Fisicoquímica

La fisicoquímica, també cridada química física, és una subdisciplina de la química que estudia la matèria amprant conceptes físics i químics.

Segons Gilbert N. Lewis, «la fisicoquímica és qualsevol cosa interessant», en la qual cosa provablement es referia al fet de que molts fenomens de la naturalea sobre la matèria són de principal interés en la fisicoquímica.

La fisicoquímica representa una branca a on ocorre un canvi de diverses ciències, com la química, la física, termodinàmica, electroquímica i mecànica quàntica a on les funcions matemàtiques poden representar interpretacions a nivell molecular i atòmic estructural. Canvis en la temperatura, pressió, volum, calor i treball en els sistemas, sòlit, líquit i/o gaseoso es troben també relacionats en estes interpretacions d'interaccions moleculars.

Al físic nortamericà de el XIX Willard Gibbs també se li considera el pare fundador de la fisicoquímica, puix en la seua publicació de 1876, On the Equilibrium of Heterogeneous Substances (Estudi sobre l'equilibri de substàncies heterogénees) va falcar térmens com energia lliure, potencial químic i regla de les fases, que anys més tart serien de principal interés d'estudi en esta disciplina.

La fisicoquímica moderna té fermes bases en la física pura. Àrees d'estudi molt importants en ella inclouen a la termoquímica (termodinàmica química), cinètica i dinàmica química, química quàntica, mecànica estadística, electroquímica, magnetoquímica, energètica, química de l'estat sòlit i de superfícies, i espectroscòpia. La fisicoquímica forma part fonamental en l'estudi de la ciència de materials.

Història de la fisicoquímica

Artícul principal → Història de la química.

Se li atribuïx l'us del terme "fisicoquímica" per primera volta en giner de 1752. No es va constituir com a especialitat independent de química fins a principis de el XX. Es poden prendre com a punt de partida de la nova especialitat les dates de creació de dos de les primeres revistes que varen incorporar este nom al seu títul: l'alemana Zeitschrift für physikalische Chemie, dirigida per Wolfgang Ostwald i Jacobus Henricus van 't Hoff, que va iniciar la seua publicació en 1887, i la nortamericana Journal of Physical Chemistry A, dirigida per Wilder Dwight Bancroft des de 1896. A pesar d'això, durant tot el XIX es varen realisar notables aportacions a alguns dels camps que habitualment solen reunir-se com a part de la fisicoquímica, tals com l'electroquímica, la termoquímica o la cinètica química. Varis instituts i universitats alemanes varen dedicar recursos específicament en el camp de la química física a sugerència de Walther Nernst, això va ser en una ràpida successió, com en Gotinga (1891), Dresde (1900), Karlsruhe (1900), Berlín (1905), Aquisgrà (1906), Breslavia (1910) i en atres llocs.

L'obra d'Alessandro Volta, especialment la pila que du el seu nom, va anar el punt de partida de molts treballs en els que es va estudiar els efectes de l'electricitat sobre els composts químics. A principis de el XIX, Humphry Davy va fer passar la corrent elèctrica a través de moixa càustica i potasa fosa, lo que li va permetre estudiar dos nous metals: el sodi i el potassi. El seu principal discípul i el seu successor en la Royal Institution va ser Michael Faraday, que va continuar les investigacions del seu mestre. En un artícul publicat en 1834, Faraday va propondre les seues dos conegudes lleis sobre la electrólisis. La primera afirma que la cantitat de substància que es deposita en un electrodo és proporcional a la cantitat de càrrega elèctrica que travessa el circuit. En la seua segona llei, Faraday afirma que la cantitat de càrrega elèctrica que provoca la solsida d'un gram d'hidrogen produïx la solsida d'una cantitat igual al equivalent electroquímic d'atres substàncies.

Els treballs realisats per Antoine Lavoisier i Pierre-Simon Laplace habitualment es consideren el punt de partida de la termoquímica. Varen dissenyar un nou instrument, el calorímetro, en el que podia realisar medicions sobre la cantitat de "calòric" després durant les reaccions químiques. Laplace i Lavoisier pensaven que el calòric era un dels elements imponderables i que els gasos eren composts de calòric i l'element corresponent. En la primera mitat de el XIX, es va abandonar l'idea del calòric i varen començar a realisar-se les investigacions que varen permetre l'establiment de les lleis de la termodinàmica. L'aplicació d'estes investigacions als processos químics va permetre el sorgiment de la termoquímica, gràcies a l'obra d'autors com Marcelin Berthelot o Henry Li Châtelier.

Un dels primers treballs dedicats a l'estudi de la cinètica química va ser el realisat per Ludwig Ferdinand Wilhelmy sobre la velocitat de canvi de configuració de determinats sucres en presència d'un àcit. A mitan de el XIX, Wilhelmy va aplegar a la conclusió de que la velocitat del canvi era proporcional a la concentració del sucre i de l'àcit i que també variava en la temperatura. La colaboració entre un químic, George Vernon Harcourt, i un matemàtic, William Esson, va permetre l'introducció d'equacions diferencials en l'estudi de la cinètica química. Esson va ser el introductor dels conceptes de reaccions de "primer orde", la velocitat del qual és proporcional a la concentració d'un sol reactiu, i de reaccions de "segon orde", en les quals la velocitat és proporcional al producte de dos concentracions. En els últims anys de el XIX, els treballs de Jacobus Henricus van't Hoff varen tindre una gran influència en est i atres camps de la química. Entre les seues aportacions, es troba l'introducció del método diferencial per a l'estudi de la velocitat de les reaccions químiques i la seua famosa equació que permet relacionar la velocitat i la temperatura de la reacció.

El desenroll de la mecànica quàntica i la seua aplicació a l'estudi dels fenomens químics ha segut un dels canvis més notables que s'han produït en la química de el XX. Entre els científics que més aportacions han realisat en este sentit es troba Linus Pauling, autor de llibres tan significatius com el seu Introduction to Quàntum Mechanics, With Applications to Chemistry (1935) o The Nature of the Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals (1939). Entre moltes atres aportacions, Linus Pauling va ser el introductor del modern concepte d'electronegatividad.

Conceptes clau

Els conceptes clau de la química física són les formes en que la física pura s'aplica als problemes químics.

Un dels conceptes clau de la química clàssica és que totes els composts químics poden descriure's com a grups d'àtoms enllaçats entre sí i les reaccions químiques poden descriure's com la creació i ruptura d'eixos enllaços. Predir les propietats dels composts químics a partir d'una descripció dels àtoms i de cóm s'unixen és un dels principals objectius de la química física. Per a descriure els àtoms i els enllaços en precisió, és necessari saber on estan els núcleus dels àtoms i cóm es distribuïxen els electrons al seu entorn.
La química quàntica, un subcampo de la química física que s'ocupa especialment de l'aplicació de la mecànica quàntica als problemes químics, proporciona ferramentes per a determinar la força i la forma dels enllaços, cóm es mouen els núcleus i cóm pot absorbir o emetre la llum un compost químic. l'espectroscòpia és la subdisciplina relacionada de la química física que s'ocupa específicament de l'interacció de la radiació electromagnètica en la matèria.

Un atre conjunt de qüestions importants en química es referix a quin tipo de reaccions poden produir-se espontàneament i quines propietats són possibles per a una determinada mescla química. Açò s'estudia en la termodinàmica química, que establix llímits en cantitats com fins a on pot procedir una reacció, o quanta energia pot convertir-se en treball en un motor de combustió interna, i que proporciona vínculs entre propietats com el coeficient d'expansió tèrmica i la taxa de canvi d'entropía en la pressió per a un gas o un líquit. A sovint pot utilisar-se per a evaluar si el disseny d'un reactor o d'un motor és factible, o per a comprovar la validea de les senyes experimentals. Fins a cert punt, el cuasi-equilibri i la termodinàmica del no equilibri poden descriure canvis irreversibles. No obstant, la termodinàmica clàssica s'ocupa sobretot dels sistemes en equilibri i dels canvis reversibles i no de lo que realment ocorre, o de la rapidea en que ho fa, fòra de l'equilibri.

Quines reaccions ocorren i a quina velocitat és el tema de la cinètica química, una atra branca de la química física. Una idea clau en la cinètica química és que per a que els reactants reaccionen i formen productes, la majoria de les espècies químiques deuen passar per estats de transició que són més alts en energia que els reactius o els productes i servixen com a barrera per a la reacció. En general, quant major siga la barrera, més llenta serà la reacció. Una segona és que la majoria de les reaccions químiques ocorren com una seqüència de reaccions elementals, cada una en el seu propi estat de transició. Les preguntes clau en cinètica inclouen cóm la velocitat de reacció depén de la temperatura i de les concentracions de reactius i catalisadors en la mescla de reacció, aixina com cóm els catalisadors i les condicions de reacció poden ser dissenyats per a optimisar la velocitat de reacció.

El fet de que la rapidea en la que es produïxen les reaccions puga especificar-se a sovint en només unes poques concentracions i una temperatura, en lloc de necessitar conéixer totes les posicions i velocitats de cada molècula en una mescla, és un cas especial d'un atre concepte clau en la química física, que és que, en la mida en que un ingenier necessita saber-ho, tot lo que ocorre en una mescla d'un número molt gran, potser de l'orde de la constant de Avogadro, 6 x 10²³, de partícules pot descriure's a sovint en només unes poques variables com la pressió, la temperatura i la concentració. Les raons precises d'açò es descriuen en la mecànica estadística, una especialitat dins de la química física que també compartix en la física. La mecànica estadística també proporciona formes de predir les propietats que veem en la vida quotidiana a partir de les propietats moleculars sense dependre de les #correlació empíriques basades en les similituts químiques.

Seccions de la química física

La química física aplica la termodinàmica a l'estudi dels gasos, de les solucions i de les reaccions químiques, quantificant els aspectes energètics d'estes últimes i aplegant a prevore l'eventual espontaneïtat o les condicions d'espontaneïtat teòrica. La termodinàmica consentix també de tractar l'equilibri químic i l'equilibri entre les fases. L'us de la mecànica quàntica no només permet d'interpretar els espectres atòmics i moleculars, sino fent us del seu rigorós formalisme matemàtic permet també de descriure l'enllaç químic i de predir importants propietats de les molècules quins les seues #estabilitat i #reactivitat. l'espectroscòpia permet determinar experimentalment l'estructura i composició de les molècules, mentres la cinètica química estudia la velocitat de les reaccions i el conjunt de processos elementals que ocorren durant una reacció química quan a partir de reactius s'obtenen els productes finals. l'electroquímica és una atra important àrea de la química física que s'ocupa de les implicacions dels fenomens elèctrics en àmbit químic.

Química coloidal

Artícul principal → Química coloidal.

La química coloidal (del grec, κόλλα) és el nom tradicional de la química física de sistemes dispersos i fenomens superficials que es produïxen a l'interfaç. S'estudia l'adheriment, l'adsorció, la humectación, la coagulació, l'electroforesis i el desenroll de tecnologies de materials de construcció, els tifells de perforació, el procés de sol-gèl. La química coloidal moderna és una ciència que es troba en el punt d'interacció entre la química, la física i la biologia.

Les principals tendències de la química coloidal moderna són:

• La termodinàmica dels fenomens de superfície.
• Estudi de l'adsorció del tensioactivo.
• Estudi de la formació i l'estabilitat dels sistemes dispersos, les seues propietats cineticomolecular, òptiques i elèctriques.
• Mecànica físic-química d'estructures disperses.
• Desenroll de la teoria i els mecanismes moleculars dels processos que ocorren en els sistemes dispersos baix l'influència dels agents tensioactivos, les càrregues elèctriques, resistència mecànica, etc.

Química del cristal

És la ciència de les estructures cristalines i la seua relació en la naturalea de la matèria. Com una branca de la química, la química del cristal està estretament relacionada en els estudis de cristalografia i la disposició espacial dels àtoms i els enllaços químics en els cristals, aixina com la dependència de les propietats físiques i químiques de les substàncies cristalines en la seua estructura. En l'ajuda de la difracció de rajos X, de la difracció d'electrons i neutrons, i de la difracció cristalina estructural, determinar els valors absoluts de les distàncies interatòmiques i els ànguls entre les llínees d'enllaços químics (ànguls d'enllaç). Esta secció de la química té abundant material sobre les estructures cristalines de més de 425.000 composts, més de la mitat dels quals són composts inorgànics.

Els objectius de la química del cristal són:

• taxonomia i la descripció de les estructures cristalines observades en estos tipos d'enllaços químics;
• interpretació de les estructures cristalines (identificació dels factors que determinen l'estructura d'un material cristalí) i la predicció;
• estudi de les propietats físiques i químiques dels vidres en la seua estructura i la naturalea de l'enllaç químic.

Radioquímica

Artícul principal → Radioquímica.

La radioquímica és la part de la química física que treballa en menudes cantitats de substàncies, en solucions molt diluïdes, de fonts de radiació ionisant. La radiactivitat dels composts estudiats pot ser radioquímica i requerix l'us de métodos altament sensibles i específics per a medir les seues cantitats microscòpiques, en métodos d'anàlisis automatizado.

Termoquímica

És una secció de la química, que té com a missió els següents punts:

• Identificar i estudiar els efectes tèrmics de les reaccions.
• L'establiment de les seues relacions en els diversos paràmetros fisicoquímics.
• Medir el calfament de substàncies i l'establiment de la seua calor de transicions de fase.

Estudi de l'estructura de l'àtom

Esta disciplina s'encarrega de l'estudi de les partícules microscòpiques de la matèria i la massa, la part més menuda d'un element químic, que és el portador de les seues propietats: l'àtom. Un àtom consta d'un núcleu i electrons. Si el número de protones en el núcleu és igual al número d'electrons en un àtom és eléctricamente neutre en general. En cas contrari, té part de càrrega positiva o negativa. En alguns casos, per àtoms eléctricamente neutres només entendre el sistema en que la càrrega del núcleu és igual a la càrrega total dels electrons, el que els contrast en els ions carregats eléctricamente.

Estudi de la corrosió de metals

En esta part de la química física s'estudia la corrosió dels metals per interacció química o fisicoquímica en el mig ambient. La causa de la corrosió és l'inestabilitat termodinàmica dels materials de construcció a los efectos de les substàncies que estan en contacte en el seu entorn. En la vida quotidiana, les aleacions de ferro (acer) a sovint usen el terme "plaga". Els casos menys coneguts de la corrosió dels polímero. Sobre ells hi ha el concepte de el "envelliment", similar al terme "corrosió" per als metals. La velocitat de corrosió, aixina com qualsevol reacció química és altament depenent de la temperatura. L'aument de la temperatura a 100 °C pot aumentar la velocitat de corrosió en varis órdens.

Estudi de les solucions

Esta disciplina estudia les soluciones, una mescla homogénea que consistix en partícules de productes de solut, dissolvent i de la seua interacció. La formació d'un tipo particular de solució es determina per l'intensitat de l'intermolecular interatómica, o un atre tipo d'interacció de ions de liti, és dir, les mateixes forces que determinen l'aparició d'un estat particular de l'agregació.

Les diferències: la formació d'una solució depén de la naturalea i l'intensitat de l'interacció entre les partícules de diferents substàncies.

Les solucions són gasos, líquits i sòlits.

Química cinètica

La cinètica de les reaccions químiques és la part de la química física, que s'encarrega de l'estudi de les lleis de les reaccions químiques en el temps, en funció de les lleis del mig ambient extern, com també els mecanismes de les reaccions.

Fotoquímica

Part de la química d'altes energies, és la secció de la química física que estudia les reaccions químiques (química dels estats excitats de molècules, reaccions fotoquímiques) que es produïxen baix l'influència de la llum en el ranc des del ultravioleta fins al infrarrojo. Molts dels processos més importants del mig ambient i nosatres tenen una naturalea fotoquímica. Només cal mencionar coses com la fotosíntesis, els ulls i l'ozon i l'irradiació UV.

Lleis de la fotoquímica:

• Canvis fotoquímics es produïxen només baix l'acció de la llum absorbida pel sistema.
• Cada fotó és absorbit en l'acte primari és capaç d'activar una sola molècula.
• L'absorció d'un fotó de cada molècula té una certa provabilitat de la liquidació o de la camiseta més baix (en multiplicitat 1) de l'estat o del triplet més baix (en multiplicitat 3) d'estat.
• La majoria dels processos fotoquímics orgànics en solució intervindre, ni el primer segut singlet excitat, o el primer segut excitat triplet.

Llista de disciplines

En resum, les principals àrees d'interés de la química física es poden enumerar de la següent manera:

Problemes a resoldre per la Fisicoquímica

Algunes de les relacions que la química física s'esforça per resoldre inclouen els efectes de:

1. Força intermolecularés que actuen sobre les propietats físiques dels materials (plasticidad, resistència a la tracció, tensió superficial en líquits).
2. Cinètica de reacció sobre la Taxa d'una reacció.
3. L'identitat dels ions i la conductivitat elèctrica dels materials.
4. Ciència de superfícies i electroquímica de les membranes celularss.
5. Interacció d'un cos en un atre en térmens de cantitats de calor i treball cridats termodinàmics.
6. Transferència de calor entre un sistema químic i el seu entorn durant el canvi de fase o reacció química que té lloc anomenada termoquímica.
7. Estudi de les propietats coligativas del número d'espècies presents en la solució.
8. El número de fases, el número de components i el grau de llibertat (o varianza) poden correlacionarse entre sí en ajuda de la regla de les fases.
9. Reaccions de cèlula electroquímica.

Fisicoquímicos destacats

• Svante Arrhenius
• Peter Debye
• Paul John Flory
• Jonathan Flower
• Rosalind Franklin
• Josiah Willard Gibbs
• Erich Hückel
• Jacobus Henricus van't Hoff
• Lars Onsager
• Wilhelm Ostwald
• Linus Pauling
• Joachim Sauer

Revistes

Algunes revistes que s'ocupen de la química física inclouen:

• Zeitschrift für Physikalische Chemie (1887)
• Journal of Physical Chemistry A (des de 1896 cóm Journal of Physical Chemistry, redenominada el 1997)
• Physical Chemistry Chemical Physics (des de 1999, anteriorment Faraday Transactions en una història que es remonta a 1905)
• 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 (des de 2010, cartes combinades prèviament publicats en les revistes independents)

Les revistes històriques que cobrien la química i la física inclouen Annales de Chimie et de physique (iniciada en 1789, publicada baix el nom donat ací 1815-1914).

Vore també

• [[Archiu:{{#switch:Química|20px|Vore el portal sobre Química]] Portal:Química. Contingut relacionat en Química.
• Ciència de superfícies
• Ciència dels materials
• Fisicoquímica orgànica

Enllaces externs

• The World of Physical Chemistry (Keith J. Laidler, 1993)
• Physical Chemistry from Ostwald to Pauling (John W. Servos, 1996)
• Physical Chemistry: neither Fish nor Fowl? (Joachim Schummer, The Autonomy of Chemistry, Würzburg, Königshausen & Neumann, 1998, pp. 135–148)
• Cathedrals of Science (Patrick Coffey, 2008)
• The Cambridge History of Science: The modern physical and mathematical sciences (Mary Jo Nye, 2003)