Fizikai kémia: definíció, termodinamika, kvantumkémia és alkalmazások

Fizikai kémia: átfogó áttekintés termodinamika, kvantumkémia, statisztikus mechanika és gyakorlati alkalmazások — elmélet, kísérlet és valós példák.

A fizikai kémia a fizikát használja a kémiai rendszerek tanulmányozására. Makroszkopikus, atomi, szubatomi és részecske szinten vizsgálja őket. Olyan fogalmakat vizsgál, mint a mozgás, az energia, az erő, az idő, a termodinamika, a kvantumkémia, a statisztikus mechanika és a dinamika.

A fizikai kémia nem azonos a kémiai fizikával. A fizikai kémia többnyire makroszkopikus vagy molekulák feletti tudomány. A fizikai kémia fogalmainak többsége inkább az ömlesztett tulajdonságokra, mint a molekuláris/atomi szerkezetre vonatkozik. Ezek közé tartozik a kémiai egyensúly és a kolloidok.

Néhány olyan összefüggés, amelyet a fizikai kémia próbál megoldani, többek között a következő hatások:

• anyagok termodinamikai stabilitása és egyensúlyi állapotai;
• reakciókinetika — hogyan és milyen sebességgel mennek végbe kémiai reakciók;
• energiaváltozások (pl. entalpia, szabadenergia) és az ezekre vonatkozó törvényszerűségek;
• molekulák elektronikus szerkezete és spektrális tulajdonságai;
• statisztikus mechanikai kapcsolat a mikroszkopikus részecskék viselkedése és a makroszkopikus termodinamikai mennyiségek között;
• felületi jelenségek, kolloidok és szilárd–folyadék kölcsönhatások;
• elektrokémiai folyamatok és mérések.

Fő területek rövid ismertetése

Termodinamika

Termodinamika alatt a rendszerek energiájával és egyensúlyi állapotaival foglalkozó elméletet értjük. Kulcsfogalmak: energia, entalpia (ΔH), entropia (ΔS), és a Gibbs-féle szabadenergia (ΔG). A termodinamika segít megjósolni, hogy egy reakció spontán lejátszódik-e, és milyen egyensúlyi helyzet alakul ki. A termodinamika makroszkopikus megközelítést ad, de kapcsolatban áll a statisztikus mechanikával, amely a mikroszkopikus állapotokból számolja ki a makroszkopikus mennyiségeket (pl. a partíciófüggvény segítségével).

Kvantumkémia

Kvantumkémia a kémiai rendszerek elektronikus szerkezetét a kvantummechanika törvényeivel írja le. Alapja a Schrödinger-egyenlet; fontos módszerek közé tartoznak az ab initio számítások, a Density Functional Theory (DFT) és más közelítések. Kvantumkémiai számításokkal meg lehet határozni molekulapályákat, kötéserősségeket, spektrumokat és reakcióútvonalakat.

Statisztikus mechanika

A statisztikus mechanika kapcsolja össze a mikroszkopikus részecskék viselkedését és a makroszkopikus termodinamikai tulajdonságokat. Például a Boltzmann-eloszlás, a partíciófüggvény és a hőmérséklet fogalmai itt nyerik el matematikai alapjukat. Segítségével modellezhető a fázisátalakulás, a hőkapacitás és más kollektív jelenségek.

Kinetika és dinamika

A reakciókinetika a kémiai reakciók sebességét és mechanizmusát vizsgálja. Ide tartozik az Arrhenius-egyenlet, az átmeneti állapot-elmélet (TST) és a sebességi állandók mérése. A dinamikai vizsgálatok gyakran molekuláris dinamika (MD) szimulációkkal vagy kémiai kinetikai modellezéssel egészülnek ki.

Spektroszkópia és méréstechnikák

A fizikai kémiában széles körben alkalmazott kísérleti módszerek:

• optikai spektroszkópia (UV–Vis, IR, Raman) a molekulák elektronikus és vibrációs állapotainak vizsgálatára;
• NMR spektroszkópia a molekuláris szerkezet és dinamika elemzésére;
• elektrokémiai módszerek (cyclic voltammetry, potenciometria) redoxfolyamatok és ionmozgás tanulmányozására;
• kalorimetria a hőváltozások mérésére;
• röntgendiffrakció és elektronmikroszkópia szilárd anyagok szerkezetének feltárására.

Számítási módszerek

A modern fizikai kémia erősen támaszkodik számítógépes módszerekre: ab initio és DFT számítások, molekuláris dinamika, Monte Carlo szimulációk, valamint kvantumkémiai programcsomagok. Ezek lehetővé teszik reakcióútvonalak, potenciálenergiagörbék és makroszkopikus tulajdonságok előrejelzését.

Alkalmazások

A fizikai kémia alkalmazásai sokrétűek és ipari, környezeti, élettudományi területeken is megjelennek:

• anyagtervezés és nanotechnológia (pl. katalizátorok, félvezetők, polimerek);
• katalízis és energiaátalakítás (elektrokémia, üzemanyagcellák, akkumulátorok);
• gyógyszerkutatás — gyógymolekulák kölcsönhatásainak és stabilitásának vizsgálata;
• környezeti kémia — légköri és vízi folyamatok modelljei;
• analitikai módszerek fejlesztése (spektroszkópia, kromatográfia) pontos mérésekhez.

A fizikai kémia és a kémiai fizika közötti különbség

Bár a két terület erősen átfed, a fizikai kémia általában a kémiai rendszerek makroszkopikus viselkedésére és alkalmazott problémákra fókuszál, míg a kémiai fizika hajlamosabb a fizikai elvek és elméletek alapvető vizsgálatára, gyakran a részecske- és kölcsönhatás-szintjén. Mindkét tudományterület kölcsönösen gazdagítja a másikat.

Történeti és fogalmi kiemelők

A fizikai kémia fejlődését meghatározta több kiemelkedő tudós munkája: Ludwig Boltzmann és J. Willard Gibbs a statisztikus mechanika megalapozásában, Erwin Schrödinger és mások a kvantummechanika bevezetésében, illetve sokan a termodinamika és kinetika klasszikus elvének kidolgozásában. Ezek az alapok ma is a modern kutatás és alkalmazás alapját képezik.

Tanulás és karrier

A fizikai kémia tanulmányozása erős matematikai és fizikai alapokat követel. A területen belül karrierlehetőségek találhatók az akadémiai kutatásban, ipari fejlesztésben (pl. anyagtudomány, energiatechnológia), analitikai laboratóriumokban és szoftverfejlesztésben (számítástechnikai kémia, modellezés).

Összefoglalás

A fizikai kémia hidat képez a kémia és a fizika között: elméleti és kísérleti eszközökkel magyarázza a kémiai rendszerek viselkedését mikroszkopikus és makroszkopikus szinten egyaránt. A termodinamika, kvantumkémia, statisztikus mechanika és kinetika együtt teszik lehetővé az anyagok és folyamatok mélyebb megértését és gyakorlati irányú alkalmazását.

Történelem

A "fizikai kémia" kifejezést először Mihail Lomonoszov használta 1752-ben. "Tanfolyam az igazi fizikai kémiáról" (oroszul: "Курс истинной физической химии") címmel tartott előadást a pétervári egyetem hallgatóinak.

A modern fizikai kémia az 1860-1880-as években fejlődött ki a kémiai termodinamikával, az oldatokban lévő elektrolitokkal, a kémiai kinetikával és más témákkal kapcsolatos munkákkal. 1876-ban Josiah Willard Gibbs írt egy cikket, melynek címe: A heterogén anyagok egyensúlyáról. Ez a cikk a fizikai kémia számos fő részét vezette be, mint például a Gibbs-féle energia, a kémiai potenciálok, a Gibbs-féle fázisszabály. További fontos felfedezések közé tartozik Heike Kamerlingh Onnes munkája az entalpiáról és a makromolekuláris folyamatokról.

A fizikai kémiával foglalkozó első tudományos folyóirat a német Zeitschrift für Physikalische Chemie volt. Wilhelm Ostwald és Jacobus Henricus van 't Hoff alapította 1887-ben. A két kémikus és Svante August Arrhenius a 19. század végén és a 20. század elején a fizikai kémia vezető emberei voltak. Mindhárman megkapták a kémiai Nobel-díjat.

A 20. században fontos felfedezésekre került sor. Ezek közé tartozik a statisztikus mechanika alkalmazása a kémiai rendszerekre, valamint Irving Langmuir kolloidokkal és a felszínkémia területén végzett munkája. Az 1930-as években Linus Pauling és mások a kvantummechanikát alkalmazták a kvantumkémia kifejlesztésére. A kémiai elméletek az új kísérleti felfedezésekkel együtt fejlődtek. A 20. században a spektroszkópia új formái indultak el, többek között: infravörös spektroszkópia, mikrohullámú spektroszkópia, EPR-spektroszkópia és NMR-spektroszkópia.

A fizikai kémia is fejlődött a magkémia felfedezéseivel, különösen az izotópok szétválasztása terén. Ez a II. világháború előtti és alatti időszakban történt. A kémikusok fontos tényeket fedeztek fel az asztrokémia területén.

M. Lomonoszov "Fizikai kémia" című kéziratának töredéke (1752)

Kérdések és válaszok

K: Mi az a fizikai kémia?

K: Miben különbözik a fizikai kémia a kémiai fizikától?

K: Milyen fogalmakat tanulmányoz a fizikai kémia?

K: Milyen típusú összefüggéseket próbál megoldani a fizikai kémia?

K: A fizikai kémia a molekuláris/atomi szerkezetre összpontosít?

K: Milyen típusú tudomány a fizikai kémia?

Keresés betűvel