С течением лет физическая химия превратилась в междисциплинарную отрасль науки, которая объединяет в себе достижения химиков, физиков, компьютерщиков, специалистов по материаловедению и представителей других областей. Передовые вычислительные решения и высококачественное оборудование объясняют взаимосвязи между атомами во время химических реакций или других процессов на основании законов и правил физики. Отношения, изучаемые в физической химии, составляют основу инструментальных методов, физико-химического анализа и вопросов в области инженерии и химической технологии.
В физической химии важную роль играет знание всех соотношений и превращений, происходящих в атомах и химических соединениях. Не менее важны для физической химии аспекты, касающиеся закономерностей реакций и всех химических процессов. По сравнению с другими отраслями, физическая химия имеет дело с принципами физики, лежащими в основе всех взаимодействий химических объектов, стремясь сопоставить, измерить, а также объяснить количественные аспекты этих вопросов.
Ответ на вопрос, чем занимается физическая химия, и употребление разговорного выражения «физика химических веществ», имеет под собой логическое основание. Следует помнить, что эта отрасль химии является чрезвычайно междисциплинарной. Чтобы изучить элементарные законы, управляющие химическими соединениями и процессами, химики используют теории, измерения и методы, характерные для физики. Быстрое развитие знаний, а также измерительного оборудования и методов исследований за последние несколько десятилетий в настоящее время позволяет проводить чрезвычайно продвинутые исследования в области физической химии и точного описания свойств материалов.
Термодинамика в области физической химии занимается изучением тепловых свойств тел и их систем, а также отношений между теплом, работой, энергией и температурой. В основном описывает динамический характер тепла, заключающийся в переносе энергии с места на место и изменении ее формы. Термодинамика также занимается передачей энергии в результате выполнения механической работы.
Системы часто создаются из разных фаз, отличающихся друг от друга, в том числе агрегатных состояний. Возникающая в результате граница между отдельными фазами (например, жидкостью и газом, жидкостью и твердым телом или газом и твердым телом) является местом, где наблюдается ряд поверхностных явлений. Собственно физическая химия изучает их протекание и характеристики. Знание таких взаимодействий является основой для понимания таких процессов, как адсорбция, абсорбция, дистилляция и кристаллизация. Вопросы поверхностных явлений тесно связаны с исследованиями коллоидов, т. е. систем, в которых размер частиц больше, чем в фактических растворах, но меньше, чем в суспензиях (фрагментация в диапазоне от 1 до 100 нм).
Этот раздел физической химии анализирует аспекты скоростей реакций и химических процессов. Иногда химическую кинетику также называют кинетикой реакции. Ее основная область исследований — наблюдение за воздействием различных экспериментальных условий (например, концентрации реагентов, наличия и типа катализаторов, температуры) на химические процессы. Это позволяет понять механизмы, управляющие химическими реакциями, и охарактеризовать возникающие переходные состояния. Знание скорости изменения в системе реагентов и воздействие на нее экспериментальных факторов используют при проектировании технологических процессов. С другой стороны, понимание механизма реакции на молекулярном уровне позволяет теоретически прогнозировать наиболее благоприятные условия для осуществления процесса в целом.
Электрохимия изучает и анализирует движение электронов в химических процессах. Реакции, в которых наблюдается явление переноса электронов (окислительно-восстановительные реакции), играют важную роль ввиду возможности получения в результате них электричества. Полученная энергия служит основанием для описания отдельных процессов с помощью электрических величин. В электрохимии есть два основных раздела. Первым разделом является изучение химических процессов (систем электрод-электролит), находящихся в состоянии термодинамического равновесия. Второй раздел — это электрохимическая кинетика. Она описывает явления, происходящие при протекании электродных процессов.
Физическая химия также занимается описанием атомных и молекулярных систем в виде вопросов в области квантовой химии. С этой целью в ней используют квантовую механику и квантовую теорию поля. В квантовой химии, благодаря применению математических теорий, можно прогнозировать поведение молекул в определенных условиях. Кроме того, обсуждаются такие вопросы, как излучение абсолютно черного тела, корпускулярно-волновой дуализм, волновые функции электронов, гибридизация атомных орбиталей и прочее.
Значение физической химии в повседневной жизни довольно велико. Благодаря постоянному развитию и научным исследованиям можно не только лучше узнать окружающую нас действительность, но и иметь возможность найти новые, более эффективные способы производства лекарств, пластмасс, топлива и другой продукции. Исследование вопросов физической химии является чрезвычайно важным, поскольку как одна из самых фундаментальных наук она помогает понять, как устроена природа. Изучение явлений, происходящих на границах фаз, процессов дистилляции, теплопроводности, диффузии, химической и физической адсорбции и многих других вопросов является необходимым при ведении процессов химической и фармацевтической технологий, а также производстве пищевых продуктов и текстиля.
Найдите свое место в группе PCC. Узнайте о нашем предложении и развивайтесь вместе с нами.
Неоплачиваемая программа летней стажировки для студентов и выпускников всех специальностей.
