Фізична хімія

Фізи́чна хі́мія — галузь науки, що вивчає хімічні явища та процеси на основі загальних принципів фізики з використанням фізичних експериментальних методів.

На відміну від хімічної фізики, яка використовує більш мікроскопічний підхід, фізична хімія застосовує фізичні поняття для вивчення макро- і мезоскопічних систем. Проте, оскільки фізична хімія є міждисциплінарною наукою, класифікувати конкретне дослідження як чисто фізичне, хімічне, приналежне до фізичної хімії чи до хімічної фізики, часто доволі складно.

Історія

Термін фізична хімія першим використав Михайло Ломоносов у своєму курсі лекцій 1752 року «Курс истинной физической химии». Однак, у сучасному розумінні фізична хімія почала складатися у другій половині 19 ст. із розвитком хімічної термодинаміки. Визначний внесок у становлення фізичної хімії зробив Джозая Віллард Ґіббс, запровадивши такі терміни як вільна енергія Гіббса, хімічний потенціал, сформулювавши правило фаз. Водночас із термодинамікою у другій половині 19 ст. почався розвиток хімічної кінетики, яка вивчає швидкість хімічних реакцій, та хімії електролітів. Провідними дослідниками в цих областях були Вільгельм Оствальд, Якоб Гендрік Вант-Гофф, Сванте Август Арреніус.

Розвиток спектроскопії, рентгенівських методів досліджень, методів електронного та ядерного магнітного резонансів надав хімікам нові інструменти й розширив можливості їхніх досліджень. Виникла можливіть установлення взаємозв'язку між хімічною структурою та властивостями речовин. Квантова механіка призвела до появи квантової хімії.

У 20 ст. методи фізичної хімії стали застосовуватися для вивчення колоїдів та поверхневих властивостей речовин, сформувалися колоїдна хімія та хімія поверхні. Завдяки розвитку ядерної фізики виникла також і ядерна хімія, серед задач якої виділяється проблема розділення ізотопів та використання радіоізотопів у радіохімії. Серед провідних дослідників у галузі фізичної хімії в 20 ст. виділяються Ірвінг Ленгмюр та Лайнус Полінг.

Основні напрямки досліджень

Основними напрямками досліджень фізичної хімії є:

• Теорія хімічної будови. Вивчення будови хімічних речовин і проміжних частинок у хімічних процесах із використанням фізико-хімічних методів.
• Теорія хімічних реакцій, кінетика й механізм реакцій у газах, рідинах, твердих тілах і молекулярно організованих системах.
• Хімічна термодинаміка й фазова рівновага в хімічних системах.
• Поверхневі явища: адсорбція, адсорбенти, іонообмінники.
• Фотохімічні явища та процеси.
• Хімічний зв'язок, міжмолекулярна взаємодія, теорія розчинів.
• Взаємозв'язок хімічної будови речовин з їх реакційною здатністю.
• Елементарні акти механізмів динаміки хімічних процесів.
• Вплив фізичних факторів — температури, тиску, ультрафіолетового, інфрачервоного, радіаційного та інших видів випромінювання, електричного та магнітного полів тощо на хімічні процеси.
• Нові фізико-хімічні методи досліджень.
• Хімія ізотопів та радіохімія.

Розділи фізичної хімії

• Теоретична хімія — дослідження та передбачення властивостей окремих молекул чи макроскопічних кількостей речовини за допомогою математичного апарату та комп'ютерних симуляцій. Для розуміння будови матерії та хімічного зв'язку використовуються квантова механіка, а статистична термодинаміка дозволяє знайти взаємозв'язок із хімічною термодинамікою макроскопічних об'єктів.
• Будова речовини, властивості молекул, іонів, радикалів, природу хімічного зв'язку — у цей розділ входить вчення про будову атомів і молекул і вчення про агрегатні стани речовини. Вчення про будову атома, що відноситься більшою мірою до фізики, в курсах фізичної хімії необхідне для з'ясування питань утворення молекул з атомів, природи хімічного зв'язку.
• Хімічна термодинаміка — в цьому розділі фізичної хімії розглядаються основні співвідношення, що випливають з першого закону термодинаміки, які дозволяють розрахувати кількість теплоти, що виділяється або поглинається і визначити, як буде впливати на це зміна зовнішніх умов. На основі другого закону термодинаміки визначається можливість самовільного перебігу процесу, а також умови положення рівноваги і його зміщення під впливом зміни зовнішніх умов. У даному розділі також можна виділити кілька підрозділів:
  • Термодинаміка газів
  • Термодинаміка розчинів розглядає природу розчинів, їх внутрішню структуру і найважливіші властивості, залежність властивостей від концентрації і хімічної природи компонентів та питання розчинності.
  • Термодинаміка адсорбції
  • Статистична термодинаміка дозволяє отримувати термодинамічні параметри системи виходячи з будови компонентів системи та зовнішніх умов.
• Хімічна кінетика — вивчає швидкість хімічних реакцій, її залежність від зовнішніх умов (температура, концентрація). Є одним з найважливіших розділів хімії, показує який саме продукт утворюється в складній системі
• Електрохімія вивчає деякі особливості властивостей розчинів електролітів, електропровідність розчинів, процеси електролізу речовини)
• Звукохімія (акустохімія) вивчає хімічні процеси, що протікають при дії звукових хвиль.
• Потенціометрія — область фізичної хімії, що використовує різні електрохімічні і термодинамічні методи, також методи аналітичної хімії.
• Спектроскопія — загальне поняття, що охоплює клас експериментальних досліджень, які вивчають як зразки речовини віддають чи адсорбують енергію у формах електромагнітного випромінювання (радіохвилі, світлові, інфрачервоні, ультрафіолетові-, рентгенівські промені тощо). Метою спектроскопії на основі отриманого спектру зробити висновки про внутрішню структуру речовини, її склад чи динаміку процесів у матерії.

Провідні наукові журнали

До переліку провідних наукових журналів входять:

• Zeitschrift für Physikalische Chemie (1887)
• Journal of Physical Chemistry A (з 1896 під назвою Journal of Physical Chemistry, перейменовано 1997 року)
• Physical Chemistry Chemical Physics (з 1999, раніше, з 1905 видавався як Faraday Transactions)
• 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 (з 2010)

Фізична хімія в Україні

В Україні дослідження з фізичної хімії проводяться в Інституті фізичної хімії НАНУ, Інтституті колоїдної хімії та хімії води та в інших науково-дослідних і науково-технічних інститутах, на хімічних факультетах університетів.

Значення фізичної хімії у техніці та повсякденному житті

Фізична хімія охоплює дослідження багатьох об'єктів із значним потенціалом їх використання у техніці та повсякденному житті та життєдіяльності людини.

• Так наприклад Нобелівську премію за дослідження хімічної кінетики реакцій утворення та розщеплення озону, який відіграє важливу роль у житті людини отримали Пауль Крутцен, Маріо Моліна та Шервуд Роуленд, відомі фізико-хіміки.
• Без застосування галузі фізичної хімії - електрохімії неможливо створювати нові електрохімічні джерела енергії для, наприклад, мобільних телефонів чи ноутбуків.
• Практично у кожному автомобілі присутній лямбда-зонд, який проводить аналіз вихлопних газів та пов'язує їхній склад зі складом паливно-повітряної суміші, і створення якого без вивчення фізико-хімічних процесів було би неможливим. З ним відповідно пов'язане економічне та ефективне використання пального та зменшення шкідливих вихлопних газів.
• Фізична хімія, а особливо її галузь - теоретична хімія все частіше використовується для фармацевтичної індустрії і створення нових медичних препаратів.
• Фізична хімія є ключовою дисципліною для розвитку та розуміння процесів у нанотехнології.
• Завдяки дослідженню процесів каталізу та поверхневих процесів розвивається технологія виробництва аміаку та мінеральних добрив, пов'язаних із забезпеченням людей достатньою кількістю продуктів.

Література

• ВАК України. Паспорт спеціальності. N 17-09/1 від 29.01.98
• Гомонай В. І., Гомонай О. В. Фізична хімія. — Ужгород: Патент, 2004. — 712 с.
• Даниэльс Ф., Альберти Р. Физическая химия. — М.: Высшая школа, 1967. — 784 с.
• Киреев В. А. Курс физической химии. — М.: Химия, 1975. — 776 с.
• Эткинс Д. Физическая химия. — М.: Мир, 1980. — 293+584 с.

Посилання

• Інститут фізичної хімії ім. Л. В. Писаржевського НАН України
• Physical Chemistry: neither Fish nor Fowl? (англ.) У Joachim Schummer, The Autonomy of Chemistry, Würzburg, Königshausen & Neumann, 1998, pp. 135–148)