Química Física

Entre la llama y la flor es aerogel, cuya síntesis se ha ayudado enormemente por la química física.

La química física es el estudio de los fenómenos macroscópicos y microscópicos en los sistemas químicos en términos de los principios, prácticas y conceptos de la física, como el movimiento, la energía, la fuerza, el tiempo, la termodinámica, la química cuántica, mecánica estadística, dinámica analítica y equilibrios químicos.

La química física, en contraste con la física química, es predominantemente (pero no siempre) una ciencia supramolecular, ya que la mayoría de los principios en los que se fundó se relacionan con el volumen en lugar de la estructura atómica o molecular solamente (por ejemplo, equilibrio químico y coloides).

Algunas de las relaciones que la química física se esfuerza por resolver incluyen los efectos de:

1. Fuerzas intermoleculares que actúan sobre las propiedades físicas de los materiales (plasticidad, fuerza de tracción, tensión superficial en líquidos).
2. Kinetics de reacción en la tasa de reacción.
3. La identidad de los iones y la conductividad eléctrica de los materiales.
4. Ciencias superficiales y electroquímica de las membranas celulares.
5. Interacción de un cuerpo con otro en términos de cantidades de calor y trabajo llamado termodinámica.
6. Transferencia de calor entre un sistema químico y su entorno durante el cambio de fase o reacción química que tiene lugar llamado termoquímica
7. Estudio de las propiedades coligantes del número de especies presentes en la solución.
8. El número de fases, el número de componentes y el grado de libertad (o varianza) pueden estar correlacionados entre sí con ayuda de la regla de fase.
9. Reacciones de células electroquímicas.
10. Comportamiento de sistemas microscópicos utilizando mecánica cuántica y sistemas macroscópicos utilizando termodinámica estadística.

Conceptos clave

Los conceptos clave de la química física son las formas en que se aplica la física pura a los problemas químicos.

Uno de los conceptos clave de la química clásica es que todos los compuestos químicos se pueden describir como grupos de átomos unidos entre sí y las reacciones químicas se pueden describir como la creación y ruptura de esos enlaces. Predecir las propiedades de los compuestos químicos a partir de una descripción de los átomos y cómo se unen es uno de los principales objetivos de la química física. Para describir los átomos y los enlaces con precisión, es necesario saber dónde están los núcleos de los átomos y cómo se distribuyen los electrones a su alrededor.

Disciplinas

La química cuántica, un subcampo de la química física que se ocupa especialmente de la aplicación de la mecánica cuántica a los problemas químicos, proporciona herramientas para determinar la fuerza y la forma de los enlaces, cómo se mueven los núcleos y cómo una sustancia química puede absorber o emitir la luz. compuesto. La espectroscopia es la subdisciplina relacionada de la química física que se ocupa específicamente de la interacción de la radiación electromagnética con la materia.

Otro conjunto de preguntas importantes en química se refiere a qué tipo de reacciones pueden ocurrir espontáneamente y qué propiedades son posibles para una mezcla química determinada. Esto se estudia en la termodinámica química, que establece límites en cantidades como hasta dónde puede proceder una reacción o cuánta energía se puede convertir en trabajo en un motor de combustión interna, y que proporciona vínculos entre propiedades como el coeficiente de expansión térmica y la tasa de cambio. de entropía con presión para un gas o un líquido. Con frecuencia se puede utilizar para evaluar si un diseño de reactor o motor es factible, o para comprobar la validez de los datos experimentales. Hasta cierto punto, la termodinámica de cuasi-equilibrio y de no-equilibrio puede describir cambios irreversibles. Sin embargo, la termodinámica clásica se ocupa principalmente de los sistemas en equilibrio y los cambios reversibles y no de lo que realmente sucede, o qué tan rápido se aleja del equilibrio.

Qué reacciones ocurren y qué tan rápido es el tema de la cinética química, otra rama de la química física. Una idea clave en la cinética química es que para que los reactivos reaccionen y formen productos, la mayoría de las especies químicas deben pasar por estados de transición que tienen una energía más alta que los reactivos o los productos y sirven como una barrera para la reacción. En general, cuanto mayor sea la barrera, más lenta será la reacción. Una segunda es que la mayoría de las reacciones químicas ocurren como una secuencia de reacciones elementales, cada una con su propio estado de transición. Las preguntas clave en cinética incluyen cómo la velocidad de reacción depende de la temperatura y de las concentraciones de reactivos y catalizadores en la mezcla de reacción, así como también cómo se pueden diseñar los catalizadores y las condiciones de reacción para optimizar la velocidad de reacción.

El hecho de que la rapidez con la que ocurren las reacciones a menudo se puede especificar con solo unas pocas concentraciones y una temperatura, en lugar de necesitar conocer todas las posiciones y velocidades de cada molécula en una mezcla, es un caso especial de otro concepto clave en física. química, que es que, en la medida en que un ingeniero necesita saber, todo lo que sucede en una mezcla de números muy grandes (quizás del orden de la constante de Avogadro, 6 x 10²³) de partículas a menudo puede ser descrita por unas pocas variables como la presión, la temperatura y la concentración. Las razones precisas de esto se describen en la mecánica estadística, una especialidad dentro de la química física que también se comparte con la física. La mecánica estadística también proporciona formas de predecir las propiedades que vemos en la vida cotidiana a partir de propiedades moleculares sin depender de correlaciones empíricas basadas en similitudes químicas.

Historia

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

El término "química física" fue acuñado por Mikhail Lomonosov en 1752, cuando presentó un curso de conferencias titulado "Un curso de verdadera química física" (Ruso: Курс истинной физической химии) ante los estudiantes de la Universidad de San Petersburgo. En el preámbulo de estas conferencias da la definición: "La química física es la ciencia que debe explicar bajo disposiciones de experimentos físicos la razón de lo que está sucediendo en los cuerpos complejos a través de operaciones químicas".

La química física moderna se originó entre 1860 y 1880 con trabajos sobre termodinámica química, electrolitos en soluciones, cinética química y otros temas. Un hito fue la publicación en 1876 por Josiah Willard Gibbs de su artículo On the Equilibrium of Heterogeneous Substances. Este artículo presentó varias de las piedras angulares de la química física, como la energía de Gibbs, los potenciales químicos y la energía de Gibbs. regla de fase

La primera revista científica específicamente en el campo de la química física fue la revista alemana, Zeitschrift für Physikalische Chemie, fundada en 1887 por Wilhelm Ostwald y Jacobus Henricus van 't Hoff. Junto con Svante August Arrhenius, estas fueron las principales figuras de la química física a finales del siglo XIX y principios del XX. Los tres recibieron el Premio Nobel de Química entre 1901 y 1909.

Los desarrollos en las siguientes décadas incluyen la aplicación de la mecánica estadística a los sistemas químicos y el trabajo sobre coloides y química de superficies, donde Irving Langmuir hizo muchas contribuciones. Otro paso importante fue el desarrollo de la mecánica cuántica en química cuántica a partir de la década de 1930, donde Linus Pauling fue uno de los nombres principales. Los desarrollos teóricos han ido de la mano con los avances en los métodos experimentales, donde el uso de diferentes formas de espectroscopia, como la espectroscopia infrarroja, la espectroscopia de microondas, la resonancia paramagnética de electrones y la espectroscopia de resonancia magnética nuclear, es probablemente el desarrollo más importante del siglo XX.

El mayor desarrollo de la química física se puede atribuir a los descubrimientos en química nuclear, especialmente en la separación de isótopos (antes y durante la Segunda Guerra Mundial), los descubrimientos más recientes en astroquímica, así como el desarrollo de algoritmos de cálculo en el campo de la &# 34;propiedades fisicoquímicas aditivas" (prácticamente todas las propiedades fisicoquímicas, como el punto de ebullición, el punto crítico, la tensión superficial, la presión de vapor, etc., más de 20 en total, pueden calcularse con precisión solo a partir de la estructura química, incluso si la molécula química permanece sin sintetizar), y aquí radica la importancia práctica de la química física contemporánea.

Ver método de contribución de grupo, método de Lydersen, método de Joback, teoría de incremento de grupo de Benson, relación estructura-actividad cuantitativa

Diarios

Algunas revistas que se ocupan de la química física incluyen Zeitschrift für Physikalische Chemie (1887); Journal of Physical Chemistry A (desde 1896 como Journal of Physical Chemistry, renombrado en 1997); Física Química Física Química (desde 1999, antes Transacciones de Faraday con una historia que se remonta a 1905); Química y Física Macromolecular (1947); Revisión anual de química física (1950); Física Molecular (1957); Diario de Química Orgánica Física (1988); Revista de Química Física B (1997); ChemPhysChem (2000); Revista de Química Física C (2007); y Journal of Physical Chemistry Letters (desde 2010, cartas combinadas publicadas anteriormente en revistas separadas)

Las revistas históricas que cubrían tanto la química como la física incluyen Annales de chimie et de physique (iniciadas en 1789, publicadas con el nombre dado aquí desde 1815 hasta 1914).

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