Kimia fizike

Kimi fizike është studimi i fenomeneve makroskopike, dhe grimcave në sistemet kimike përsa i përket parimeve, praktikave dhe koncepteve të fizikës si lëvizja, energjia, forca, koha, termodinamika, kimia kuantike, mekanika statistikore, dinamika analitike dhe ekuilibri kimik .

Kimia fizike, për dallim nga fizika kimike, është kryesisht (por jo gjithmonë) një shkencë makroskopike ose supra-molekulare, pasi shumica e parimeve mbi të cilat u themelua kanë të bëjnë me pjesën më të madhe sesa me strukturën molekulare / atomike vetëm (për shembull, ekuilibri kimik dhe koloidet ).

Disa nga marrëdhëniet që kimia fizike përpiqet të zgjidhë përfshijnë efektet e:

Forcat ndërmolekulare që veprojnë në vetitë fizike të materialeve ( plasticitet, forcë tërheqëse, tension sipërfaqësor në lëngje ).
Kinetika e reaksionit mbi shkallën e një reagimi .
Identiteti i joneve dhe përçueshmëria elektrike e materialeve.
Shkenca sipërfaqësore dhe elektrokimi i membranave qelizore . ^[1]
Ndërveprimi i një trupi me një tjetër në aspektin e sasive të nxehtësisë dhe punës që quhet termodinamikë.
Transferimi i nxehtësisë midis një sistemi kimik dhe rrethinës së tij gjatë ndryshimit të fazës ose reaksionit kimik që po ndodh që quhet termokimi.
Studimi i vetive koligative të numrit të specieve të pranishme në zgjidhje.
Numri i fazave, numri i përbërësve dhe shkalla e lirisë (ose varianca) mund të lidhen me njëra-tjetrën me ndihmën e rregullit fazor .
Reagimet e qelizave elektrokimike .

Konceptet kryesore

Konceptet kryesore të kimisë fizike janë mënyrat me të cilat fizika e pastër aplikohet për problemet kimike.

Një nga konceptet kryesore në kiminë klasike është se të gjitha komponimet kimike mund të përshkruhen si grupe të atomeve të lidhura së bashku dhe reagimet kimike mund të përshkruhen si bërja dhe prishja e këtyre lidhjeve. Parashikimi i vetive të komponimeve kimike nga një përshkrim i atomeve dhe se si ato lidhen është një nga qëllimet kryesore të kimisë fizike. Për të përshkruar saktësisht atomet dhe lidhjet, është e nevojshme të dimë të dyja ku janë bërthamat e atomeve dhe si shpërndahen elektronet rreth tyre. ^[2]

Kimi kuantike, një nënfushë e kimisë fizike e cila merret posaçërisht me aplikimin e mekanikës kuantike në problemet kimike, ofron mjete për të përcaktuar se sa të forta dhe çfarë forme janë lidhjet,^[2] si lëvizin bërthamat, dhe si drita mund të përvetësohet ose emetohet nga një kimik kompleksit. ^[3] Spektroskopia është nën-disiplina e lidhur e kimisë fizike e cila merret posaçërisht me ndërveprimin e rrezatimit elektromagnetik me materien.

Një grup tjetër i pyetjeve të rëndësishme në kimi ka të bëjë me atë lloj reagimesh që mund të ndodhin në mënyrë spontane dhe cilat veti janë të mundshme për një përzierje të caktuar kimike. Kjo studiohet në termodinamikën kimike, e cila vendos kufij në sasi, sesa mund të vazhdojë një reaksion, ose sa energji mund të shndërrohet në punë në një motor me djegie të brendshme, dhe i cili siguron lidhje midis vetive, si koeficienti i zgjerimit termik dhe shkalla e ndryshimit të entropisë me presion për një gaz ose një lëng . ^[4] Shpesh mund të përdoret për të vlerësuar nëse një reaktor ose model i motorit është i mundshëm, ose për të kontrolluar vlefshmërinë e të dhënave eksperimentale. Në një masë të kufizuar, termodinamika quasi-ekuilibri dhe jo ekuilibri mund të përshkruajnë ndryshime të pakthyeshme. ^[5] Sidoqoftë, termodinamika klasike kryesisht merret me sisteme në ekuilibër dhe ndryshime të kthyeshme dhe jo atë që ndodh në të vërtetë, ose sa shpejt, larg ekuilibrit.

Cilat reagime ndodhin dhe sa e shpejtë është tema e kinetikës kimike, një degë tjetër e kimisë fizike. Një ide kryesore në kinetikën kimike është që për reaktantët të reagojnë dhe të formojnë produkte, shumica e specieve kimike duhet të kalojnë nëpër gjendje tranzicioni të cilat janë me energji më të lartë se sa reaktantët ose produktet dhe të shërbejnë si një pengesë për reagimin. ^[6] Në përgjithësi, sa më e lartë të jetë pengesa, aq më i ngadaltë është reagimi. E dyta është se shumica e reaksioneve kimike ndodhin si një sekuencë e reaksioneve elementare, ^[7] secila me gjendjen e vet të tranzicionit. Pyetjet kryesore në kinetikë përfshijnë se si shkalla e reagimit varet nga temperatura dhe nga përqendrimet e reaktantëve dhe katalizatorëve në përzierjen e reagimit, si dhe se si katalizatorët dhe kushtet e reagimit mund të inxhinierohen për të optimizuar shkallën e reagimit.

Fakti se sa reagime të shpejta ndodhin shpesh mund të specifikohet me vetëm disa përqendrime dhe një temperaturë, në vend që të keni nevojë të njihni të gjitha pozicionet dhe shpejtësinë e çdo molekule në një përzierje, është një rast i veçantë i një koncepti tjetër kyç në kiminë fizike, e cila është se në atë masë sa një inxhinier duhet të dijë, gjithçka ndodh në një përzierje të një numri shumë të madh (mbase nga rendi i konstantës së Avogadro, 6 x 10 ²³ ) të grimcave shpesh mund të përshkruhet vetëm me disa ndryshore si presioni, temperaturën dhe përqendrimin. Arsyet e sakta për këtë janë përshkruar në mekanikën statistikore, ^[8] një specialitet brenda kimisë fizike e cila është e ndarë edhe me fizikën. Mekanika statistikore gjithashtu siguron mënyra për të parashikuar vetitë që ne shohim në jetën e përditshme nga vetitë molekulare pa u mbështetur në lidhjet empirike bazuar në ngjashmëritë kimike. ^[9]

Historia

Fragment i dorëshkrimit të M. Lomonosov 'Kimia Fizike' (1752)

Termi "kimi fizike" u krijua nga Mikhail Lomonosov në 1752, kur ai paraqiti një kurs leksionesh të titulluar "Një kurs në kiminë e vërtetë fizike" (Rusisht: «Курс слинной физической химии») para studentëve të Universitetit Petersburg . ^[10] Në parathënien e këtyre ligjëratave ai jep përkufizimin: "Kimi fizike është shkenca që duhet të shpjegojë nën dispozita të eksperimenteve fizike arsyen e asaj që po ndodh në organet komplekse përmes operacioneve kimike".

Kimia fizike moderne ka origjinën në vitet 1860-1980 me punën në termodinamikën kimike, elektrolitët në zgjidhje, kinetikë kimike dhe lëndë të tjera. Një moment historik ishte botimi në vitin 1876 nga Josiah Willard Gibbs të letrës së tij, mbi ekuilibrin e substancave heterogjene . Ky punim prezantoi disa nga gurthemelet e kimisë fizike, të tilla si energjia e Gibbs, potencialet kimike dhe rregulli i fazës së Gibbs . ^[11]

Revista e parë shkencore posaçërisht në fushën e kimisë fizike ishte revista gjermane, Zeitschrift für Physikalische Chemie, e themeluar në 1887 nga Wilhelm Ostwald dhe Jacobus Henricus van 't Hoff . Së bashku me Svante August Arrhenius, ^[12] këto ishin figurat kryesore në kiminë fizike në fund të shekullit të 19-të dhe fillim të shekullit të 20-të. Të treve iu dha Prmimi Nobel në Kimi midis viteve 1901-1909.

Zhvillimet në dekadat në vijim përfshijnë aplikimin e mekanikës statistikore në sistemet kimike dhe punën në koloide dhe kimi sipërfaqësore, ku Irving Langmuir dha shumë kontribute. Një tjetër hap i rëndësishëm ishte zhvillimi i mekanikës kuantike në kiminë kuantike që nga vitet 1930, ku Linus Pauling ishte një nga emrat kryesorë. Zhvillimet teorike kanë ecur paralelisht me zhvillimet në metodat eksperimentale, ku përdorimi i formave të ndryshme të spektroskopisë, siç janë spektroskopia infra të kuqe, spektroskopia e mikrovalës, rezonanca elektrone paramagnetike dhe spektroskopia me rezonancë magnetike bërthamore, është ndoshta zhvillimi më i rëndësishëm i shekullit të 20-të.

Zhvillimi i mëtutjeshëm në kiminë fizike mund t'i atribuohet zbulimeve në kiminë bërthamore, veçanërisht në ndarjen e izotopit (para dhe gjatë Luftës së Dytë Botërore), zbulime më të fundit në astrokimi, ^[13] si dhe zhvillimin e algoritmeve të llogaritjes në fushën e "aditivit vetitë fiziko-kimike "(praktikisht të gjitha vetitë fiziko-kimike, të tilla si pika e vlimit, pika kritike, tensioni i sipërfaqes, presioni i avullit, etj. — më shumë se 20 në të gjitha" mund të llogariten saktësisht vetëm nga struktura kimike, edhe nëse molekula kimike mbetet e pa sintetizuar), dhe këtu qëndron rëndësia praktike e kimisë fizike bashkëkohore.

Revista

Disa revista që merren me kiminë fizike përfshijnë Zeitschrift für Physikalische Chemie (1887); Gazeta e Kimisë Fizike A (nga 1896 si Journal of Kimi Fizike, riemëruar në 1997); Kimi Fizike (nga 1999, më parë Transaksione Faraday me një histori që daton nga viti 1905); Kimi dhe Fizmi Makromolekular (1947); Rishikimi vjetor i kimisë fizike (1950); Fizika Molekulare (1957); Gazeta e Kimisë Organike Fizike (1988); Gazeta e Kimisë Fizike B (1997); ChemPhysChem (2000); Gazeta e Kimisë Fizike C (2007); dhe Gazeta e Letrave të Kimisë Fizike (nga 2010, letra të kombinuara të botuara më parë në revista të ndara)

Revistat historike që kanë të bëjnë me kiminë dhe fizikën përfshijnë Annales de chimie et de fizikë (filluar në 1789, botuar me emrin e dhënë këtu nga 1815-1914).

Degët dhe temat përkatëse

Termokimia
Kinetika kimike
Kimia kuantike
Elektrokimia
Kimia fotografike
Kimia sipërfaqësore
Kimi në gjendje të ngurtë
Skopi i spektrit
Kimia biofizike
Shkenca e materialeve
Kimia fizike organike
Mikromerita

Referime

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

Linqe të jashtme

Bota e kimisë fizike (Keith J. Laidler, 1993)
Kimi Fizike nga Ostwald tek Pauling (John W. Servos, 1996)
100 vjet Kimi Fizike (Shoqëria Mbretërore e Kimisë, 2004)
Kimi Fizike: as Peshku, as Shpendët? (Joachim Schummer, Autonomia e Kimisë, Würzburg, Königshausen & Neumann, 1998, f. 135-148)
Katedralet e Shkencave Arkivuar 8 maj 2013 tek Wayback Machine (Patrick Coffey, 2008)
Historia e Shkencave e Kembrixhit: Shkencat moderne fizike dhe matematikore (Mary Jo Nye, 2003)

[1] Torben Smith Sørensen (1999). Surface chemistry and electrochemistry of membranes (në anglisht). CRC Press. fq. 134. ISBN 0-8247-1922-0.

[Atkins249-2] 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.

[Hill1-5] 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.

[Chandler-8] Chandler, David (1987). Introduction to Modern Statistical Mechanics, p. 54. Oxford University Press, New York. ISBN 978-0-19-504277-1.

[Hill12-9] Hill, Terrell L. (1986). Introduction to Statistical Thermodynamics, p. 1. Dover Publications, New York. ISBN 0-486-65242-4.

[10] Alexander Vucinich (1963). Science in Russian culture (në anglisht). Stanford University Press. fq. 388. ISBN 0-8047-0738-3.

[11] Josiah Willard Gibbs, 1876, "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances",|language=en| Transactions of the Connecticut Academy of Sciences

[12] Laidler, Keith (1993). The World of Physical Chemistry (në anglisht). Oxford: Oxford University Press. fq. 48. ISBN 0-19-855919-4.

[13] Herbst, Eric (12 maj 2005). "Chemistry of Star-Forming Regions". Journal of Physical Chemistry A (në anglisht). 109: 4017–4029. Bibcode:2005JPCA..109.4017H. doi:10.1021/jp050461c. PMID 16833724.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]