Fizikalna kemija: definicija, termodinamika in kvantna kemija

Fizikalna kemija: poglobljen vodnik o definiciji, termodinamiki, kvantni kemiji in statistični mehaniki za razumevanje energij, ravnovesij in kemijske dinamike.

Fizikalna kemija za preučevanje kemijskih sistemov uporablja fiziko. Preučuje jih na makroskopski, atomski, subatomski in delčni ravni. Obravnava pojme, kot so gibanje, energija, sila, čas, termodinamika, kvantna kemija, statistična mehanika in dinamika.

Fizikalna kemija ni isto kot kemijska fizika. Fizikalna kemija je večinoma makroskopska ali nadmolekularna znanost. Večina pojmov fizikalne kemije se nanaša na prostanske lastnosti in ne le na molekularno/atomsko strukturo. Med njimi so kemijsko ravnovesje in koloidi.

Nekatera razmerja, ki jih skuša razrešiti fizikalna kemija, vključujejo učinke:

• temperatura, tlak in koncentracija na termodinamične lastnosti (npr. entalpija, entropija, Gibbsova prosta energija),
• velikosti in oblike delcev na lastnosti koloidov in nanomaterialov (velikostno odvisne lastnosti),
• električnih in magnetnih polj na vedenje ionov in molekul (elektrokemija, magnetokemični učinki),
• površinskih in vmesnih učinkov (adsorpcija, površinska napetost, kataliza na površinah),
• kvantnih učinkov pri nizkih temperaturah ali v majhnih sistemih (tuneliranje, diskretne energijske ravni),
• dinamike reakcij in prenosov energije (reakcijske hitrosti, transportna pojavljanja, difuzija).

Definicija in glavna področja

Fizikalna kemija povezuje temeljne zakonitosti fizike z reševanjem kemijskih problemov. Osrednja področja so:

• Termodinamika: študij energije in njenega pretvarjanja v kemičnih procesih, določanje ravnovesnih stanj in pogojev spontane reakcije.
• Statistična mehanika: povezava med mikroskopskim vedenjem delcev in makroskopskimi lastnostmi sistema (uporaba porazdelitev, partition funkcija, ensembles).
• Kvantna kemija: opis elektronske strukture molekul in osnovnih kvantnih pojavov z reševanjem Schrödingerjeve enačbe ali z metodami približka (Hartree–Fock, DFT, ab initio metode).
• Kinetika in dinamika: hitrost kemijskih reakcij, mehanizmi reakcij, teorija prehodnega stanja, molekulska dinamika.
• Spektroskopija in eksperimentalne tehnike: metode za določanje strukture in energijskih stanj (IR, UV‑Vis, NMR, Raman, fotoelektronska spektroskopija, masna spektrometrija).

Termodinamika

V termodinamiki so ključni pojmi entalpija, entropija in Gibbsova prosta energija. Ti določajo, ali je proces spontanen in koliko energije je potrebno ali sproščeno. Pomembne so tudi termodinamične enačbe in relacije, npr. matematične oblike prve in druge zakonitosti termodinamike, Gibbs‑Helmholtzove enačbe ter van ’t Hoffove relacije za temperaturno odvisnost kemijskih ravnotežij. Termodinamika se uporablja pri faznih prehodih, oblikovanju baterij, katalizi in pri ocenjevanju stabilnosti spojin.

Kvantna kemija

Kvantna kemija temelji na kvantni mehaniki in pojasnjuje elektronov razpored, vezi in spektre molekul. Rešuje se Schrödingerjeva enačba za elektronske sisteme z različnimi pristopi:

• Metode iz prve načela (ab initio): npr. Hartree–Fock, Møller–Plesset korrepcije — natančne, a računsko zahtevne.
• Gostotno funkcionalna teorija (DFT): dober kompromis med natančnostjo in zahtevnostjo, razširjena za velike sisteme.
• Kvante‑kemijski približki: poljemu primerni empirični ali pol-empirični pristopi za hitro oceno lastnosti.

Kvantna kemija pojasni barve spojin, absorpcijske spektre, reaktivnost in kemično vezavo na molekularni ravni.

Statistična mehanika in dinamika

Statistična mehanika povezuje mikroskopske lastnosti (porazdelitev stanj, kvantna stanja) z makroskopskimi meritvami. Uporablja pojme, kot so mikrokanonični, kanonični in grandkanonični ensemble; Boltzmannova porazdelitev in partition funkcija so temeljni gradniki za izračun prostih energij in povprečnih veličin.

Dinamika pa preučuje časovni razvoj sistemov: kako hitro potekajo reakcije, kako delujejo notranji predelovalni mehanizmi (npr. energijski prenos) in kako gibanje atomov vpliva na lastnosti snovi. Teorije, kot je prehodno‑stanje, ter računske metode, kot je molekulska dinamika, so nepogrešljive pri razumevanju reakcijskih mehanizmov.

Eksperimentalne in računalniške metode

Fizikalna kemija uporablja širok nabor tehnik:

• Spektroskopija (IR, Raman, NMR, UV‑Vis) za analizo vibracijskih, rotacijskih in elektronskih stanj.
• Kalorimetrija za merjenje entalpij in toplote reakcij.
• Difrakcijske metode (X‑ločljivost, elektron difrakcija) za določanje strukture.
• Elektrokemijske tehnike (voltametrija, impulzna voltametrija) za študij prenosov elektronov in ionov.
• Računalniške simulacije (DFT, molekulska dinamika, Monte Carlo) za napoved lastnosti in razumevanje procesov na atomskem nivoju.

Aplikacije

Fizikalna kemija je osrednjega pomena v mnogih industrijskih in znanstvenih področjih: razvoj katalizatorjev, izboljšave baterijskih materialov in gorivnih celic, razumevanje atmosferske kemije, oblikovanje farmacevtskih snovi, materialna znanost (polimerni materiali, nanotehnologija) ter biokemija (protein folding, interakcije biomolekul). Kombinacija eksperimenta in računalniških metod omogoča hitrejše odkrivanje in optimizacijo funkcionalnih materialov.

Razlika med fizikalno kemijo in kemično fiziko

Čeprav sta področji tesno povezana, je praktična razlika pogosto v pristopu in ciljih:

• Fizikalna kemija običajno uporablja fizikalne metode za reševanje kemijskih problemov, osredotoča se na lastnosti snovi in procesov pomembnih za kemijo in tehnologijo.
• Kemijska fizika je pogosto bolj usmerjena v temeljne fizikalne pojave v kemijskih sistemih in razvoj novih fizikalnih teorij ali metod.

Zaradi širokega spektra tem in orodij je fizikalna kemija most med čistimi znanostmi (fiziko) in uporabnimi disciplinami (kemija, inženirstvo, biokemija), kar omogoča razumevanje in nadzor kemičnih procesov na vseh ravneh — od osnovnih teorij do praktičnih aplikacij.

Zgodovina

Izraz "fizikalna kemija" je leta 1752 prvič uporabil Mihail Lomonosov. Študentom peterburške univerze je predstavil tečaj predavanj z naslovom "Tečaj prave fizikalne kemije" (rusko: "Курс истинной физической химии").

Sodobna fizikalna kemija se je razvila v šestdesetih do osemdesetih letih 19. stoletja z delom na področju kemijske termodinamike, elektrolitov v raztopinah, kemijske kinetike in drugih področij. Leta 1876 je Josiah Willard Gibbs napisal članek z naslovom On the Equilibrium of Heterogeneous Substances. V tem članku so bili predstavljeni številni glavni deli fizikalne kemije, kot so Gibbsova energija, kemijski potenciali, Gibbsovo fazno pravilo. Druga pomembna odkritja vključujejo delo Heike Kamerlingh Onnes o entalpiji in makromolekularnih procesih.

Prva znanstvena revija o fizikalni kemiji je bila nemška revija Zeitschrift für Physikalische Chemie. Leta 1887 sta jo ustanovila Wilhelm Ostwald in Jacobus Henricus van 't Hoff. Ta dva kemika in Svante August Arrhenius so bili vodilni možje na področju fizikalne kemije konec 19. in v začetku 20. stoletja. Vsi trije so prejeli Nobelovo nagrado za kemijo.

Pomembna odkritja so bila opravljena v 20. stoletju. Med njimi so uporaba statistične mehanike za kemijske sisteme ter delo Irvinga Langmuira na področju koloidov in kemije površin. V tridesetih letih 20. stoletja so Linus Pauling in drugi uporabili kvantno mehaniko za razvoj kvantne kemije. Kemijske teorije so se razvijale z novimi eksperimentalnimi odkritji. V 20. stoletju so se začele uporabljati nove oblike spektroskopije, vključno z infrardečo spektroskopijo, mikrovalovno spektroskopijo, spektroskopijo EPR in spektroskopijo NMR.

Fizikalna kemija se je izboljšala tudi z odkritji na področju jedrske kemije, zlasti pri ločevanju izotopov. To se je zgodilo v času pred drugo svetovno vojno in med njo. Kemiki so odkrili pomembna dejstva na področju astrokemije.

Odlomek rokopisa M. Lomonosova "Fizikalna kemija" (1752)

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je fizikalna kemija?

V: Kako se fizikalna kemija razlikuje od kemijske fizike?

V: Katere pojme preučuje fizikalna kemija?

V: Katere vrste odnosov poskuša fizikalna kemija razrešiti?

V: Ali se fizikalna kemija osredotoča na molekularno/atomsko strukturo?

V: Katera vrsta znanosti je fizikalna kemija?

Išči po črki