Química Física - Physical chemistry


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Físico-química é o estudo da macroscópicas , atômicas , subatômicas e fenômenos de partículas em sistemas químicos em termos de princípios, práticas e conceitos de física , como movimento , energia , força , tempo , termodinâmica , química quântica , mecânica estatística , dinâmica analíticos e equilíbrio químico .

A físico-química, em contraste com física química , é predominantemente (mas nem sempre) uma ciência macroscópica ou supra-molecular, como a maioria dos princípios nos quais foi fundada referem-se a massa, em vez da estrutura molecular / atómica sozinho (por exemplo , equilíbrio químico e colóides ).

Alguns dos relacionamentos que a química física se esforça para resolver incluem os efeitos de:

  1. Forças intermoleculares que actuam sobre as propriedades físicas dos materiais ( plasticidade , resistência à tracção , a tensão superficial em líquidos ).
  2. Cinética da reacção sobre a velocidade de uma reacção .
  3. A identidade de iões e a condutividade eléctrica dos materiais.
  4. Ciência de superfície e eletroquímica de membranas celulares .
  5. Interação de um corpo com outro em termos de quantidades de calor e trabalho chamado termodinâmica.
  6. A transferência de calor entre um sistema químico e seus arredores durante a mudança de fase ou de reacção química que ocorrem chamado termoquímica
  7. Estudo das propriedades coligativas de número de espécies presentes na solução.
  8. Número de fases, número de componentes e grau de liberdade (ou variância) podem ser correlacionados com o outro, com a ajuda da regra das fases .
  9. Reações de células eletroquímicas .


Conceitos chave

Os conceitos-chave da química física são as maneiras pelas quais física pura é aplicado a problemas químicos.

Um dos conceitos chave na química clássica é que todos os compostos químicos podem ser descritos como grupos de átomos ligados juntos e reacções químicas pode ser descrita como a tomada e rotura dessas ligações. Predizer as propriedades de compostos químicos a partir de uma descrição de átomos e como se encontram ligados, é um dos principais objectivos da físico-química. Para descrever os átomos e ligações precisamente, é necessário conhecer tanto onde os núcleos dos átomos são, e como os elétrons são distribuídos em torno deles.
Química quântica , um subcampo de físico-química especialmente preocupado com a aplicação de mecânica quântica para os problemas químicos, fornece ferramentas para determinar quão forte e o que forma ligações são, como núcleos movimento, e como a luz pode ser absorvida ou emitida por um composto químico. Espectroscopia é a sub-área relacionada da físico-química que trata especificamente com a interacção de radiação electromagnética com a matéria.

Outro conjunto de questões importantes preocupações química que tipo de reações podem acontecer espontaneamente e quais propriedades são possíveis para uma determinada mistura química. Este é estudada em termodinâmica química , o que estabelece limites em quantidades como a distância de uma reacção pode prosseguir, ou a quantidade de energia pode ser convertida em trabalho num motor de combustão interna , e o qual proporciona as ligações entre as propriedades como o coeficiente de expansão térmica e a taxa de mudança de entropia com pressão de um gás ou um líquido . Ele pode ser frequentemente utilizado para avaliar se um projeto do reator ou o motor é viável, ou para verificar a validade dos dados experimentais. Para um grau limitado, quase equilíbrio e não-equilíbrio termodinâmico pode descrever alterações irreversíveis. No entanto, termodinâmica clássica está principalmente preocupada com os sistemas em equilíbrio e alterações reversíveis e não o que realmente acontece, ou o quão rápido, longe do equilíbrio.

Qual as reações ocorrem e quão rápido é o tema da cinética química , outro ramo da físico-química. Uma ideia fundamental na cinética química é que, para os reagentes a reagir e formar produtos , a maioria das espécies químicas devem passar por estados de transição que são mais elevados em energia do que qualquer dos reagentes ou dos produtos e servem como uma barreira para a reacção. Em geral, quanto maior a barreira, mais lenta será a reacção. A segunda é que a maioria das reacções químicas ocorrem como uma sequência de reacções elementares , cada um com o seu próprio estado de transição. Questões principais na cinética incluem o modo como a velocidade de reacção depende da temperatura e das concentrações dos reagentes e catalisadores na mistura de reacção, bem como a forma como os catalisadores e condições de reacção podem ser manipulados para optimizar a velocidade de reacção.

O facto de quão rápido reacções ocorrem muitas vezes pode ser especificado com apenas algumas concentrações e uma temperatura, em vez de necessitar de conhecer todas as posições e velocidades de cada molécula em uma mistura, é um caso especial de um outro conceito fundamental em físico-química, que é que, na medida um engenheiro precisa saber, tudo o que acontece em uma mistura de números muito grandes (talvez da ordem da constante de Avogadro , 6 x 10 23 ) de partículas muitas vezes pode ser descrito por apenas algumas variáveis como pressão, temperatura, e concentração. As razões precisas para isto são descritas em mecânica estatística , uma especialidade dentro da química física que também é compartilhada com a física. Mecânica estatística também fornece meios para prever as propriedades que vemos na vida cotidiana das propriedades moleculares, sem depender de correlações empíricas com base em semelhanças químicas.

História

Fragmento do manuscrito de M. Lomonosov 'Physical Chemistry' (1752)

O termo "físico-química" foi cunhado por Mikhail Lomonosov em 1752, quando apresentou um curso de palestra intitulada "Um Curso em True Físico-Química" (em russo: «Курс истинной физической химии») antes de os estudantes da Universidade de Petersburgo . No preâmbulo essas palestras que ele dá a definição: "A físico-química é a ciência que deve explicar ao abrigo das disposições de experimentos físicos a razão para o que está acontecendo em corpos complexos através de operações químicas".

Físico-química moderna originado na década de 1860 para 1880 com o trabalho sobre termodinâmica química , electrólitos em soluções, cinética química e outras disciplinas. Um marco foi a publicação em 1876 por Josiah Willard Gibbs de seu papel, Sobre o Equilíbrio de Substâncias heterogêneas . Este artigo introduziu várias das pedras angulares da físico-química, como Gibbs energia , potenciais químicos , e regra das fases de Gibbs . Outros marcos incluem a nomeação posterior e acreditação de entalpia para Heike Kamerlingh Onnes e macromoleculares processos.

A primeira revista científica especificamente no campo da química física foi o jornal alemão, Zeitschrift für Physikalische Chemie , fundada em 1887 por Wilhelm Ostwald e Hoff Jacobus Henricus van 't . Juntamente com Svante August Arrhenius , estas foram as principais figuras físico-química no final do século 19 e início do século 20. Todos os três foram agraciados com o Prêmio Nobel de Química entre 1901-1909.

Desenvolvimentos nas décadas seguintes incluem a aplicação de mecânica estatística de sistemas químicos e trabalhar em colóides e química de superfície , onde Irving Langmuir feito muitas contribuições. Outro passo importante foi o desenvolvimento da mecânica quântica em química quântica a partir de 1930, onde Linus Pauling foi um dos principais nomes. Desenvolvimentos teóricos têm andado de mãos dadas com a evolução dos métodos experimentais, onde o uso de diferentes formas de espectroscopia , tais como espectroscopia de infravermelho , espectroscopia de microondas , ressonância paramagnética eletrônica e espectroscopia de ressonância magnética nuclear , é provavelmente o mais importante desenvolvimento do século 20.

Além disso o desenvolvimento em físico-química pode ser atribuído às descobertas em química nuclear , especialmente na separação isotópica (antes e durante a Segunda Guerra Mundial), descobertas mais recentes em astrochemistry , bem como o desenvolvimento de algoritmos de cálculo no campo de "propriedades físico-químicas de aditivo" (praticamente todas as propriedades físico-químicas, tais como ponto de ebulição, o ponto crítico, a tensão superficial, a pressão de vapor, etc, mais do que 20 em todo-pode ser calculado com precisão a partir da estrutura química por si só, mesmo se a molécula química permanece unsynthesized), e aqui reside a importância prática da química física contemporânea.

Ver método Grupo contribuição , método Lydersen , método Jöback , teoria incremento grupo Benson , relação quantitativa estrutura-actividade

revistas

Algumas revistas que tratam de físico-química incluem Zeitschrift für Physikalische Chemie (1887); Journal of Physical Chemistry Um (a partir de 1896 como Journal of Physical Chemistry , renomeado em 1997); Physical Chemistry Chemical Physics (a partir de 1999, anteriormente Transações Faraday com uma história que remonta a 1905); Macromolecular Chemistry and Physics (1947); Annual Review of Physical Chemistry (1950); Física Molecular (1957); Journal of Physical Organic Chemistry (1988); Journal of Physical Chemistry B (1997); ChemPhysChem (2000); Journal of Physical Chemistry C (2007); e Journal of Physical Chemistry Letters (a partir de 2010, letras combinadas anteriormente publicados em jornais separadas)

Revistas históricas que cobriam tanto química e física incluem Annales de chimie et de physique (iniciado em 1789, publicado sob o nome dado aqui 1.815-1.914).

Ramos e tópicos relacionados

Veja também

Referências

links externos