Physikalische Chemie - Physical chemistry

Physikalische Chemie ist das Studium makroskopischer und partikulärer Phänomene in chemischen Systemen in Bezug auf die Prinzipien, Praktiken und Konzepte der Physik wie Bewegung , Energie , Kraft , Zeit , Thermodynamik , Quantenchemie , statistische Mechanik , analytische Dynamik und chemische Gleichgewichte .

Die physikalische Chemie ist im Gegensatz zur chemischen Physik überwiegend (aber nicht immer) eine makroskopische oder supramolekulare Wissenschaft, da sich die meisten Grundlagen, auf denen sie beruht, eher auf die Masse als auf die molekulare/atomare Struktur allein beziehen (z , chemisches Gleichgewicht und Kolloide ).

Einige der Beziehungen, die die physikalische Chemie aufzulösen versucht, umfassen die Auswirkungen von:

  1. Intermolekulare Kräfte , die auf die physikalischen Eigenschaften von Materialien einwirken ( Plastizität , Zugfestigkeit , Oberflächenspannung in Flüssigkeiten ).
  2. Reaktionskinetik über die Geschwindigkeit einer Reaktion .
  3. Die Identität von Ionen und die elektrische Leitfähigkeit von Materialien.
  4. Oberflächenwissenschaft und Elektrochemie von Zellmembranen .
  5. Die Wechselwirkung eines Körpers mit einem anderen in Bezug auf Wärme- und Arbeitsmengen wird als Thermodynamik bezeichnet .
  6. Wärmeübertragung zwischen einem chemischen System und seiner Umgebung während eines Phasenwechsels oder einer chemischen Reaktion, die als Thermochemie bezeichnet wird
  7. Untersuchung der kolligativen Eigenschaften einer Reihe von Spezies, die in Lösung vorhanden sind.
  8. Anzahl der Phasen, Anzahl der Komponenten und Freiheitsgrad (oder Varianz) können mit Hilfe der Phasenregel miteinander korreliert werden .
  9. Reaktionen elektrochemischer Zellen .
  10. Verhalten mikroskopischer Systeme mit Quantenmechanik und makroskopischer Systeme mit statistischer Thermodynamik .

Schlüssel Konzepte

Die Schlüsselkonzepte der physikalischen Chemie sind die Art und Weise, wie die reine Physik auf chemische Probleme angewendet wird.

Eines der Schlüsselkonzepte in der klassischen Chemie ist, dass alle chemischen Verbindungen als aneinander gebundene Atomgruppen beschrieben werden können und chemische Reaktionen als das Herstellen und Aufbrechen dieser Bindungen beschrieben werden können. Die Eigenschaften chemischer Verbindungen aus der Beschreibung von Atomen und ihrer Bindung vorherzusagen, ist eines der Hauptziele der physikalischen Chemie. Um die Atome und Bindungen genau zu beschreiben, muss man sowohl wissen, wo sich die Atomkerne befinden, als auch wie die Elektronen um sie herum verteilt sind.
Die Quantenchemie , ein Teilgebiet der physikalischen Chemie, das sich insbesondere mit der Anwendung der Quantenmechanik auf chemische Probleme befasst, bietet Werkzeuge zur Bestimmung, wie stark und welche Form Bindungen haben, wie sich Kerne bewegen und wie Licht von einer chemischen Verbindung absorbiert oder emittiert werden kann. Die Spektroskopie ist die verwandte Teildisziplin der physikalischen Chemie, die sich speziell mit der Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Materie beschäftigt.

Eine weitere Reihe wichtiger Fragen in der Chemie betrifft, welche Reaktionen spontan ablaufen können und welche Eigenschaften für ein bestimmtes chemisches Gemisch möglich sind. Dies wird in der chemischen Thermodynamik untersucht , die Größen wie dem Verlauf einer Reaktion oder der Umwandlung von Energie in Arbeit in einem Verbrennungsmotor Grenzen setzt und Verbindungen zwischen Eigenschaften wie dem Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Änderungsgeschwindigkeit herstellt die Entropie mit Druck für ein Gas oder eine Flüssigkeit . Es kann häufig verwendet werden, um zu beurteilen, ob ein Reaktor- oder Triebwerksdesign durchführbar ist, oder um die Gültigkeit experimenteller Daten zu überprüfen. In begrenztem Umfang können Quasi-Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichts-Thermodynamik irreversible Veränderungen beschreiben. Die klassische Thermodynamik befasst sich jedoch hauptsächlich mit Systemen im Gleichgewicht und reversiblen Veränderungen und nicht mit dem, was tatsächlich passiert oder wie schnell vom Gleichgewicht entfernt wird.

Welche Reaktionen ablaufen und wie schnell, ist Gegenstand der chemischen Kinetik , einem weiteren Teilgebiet der physikalischen Chemie. Eine Schlüsselidee in der chemischen Kinetik ist, dass die meisten chemischen Spezies Übergangszustände durchlaufen müssen, die eine höhere Energie als die Reaktanten oder die Produkte haben und als Reaktionsbarriere dienen , damit Reaktanten reagieren und Produkte bilden können. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Barriere, desto langsamer die Reaktion. Eine zweite ist, dass die meisten chemischen Reaktionen als Folge von Elementarreaktionen ablaufen , jede mit ihrem eigenen Übergangszustand. Zu den Schlüsselfragen der Kinetik gehören, wie die Reaktionsgeschwindigkeit von der Temperatur und von den Konzentrationen der Reaktanten und Katalysatoren in der Reaktionsmischung abhängt , sowie wie Katalysatoren und Reaktionsbedingungen konstruiert werden können, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu optimieren.

Die Tatsache, dass die Reaktionsgeschwindigkeit oft mit wenigen Konzentrationen und einer Temperatur angegeben werden kann, anstatt alle Positionen und Geschwindigkeiten jedes Moleküls in einer Mischung kennen zu müssen, ist ein Sonderfall eines weiteren Schlüsselbegriffs der physikalischen Chemie, der ist, dass, soweit ein Ingenieur wissen muss, alles, was in einer Mischung aus sehr großen Zahlen (vielleicht in der Größenordnung der Avogadro-Konstante , 6 x 10 23 ) von Partikeln vor sich geht, oft durch nur wenige Variablen wie Druck, Temperatur und Konzentration. Die genauen Gründe dafür werden in der statistischen Mechanik beschrieben , einer Spezialität innerhalb der physikalischen Chemie, die auch mit der Physik geteilt wird. Die statistische Mechanik bietet auch Möglichkeiten, die Eigenschaften, die wir im täglichen Leben sehen, aus molekularen Eigenschaften vorherzusagen, ohne sich auf empirische Korrelationen basierend auf chemischen Ähnlichkeiten zu verlassen.

Geschichte

Fragment von M. Lomonosovs Manuskript "Physical Chemistry" (1752)

Der Begriff "physikalische Chemie" wurde 1752 von Mikhail Lomonosov geprägt , als er vor den Studenten der Petersburger Universität eine Vorlesung mit dem Titel "Ein Kurs in wahrer physikalischer Chemie" (russisch: «Курс истинной физической химии») hielt . In der Präambel dieser Vorlesungen gibt er die Definition: "Die physikalische Chemie ist die Wissenschaft, die im Rahmen physikalischer Experimente den Grund für das, was in komplexen Körpern durch chemische Operationen geschieht, erklären muss".

Die moderne physikalische Chemie entstand in den 1860er bis 1880er Jahren mit Arbeiten zu chemischer Thermodynamik , Elektrolyten in Lösungen, chemischer Kinetik und anderen Themen. Ein Meilenstein war die Veröffentlichung seines Aufsatzes On the Equilibrium of Heterogeneous Substances durch Josiah Willard Gibbs im Jahr 1876 . In diesem Artikel wurden einige der Eckpfeiler der physikalischen Chemie vorgestellt, wie die Gibbs-Energie , die chemischen Potentiale und die Gibbs-Phasenregel .

Die erste wissenschaftliche Zeitschrift speziell auf dem Gebiet der physikalischen Chemie war die deutsche Zeitschrift für Physikalische Chemie , die 1887 von Wilhelm Ostwald und Jacobus Henricus van't Hoff gegründet wurde . Zusammen mit Svante August Arrhenius waren sie die führenden Persönlichkeiten der physikalischen Chemie im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert. Alle drei erhielten zwischen 1901 und 1909 den Nobelpreis für Chemie .

Zu den Entwicklungen in den folgenden Jahrzehnten gehören die Anwendung der statistischen Mechanik auf chemische Systeme und Arbeiten zu Kolloiden und Oberflächenchemie , zu denen Irving Langmuir viele Beiträge lieferte. Ein weiterer wichtiger Schritt war die Entwicklung der Quantenmechanik zur Quantenchemie ab den 1930er Jahren, wo Linus Pauling einer der führenden Namen war. Theoretische Entwicklungen gingen Hand in Hand mit Entwicklungen in experimentellen Methoden, wobei der Einsatz verschiedener Formen der Spektroskopie , wie Infrarotspektroskopie , Mikrowellenspektroskopie , paramagnetische Elektronenresonanz- und Kernspinresonanzspektroskopie , wahrscheinlich die wichtigste Entwicklung des 20. Jahrhunderts ist.

Die weitere Entwicklung in der physikalischen Chemie kann zu Entdeckungen zurückzuführen Kernchemie , vor allem in Isotopentrennung (vor und während des Zweiten Weltkriegs), neuere Entdeckungen in Astrochemie , sowie die Entwicklung von Berechnungsalgorithmen auf dem Gebiet der „additive physikalisch - chemischen Eigenschaften“ (praktisch alle physikalisch-chemischen Eigenschaften wie Siedepunkt, kritischer Punkt, Oberflächenspannung, Dampfdruck usw. – insgesamt mehr als 20 – können allein aus der chemischen Struktur genau berechnet werden, selbst wenn das chemische Molekül nicht synthetisiert bleibt) und hierin liegt die praktische Bedeutung der zeitgenössischen physikalischen Chemie.

Siehe Gruppenbeitragsmethode , Lydersen-Methode , Joback-Methode , Benson-Gruppeninkrement-Theorie , quantitative Struktur-Aktivitäts-Beziehung

Zeitschriften

Einige Zeitschriften, die sich mit physikalischer Chemie befassen, sind die Zeitschrift für Physikalische Chemie (1887); Journal of Physical Chemistry A (ab 1896 als Journal of Physical Chemistry , 1997 umbenannt); Physikalische Chemie Chemische Physik (ab 1999, ehemals Faraday Transactions mit einer Geschichte bis 1905); Makromolekulare Chemie und Physik (1947); Jahresübersicht der Physikalischen Chemie (1950); Molekularphysik (1957); Zeitschrift für physikalische organische Chemie (1988); Zeitschrift für Physikalische Chemie B (1997); ChemPhysChem (2000); Zeitschrift für Physikalische Chemie C (2007); und Journal of Physical Chemistry Letters (ab 2010, kombinierte Briefe zuvor in den separaten Zeitschriften veröffentlicht)

Zu den historischen Zeitschriften, die sowohl Chemie als auch Physik behandelten, gehören Annales de chimie et de physique (seit 1789, veröffentlicht unter dem hier angegebenen Namen von 1815 bis 1914).

Branchen und verwandte Themen

Siehe auch

Verweise

Externe Links