Fizička hemija

Ključni koncepti fizičke hemije se tiču načina na koji se čista fizika primenjuje na hemijske probleme.

Jedan od ključnih koncepata klasične hemije je da se sva hemijska jedinjenja mogu opisati kao grupe atoma vezanih zajedno, a hemijske reakcije se mogu opisati kao formiranje i raskidanje tih veza. Predviđanje svojstava hemijskih jedinjenja polazeći od opisa atoma i načina na koji su oni vezani, jedan je od glavnih ciljeva fizičke hemije. Da bi se precizno opisali atomi i veze, neophodno je da se zna gde su nukleusi, i kako su elektroni raspoređeni oko njih.^[12]

Kvantna hemija, koja je potpolje fizičke hemije se bavi primenom kvantne mehanike na hemijske probleme. Ona pruža oruđa za određivanje jačine i oblika veza,^[12] načina kretanja nukleusa, i načina na koji hemijska jedinjenja apsorbuju ili emituju svetlost.^[13] Spektroskopija je srodna potdisciplina fizičke hemije koja se specifično bavi interakcijama elektromagnetne radijacije sa materijom.

Još jedna grupa važnih pitanja u hemiji se tiče vrsta reakcija koje se mogu spontano odvijati, kao i mogućih svojstava date hemijske smeše. Ta pitanja su u oblasti izučavanja hemijske termodinamike, koja određuje granice kvantiteta kao što je stepen do kojeg se reakcija može odvijati, ili količina energije koja se može konvertovati u rad u mašini sa unutrašnjim sagorevanjem, i koja pruža veze između svojstava kao što su koeficijent termalne ekspanzije i brzina promene entropije sa pritiskom za gas ili tečnost.^[14] To se često može koristiti za procenu izvodivosti dizajna reaktora ili mašine, ili za proveru validnosti eksperimentalnih podataka. U izvesnoj meri, kvazi-ekvilibrijumska i neravnotežna termodinamika mogu da opišu ireverzibilne promene.^[15] Međutim, klasična termodinamika se uglavnom bavi sistemima u ekvilibrijumu i reverzibilnim promenama, a ne time šta se zapravo dogodi, ili koliko brzo, daleko od ekvilibrijuma.

Koje reakcije se odvijaju i kojom brzinom je predmet hemijske kinetike, još jedne grane fizičke hemije. Ključna ideja u hemijskoj kinetici je da bi reagensi reagovali i formirali produkte, većina hemijskih vrsta mora da prođe kroz prelazna stanja koja imaju višu energiju nego bilo reaktanti ili produkti i služe kao reakcione barijere.^[16] U opštem slučaju, što je viša barijera, to je sporija reakcija. Druga ideja je da se većina hemijskih reakcija odvija kao sekvenca elementarnih reakcija,^[17] svaka od kojih sa svojim sopstvenim prelaznim stanjem. Ključna pitanja u kinetici su kako brzina hemijske reakcije zavisi od temperature i koncentracije reaktanata i katalizatora u reakcionoj smeši, kao i kako se katalizatori i reakcioni uslovi mogu podesiti da se optimizuje brzina reakcije.

Činjenica da se brzina odvijanja hemijske reakcije često može specificirati sa samo nekoliko koncentracija i temperatura, bez potrebe za poznavanjem svih pozicija i brzina molekula u smeši, je specijalni slučaj još jednog ključnog koncepta fizičke hemije. To je da u meri u kojoj inžinjer to treba da zna, sve što se događa u smeši sa velikim brojem čestica (možda reda veličine Avogadrove konstance, 6 x 10²³) se često može opisati sa samo nekoliko promenljivih kao što su pritisak, temperatura, i koncentracija. Precizni razlozi za to su opisani u statističkoh mehanici,^[18] specijalizovanoj oblasti fizičke hemije koja se takođe smatra i delom fizike. Statistička mehanika takođe pruža načine da se predvide svojstva koja se mogu uočiti u svakodnevnom životu polazeći od molekularnih svojstava bez zavisnosti od empirijskih korelacija baziranih na hemijskim sličnostima.^[15]

Vidi takođe: Istorija hemije

Prema legendi, prvi fizički hemičar je bio Arhimed kada je merenjem gustine utvrdio da kruna njegovog vladara nije od čistog zlata.

Temelje modernoj fizičkoj hemiji postavili su Arenijus, van Hof, Ostvald i Nernst 1890. godine. U engleskom govornom području pionirskim radovima istakao se Gibs koji je 1867. objavio čuveni članak „O ravnoteži heterogenih susptanci“ ("On the Equilibrium of Heterogeneous Substances") u kojem je uveo pojmove slobodne energije, hemijskog potencijala, pravila faza, osnovne koncepte moderne fizičke hemije.^[19]

Termin „fizička hemija“ je skovao Mihail Lomonosov 1752. godine kad je dao predavanje na kursu sa naslovom "Kurs istinske fizičke hemije" (ruski: „Курс истинной физической химии“) studentima na Petrogradskom univerzitetu.^[20] U predgovoru ovih predavanja on je dao definiciju: "Fizička hemija je nauka koja mora da objasni uz pomoć fizičkih eksperimenata razlog za ono što se događa u kompleksnim telima putem hemijskih operacija".

Moderna fizička hemija potiče iz period između 1860-tih i 1880-tih sa radom na hemijskoj termodinamici, elektrolitima u rastvorima, hemijskoj kinetici i drugim predmetima. Jedna od prekretnica je objavljivanje Gibsove publikacije: On the Equilibrium of Heterogeneous Substances 1876. godine. Taj rad je uveo nekoliko temeljnih koncepta u fizičkoj hemiji, kao što su Gibsova energija, hemijski potencijali, Gibsovo pravilo faza.^[21] Ostale prekretnice obuhvataju naknadno imenovanje i akreditacija entalpije naučniku Heike Kamerlingh Onnes i makromolekularnih procesa.

Prvi naučni žurnal sa specifičnim fokusom na polju fizičke hemije je bio nemački žurnal, Zeitschrift für Physikalische Chemie, koji su 1887. osnovali Wilhelm Ostwald i Jacobus Henricus van 't Hoff. Zajedno sa Svante August Arrhenius,^[22] oni su bili vodeće figure u fizičkoj hemiji tokom kasnog 19. i početkom 20. veka. Sva trojica su nagrađena Nobelovom nagradom za hemiju u periodu 1901-1909.

Razvoji u naknadnim dekadama obuhvataju primenu statističke mehanike na hemijske sisteme i rad na koloidima i površinskoj hemiji, gde je Irving Langmuir napravio mnogobrojne doprinose. Još jedan važan korak je bio razvoj kvantne mehanike u obliku kvantne hemije iz 1930-tih, gde je Linus Pauling bio jedno od vodećih imena. Teoretski razvoji su išli ruku uz ruku sa razvojem eksperimentalnih metoda, gde su upotrebe raznih formi spektroskopije, kao što su infracrvena spektroskopija, mikrotalasna spektroskopija, EPR spektroskopija i NMR spektroskopija, verovatno najvažniji razvoji tokom 20. veka.

Dalji razvoj u fizičkoj hemiji se može pripisati otkrićima u nuklearnoj hemiji, posebno u separaciji izotopa (pre i tokom Drugog svetskog rata), nedavnim otkrićima u astrohemiji,^[23] kao i razvojem algoritama za proračune u polju „aditivnih fizikohemijskih osobina“ (praktično svih fizikohemijskih osobina, kao što su tačka ključanja, kritična tačka, površinski napon, vodeni napon, itd. - više od 20 osobina - može se precizno izračunati iz same hemijske strukture, nezavisno od toga da li je molekul sintetisan), i u toj oblasti je koncentrisan praktični značaj savremene fizičke hemije.

Neki od žurnala koj se bave fizičkom hemijom su:

• Zeitschrift für Physikalische Chemie (1887)
• Journal of Physical Chemistry A (od 1896 kao Journal of Physical Chemistry, a preimenovan je 1997.)
• Physical Chemistry Chemical Physics (od 1999, dok se ranije zvao Faraday Transactions sa istorijom objavljivanja koja datira od 1905.)
• 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 (od 2010, kombinuje pisma koja su ranije objavljivana u zasebnim žurnalima)

Jedan od starijih žurnala koji su se bavio hemijom i fizikom je Annales de chimie et de physique. On je žapočet 1789. godine, i objavljivan je pod tim imenom tokom perioda 1815–1914.

• Metod grupnih doprinosa, Lidersenov metod, Jobakov metod, QSPR, QSAR

Fizička hemija na Wikimedijinoj ostavi

• Fakultet za fizičku hemiju u Beogradu Arhivirano 2008-12-18 na Wayback Machine-u
• Physical Chemistry Arhivirano 2015-04-07 na Wayback Machine-u (Keith J. Laidler, John H. Meiser and Bryan C. Sanctuary)
• The World of Physical Chemistry (Keith J. Laidler, 1993)
• Physical Chemistry from Ostwald to Pauling (John W. Servos, 1996)
• 100 Years of Physical Chemistry (Royal Society of Chemistry, 2004)
• Physical Chemistry: neither Fish nor Fowl? (Joachim Schummer, The Autonomy of Chemistry, Würzburg, Königshausen & Neumann, 1998, pp. 135–148)
• Cathedrals of Science (Patrick Coffey, 2008)
• The Cambridge History of Science: The modern physical and mathematical sciences (Mary Jo Nye, 2003)
• Walther Nernst: Die Ziele der physikalischen Chemie (Festrede 2. Juni 1896. Digitalisat/Faksimile)
• Paul Harteck: Die Quantentheorie in der Chemie^{[mrtav link]} (Naturwissenschaften 1951, Heft 3. Vortrag, gehalten auf der Versammlung der Gesellschaft Deutscher Naturforscher und Ärzte am 23. Oktober 1950 in München.)
• Aktuelle Wochenschau zum Jahr der Chemie 2003 Arhivirano 2015-05-03 na Wayback Machine-u – ein Einblick in aktuelle physikochemische Forschung
• Das Berufsbild des Physikochemikers Arhivirano 2011-11-11 na Wayback Machine-u, Deutsche Bunsen-Gesellschaft für Physikalische Chemie (PDF-Datei; 6,13 MB)
• Physical Chemists – Berufsfeldbeschreibung der American Chemical Society