Фізи́чна хі́мія — галузь науки, що вивчає хімічні явища та процеси на основі загальних принципів фізики з використанням фізичних експериментальних методів.
| Фізична хімія | |
 | |
| Описано за адресою | acs.org/content/acs/en/careers/college-to-career/areas-of-chemistry/physical-chemistry.html(англ.) |
|---|---|
| Ідентифікатор NCI Thesaurus | C16421 |
 Фізична хімія у Вікісховищі | |
На відміну від хімічної фізики, яка використовує мікроскопічний підхід, фізична хімія застосовує фізичні поняття для вивчення макро- і мезоскопічних систем. Проте, оскільки фізична хімія є міждисциплінарною наукою, класифікувати конкретне дослідження як чисто фізичне, хімічне, приналежне до фізичної хімії чи до хімічної фізики, часто доволі складно.
Історія
Термін фізична хімія першим використав Михайло Ломоносов у своєму курсі лекцій 1752 року «Курс истинной физической химии». Однак у сучасному розумінні фізична хімія почала складатися у другій половині XIX ст. із розвитком хімічної термодинаміки. Визначний внесок у становлення фізичної хімії зробив Джозая Віллард Ґіббз, запровадивши такі терміни як вільна енергія Гіббза, хімічний потенціал, сформулювавши правило фаз. Водночас із термодинамікою у другій половині XIX ст. почався розвиток хімічної кінетики, яка вивчає швидкість хімічних реакцій, та хімії електролітів. Провідними дослідниками в цих областях були Вільгельм Оствальд, Якоб Гендрік Вант-Гофф, Сванте Август Арреніус.
Розвиток спектроскопії, рентгенівських методів досліджень, методів електронного та ядерного магнітного резонансів надав хімікам нові інструменти й розширив можливості їхніх досліджень. Виникла можливіть установлення взаємозв'язку між хімічною структурою та властивостями речовин. Квантова механіка призвела до появи квантової хімії.
У XX ст. методи фізичної хімії стали застосовуватися для вивчення колоїдів та поверхневих властивостей речовин, сформувалися колоїдна хімія та хімія поверхні. Завдяки розвитку ядерної фізики виникла також і ядерна хімія, серед задач якої виділяється проблема розділення ізотопів та використання радіоізотопів у радіохімії. Серед провідних дослідників у галузі фізичної хімії в XX ст. виділяються Ірвінг Ленгмюр та Лайнус Полінг.
Основні напрямки досліджень
Основними напрямками досліджень фізичної хімії є:
- Теорія хімічної будови. Вивчення будови хімічних речовин і проміжних частинок у хімічних процесах із використанням фізико-хімічних методів.
- Теорія хімічних реакцій, кінетика й механізм реакцій у газах, рідинах, твердих тілах і молекулярно організованих системах.
- Хімічна термодинаміка й фазова рівновага в хімічних системах.
- Поверхневі явища: адсорбція, адсорбенти, іонообмінники.
- Фотохімічні явища та процеси.
- Хімічний зв'язок, міжмолекулярна взаємодія, теорія розчинів.
- Взаємозв'язок хімічної будови речовин з їх реакційною здатністю.
- Елементарні акти механізмів динаміки хімічних процесів.
- Вплив фізичних факторів — температури, тиску, ультрафіолетового, інфрачервоного, радіаційного та інших видів випромінювання, електричного та магнітного полів тощо на хімічні процеси.
- Нові фізико-хімічні методи досліджень.
- Хімія ізотопів та радіохімія.
Розділи фізичної хімії
- Теоретична хімія — дослідження та передбачення властивостей окремих молекул чи макроскопічних кількостей речовини за допомогою математичного апарату та комп'ютерних симуляцій. Для розуміння будови матерії та хімічного зв'язку використовують квантову механіку, а статистична термодинаміка дозволяє знайти взаємозв'язок із хімічною термодинамікою макроскопічних об'єктів.
- Будова речовини, властивості молекул, іонів, радикалів, природу хімічного зв'язку — у цей розділ входить вчення про будову атомів і молекул і вчення про агрегатні стани речовини. Вчення про будову атома, що відноситься більшою мірою до фізики, в курсах фізичної хімії необхідне для з'ясування питань утворення молекул з атомів, природи хімічного зв'язку.
- Хімічна термодинаміка — в цьому розділі фізичної хімії розглядаються основні співвідношення, що випливають з першого закону термодинаміки, які дозволяють розрахувати кількість теплоти, що виділяється або поглинається і визначити, як буде впливати на це зміна зовнішніх умов. На основі другого закону термодинаміки визначається можливість самовільного перебігу процесу, а також умови положення рівноваги і його зміщення під впливом зміни зовнішніх умов. У цьому розділі також можна виділити кілька підрозділів:
- Термодинаміка газів
- Термодинаміка розчинів розглядає природу розчинів, їх внутрішню структуру і найважливіші властивості, залежність властивостей від концентрації і хімічної природи компонентів та питання розчинності.
- Термодинаміка адсорбції
- Статистична термодинаміка дозволяє отримувати термодинамічні параметри системи виходячи з будови компонентів системи та зовнішніх умов.
- Хімічна кінетика — вивчає швидкість хімічних реакцій, її залежність від зовнішніх умов (температура, концентрація). Є одним з найважливіших розділів хімії, показує який саме продукт утворюється в складній системі
- Електрохімія вивчає деякі особливості властивостей розчинів електролітів, електропровідність розчинів, процеси електролізу речовини.
- Звукохімія (акустохімія) вивчає хімічні процеси, що протікають при дії звукових хвиль.
- Потенціометрія — область фізичної хімії, що використовує різні електрохімічні і термодинамічні методи, також методи аналітичної хімії.
- Спектроскопія — загальне поняття, що охоплює клас експериментальних досліджень, які вивчають як зразки речовини віддають чи адсорбують енергію у формах електромагнітного випромінювання (радіохвилі, світлові, інфрачервоні, ультрафіолетові-, рентгенівські промені тощо). Метою спектроскопії на основі отриманого спектру зробити висновки про внутрішню структуру речовини, її склад чи динаміку процесів у матерії.
Методи фізичної хімії
При вивченні закономірностей фізичних та хімічних процесів прагнуть їх кількісного вираження, при цьому користуються різними методами[1].
Метод статистичної механіки, що спирається на вчення про молекулярну природу тіл і розглядає властивості речовини, яка складається з великої сукупності частинок, виходячи із законів руху і властивостей окремих частинок та їх розподілу, яке описується відповідно до теорії ймовірностей. Цей метод дозволяє поставити у відповідність макроскопічні властивості тіл з мікроскопічними властивостями молекул. Метод статистичної механіки дозволяє обґрунтувати поняття і закони термодинаміки. Всі ці поняття формулюються як результат опису досліду без проникнення в молекулярний механізм процесів. Метод застосовується для розв'язання завдань хімічної кінетики і каталізу, рівноваги та її зміщення, кінетики адсорбційних процесів, кінетики процесів колоїдних розчинів.
Метод термодинаміки, який полягає у знаходженні зв'язків між різними термодинамічними величинами, які визначають стан термодинамічної системи, і формами перетворення енергії системи без розгляду механізму процесів. Цей метод дає змогу знайти відповідь на низку важливих питань, таких як перетворення різних форм енергій у хімічних процеса,; про напрям і характер хімічних процесів та фазових переходів, про хімічну рівновагу. Метод використовують у хімічній термодинаміці, теорії розчинів, електрохімії, хімії колоїдного стану речовини та високомолекулярних сполук.
Сумісне використання статистичних і термодинамічних методів привело до створення статистичної термодинаміки.
Метод квантової механіки, який базується на корпускулярно-хвильовому уявленні про будову матерії, у першу чергу про будову атомів і молекул, дискретності енергії станів. Метод дозволяє пояснити властивості молекул і твердих тіл на основі законів руху і властивостей складових їх частинок, насамперед електронів. Квантово-механічний метод застосовується при вивченні будови речовини.
Провідні наукові журнали
До переліку провідних наукових журналів входять:
- Zeitschrift für Physikalische Chemie (1887)
- Journal of Physical Chemistry A (з 1896 під назвою Journal of Physical Chemistry, перейменовано 1997 року)
- Physical Chemistry Chemical Physics (з 1999, раніше, з 1905 видавався як Faraday Transactions)
- 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)
- Journal of Physical Chemistry Letters (з 2010)
Фізична хімія в Україні
В Україні дослідження з фізичної хімії проводяться в Інституті фізичної хімії НАН України, Інтституті колоїдної хімії та хімії води, в інших науково-дослідних і науково-технічних інститутах, на хімічних факультетах університетів.
Значення фізичної хімії у техніці та повсякденному житті
Фізична хімія охоплює дослідження багатьох об'єктів із значним потенціалом їх використання у техніці та повсякденному житті та життєдіяльності людини.
- Так, наприклад, Нобелівську премію за дослідження хімічної кінетики реакцій утворення та розщеплення озону, який відіграє важливу роль у житті людини отримали Пауль Крутцен, Маріо Моліна та Шервуд Роуленд, відомі фізико-хіміки.
- Без застосування галузі фізичної хімії — електрохімії неможливо створювати нові електрохімічні джерела енергії для, наприклад, мобільних телефонів чи ноутбуків.
- Практично у кожному автомобілі присутній лямбда-зонд, який проводить аналіз вихлопних газів та пов'язує їхній склад зі складом паливно-повітряної суміші, і створення якого без вивчення фізико-хімічних процесів було би неможливим. З ним відповідно пов'язане економічне та ефективне використання пального та зменшення шкідливих вихлопних газів.
- Фізична хімія, а особливо її галузь — теоретичну хімію все частіше використовують для фармацевтичної індустрії і створення нових медичних препаратів.
- Фізична хімія є ключовою дисципліною для розвитку та розуміння процесів у нанотехнології.
- Завдяки дослідженню процесів каталізу та поверхневих процесів розвивається технологія виробництва аміаку та мінеральних добрив, пов'язаних із забезпеченням людей достатньою кількістю продуктів.
Примітки
Література
Посилання
Wikiwand in your browser!
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.
