เคมีกายภาพ

จาก Wikipedia สารานุกรมเสรี
ข้ามไปที่การนำทางข้ามไปที่การค้นหา
Lomonosov Chymiae Physicae 1752

เคมีกายภาพคือการศึกษาของมหภาคและอนุภาคปรากฏการณ์ในทางเคมีระบบในแง่ของหลักการปฏิบัติและแนวความคิดของฟิสิกส์เช่นการเคลื่อนไหว , พลังงาน , แรง , เวลา , อุณหพลศาสตร์ , ควอนตัมเคมี , กลศาสตร์สถิติ , การเปลี่ยนแปลงการวิเคราะห์และสมดุลเคมี

เคมีเชิงฟิสิกส์ตรงกันข้ามกับฟิสิกส์เคมีส่วนใหญ่เป็นวิทยาศาสตร์มหภาคหรือเหนือโมเลกุล (แต่ไม่เสมอไป) เนื่องจากหลักการส่วนใหญ่ที่ก่อตั้งขึ้นเกี่ยวข้องกับจำนวนมากมากกว่าโครงสร้างโมเลกุล / อะตอมเพียงอย่างเดียว (ตัวอย่างเช่น , สมดุลเคมีและคอลลอยด์ ).

ความสัมพันธ์บางอย่างที่เคมีเชิงฟิสิกส์พยายามแก้ไข ได้แก่ ผลกระทบของ:

  1. แรงระหว่างโมเลกุลที่กระทำตามคุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุ ( ปั้น , ความต้านทานแรงดึง , แรงตึงผิวในของเหลว )
  2. จลนศาสตร์ของปฏิกิริยาในอัตราของการเกิดปฏิกิริยา
  3. เอกลักษณ์ของไอออนและการนำไฟฟ้าของวัสดุ
  4. วิทยาศาสตร์พื้นผิวและเคมีไฟฟ้าของเยื่อหุ้มเซลล์ . [1]
  5. ปฏิสัมพันธ์ของร่างกายหนึ่งกับอีกร่างกายในแง่ของปริมาณความร้อนและการทำงานที่เรียกว่าอุณหพลศาสตร์
  6. การถ่ายเทความร้อนระหว่างระบบเคมีและสภาพแวดล้อมระหว่างการเปลี่ยนเฟสหรือปฏิกิริยาเคมีที่เรียกว่าเทอร์โมเคมี
  7. การศึกษาคุณสมบัติการเรียงตัวของจำนวนชนิดที่มีอยู่ในสารละลาย
  8. จำนวนขั้นตอนจำนวนขององค์ประกอบและระดับของเสรีภาพ (หรือความแปรปรวน) สามารถมีความสัมพันธ์กับคนอื่นด้วยความช่วยเหลือของกฎเฟส
  9. ปฏิกิริยาของเซลล์ไฟฟ้าเคมี .

แนวคิดหลัก[ แก้ไข]

แนวคิดหลักของเคมีเชิงฟิสิกส์คือวิธีการที่ฟิสิกส์บริสุทธิ์ถูกนำไปใช้กับปัญหาทางเคมี

แนวคิดหลักประการหนึ่งในเคมีคลาสสิกคือสารประกอบทางเคมีทั้งหมดสามารถอธิบายได้ว่าเป็นกลุ่มของอะตอมที่ ยึดติดกันและปฏิกิริยาทางเคมีสามารถอธิบายได้ว่าเป็นการสร้างและทำลายพันธะเหล่านั้น การทำนายคุณสมบัติของสารประกอบทางเคมีจากคำอธิบายของอะตอมและการสร้างพันธะเป็นหนึ่งในเป้าหมายหลักของเคมีเชิงฟิสิกส์ ในการอธิบายอะตอมและพันธะอย่างแม่นยำจำเป็นต้องทราบว่านิวเคลียสของอะตอมอยู่ที่ใดและอิเล็กตรอนกระจายอยู่รอบตัวอย่างไร[2]
เคมีควอนตัมซึ่งเป็นสาขาย่อยของเคมีเชิงฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องโดยเฉพาะอย่างยิ่งกับการประยุกต์ใช้กลศาสตร์ควอนตัมสำหรับปัญหาทางเคมีจัดหาเครื่องมือในการพิจารณาว่าพันธะมีความแข็งแรงและมีรูปร่างอย่างไร[2]นิวเคลียสเคลื่อนที่อย่างไรและแสงสามารถดูดซับหรือปล่อยออกมาโดยสารประกอบทางเคมีได้อย่างไร[3] สเปกโทรสโกปีเป็นสาขาย่อยที่เกี่ยวข้องของเคมีเชิงกายภาพซึ่งเกี่ยวข้องโดยเฉพาะกับปฏิสัมพันธ์ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้ากับสสาร

คำถามที่สำคัญอีกชุดหนึ่งในวิชาเคมีเกี่ยวกับปฏิกิริยาประเภทใดที่สามารถเกิดขึ้นได้เองตามธรรมชาติและคุณสมบัติใดที่เป็นไปได้สำหรับส่วนผสมทางเคมีที่กำหนด นี่คือการศึกษาในอุณหพลศาสตร์เคมีซึ่งกำหนดข้อ จำกัด เกี่ยวกับปริมาณเช่นปฏิกิริยาจะดำเนินไปได้ไกลเพียงใดหรือสามารถเปลี่ยนพลังงานไปเป็นงานในเครื่องยนต์สันดาปภายในได้เท่าใดและมีการเชื่อมโยงระหว่างคุณสมบัติต่างๆเช่นค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนและอัตราการเปลี่ยนแปลง ของเอนโทรปีด้วยความดันสำหรับก๊าซหรือของเหลว [4]บ่อยครั้งสามารถใช้เพื่อประเมินว่าเครื่องปฏิกรณ์หรือการออกแบบเครื่องยนต์เป็นไปได้หรือเพื่อตรวจสอบความถูกต้องของข้อมูลการทดลอง ในขอบเขตที่ จำกัดเทอร์โมไดนามิกส์กึ่งสมดุลและไม่สมดุลสามารถอธิบายการเปลี่ยนแปลงที่ย้อนกลับไม่ได้[5]อย่างไรก็ตามเทอร์โมไดนามิกส์คลาสสิกส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับระบบที่สมดุลและการเปลี่ยนแปลงที่ย้อนกลับได้และไม่ใช่สิ่งที่เกิดขึ้นจริงหรือเร็วแค่ไหนที่อยู่ห่างจากสมดุล

ปฏิกิริยาใดเกิดขึ้นและเรื่องของจลนพลศาสตร์เคมีซึ่งเป็นอีกสาขาหนึ่งของเคมีกายภาพ แนวคิดหลักในจลนพลศาสตร์เคมีคือสำหรับสารตั้งต้นในการทำปฏิกิริยาและสร้างผลิตภัณฑ์สายพันธุ์ทางเคมีส่วนใหญ่ต้องผ่านสถานะการเปลี่ยนแปลงซึ่งมีพลังงานสูงกว่าสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์และเป็นอุปสรรคต่อการเกิดปฏิกิริยา[6]โดยทั่วไปยิ่งสิ่งกีดขวางสูงขึ้นปฏิกิริยาก็จะยิ่งช้าลง เป็นครั้งที่สองก็คือว่าปฏิกิริยาเคมีส่วนใหญ่เกิดขึ้นเป็นลำดับของปฏิกิริยาประถม , [7]แต่ละคนมีสถานะการเปลี่ยนแปลงของตัวเอง คำถามสำคัญในจลนศาสตร์ ได้แก่ อัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความเข้มข้นของสารตั้งต้นและตัวเร่งปฏิกิริยาในส่วนผสมของปฏิกิริยาอย่างไรรวมถึงวิธีการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาและเงื่อนไขของปฏิกิริยาเพื่อปรับอัตราการเกิดปฏิกิริยาให้เหมาะสม

ความจริงที่ว่าปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมักจะระบุได้ด้วยความเข้มข้นและอุณหภูมิเพียงเล็กน้อยแทนที่จะต้องรู้ตำแหน่งและความเร็วทั้งหมดของทุกโมเลกุลในส่วนผสมเป็นกรณีพิเศษของแนวคิดสำคัญอีกประการหนึ่งในเคมีเชิงฟิสิกส์ซึ่ง เท่าที่วิศวกรต้องการทราบทุกสิ่งที่เกิดขึ้นในส่วนผสมของตัวเลขจำนวนมาก (อาจเป็นลำดับของค่าคงที่ Avogadro , 6 x 10 23 ) ของอนุภาคมักจะอธิบายได้ด้วยตัวแปรเพียงไม่กี่ตัวเช่นความดัน อุณหภูมิและความเข้มข้น เหตุผลที่แม่นยำสำหรับการนี้ได้อธิบายไว้ในกลศาสตร์สถิติ , [8]ความเชี่ยวชาญเฉพาะทางเคมีเชิงฟิสิกส์ซึ่งใช้ร่วมกับฟิสิกส์ด้วย กลศาสตร์เชิงสถิติยังให้วิธีทำนายคุณสมบัติที่เราเห็นในชีวิตประจำวันจากคุณสมบัติของโมเลกุลโดยไม่ต้องอาศัยความสัมพันธ์เชิงประจักษ์ตามความคล้ายคลึงกันทางเคมี [5]

ประวัติ[ แก้ไข]

ส่วนของต้นฉบับของ M. Lomonosov 'Physical Chemistry' (1752)

คำว่า "เคมีกายภาพ" ได้รับการประกาศเกียรติคุณจากมิคาอิล Lomonosovใน 1752 เมื่อเขานำเสนอการบรรยายชื่อวิชา "สนามในทรูเคมีเชิงฟิสิกส์" (รัสเซีย: «Курсистиннойфизическойхимии») ก่อนที่นักศึกษามหาวิทยาลัยปีเตอร์สเบิร์ก [9]ในคำนำของการบรรยายเหล่านี้เขาให้คำจำกัดความว่า: "เคมีเชิงฟิสิกส์เป็นวิทยาศาสตร์ที่ต้องอธิบายภายใต้บทบัญญัติของการทดลองทางกายภาพถึงสาเหตุของสิ่งที่เกิดขึ้นในร่างกายที่ซับซ้อนผ่านการปฏิบัติการทางเคมี"

เคมีกายภาพที่ทันสมัยเกิดขึ้นในยุค 1860 เพื่อ 1880 กับการทำงานในอุณหพลศาสตร์เคมี , อิเล็กโทรไลในการแก้ปัญหา, จลนพลศาสตร์เคมีและวิชาอื่น ๆ ความสำเร็จครั้งหนึ่งคือการตีพิมพ์ในปีพ. ศ. 2419 โดยJosiah Willard Gibbsจากบทความของเขาเรื่องสมดุลของสารต่างชนิด กระดาษนี้จะแนะนำหลายสิ่งสำคัญของเคมีกายภาพเช่นพลังงานกิ๊บส์ , ศักยภาพทางเคมีและกฎเฟสกิ๊บส์ [10]

เป็นครั้งแรกในวารสารวิทยาศาสตร์โดยเฉพาะในสาขาเคมีกายภาพเป็นวารสารเยอรมัน, Zeitschrift ขน Physikalische Chemieก่อตั้งขึ้นในปี 1887 โดยวิลเฮล์ Ostwaldและจาโคบัสรถตู้ Henricus t' ฮอฟฟ์ร่วมกับSvante Arrhenius สิงหาคม , [11] เหล่านี้เป็นผู้นำในทางเคมีกายภาพในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 และต้นศตวรรษที่ 20 ทั้งสามคนได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีระหว่างปี พ.ศ. 2444–1909

การพัฒนาในทศวรรษต่อ ๆ มารวมถึงการประยุกต์ใช้กลศาสตร์ทางสถิติกับระบบเคมีและการทำงานเกี่ยวกับคอลลอยด์และเคมีพื้นผิวซึ่งเออร์วิงแลงเมียร์มีส่วนร่วมมากมาย อีกก้าวที่สำคัญคือการพัฒนากลศาสตร์ควอนตัมไปสู่เคมีควอนตัมในช่วงทศวรรษที่ 1930 ซึ่งLinus Paulingเป็นหนึ่งในชื่อชั้นนำ ทฤษฎีการพัฒนาที่ได้ไปจับมือกับการพัฒนาในการทดลองวิธีการที่ใช้รูปแบบที่แตกต่างกันของสเปกโทรสโกเช่นอินฟราเรด , ไมโครเวฟสเปกโทรสโก ,อิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์และสเปกโทรสโกปีเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์น่าจะเป็นการพัฒนาในศตวรรษที่ 20 ที่สำคัญที่สุด

การพัฒนาต่อไปในทางเคมีทางกายภาพอาจนำมาประกอบกับการค้นพบในเคมีนิวเคลียร์โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการคัดแยกไอโซโทป (ก่อนและระหว่างสงครามโลกครั้งที่สอง) การค้นพบเมื่อเร็ว ๆ นี้ในastrochemistry , [12]เช่นเดียวกับการพัฒนาอัลกอริทึมการคำนวณในด้านของ "สารเติมแต่ง คุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ "(คุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์จริงทั้งหมดเช่นจุดเดือดจุดวิกฤตแรงตึงผิวความดันไอ ฯลฯ มากกว่า 20 ข้อสามารถคำนวณได้อย่างแม่นยำจากโครงสร้างทางเคมีเพียงอย่างเดียวแม้ว่าโมเลกุลเคมีจะยังไม่สังเคราะห์ก็ตาม) [ ต้องการอ้างอิง ]และในที่นี้มีความสำคัญในทางปฏิบัติของเคมีเชิงฟิสิกส์ร่วมสมัย

ดูวิธีการมีส่วนร่วมของกลุ่ม , วิธี Lydersen , วิธี Joback , เบนสันกลุ่มทฤษฎีที่เพิ่มขึ้น , ความสัมพันธ์เชิงปริมาณโครงสร้างกิจกรรม

วารสาร[ แก้ไข]

วารสารบางฉบับที่เกี่ยวข้องกับเคมีเชิงฟิสิกส์ ได้แก่Zeitschrift für Physikalische Chemie (1887); Journal of Physical Chemistry A (จากปี 1896 เป็นJournal of Physical Chemistryเปลี่ยนชื่อในปี 1997); ฟิสิกส์เคมีฟิสิกส์เคมี (ตั้งแต่ปี 2542 เดิมชื่อFaraday Transactions ที่มีประวัติย้อนหลังไปถึงปี 1905); เคมีโมเลกุลและฟิสิกส์ (2490); การทบทวนเคมีเชิงกายภาพประจำปี (2493); ฟิสิกส์โมเลกุล (2500); วารสารเคมีอินทรีย์ (2531); วารสารเคมีกายภาพ B (1997); ChemPhysChem (2000);Journal of Physical Chemistry C (2007); and Journal of Physical Chemistry Letters (from 2010, combined letters previously published in the separate journals)

Historical journals that covered both chemistry and physics include Annales de chimie et de physique (started in 1789, published under the name given here from 1815–1914).

Branches and related topics[edit]

  • Thermochemistry
  • Chemical kinetics
  • Quantum chemistry
  • Electrochemistry
  • Photochemistry
  • Surface chemistry
  • Solid-state chemistry
  • Spectroscopy
  • Biophysical chemistry
  • Materials science
  • Physical organic chemistry
  • Micromeritics

See also[edit]

  • List of important publications in chemistry#Physical chemistry
  • List of unsolved problems in chemistry#Physical chemistry problems
  • Physical biochemistry
  • Category:Physical chemists

References[edit]

  1. ^ Torben Smith Sørensen (1999). Surface chemistry and electrochemistry of membranes. CRC Press. p. 134. ISBN 0-8247-1922-0.
  2. ^ a b Atkins, Peter and Friedman, Ronald (2005). Molecular Quantum Mechanics, p. 249. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-927498-3.
  3. ^ Atkins, Peter and Friedman, Ronald (2005). Molecular Quantum Mechanics, p. 342. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-927498-3.
  4. ^ Landau, L.D. and Lifshitz, E.M. (1980). Statistical Physics, 3rd Ed. p. 52. Elsevier Butterworth Heinemann, New York. ISBN 0-7506-3372-7.
  5. ^ a b Hill, Terrell L. (1986). Introduction to Statistical Thermodynamics, p. 1. Dover Publications, New York. ISBN 0-486-65242-4.
  6. ^ Schmidt, Lanny D. (2005). The Engineering of Chemical Reactions, 2nd Ed. p. 30. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-516925-5.
  7. ^ Schmidt, Lanny D. (2005). The Engineering of Chemical Reactions, 2nd Ed. pp. 25, 32. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-516925-5.
  8. ^ Chandler, David (1987). Introduction to Modern Statistical Mechanics, p. 54. Oxford University Press, New York. ISBN 978-0-19-504277-1.
  9. ^ Alexander Vucinich (1963). Science in Russian culture. Stanford University Press. p. 388. ISBN 0-8047-0738-3.
  10. ^ Josiah Willard Gibbs, 1876, "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances", Transactions of the Connecticut Academy of Sciences
  11. ^ Laidler, Keith (1993). The World of Physical Chemistry. Oxford: Oxford University Press. pp. 48. ISBN 0-19-855919-4.
  12. ^ Herbst, Eric (May 12, 2005). "Chemistry of Star-Forming Regions". Journal of Physical Chemistry A. 109 (18): 4017–4029. Bibcode:2005JPCA..109.4017H. doi:10.1021/jp050461c. PMID 16833724.

External links[edit]

  • The World of Physical Chemistry (Keith J. Laidler, 1993)
  • Physical Chemistry from Ostwald to Pauling (John W. Servos, 1996)
  • 100 Years of Physical Chemistry (Royal Society of Chemistry, 2004)
  • 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)