Química Física

Entre a chama e a flor é aerogel, cuja síntese tem sido ajudada grandemente pela química física.

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

A química física, em contraste com a física química, é predominantemente (mas nem sempre) uma ciência supramolecular, já que a maioria dos princípios nos quais ela foi fundada relaciona-se com o volume, e não apenas com a estrutura molecular ou atômica (por exemplo, exemplo, equilíbrio químico e colóides).

Algumas das relações que a físico-química se esforça para resolver incluem os efeitos de:

1. Forças intermoleculares que atuam sobre as propriedades físicas dos materiais (plasticidade, resistência à tração, tensão superficial em líquidos).
2. Reação cinética sobre a taxa de uma reação.
3. A identidade dos íons e a condutividade elétrica dos materiais.
4. Ciência da superfície e eletroquímica das membranas celulares.
5. Interação de um corpo com outro em termos de quantidades de calor e trabalho chamado termodinâmica.
6. Transferência de calor entre um sistema químico e seus arredores durante a mudança de fase ou reação química que ocorre chamada termoquímica
7. Estudo das propriedades coligativas do número de espécies presentes na solução.
8. O número de fases, o número de componentes e o grau de liberdade (ou variância) podem ser correlacionados entre si com a ajuda da regra de fase.
9. Reações de células eletroquímicas.
10. Comportamento de sistemas microscópicos usando mecânica quântica e sistemas macroscópicos usando termodinâmica estatística.

Conceitos-chave

Os conceitos-chave da físico-química são as formas pelas quais a física pura é aplicada a problemas químicos.

Um dos conceitos-chave da química clássica é que todos os compostos químicos podem ser descritos como grupos de átomos ligados entre si e as reações químicas podem ser descritas como a formação e quebra dessas ligações. Prever as propriedades dos compostos químicos a partir da descrição dos átomos e como eles se ligam é um dos principais objetivos da físico-química. Para descrever os átomos e as ligações com precisão, é necessário saber onde estão os núcleos dos átomos e como os elétrons estão distribuídos em torno deles.

Disciplinas

A química quântica, um subcampo da físico-química especialmente preocupado com a aplicação da mecânica quântica a problemas químicos, fornece ferramentas para determinar a força e a forma das ligações, como os núcleos se movem e como a luz pode ser absorvida ou emitida por um produto químico composto. A espectroscopia é a subdisciplina relacionada da físico-química que se preocupa especificamente com a interação da radiação eletromagnética com a matéria.

Outro conjunto de questões importantes em química diz respeito a que tipo de reações podem ocorrer espontaneamente e quais propriedades são possíveis para uma dada mistura química. Isso é estudado na termodinâmica química, que estabelece limites para quantidades como até onde uma reação pode prosseguir ou quanta energia pode ser convertida em trabalho em um motor de combustão interna e que fornece ligações entre propriedades como o coeficiente de expansão térmica e a taxa de variação. de entropia com pressão para um gás ou um líquido. Freqüentemente, pode ser usado para avaliar se um projeto de reator ou motor é viável ou para verificar a validade de dados experimentais. Até certo ponto, a termodinâmica de quase-equilíbrio e não-equilíbrio pode descrever mudanças irreversíveis. No entanto, a termodinâmica clássica se preocupa principalmente com sistemas em equilíbrio e mudanças reversíveis e não com o que realmente acontece, ou com que rapidez, longe do equilíbrio.

Quais reações ocorrem e com que rapidez é assunto da cinética química, outro ramo da físico-química. Uma ideia-chave na cinética química é que, para os reagentes reagirem e formarem produtos, a maioria das espécies químicas deve passar por estados de transição com energia maior do que os reagentes ou os produtos e servir como uma barreira para a reação. Em geral, quanto maior a barreira, mais lenta a reação. A segunda é que a maioria das reações químicas ocorre como uma sequência de reações elementares, cada uma com seu próprio estado de transição. Questões-chave em cinética incluem como a taxa de reação depende da temperatura e das concentrações de reagentes e catalisadores na mistura de reação, bem como como catalisadores e condições de reação podem ser projetados para otimizar a taxa de reação.

O fato de que a rapidez das reações pode ser especificada com apenas algumas concentrações e uma temperatura, em vez de precisar conhecer todas as posições e velocidades de cada molécula em uma mistura, é um caso especial de outro conceito-chave em física química, que na medida em que um engenheiro precisa saber, tudo que acontece em uma mistura de números muito grandes (talvez da ordem da constante de Avogadro, 6 x 10²³) de partículas pode frequentemente ser descrito por apenas algumas variáveis como pressão, temperatura e concentração. As razões precisas para isso são descritas na mecânica estatística, uma especialidade da físico-química que também é compartilhada com a física. A mecânica estatística também fornece maneiras de prever as propriedades que vemos na vida cotidiana a partir de propriedades moleculares sem depender de correlações empíricas baseadas 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 ele apresentou um curso intitulado "A Course in True Physical Chemistry" (em russo: Курс истинной физической химии) perante os alunos da Universidade de Petersburgo. No preâmbulo dessas palestras ele dá a definição: "Físico-química é a ciência que deve explicar sob disposições de experimentos físicos a razão do que está acontecendo em corpos complexos por meio de operações químicas".

A Físico-Química moderna teve origem nas décadas de 1860 a 1880 com trabalhos sobre termodinâmica química, eletrólitos em soluções, cinética química e outros assuntos. Um marco foi a publicação em 1876 por Josiah Willard Gibbs de seu artigo Sobre o Equilíbrio de Substâncias Heterogêneas. Este artigo introduziu vários dos pilares da físico-química, como a energia de Gibbs, os potenciais químicos e a energia de Gibbs'. regra de fase.

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

Desenvolvimentos nas décadas seguintes incluem a aplicação da mecânica estatística a sistemas químicos e trabalho em colóides e química de superfície, onde Irving Langmuir fez muitas contribuições. Outro passo importante foi o desenvolvimento da mecânica quântica em química quântica a partir da década de 1930, onde Linus Pauling foi um dos principais nomes. Os desenvolvimentos teóricos andaram de mãos dadas com os desenvolvimentos nos métodos experimentais, onde o uso de diferentes formas de espectroscopia, como espectroscopia de infravermelho, espectroscopia de micro-ondas, ressonância paramagnética eletrônica e espectroscopia de ressonância magnética nuclear, é provavelmente o desenvolvimento mais importante do século XX.

Desenvolvimento físico-químico pode ser atribuído a descobertas em química nuclear, especialmente na separação de isótopos (antes e durante a Segunda Guerra Mundial), descobertas mais recentes em astroquímica, bem como o desenvolvimento de algoritmos de cálculo no campo da &# 34;propriedades físico-químicas aditivas" (praticamente todas as propriedades físico-químicas, como ponto de ebulição, ponto crítico, tensão superficial, pressão de vapor, etc. - mais de 20 ao todo - podem ser calculadas com precisão apenas a partir da estrutura química, mesmo que a molécula química permaneça não sintetizada), e aqui reside a importância prática da físico-química contemporânea.

Consulte método de contribuição de grupo, método de Lydersen, método de Joback, teoria de incremento de grupo de Benson, relação quantitativa entre estrutura e atividade

Diários

Algumas revistas que lidam com físico-química incluem Zeitschrift für Physikalische Chemie (1887); Journal of Physical Chemistry A (de 1896 como Journal of Physical Chemistry, renomeado em 1997); Físico-Química Física-Química (de 1999, anteriormente Faraday Transactions com uma história que remonta a 1905); Química e Física Macromolecular (1947); Anual 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 (de 2010, cartas combinadas publicadas anteriormente em periódicos separados)

Jornais históricos que cobriam química e física incluem Annales de chimie et de physique (iniciado em 1789, publicado sob o nome dado aqui de 1815 a 1914).

Ramos e tópicos relacionados