Química Física
Definición
La Química Física es el estudio de fenómenos macroscópicos, atómicos, subatómicos y particulados en sistemas químicos en términos de los principios, prácticas y conceptos de la física tales como movimiento, energía, fuerza, tiempo, termodinámica, química cuántica, mecánica estadística, dinámica analítica y equilibrio químico.La química física, en contraste con la física química, es predominantemente (pero no siempre) una ciencia macroscópica o supramolecular, ya que la mayoría de los principios sobre los que se fundó se relacionan con la estructura masiva y no solo molecular / atómica (por ejemplo , equilibrio químico y coloides).
Algunas de las relaciones que la química física se esfuerza por resolver incluyen los efectos de:
- Fuerzas intermoleculares que actúan sobre las propiedades físicas de los materiales (plasticidad, resistencia a la tracción, tensión superficial en líquidos).
- Cinética de reacción sobre la velocidad de una reacción.
- La identidad de los iones y la conductividad eléctrica de los materiales.
- Ciencia de superficie y electroquímica de membranas celulares.
- Interacción de un cuerpo con otro en términos de cantidades de calor y trabajo llamado termodinámica.
- Transferencia de calor entre un sistema químico y su entorno durante el cambio de fase o reacción química llamada termoquímica
- Estudio de propiedades coligativas del número de especies presentes en solución.
- El número de fases, el número de componentes y el grado de libertad (o varianza) pueden correlacionarse entre sí con ayuda de la regla de fase.
- Reacciones de celdas electroquímicas.
Conceptos clave
Los conceptos clave de la química física son las formas en que la física pura se aplica a los problemas químicos.
Uno de los conceptos clave en la química clásica es que todos los compuestos químicos se pueden describir como grupos de átomos unidos entre sí y las reacciones químicas se pueden describir como la creación y ruptura de esos enlaces. La predicción de las propiedades de los compuestos químicos a partir de una descripción de los átomos y cómo se unen es uno de los principales objetivos de la química física. Para describir los átomos y los enlaces con precisión, es necesario saber dónde están los núcleos de los átomos y cómo se distribuyen los electrones a su alrededor.
La química cuántica, un subcampo de la química física especialmente relacionado con la aplicación de la mecánica cuántica a los problemas químicos, proporciona herramientas para determinar qué tan fuertes y qué forma son los enlaces, cómo se mueven los núcleos y cómo un compuesto químico puede absorber o emitir luz. La espectroscopia es la subdisciplina relacionada de la química física que se ocupa específicamente de la interacción de la radiación electromagnética con la materia.
La química cuántica, un subcampo de la química física especialmente relacionado con la aplicación de la mecánica cuántica a los problemas químicos, proporciona herramientas para determinar qué tan fuertes y qué forma son los enlaces, cómo se mueven los núcleos y cómo un compuesto químico puede absorber o emitir luz. La espectroscopia es la subdisciplina relacionada de la química física que se ocupa específicamente de la interacción de la radiación electromagnética con la materia.
Otro conjunto de preguntas importantes en química se refiere a qué tipo de reacciones pueden ocurrir espontáneamente y qué propiedades son posibles para una mezcla química dada. Esto se estudia en termodinámica química, que establece límites en cantidades como qué tan lejos puede proceder una reacción, o cuánta energía puede convertirse en trabajo en un motor de combustión interna, y que proporciona enlaces entre propiedades como el coeficiente de expansión térmica y la tasa de cambio de entropía con presión para un gas o un líquido. Se puede usar con frecuencia para evaluar si un diseño de reactor o motor es factible, o para verificar la validez de los datos experimentales. Hasta cierto punto, la termodinámica de cuasiequilibrio y no equilibrio puede describir cambios irreversibles. Sin embargo,
Qué reacciones ocurren y qué tan rápido es el sujeto de la cinética química, otra rama de la química física. Una idea clave en la cinética química es que para que los reactivos reaccionen y formen productos, la mayoría de las especies químicas deben atravesar estados de transición con mayor energía que los reactivos o los productos y que sirven como barrera para la reacción. En general, cuanto mayor es la barrera, más lenta es la reacción. Un segundo es que la mayoría de las reacciones químicas ocurren como una secuencia de reacciones elementales, cada una con su propio estado de transición. Las preguntas clave en cinética incluyen cómo la velocidad de reacción depende de la temperatura y de las concentraciones de reactivos y catalizadores en la mezcla de reacción, así como de cómo se pueden diseñar los catalizadores y las condiciones de reacción para optimizar la velocidad de reacción.
El hecho de que cuán rápido se producen las reacciones puede especificarse con solo unas pocas concentraciones y una temperatura, en lugar de necesitar conocer todas las posiciones y velocidades de cada molécula en una mezcla, es un caso especial de otro concepto clave en la química física, que es que, en la medida en que un ingeniero necesita saber, todo lo que sucede en una mezcla de números muy grandes (quizás del orden de la constante de Avogadro, 6 x 10) de partículas a menudo se puede describir con solo algunas variables como presión, temperatura y concentración Las razones precisas para esto se describen en Mecánica estadística, una especialidad dentro de la química física que también se comparte con la física.
Historia
El término "química física" fue acuñado por Mikhail Lomonosov en 1752, cuando presentó un curso de conferencias titulado "Un curso en química física verdadera" (en ruso: «Курс истинной физической химии») ante los estudiantes de la Universidad de Petersburg. En el preámbulo de estas conferencias da la definición: "La química física es la ciencia que debe explicar, en virtud de las disposiciones de los experimentos físicos, la razón de lo que está sucediendo en los cuerpos complejos a través de operaciones químicas".
La química física moderna se originó en los años 1860 a 1880 con el trabajo en termodinámica química, electrolitos en soluciones, cinética química y otros temas. Un hito fue la publicación en 1876 por Josiah Willard Gibbs de su artículo, Sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas . Este documento presentó varias de las piedras angulares de la química física, como la energía de Gibbs, los potenciales químicos y la regla de fase de Gibbs. Otros hitos incluyen la posterior denominación y acreditación de entalpía para Heike Kamerlingh Onnes y procesos macromoleculares.
La primera revista científica específicamente en el campo de la química física fue la revista alemana Zeitschrift für Physikalische Chemie , fundada en 1887 por Wilhelm Ostwald y Jacobus Henricus van 't Hoff. Junto con Svante August Arrhenius, estas fueron las principales figuras en química física a fines del siglo XIX y principios del XX. Los tres fueron galardonados con el Premio Nobel de Química entre 1901-1909.
Los desarrollos en las décadas siguientes incluyen la aplicación de la mecánica estadística a los sistemas químicos y el trabajo en coloides y química de superficie, donde Irving Langmuir hizo muchas contribuciones. Otro paso importante fue el desarrollo de la mecánica cuántica en la química cuántica de la década de 1930, donde Linus Pauling fue uno de los principales nombres. Los desarrollos teóricos han ido de la mano con desarrollos en métodos experimentales, donde el uso de diferentes formas de espectroscopía, como espectroscopía infrarroja, espectroscopía de microondas, resonancia paramagnética de electrones y espectroscopia de resonancia magnética nuclear, es probablemente el desarrollo más importante del siglo XX.
Un mayor desarrollo en química física puede atribuirse a descubrimientos en química nuclear, especialmente en la separación de isótopos (antes y durante la Segunda Guerra Mundial), descubrimientos más recientes en astroquímica, así como el desarrollo de algoritmos de cálculo en el campo de "propiedades fisicoquímicas aditivas" (prácticamente todas las propiedades fisicoquímicas, como punto de ebullición, punto crítico, tensión superficial, presión de vapor, etc. -más de 20 en total- pueden calcularse con precisión solo a partir de la estructura química, incluso si la molécula química permanece sin sintetizar), y aquí se encuentra la importancia práctica de la química física contemporánea.
Véase el método de contribución grupal, el método de Lydersen, el método de Joback, la teoría de incremento de los grupos de Benson, la relación estructura-actividad cuantitativa
Revistas
Algunas revistas que se ocupan de la química física incluyen Zeitschrift für Physikalische Chemie (1887); Revista de Química Física A (desde 1896 como Revista de Química Física , renombrada en 1997); Física Química Física Química (desde 1999, anteriormente Transacciones de Faraday con una historia que data de 1905); Macromolecular Chemistry and Physics (1947); Annual 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); y el Journal of Physical Chemistry Letters (desde 2010, cartas combinadas previamente publicadas en las revistas por separado)
Las revistas históricas que cubrieron tanto la química como la física incluyen Annales de chimie et de physique (iniciada en 1789, publicada bajo el nombre dado aquí desde 1815-1914).