teorijos augo kartu su naujais eksperimentiniais atradimais. XX a. pradėtos taikyti naujos spektroskopijos formos: infraraudonųjų spindulių spektroskopija, mikrobangų spektroskopija, EPR spektroskopija ir NMR spektroskopija.

Fizikinė chemija taip pat patobulėjo dėl atradimų branduolinės chemijos srityje, ypač izotopų atskyrimo srityje. Tai įvyko maždaug prieš Antrąjį pasaulinį karą ir jo metu. Chemikai atrado svarbių faktų astrochemijos srityje.

M. Lomonosovo rankraščio "Fizikinė chemija" fragmentas (1752 m.)

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra fizikinė chemija?

K: Kuo fizikinė chemija skiriasi nuo cheminės fizikos?

K: Kokias sąvokas nagrinėja fizikinė chemija?

K: Kokių tipų santykius bando išspręsti fizikinė chemija?

K: Ar fizikinė chemija daugiausia dėmesio skiria molekulinei ir (arba) atominei struktūrai?

K: Kokio tipo mokslas yra fizikinė chemija?

Paieška pagal raidę