Fizikālā ķīmija — definīcija, pamatjēdzieni un pētījumu jomas

Fizikālā ķīmija izmanto fiziku, lai pētītu ķīmiskās sistēmas. Tā aplūko procesus un īpašības gan makroskopiskā, gan atomārā, subatomārā un daļiņu līmenī. Fizikālā ķīmija koncentrējas uz tādiem pamatjēdzieniem kā kustība, enerģija, spēks, laiks, termodinamika, kvantu ķīmija, statistiskā mehānika un dinamika. Šie jēdzieni palīdz izprast, kā un kāpēc notiek ķīmiskas pārveidošanās, kā mainās materiālu īpašības ar temperatūru, spiedienu un laiku, un kā molekulas mijiedarbojas savā starpā.

Fizikālā ķīmija nav tas pats, kas ķīmiskā fizika. Fizikālā ķīmija lielākoties ir makroskopiska vai virsmolekulāra zinātne un bieži apkopo termodinamikas un kinētikas principus, lai raksturotu reakciju vispārējās īpašības. Lielākā daļa fizikālās ķīmijas jēdzienu attiecas uz kopējām īpašībām, ne tikai uz molekulāro vai atomāro struktūru. Tie ietver tādus jēdzienus kā ķīmisko līdzsvaru un koloīdus, bet tikpat svarīgas ir arī virsmas procesi, plūdi un pārejas stāvokļi.

Dažas no attiecībām un jautājumiem, ko mēģina atrisināt fizikālā ķīmija, ir šādas:

Pamatjēdzieni īsumā

• Termodinamika: pēta enerģijas un entropijas izmaiņas sistēmā. Bieži lietotie jēdzieni: brīvā enerģija (ΔG = ΔH − TΔS), entalpija (ΔH), entropija (S) un līdzsvara konstantes.
• Ķīmiskā kinētika: nodarbojas ar reakcijas ātrumu un mehānismiem. Tipiski lieto Arrheniusa likumu: k = A · exp(−Ea/RT), kur Ea ir aktivācijas enerģija.
• Kvantmekānika un kvantu ķīmija: apraksta elektronus un ķīmiskās saites ar kvantu teorijas palīdzību; centrālā loma Schrödingera vienādojumam un viļņu funkcijām.
• Statistiskā mehānika: sasaista atomu un molekulu uzvedību ar makroskopiskām fizikālām īpašībām, izmantojot sadalījumus un paredzot termodinamiskos lielumus iz no mikroskopiskām stāvokļu kopām.
• Spektroskopija: pēta gaismas un vielas mijiedarbību, sniedzot informāciju par enerģijas līmeņiem, vibrācijām un rotācijām molekulās.

Galvenās pētījumu jomas

• Virsmu un starpvirsmu ķīmija: katalīze, adsorbcija, nanostruktūras un virsmas reakcijas, kas ir būtiskas industriālai katalīzei un materiālu izstrādei.
• Elektroķīmija: reakcijas uz elektrodu virsmas, baterijas, šūnu darbība un korozija.
• Reakciju dinamika: kā molekulas saduras, pāriet pārejas stāvokļos un sadalās produktu veidos; izmanto gan eksperimentālas, gan teorētiskas metodes.
• Plūsmas un transporta procesi: difūzija, konvekcija un siltuma pārnese materiālu sistēmās.
• Biofizikālā ķīmija: fizikālu metožu pielietojums bioloģiskām sistēmām — olbaltumvielu salocīšana, enzīmu kinetika, membrānu transporta procesi.
• Skaitliskā un teorētiskā fizikālā ķīmija: DFT (blīvuma funkcionāla teorija), molekulārā dinamika un citi skaitliskie rīki, kas simulē sistēmas uz atomāra līmeņa.

Metodes un instrumenti

• Eksperimentālās metodes: kalorimetrija (siltuma izmaiņu mērīšana), difrakcija (piem., XRD), spektroskopija (IR, UV-VIS, NMR, Raman), masas spektrometrija, ātras kinētikas metodes (stopa reakcijas u. c.).
• Teorētiskās un skaitliskās metodes: kvantu ķīmijas aprēķini, molekulārā dinamika, Montekarlo simulācijas, optimizācijas algoritmi un modeļu izstrāde, lai prognozētu enerģijas virsotnes un reakciju ceļus.
• Matemātiskā modelēšana: diferenciālvienādojumi, statistiskie modeļi un datu analīze palīdz sasaistīt eksperimentālos datus ar teorētiskajiem aprakstiem.

Lietojumi un nozīme

Fizikālā ķīmija ir pamatdisciplīna, kuras atziņas tiek plaši pielietotas farmācijā, materiālzinātnē, enerģētikā (baterijas, degvielas elementi), vides zinātnē (gāzu apmaiņa, piesārņojuma transformācijas), nanotehnoloģijā un biotehnoloģijā. Piemēram, saprotot katalītiskos mehānismus, iespējams projektēt efektīvākus katalizatorus rūpnieciskām reakcijām; simulācijas var paātrināt jaunu materiālu atklāšanu un optimizāciju.

Attiecības ar citām zinātnes nozarēm

Fizikālā ķīmija veido tiltu starp fiziku, ķīmiju, inženierzinātni un bioloģiju. Tā bieži sadarbojas ar eksperimentālajiem ķīmiķiem, materiālu zinātniekiem un tehnoloģiju izstrādātājiem, nodrošinot gan pamatprincipu izpratni, gan praktiskus risinājumus. Atšķirība no ķīmiskās fizikas parasti slēpjas fokusa līmenī: ķīmiskā fizika var vairāk fokusēties uz fundamentālu fizisku fenomenu kvantu līmenī, kamēr fizikālā ķīmija biežāk sasaista šo pamatu ar makroskopiskām vai lietojumu orientētām problēmām.

Kā sākt mācīties fizikālo ķīmiju

• Sākumā ieteicams apgūt ķīmijas un fizikas pamatjēdzienus (termodinamika, elektrība, mehānika).
• Turpināt ar kursiem par kvantu ķīmiju, statistisko mehāniku un ķīmisko kinētiku.
• Praktiskā puse: laboratorijas darbi, spektroskopijas un kalorimetrijas eksperimentu izpratne.
• Ja interesē modelēšana — mācīties programmēšanu un skaitliskās metodes (piem., Python, MATLAB, DFT programmas).

Fizikālā ķīmija ir plaša, dinamiska un starpnozaru joma, kas sniedz fundamentālu izpratni par to, kā matéria uzvedas un kā šo uzvedību var izmērīt, modelēt un pielietot reālās tehnoloģijās.

Vēsture

Terminu "fizikālā ķīmija" 1752. gadā pirmo reizi lietoja Mihails Lomonosovs. Viņš Sanktpēterburgas Universitātes studentiem nolasīja lekciju kursu ar nosaukumu "Kurss par īstu fizikālo ķīmiju" (krievu: "Курс истинной физической химии").

Modernā fizikālā ķīmija tika attīstīta 1860.-1880. gados, strādājot pie ķīmiskās termodinamikas, elektrolītiem šķīdumos, ķīmiskās kinētikas un citiem jautājumiem. 1876. gadā Džosija Viljards Gibss (Josiah Willard Gibbs) uzrakstīja rakstu "Par neviendabīgu vielu līdzsvaru" (On the Equilibrium of Heterogeneous Substances). Šajā rakstā tika ieviestas daudzas fizikālās ķīmijas galvenās daļas, piemēram, Gibsa enerģija, ķīmiskie potenciāli, Gibsa fāžu likums. Citi svarīgi atklājumi ir Heikes Kamerlingas Onnesas (Heike Kamerlingh Onnes) darbs par entalpiju un makromolekulāriem procesiem.

Pirmais zinātniskais žurnāls par fizikālo ķīmiju bija vācu žurnāls Zeitschrift für Physikalische Chemie. To 1887. gadā dibināja Vilhelms Ostvalds un Jēkabs Henriks van 't Hofs. Abi ķīmiķi un Svante Augusts Arrēniuss bija vadošie fizikālās ķīmijas zinātnieki 19. gadsimta beigās un 20. gadsimta sākumā. Visiem trim tika piešķirta Nobela prēmija ķīmijā.

20. gadsimtā tika veikti nozīmīgi atklājumi. To skaitā ir statistiskās mehānikas piemērošana ķīmiskām sistēmām un Irvinga Langmuira darbs par koloīdiem un virsmas ķīmiju. 20. gadsimta 30. gados Linuss Pauliņš un citi pielietoja kvantu mehāniku, lai attīstītu kvantu ķīmiju. Ķīmijas teorijas ir attīstījušās līdz ar jauniem eksperimentāliem atklājumiem. Divdesmitajā gadsimtā sāka izmantot jaunus spektroskopijas veidus, tostarp infrasarkano spektroskopiju, mikroviļņu spektroskopiju, EPR spektroskopiju un NMR spektroskopiju.

Līdz ar atklājumiem kodolķīmijā, īpaši izotopu atdalīšanas jomā, uzlabojās arī fizikālā ķīmija. Tas notika aptuveni laikā pirms Otrā pasaules kara un tā laikā. Ķīmiķi atklāja svarīgus faktus astroķīmijā.

M. Lomonosova manuskripta "Fizikālā ķīmija" fragments (1752)

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir fizikālā ķīmija?

Q: Ar ko fizikālā ķīmija atšķiras no ķīmiskās fizikas?

J: Kādi jēdzieni tiek pētīti fizikālajā ķīmijā?

J: Kāda veida sakarības mēģina atrisināt fizikālā ķīmija?

J: Vai fizikālā ķīmija koncentrējas uz molekulāro/atomāro struktūru?

J: Kāda veida zinātne ir fizikālā ķīmija?

Meklēt pēc burta