From Wikipedia, the free encyclopedia
Физикохимията е наука, изучаваща дисперсни явления в химическите системи според принципите, методите и концепциите на физиката като движение, енергия, сила, време, термодинамика, квантова химия, механика, аналитична динамика и химическо равновесие. Както и строежа, структурата и химическите превръщания на веществата при различни външни условия. Изследва химическите явления с помощта на теоретични и експериментални методи на физиката. Някои от явленията, които изучава, например са пластична деформация, повърхностно напрежение и други.
Физикохимия се стреми да разреши следните проблеми:
Началото на физикохимията е положено още през XVIII век. Терминът физикохимия е даден от Михаил Ломоносов, който през 1752 г. преподава в Санктпетербургския университет курс по истинска физикохимия (Курс истинной физической химии)[1]. В уводната част на тези лекции той дава такова определение: „Физическата химия е наука, която на основата на принципите и опитите на физиката следва да обясни причината на това, което се случва при химическите взаимодействия“ («Физическая химия — наука, которая должна на основании положений и опытов физических объяснить причину того, что происходит через химические операции»).
След това следва почти стогодишно прекъсване и едва през 1850 година с физикохимични изследвания започва да се занимава Дмитрий Менделеев. Следващият курс по физикохимия чете Николай Бекетов в Харковския университет през 1865 година. Модерната физикохимия се ражда в периода между 1860 и 1880 година с понятията химична термодинамика, електролити в разтвори и други. Важна стъпка в превръщането ѝ в модерна наука е публикацията през 1876 година на Уилард Гибс „За равновесието на хетерогенни вещества“ (On the Equilibrium of Heterogeneous Substances), която въвежда понятия като свободна енергия на Гибс, химичен потенциал и правило за фазите.[2]
Първото специализирано издание за физикохимия е основано от Вилхелм Оствалд и Якоб Вант Хоф през 1887 г. Заедно със Сванте Август Арениус[3] те стават водещи имена на физикохимията в края на XIX и началото на XX век. Всички те получават Нобелови награди в периода 1901 – 1909 година.
Развитието през следващите десетилетия включва прилагането на статистическата механика към химични системи и работа по колоиди и химия на повърхността, където Ървинг Лангмюир прави съществени приноси. Друга важна стъпка е развитието на квантовата механика в квантовата химия от 1930-те, където Лайнъс Полинг е едно от водещите имена. Теоретичните разработки вървят ръка за ръка с развитието на експерименталните методи, където използването на различни форми на спектроскопията, като например инфрачервена спектроскопия, микровълнова спектроскопия, електронно-спинов резонанс и ЯМР спектроскопия е едно от най-важните постижения на XX век.
По-нататъшно развитие в областта на физикохимията се дължи на открития в областта на ядрената химия, особено при отделянето на изотопи (преди и по време на Втората световна война), по-скорошните открития в астрохимията[4], както и развитието на изчислителни алгоритми в областта на практически всички физико-химични свойства, като: точка на кипене, критична точка, повърхностното напрежение, налягане на парите – повече от 20, които могат да бъдат точно изчислени от химичната структура, дори ако такава химична молекула все още не съществува.
В България може да се говори за школа по физикохимия от 1925 г. Иван Странски е първият доцент в Катедрата по физикохимия към Физикоматематическия факултет на Софийския университет. Катедрата по физикохимия става водещо научно звено по проблемите на кристалния растеж и фазообразуването. Катедрата се оглавява от Алексей Шелудко през 1960-те години. Той работи в областта на колоидната химия и физикохимията на тънките течни филми и течните повърхности.
Макар и двете науки имат подходи от химията и физиката, невинаги е възможно да се направи ясна граница между тези науки. Въпреки това, с разумна степен на точност, тази разлика може да се определи, както следва:
Изледването на химичните явления с модели и методи от физиката се различава от науката за физическите закони, управляващи строежа и превръщането на химическите вещества, тоест химическата физика[5], която се изучава още в училище.
Физикохимичният анализ е набор от методи за анализ на физикохимичните системи чрез конструиране и геометричен анализ на диаграми на състоянието и диаграми на свойствата на състава. Този метод дава възможност да се открие съществуването на (вкл. органични) съединения[6], чието съществуване не може да бъде потвърдено от други методи за анализ. Първоначално изследванията в областта на физикохимичния анализ са фокусирани върху изучаването на зависимостите на температурите при фазовите преходи от състава. В края на 19 – 20 век Н. С. Курнаков посочва, че всяко физическо свойство на системата е функция на състава и за изследване на фазовото състояние може да се използва електропроводимост, вискозитет, повърхностно напрежение, топлинен капацитет, оптични свойства (индекс на пречупване), еластичност и други физични свойства. По-късно се възприемат ранкинги, съответстващи на други коефициенти свързани с Обща теория на относителността, или определяне скоростта на трансформациите, възникващи в системата, нейната зависимост от състава на системата и стойностите на плътност, вискозитет и твърдост[6][7].
Основните понятия на физикохимия са начините, по които се прилага чистата физика за решаване на химични проблеми.
Една от ключовите концепции в областта на химията е, че всички химични съединения могат да бъдат описани като групи от атоми, свързани помежду си и химичните реакции, които могат да бъдат описани като нарушаване на тези връзки. Предсказването на свойствата на химичните съединения от описанието на техните атоми и връзките помежду им е една от основните цели на физикохимията. За да се опишат точно атомите и връзките, е необходимо да се знае както къде са ядрата на атомите, така и как са разпределени електроните около тях[8]. Квантовата химия, която е подраздел на физикохимията, се занимава с прилагането на квантовата механика към химични проблеми и предоставя инструментите за определяне на силата, формата и естеството на връзките, как ядрата се движат и как светлината може да се поглъща или излъчва от едно химично съединение[9]. Спектроскопия също е подраздел на физикохимията, която описва предимно взаимодействието на електромагнитната радиация с материята.
Друг набор от важни въпроси в областта на химията е какви реакции могат да се случат спонтанно и кои свойства са възможни за дадена химична смес, колко може една реакция да продължи, или колко енергия може да се превърне в работа в двигател с вътрешно горене и който осигурява връзката между различни свойства, като например коефициент на топлинно разширение и промяна на скоростта на ентропията с налягането на газ или течност[10]. В ограничена степен, квази-равновесната и неравновесната термодинамика може да опише необратимите процеси и промени[11]. Класическата термодинамика се занимава със системи в равновесие и обратими промени, а не с това, което действително се случва, или колко бързо, далече от равновесие.
Какви реакции се случват и колко бързо е предмет на химичната кинетика, друг клон на физикохимията. Основната идея в химическата кинетика е, че за реагентите да реагират и формират продукти, повечето химични видове трябва да преминат през преходни състояния с по-високи енергии, отколкото на реагентите или продуктите и служат като бариера за реакцията[12]. Като цяло, колкото е по-висока бариерата, толкова по-бавна е реакцията. Втората е, че повечето химични реакции се появяват като последователност от елементарни реакции, всяка със своето преходно състояние[13]. Ключови въпроси при кинетиката включват как скоростта на реакцията зависи от температурата и концентрациите на реагентите и катализаторите, както и как може да се оптимизира скоростта на реакцията и условията на реакцията.
Друго ключово понятие в областта на физикохимията е, че всичко случващо се в смес от милиони или милиарди частици, често може да бъде описано само с няколко променливи, като например налягане, температура и концентрация. Точните причини за това са описани в статистическата механика[14], специалност в рамките на физикохимията, която се споделя и с физиката. Статистическата механика също така предлага начини да се предскажат свойствата, които виждаме във всекидневния живот от молекулярните свойства, без да се разчита на емпирични корелации, базирани на химически прилики.
Физикохимията е теоретичната основа на химията и включва раздели от квантовата механика, статистическата физика и термодинамика, нелинейната динамика, теорията на полето и др. За раздели на физикохимията се считат електрохимията, квантовата химия и фотохимията, колоидната химия, физикохимия на полимерите и др.
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
