Fizička hemija

Fizikalna hemija ili fizička hemija je nastala objedinjavanjem znanja iz fizike, hemije, termodinamike i kvantne mehanike da bi se opažene makroskopske pojave opisale na atomskom i molekulskom nivou, dakle, fizikalna hemija se bavi vezom između mikroskopskih i makroskopskih osobina materije. Npr., veličina molekula u tečnosti se može odrediti na osnovu merenja njenog indeksa prelamanja i gustine, ili na osnovu toplotnog kapaciteta i površinskog napona.

Fizička hemija, za razliku od hemijske fizike, je predominantno (mada ne uvek) makroskopska ili supra-molekularna nauka. Većina principa na kojima je fizička hemija zasnovana su koncepti vezani za mase, pre nego za same molekularne/atomske strukture. Na primer, hemijska ravnoteža, i koloidi.

Neki od odnosa koje fizička hemija nastoji da reši uključuju efekte:

• Intermolekularnih sila koje proizvode fizička svojstva materijala (plastičnost, zatezna čvrstoća, površinski napon u tečnostima).
• Reakcione kinetike na brzinu reakcije.
• Identiteta jona i električne provodnosti na materijale.
• Površinske hemije i elektrohemije membrana.
• Interakcije jednog tela sa drugim u smislu količine toplote i rada, što je oblast termodinamike.
• Transfera toplote između hemijskog sistema i njegovog okruženja tokom promene faze, ili tokom hemijske reakcije, to je oblast termohemije
• Izučavanje koligativnih svojstva broja vrsta prisutnih u rastvoru.
• Uspostavljanje korelacija između broja faza, broja komponenti i broja stepena slobode uz pomoć pravila faza.
• Reakcije elektrohemijskih ćelija.

Ključni koncepti

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.

Kvantna hemija, koja je potpolje fizičke hemije se bavi primenom kvantne mehanike na hemijske probleme. Ona pruža oruđa za određivanje jačine i oblika veza, načina kretanja nukleusa, i načina na koji hemijska jedinjenja apsorbuju ili emituju svetlost. Spektroskopija je srodna poddisciplina 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. 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. 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. U opštem slučaju, što je viša barijera, to je sporija reakcija. Druga ideja je da se većina hemijskih reakcija odvija kao sekvenca elementarnih reakcija, 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 konstante, 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 statističkoj mehanici, 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.

Istorija

Vidi još: Istorija hemije

Fragment M. Lomonosovljeveg manuskripta 'Fizička Hemija' (1752)

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 supstanci“ ("On the Equilibrium of Heterogeneous Substances") u kojem je uveo pojmove slobodne energije, hemijskog potencijala, pravila faza, osnovne koncepte moderne fizičke hemije.

Termin „fizička hemija“ je skovao Mihail Lomonosov 1752. godine kad je dao predavanje na kursu sa naslovom "Kurs istinske fizičke hemije" (ruski: „Kurs istinnoй fizičeskoй himii“) studentima na Petrogradskom univerzitetu. 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-ih i 1880-ih 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. Ostale prekretnice obuhvataju naknadno imenovanje i akreditacija entalpije naučniku Hejke Kamerling Ones 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 Vilhelm Ostvald i Jakobus Henrikus van ’t Hof. Zajedno sa Svante Avgust Arenijusom, 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-ih, gde je Lajnus Poling 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, 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.

Fenomenološka kinetika

Fenomenološka kinetika je eksperimentalno izučavanje brzina reakcija. Termodinamika daje uvid u spontanost reakcije pod datim uslovima, ali ne pruža informacije o brzini kojom se reakcija odvija. U mnogim oblastima primene, reakciona brzina je važan faktor, a ne ravnotežna svojstva sistema. Jedan interesantan primer je:

C_dijamant $\rightarrow$ C_grafit

Na sobnoj temperaturi i atmosferskom pritisku ova reakcija je spontana, jer je Δμ je negativno. Međutim, brzina reakcije na datoj temperaturi i pritisku je izuzetno mala, tako da se reakcija praktično ne odvija.

Žurnali

Neki od žurnala koji 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 započet 1789. godine, i objavljivan je pod tim imenom tokom perioda 1815–1914.

Grane fizičke hemije i srodne teme

• Termohemija
• Hemijska kinetika
• Kvantna hemija
• Elektrohemija
• Fotohemija
• Površinska hemija
• Hemija čvrstog stanja
• Spektroskopija
• Biofizička hemija
• Nauka o materijalima
• Fizička organska hemija
• Mikromeritika

Vidi još

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

Литература

• 100 Years of Physical Chemistry. Royal Society of Chemistry. 2003. ISBN 0854049878. 
• Atkins, Peter; Friedman, Ronald (2005). Molecular Quantum Mechanics. New York: Oxford University Press. стр. 249. ISBN 978-0-19-927498-7. 
• Landau, L. D.; Lifshitz, E. M. (1980). Statistical Physics (3rd изд.). New York: Elsevier Butterworth Heinemann. стр. 52. ISBN 978-0-7506-3372-7. 
• Atkins, P.W. (2001). Physical Chemistry. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-879285-7. 
• Dragojević, Milosav; Popović, M.; S. Stević; Šćepanović, V. (1999). Opšta hemija (2. изд.). Beograd: Univerzitet u Beogradu, Tehnološko-metalurški fakultet. COBISS.SR 76815884. 
• Mirskiy, Anton G. (2009). Thermochemistry and Advances in Chemistry Research. Nova Science Pub Inc. ISBN 978-1606923764. 
• Dondur, dr. Vera (1982). Hemijska kinetika. Beograd: Univerzitet u Beogradu, Prirodnomatematički fakulteti, Fakultet za fizičku hemiju. ISBN 86-87139-04-9. 
• Predel, Bruno; Hoch, Michael J. R; Pool, Monte (14. 9. 2004). Phase Diagrams and Heterogeneous Equilibria : A Practical Introduction. Springer. ISBN 978-3-540-14011-5. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Perrot, Pierre (1998). A to Z of Thermodynamics. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-856552-9. 
• Sørensen, Torben Smith (1999). Surface chemistry and electrochemistry of membranes. CRC Press. str. 134. ISBN 978-0-8247-1922-7. 
• Atkins, P.; Paula, J. de (2013). Physikalische Chemie. 5. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-33247-2. 
• Gerd Wedler: Lehrbuch der Physikalischen Chemie. Wiley-VCH. 2004. ISBN 978-3-527-31066-1.
• T. Engel, P. Reid: Physikalische Chemie. Pearson Studium. 2006. ISBN 978-3-8273-7200-0.
• W. Bechmann, J. Schmidt: Einstieg in die physikalische Chemie für Nebenfächler. Teubner. 2005. ISBN 978-3-8351-0035-0.
• W. J. Moore, D. O. Hummel, G. Trafara, K. Holland-Moritz: Physikalische Chemie. Walter de Gruyter. 1999. ISBN 978-3-11-010979-5.
• Kurt Schwabe: Physikalische Chemie. Band 1. Akademie Verlag|Akademie-Verlag, Berlin 1973.
• Atkins, P.W.; Friedman, R. (2008). Quanta, Matter and Change: A Molecular Approach to Physical Change. ISBN 978-0-7167-6117-4. 
• Gavroglu, Kostas; Simões, Ana (2011). Neither Physics Nor Chemistry .A History of Quantum Chemistry. MIT Press. ISBN 978-0-262-01618-6. 
• Karplus, M.; Porter R.N. (1971). Atoms and Molecules. An introduction for students of physical chemistry. Benjamin–Cummings Publishing Company. ISBN 978-0-8053-5218-4. 
• Pullman, Bernard; Pullman, Alberte (1963). Quantum Biochemistry. New York and London: Academic Press. ISBN 978-90-277-1830-3. 
• Askeland, Donald R.; Phulé, Pradeep P. (2005). The Science & Engineering of Materials (5th izd.). Thomson-Engineering. ISBN 978-0-534-55396-8. 
• Landau, L.D.; Lifshitz, E.M. (1977). Quantum Mechanics:Non-relativistic Theory. Course of Theoretical Physic. 3. Pergamon Press. ISBN 978-0-08-019012-9. 
• McWeeny, R. (1979). Coulson's Valence. Oxford Science Publications. ISBN 978-0-19-855144-7. 
• Scerri, Eric R. (2006). The Periodic Table: Its Story and Its Significance. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-530573-9.  Considers the extent to which chemistry and especially the periodic system has been reduced to quantum mechanics.
• Walla, Peter Jomo (2014). Modern Biophysical Chemistry: Detection and Analysis of Biomolecules. Wiley. str. 1. ISBN 978-3-527-68354-3. 
• Szabo, Attila; Ostlund, Neil S. (1996). Modern Quantum Chemistry: Introduction to Advanced Electronic Structure Theory. Dover. ISBN 978-0-486-69186-2. 
• Callister, Jr., William D. (2000). Materials Science and Engineering – An Introduction (5th izd.). John Wiley and Sons. ISBN 978-0-471-32013-5. 
• Eberhart, Mark (2003). Why Things Break: Understanding the World by the Way It Comes Apart. Harmony. ISBN 978-1-4000-4760-4. 
• Gaskell, David R. (1995). Introduction to the Thermodynamics of Materials (4th izd.). Taylor and Francis Publishing. ISBN 978-1-56032-992-3. 
• Gordon, James Edward (1984). The New Science of Strong Materials or Why You Don't Fall Through the Floor (eissue izd.). Princeton University Press. ISBN 978-0-691-02380-9. 
• Mathews, F. L.; Rawlings, R. D. (1999). Composite Materials: Engineering and Science. Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-0-8493-0621-1. 
• Lewis, P. R.; Reynolds, K.; Gagg, C. (2003). Forensic Materials Engineering: Case Studies. Boca Raton: CRC Press. ISBN 9780849311826. 
• Wachtman, John B. (1996). Mechanical Properties of Ceramics. New York: Wiley-Interscience, John Wiley & Son's. ISBN 978-0-471-13316-2. 
• Walker, P., ur. (1993). Chambers Dictionary of Materials Science and Technology. Chambers Publishing. ISBN 978-0-550-13249-9. 
• Adkins, C.J. (1968/1975) (1975). Equilibrium Thermodynamics. second edition, McGraw-Hill, London. ISBN 978-0-07-084057-7. 
• Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics. American Institute of Physics Press, New York. ISBN 978-0-88318-797-5. 
• Max Born (1949). Natural Philosophy of Cause and Chance, Oxford University Press, London.
• George H. Bryan (1907). Thermodynamics. An Introductory Treatise dealing mainly with First Principles and their Direct Applications, B.G. Teubner, Leipzig.
• Herbert Callen (1960/1985) (16. 1. 1991). Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics. (1st edition 1960) 2nd edition 1985, Wiley, New York. ISBN 978-0-471-86256-7. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Eu, B. C. (2002). Generalized Thermodynamics. The Thermodynamics of Irreversible Processes and Generalized Hydrodynamics. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht. ISBN 978-1-4020-0788-0. 
• Ralph H. Fowler, Edward A. Guggenheim (1939). Statistical Thermodynamics, Cambridge University Press, Cambridge UK.
• Josiah Willard Gibbs (1875). On the equilibrium of heterogeneous substances, Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Sciences, 3: 108–248.
• Grandy, W.T., Jr (2008). Entropy and the Time Evolution of Macroscopic Systems. Oxford University Press, Oxford. ISBN 978-0-19-954617-6. 
• Edward A. Guggenheim (1949/1967). Thermodynamics. An Advanced Treatment for Chemists and Physicists, (1st edition 1949) 5th edition 1967, North-Holland, Amsterdam.
• Haase, R. (1971). Survey of Fundamental Laws, chapter 1 of Thermodynamics, pages 1–97 of volume 1, ed. W. Jost, of Physical Chemistry. An Advanced Treatise, ed. H. Eyring, D. Henderson, W. Jost, Academic Press, New York, lcn 73–117081.
• House, James E. (2007). Principles of Chemical Kinetics (Second izd.). Academic Press. ISBN 978-0-12-356787-1. 
• Kondepudi, D., Ilya Prigogine, I. (1998). Modern Thermodynamics. From Heat Engines to Dissipative Structures. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-97393-5. 
• Lebon, G., Jou, D., Casas-Vázquez, J. (2008). Understanding Non-equilibrium Thermodynamics. Springer, Berlin. ISBN 978-3-540-74251-7. 
• J. R. Partington (1949). An Advanced Treatise on Physical Chemistry, volume 1, Fundamental Principles. The Properties of Gases, Longmans, Green and Co., London.
• Brian Pippard (1957). The Elements of Classical Thermodynamics, Cambridge University Press.
• Max Planck (1897/1903). Treatise on Thermodynamics, translated by A. Ogg, Longmans, Green & Co., London.
• Max Planck (1923/1926). Treatise on Thermodynamics, third English edition translated by A. Ogg from the seventh German edition, Longmans, Green & Co., London.
• Serrin, James (1986). New Perspectives in Thermodynamics. edited by J. Serrin, Springer, Berlin. ISBN 978-3-540-15931-5. 
• Tschoegl, N. W. (2000). Fundamentals of Equilibrium and Steady-State Thermodynamics. Elsevier, Amsterdam. ISBN 978-0-444-50426-5. 
• László Tisza (1966). Generalized Thermodynamics, M.I.T Press, Cambridge MA.
• Truesdell, Clifford (1980). The Tragicomical History of Thermodynamics, 1822–1854. Springer, New York. ISBN 978-0-387-90403-0. 
• White, Harvey E. (1948). Modern College Physics. van Nostrand. ISBN 978-0442294014. <
• Himičeskaя эnciklopediя NI «Bolьšaя rossiйskaя эnciklopediя», M., 1998;
• Nekrasov, V. V. «Osnovы obщeй himii» v 2-h t., tom 1, M.: «Himiя», 1973. — 656 c.
• Vaйs E. F., Buйkr E. V., Salmina A. B. «Fizičeskaя himiя» 2008

Spoljašnje veze

• Fakultet za fizičku hemiju (jezik: srpski)
• Fakultet za fizičku hemiju u Beogradu
• The World of Physical Chemistry (Keith J. Laidler, 1993)
• Physical Chemistry from Ostwald to Pauling (John W. Servos, 1996)
• Physical Chemistry: neither Fish nor Fowl? (Joachim Schummer, The Autonomy of Chemistry, Würzburg, Königshausen & Neumann, (1998). pp. 135–148)
• The Cambridge History of Science: The modern physical and mathematical sciences (Mary Jo Nye, 2003)