Chimia fizică studiază aspectele macroscopice și microscopice ale sistemelor chimice. Cheia înțelegerii acestei științe constă în cuvântul cheie „fizică” ce implică faptul că această știință examinează forțele care acționează asupra proprietăților fizice ale materialelor. Dar acesta este doar vârful aisbergului chimiei fizice, fiind o materie complexă ai mult mai multe de învățat.
Conceptele chimiei fizice, bazele și importanța
În copilărie, Wilhelm Ostwald a fost interesat de știință, dar a studiat filosofia, arta și științele umaniste la universitate. Și-a finalizat studiile în 1875. După absolvire, a ocupat un post neplătit de asistent de laborator, lucrând sub comanda chimistului Carl Schmidt. Acolo, și-a petrecut timpul învățând despre chimia anorganică și despre reacțiile chimice.
Am putea spune că știința l-a captivat. Încă din poziția sa neremunerată, a avansat tot mai adânc, punând sub semnul întrebării afinitatea și reactivitatea substanțelor chimice. A dezvoltat modele tridimensionale pentru a explica aceste fenomene și altele. De asemenea, a investigat electrochimia, dinamica chimică și acțiunea masei.
Wilhelm Ostwald a publicat prima ediție a revistei în 1877. Au colaborat Svante August Arrhenius și Jacobus Henricus van Hoff.
Wilhelm Ostwald este adesea proclamat ca și părintele chimiei fizice. Wilhelm se descria pe sine ca fiind un om reticent, abătut de la preocupările sale inițiale.
De remarcat, s-a întors la artă și filosofie și și-a lăsat amprenta în politică după ce a absolvit universitatea. Cu toate acestea, timp de aproximativ 30 de ani, știința l-a captivat, ceea ce l-a condus la numeroase premiere în domeniul chimiei fizice.
Calea chimiei fizice către a deveni o știință
Polimatul rus Mihail Lomonosov a stabilit conceptul de chimie fizică în 1752, în timpul unei prelegeri. Teoria a rămas neatinsă timp de peste un secol. Dar, în acele vremuri de început, studiul chimiei nu era unificat și nici nu avea o traiectorie specifică. Această cale a apărut abia atunci când Dmitri Mendeleev a stabilit Tabelul Periodic al Elementelor în 1871.
În acea perioadă, interesul pentru proprietățile fizice ale acțiunii chimice creștea. Până în 1880, începuseră lucrările asupra termodinamicii și cineticii chimice, printre alte fenomene.
și descriere
Munca lui Ostwald asupra acestor concepte în acea epocă a contribuit mult la avansarea acestei științe. De-a lungul carierei sale academice de aproximativ 30 de ani, a contribuit cu peste 500 de lucrări de cercetare și 45 sau mai multe cărți.
Publicarea la momentul oportun a Revistei de Chimie Fizică a deschis porțile, cimentând chimia fizică ca o subdisciplină distinctă a studiului chimiei.
Această publicație a inclus articole despre descoperiri chimice conexe, inclusiv teorii chimice analitice. Revista este încă tipărită și astăzi, servind drept forum și sursă de informații atât pentru studenții, cât și pentru cercetătorii din domeniul chimiei fizice.
Conceptele chimiei fizice
Chimia analitică, cea care folosește lichide pentru a provoca reacții, este tipul de chimie cel mai cunoscut. Putem cuantifica aceste reacții: soluțiile își schimbă culorile și stările, de exemplu.
În sens opus, chimia fizică lucrează cu ceea ce nu putem vedea - și, adesea, de ceea ce este dificil de măsurat. De exemplu, ce se întâmplă cu legăturile chimice atunci când sunt supuse căldurii? Cum se mișcă atomii atunci când este introdus un catalizator - un element care provoacă o reacție?
Mai jos vom prezenta conceptele studiilor de chimie fizică. Deși cu greu s-ar putea spune că această știință are domenii „principale”, următoarele cinci sunt concepte de bază în acest domeniu.
Termodinamică
Așa cum sugerează și numele, termodinamica se ocupă de căldură, temperatură și lucru mecanic. În special în relația lor cu entropia și energia, precum și cu proprietățile fizice ale materiei. Studiul termodinamicii are aplicații largi, de la chimie fizică și inginerie mecanică până la meteorologie.
Relația dintre energie și reacțiile chimice sau o schimbare fizică de stare.
Pe scurt, atunci când are loc o reacție chimică, aceasta generează o anumită cantitate de energie (și căldură). Același lucru este valabil și atunci când se aplică căldură. Imaginează-ți, de exemplu, fierberea apei, care o face să treacă de la starea lichidă la cea de vapori. Cercetătorii studiază spontaneitatea acestor transformări în diferite condiții.
Cinetică chimică
Termodinamica se ocupă de direcția în care au loc reacțiile, dar nu și de viteza reacțiilor chimice. Aceasta este sfera de competență a cineticii chimice. Acest concept investighează modul în care condițiile experimentale influențează reacțiile chimice.
Aceste studii au ca rezultat o înțelegere a stărilor de tranziție și a mecanismelor reacțiilor. Pe baza acestor date, oamenii de știință pot construi modele matematice pentru a descrie reacțiile chimice și caracteristicile acestora.
Echilibrul chimic
Atingerea echilibrului chimic înseamnă ajungerea la o stare în care concentrația unui reactant este egală cu cea a unui produs. În această stare, nu se va mai produce nicio modificare, nici măcar în timp. Demonstrăm echilibrul chimic atunci când reacția directă are loc cu aceeași viteză ca și reacția inversă.
1. Conversia reactanților în produși.
2. Conversia produselor în reactanți.
Echilibrul chimic este atunci când aceste reacții au loc în același timp. Formula sa este:
aA + bB ⇌ cC + dD
Mecanică statistică
Acest concept matematic aplică statistica și teoria probabilităților la agenții microscopici acumulați și are o legătură directă cu termodinamica, așa cum a apărut din studiile termodinamice clasice.
Termodinamica se concentrează pe echilibru; mecanica statistică se învârte în jurul modelării vitezei proceselor ireversibile pe care le provoacă dezechilibrele.
Instrumentul pentru prezicerea modului în care se comportă sistemele pe măsură ce respectă principiul bilanțului detaliat.
Bilanțul detaliat se bazează pe concepte cinetice și termodinamice. Înțelegerea acestor legături interconectate este cheia pentru explicarea conceptelor generale de chimie, inclusiv a celor prezente în studiile de biochimie.
Mecanica cuantică
Această teorie descrie fenomenele naturale la nivel subatomic. Formează fundamentul studiilor fizicii cuantice și explică ceea ce fizica clasică nu poate explica. Această explicație este suficientă pentru a vedea relația sa cu studiile din chimia fizică.
Cum se leagă chimia fizică de alte ramuri ale chimiei?
A studia chimia este ca și cum ai curăța o ceapă. Fiecare subdisciplină se leagă de cele de mai sus și de mai jos sau se bazează pe acestea. Am putea spune că domeniul acesta ajută la explicarea tuturor celorlalte ramuri ale chimiei.
studiază structurile, proprietățile și reacțiile compușilor organici.
explică stabilitatea moleculară, mecanismele de reacție, factorii de reacție
Putem defini și relația dintre chimia fizică și alte tipuri de chimie.
se concentrează pe identificarea, separarea și cuantificarea substanțelor chimice.
oferă tehnicile și echipamentele necesare pentru a defini focalizarea analitică.
Chimia anorganică este un alt domeniu în care chimia fizică joacă un rol important. Această ramură a științei se străduiește să înțeleagă comportamentul și proprietățile compușilor anorganici. Acest efort ar fi imposibil fără a înțelege mai întâi conceptele chimiei fizice.
În mod similar, biochimia este studiul proceselor chimice ale organismelor vii. Conceptele de chimie fizică, cum ar fi cinetica și termodinamica, ajută la definirea și clarificarea proceselor și reacțiilor biochimice.
Să reflectăm, pentru o clipă, asupra intrării relativ târzii a chimiei fizice în spectrul studiilor chimiei. Întrucât atât de multe dintre aspectele acestei ramuri apar în studiile de chimie „moștenită”, am putea spune despre chimia fizică a fost un lucru constant. Pur și simplu nu și-a primit propria definiție decât mult mai târziu.
Care sunt exemplele de chimie fizică?
Explicarea științei este foarte distractivă pentru mințile cu această orientare. Dar ce înseamnă toate acestea pentru lumea practică? Acestea sunt câteva dintre cele mai evidente rezultate ale aplicării acestor principii:
Materiale și substanțe noi
Medicamente și farmacologie
Nanotehnologie
Fibra de carbon este un exemplu excelent de chimie fizică în acțiune. Produsă pentru prima dată în 1860 pentru a fi utilizată în becuri, aceasta era prea nesigură pentru orice scop practic.
Materialele ușoare din fibră de carbon sunt utilizate în aviație și în alte aplicații la temperaturi ridicate. Orice, de la mașinile de curse la îmbrăcămintea de protecție, conține fibre de carbon.
Dacă ai luat vreodată o tabletă de paracetamol sau alt medicament, mulțumește chimiștilor fizicii pentru siguranța lor. Cercetările lor acoperă totul, de la biodisponibilitatea medicamentului (cât din acesta este absorbit de organism), până la cât de stabile sunt și cât de repede se dizolvă.
În ultima vreme, mass-media a vorbit mult despre nanotehnologie, în special în ceea ce privește semiconductorii. Și aici, chimia fizică se află în avangarda descoperirilor. Dacă nu ar fi fost înțelegerea noastră despre nanoparticule și proprietățile acestora, nu am fi putut prezice comportamentul lor în diverse condiții.
Aceasta ar însemna sfârșitul potențialului inteligenței artificiale, al supercomputerelor și (aproape) al oricăror alte progrese electronice.
Ce fac chimiștii fizicieni?
O mare parte din munca chimiștilor fizicieni se învârte în jurul cercetării. Indiferent dacă lucrează în medii industriale sau în unități academice, accentul lor se pune pe descoperirea și înțelegerea proceselor chimice. Aceștia pot lucra la îmbunătățirea produselor sau la crearea de noi materiale și substanțe.
Dacă nu devii profesor, chimia fizică nu este un domeniu deschis publicului. Același lucru este valabil și pentru oricine cercetează chimia organică.
Totuși, chiar și acei profesioniști au puțin mai multe șanse să lucreze cu publicul.
Dacă nu îți dedici cariera cercetării academice, este probabil să devii un chimist la toate, mai degrabă decât un specialist în domeniul tău.
Totuși, dacă ești dornic să lucrezi în cercetarea mediului, producția de energie sau formularea de noi materiale, studiile de chimie fizică te vor ajuta să-ți atingi obiectivele.
La fel și un tutore de fizică-chimie Superprof, fiind una dintre cele mai dificil de înțeles subspecialități, câteva sesiuni cu un tutore privat îți vor oferi o mai bună înțelegere a acestor concepte și a altora de chimie.
Ți-a plăcut acest articol? Lasă o notă!
Încarc...
