Fisicoquímica

Fisicoquímica
Instancia de disciplina da química disciplina académica especialidade académica  Subclase de química
Implicados  Practicado por fisicoquímico
Identificadores Freebase /m/05ww8 MeSH D002627 Thesaurus do NCI C16421 OpenAlex C147789679
Fontes e ligazóns  Descrito pola fonte Enciclopedia Soviética Armenia
Wikidata C:Commons

Entre a chama e a flor atópase o aeroxel, cuxa síntese foi moi axudada pola fisicoquímica.

A fisicoquímica ou química física é unha ciencia punto de encontro entre a química e a física que intenta estudar a materia desde o punto de vista físico, centrándose nas bases físicas dos sistemas e procesos químicos. De acordo co químico estadounidense de renome Gilbert Lewis, "A Química física é calquera cousa interesante", probablemente referíndose ó feito de que moitos fenómenos da natureza relacionados coa materia son de principal interese na química física.

A fisicoquímica, a diferenza da física química, é predominantemente (pero non sempre) unha ciencia supramolecular, xa que a maioría dos principios nos que se fundou refírense ao volume en lugar de á estrutura molecular ou atómica unicamente (por exemplo, o equilibrio químico e os coloides).

Algunhas das relacións que a química física esfórzase por comprender inclúen os efectos de:

1. As forzas intermoleculares que actúan sobre as propiedades físicas dos materiais (plasticidade, resistencia á tracción, tensión superficial en líquidos).
2. Cinética de reacción sobre a velocidade dunha reacción.
3. A identidade dos ións e a conductividade eléctrica dos materiais.
4. Ciencia de superficies e electroquímica das membranas celulares.
5. Interacción dun corpo con outro en termos de cantidades de calor e traballo denominada termodinámica.
6. Transferencia de calor entre un sistema químico e a súa contorna durante o cambio de fase ou reacción química que ten lugar denominada termoquímica
7. Estudo das propiedades coligativas do número de especies presentes nunha solución.
8. O número de fases, o número de compoñentes e o grao de liberdade (ou varianza) poden correlacionarse entre si coa axuda da regra das fases.
9. Reaccións das células electroquímicas.
10. Comportamento dos sistemas microscópicos utilizando a mecánica cuántica e dos sistemas macroscópicos utilizando a termodinámica estatística.
11. Cálculo da enerxía do movemento dos electróns en moléculas e complexos metálicos.

A fisicoquímica representa unha póla onde hai unha mestura de diversas ciencias, como a química, a física, a termodinámica, a electroquímica e a mecánica cuántica onde as funcións matemáticas poden representar interpretacións a nivel molecular e a nivel atómico. Cambios na temperatura, presión, volume, calor e traballo nos sistemas, sólido, líquido e/ou gasoso atópanse tamén relacionados a estas interpretacións de interaccións moleculares.

O químico estadounidense do século XIX Willard Gibbs é tamén considerado o pai fundador da química física, onde a súa publicación de 1876 chamada On the Equilibrium of Heterogeneous Substances (Estudo sobre o equilibrio de substancias heteroxéneas) falou de termos como a enerxía libre, potencial químico, ou a regra das fases, que anos máis tarde serían de salientable interese dentro do estudo desta disciplina.

A fisicoquímica moderna ten os seus alicerces na física pura. Áreas de estudo moi importantes nesta inclúen a termoquímica (termodinámica química), cinética química, química cuántica, mecánica estatística, electroquímica, química do estado líquido, química coloidal, química de superficies e espectroscopia. A fisicoquímica forma parte fundamental do estudo da ciencia dos materiais.

Conceptos clave

Os conceptos clave da química física son as formas en que a física pura aplícase aos problemas químicos.

Un dos conceptos clave da química clásica é que todas os compostos químicos poden describirse como grupos de átomos unidos entre si e que as reaccións químicas poden describirse como a formación e ruptura deses enlaces. Predicir as propiedades dos compostos químicos a partir dunha descrición dos átomos e de como se unen é un dos principais obxectivos da química física. Para describir os átomos e os enlaces con precisión, é necesario saber tanto onde se atopan os núcleos dos átomos e como se distribúen os electróns ao seu ao redor.

Seccións da química física

A química física aplica a termodinámica ao estudo dos gases, das solucións e das reaccións químicas, cuantificando os aspectos enerxéticos destas últimas e chegando a prever a eventual espontaneidade ou as condicións de espontaneidade teórica. A termodinámica consente tamén de tratar o equilibrio químico e o equilibrio entre as fases. O uso da mecánica cuántica non só permite de interpretar os espectros atómicos e moleculares, senón facendo uso do seu rigoroso formalismo matemático permite tamén de describir o enlace químico e de predicir importantes propiedades das moléculas cales son as súas estabilidades e reactividades. A espectroscopia permite determinar experimentalmente a estrutura e composición das moléculas, mentres a cinética química estuda a velocidade das reaccións e o conxunto de procesos elementais que ocorren durante unha reacción química cando a partir de reactivos obtéñense os produtos finais. A electroquímica é outra importante área da química física que se ocupa das implicacións dos fenómenos eléctricos en ámbito químico.

Química coloidal

A química coloidal (do grego, κόλλα) é o nome tradicional da química física de sistemas dispersos e fenómenos superficiais que se producen á interface. Estúdase a adhesión, a adsorción, a humectación, a coagulación, a electroforese e o desenvolvemento de tecnoloxías de materiais de construción, os aveños de perforación, o proceso de só-xeo. A química coloidal moderna é unha ciencia que se atopa no punto de interacción entre a química, a física e a bioloxía.

As principais tendencias da química coloidal moderna son:

• A termodinámica dos fenómenos de superficie.
• Estudo da absorción do tensioactivo.
• Estudo da formación e a estabilidade dos sistemas dispersos, as súas propiedades cineticomolecular, ópticas e eléctricas.
• Mecánica físico-química de estruturas dispersas.
• Desenvolvemento da teoría e os mecanismos moleculares dos procesos que ocorren nos sistemas dispersos baixo a influencia dos axentes tensioactivos, as cargas eléctricas, resistencia mecánica, etc.

Química do cristal

A química do cristal é a ciencia das estruturas cristalinas e a súa relación coa natureza da materia. Como unha rama da química, a química do cristal está estreitamente relacionada cos estudos de cristalografía e a disposición espacial dos átomos e os enlaces químicos nos cristais, así como a dependencia das propiedades físicas e químicas das sustancias cristalinas na súa estrutura. Coa axuda da difracción de raios X, da difracción de electróns e neutróns, e da difracción cristalina estrutural, determinar os valores absolutos das distancias interatomicas e os ángulos entre as liñas de enlaces químicos (ángulos de enlace). Esta sección da química ten abundante material sobre as estruturas cristalinas de máis de 425.000 compostos, máis da metade dos cales son compostos inorgánicos.

Os obxectivos da química do cristal son:

• taxonomía e a descrición das estruturas cristalinas observadas nestes tipos de enlaces químicos;
• interpretación das estruturas cristalinas (identificación dos factores que determinan a estrutura dun material cristalino) e a predición;
• estudo das propiedades físicas e químicas dos vidros coa súa estrutura e a natureza do enlace químico.

Radioquímica

A radioquímica é a parte da química física que traballa con pequenas cantidades de sustancias, en solucións moi diluídas, de fontes de radiación ionizante. A radioactividade dos compostos estudados pode ser radioquímica e require o uso de métodos altamente sensibles e específicos para medir as súas cantidades microscópicas, con métodos de análises automatizados.

Termoquímica

A medida relativa do átomo de helio e o seu núcleo

É unha sección da química, que ten como misión os seguintes puntos:

• Identificar e estudar os efectos térmicos das reaccións.
• O establecemento das súas relacións cos diversos parámetros fisicoquímicos.
• Medir o quecemento de sustancias e o establecemento da súa calor de transicións de fase.

Estudo da estrutura do átomo

Esta disciplina encárgase do estudo das partículas microscópicas da materia eda parte máis pequena a demasiada dun elemento químico, que é o portador das súas propiedades: o átomo. Un átomo consta dun núcleo e electróns. Se o número de protóns no núcleo dun átomo é igual ao número de electróns en xeral é eléctricamente neutro. En caso contrario, ten parte de carga positiva ou negativa. Nalgúns casos, por átomos eléctricamente neutros só se entende o sistema en que a carga do núcleo é igual á carga total dos electróns, o que contrasta cos ións cargados eléctricamente.

Estudo da corrosión de metais

Corrosión.

Nesta parte da química física estúdase a corrosión dos metais por interacción química ou fisicoquímica co medio ambiente. A causa da corrosión é a inestabilidade termodinámica dos materiais de construción aos efectos das sustancias que están en contacto coa súa contorna. Na vida cotiá, as aliaxes de ferro (aceiro) a miúdo usan o termo "plazca". Os casos menos coñecidos da corrosión dos polímeros. En canto a eles hai o concepto do "envelecemento", similar ao termo "corrosión" para os metais. A velocidade de corrosión, así como calquera reacción química é altamente dependente da temperatura. O aumento da temperatura a 100 °C pode aumentar a velocidade de corrosión en varias ordes.

Estudo das solucións

Esta disciplina estuda as solucións, unha mestura homoxénea que consiste en partículas de produtos de soluto, disolvente e da súa interacción. A formación dun tipo particular de solución determínase pola intensidade da interacción intermolecular, ou outro tipo de interacción de ións de litio, é dicir, as mesmas forzas que determinan a aparición dun estado particular da agregación.

As diferenzas: a formación dunha solución depende da natureza e a intensidade da interacción entre as partículas de diferentes substancias.

As solucións son gases, líquidos e sólidos.

Química cinética

A cinética das reaccións químicas é a parte da química física, que se encarga do estudo das leis das reaccións químicas no tempo, en función das leis do medio ambiente externo, como tamén os mecanismos das reaccións.

Fotoquímica

Luz

Parte da química de altas enerxías, é a sección da química física que estuda as reaccións químicas (química dos estados excitados de moléculas, reaccións fotoquímicas) que se producen baixo a influencia da luz no rango desde o ultravioleta até o infravermello. Moitos dos procesos máis importantes do medio ambiente een nós teñen unha natureza fotoquímica. Só hai que mencionar cousas como a fotosíntese, os ollos, o ozono e a irradiación UV.

Leis da fotoquímica:

• Os cambios fotoquímicos prodúcense só baixo a acción da luz absorbida polo sistema.
• Cada fotón é absorbido no acto primario é capaz de activar unha soa molécula.
• A absorción dun fotón por cada molécula ten unha certa probabilidade de estabilizarse no estado simple máis baixo (con multiplicidade 1) ou no estado triplo máis baixo (con multiplicidade 3).
• A maioría dos procesos fotoquímicos orgánicos en solución implican o primeiro estado simple excitado ou o primeiro estado triplo excitado

Disciplinas

A química cuántica, unha subdisciplina da química física que se ocupa especialmente da aplicación da mecánica cuántica aos problemas químicos, proporciona ferramentas para determinar a forza e a forma dos enlaces, como se moven os núcleos e como un composto químico pode absorber ou emitir luz. A espectroscopia é a subdisciplina relacionada da química física que se ocupa especificamente da interacción da radiación electromagnética coa materia.

Outro conxunto de cuestións importantes en química refírese ao tipo de reaccións que poden producirse de forma espontánea e ás propiedades que pode ter unha mestura química determinada. Isto estúdase na termodinámica química, que establece límites a magnitudes como até onde pode chegar unha reacción ou canta enerxía pode converterse en traballo nun motor de combustión interna, e que establece vínculos entre propiedades como o coeficiente de expansión térmica e a taxa de cambio da entropía coa presión para un gas ou un líquido. Pódese utilizar con frecuencia para avaliar se o deseño dun reactor ou motor é viable, ou para comprobar a validez dos datos experimentais. En certa medida, a termodinámica de case-equilibrio e a termodinámica de non equilibrio poden describir cambios irreversibles. Con todo, a termodinámica clásica ocúpase principalmente dos sistemas en equilibrio e cambios reversibles e non do que realmente ocorre, ou a que velocidade, lonxe do equilibrio.

Que reaccións prodúcense e a que velocidade é o tema da cinética química, outra rama da química física. Unha idea clave na cinética química é que, para que os reactantes reaccionen e formen produtos, a maioría das especies químicas deben pasar por estados de transición que teñen máis enerxía que os reactantes ou os produtos e que actúan como barreira para a reacción.. En xeral, canto maior é a barreira, máis lenta é a reacción. Unha segunda é que a maioría das reaccións químicas prodúcense como unha secuencia de reaccións elementais, cada unha co seu propio estado de transición. As preguntas clave en cinética inclúen como depende a velocidade de reacción da temperatura e das concentracións de reactivos e catalizadores na mestura de reacción, así como como se poden deseñar os catalizadores e as condicións de reacción para optimizar a velocidade de reacción.

O feito de que a rapidez coa que se producen as reaccións a miúdo pódese especificar con só unhas poucas concentracións e unha temperatura, en lugar de necesitar coñecer todas as posicións e velocidades de cada molécula nunha mestura, é un caso especial doutro concepto clave na química física, que é que, na medida en que un enxeñeiro necesita sabelo, todo o que ocorre nunha mestura de números moi grandes (quizais da orde da constante de Avogadro, 6 x 10²³) de partículas, a miúdo pode describirse con só unhas poucas variables, como a presión, a temperatura e a concentración. As razóns precisas disto descríbense na mecánica estatística, unha especialidade dentro da química física que tamén se comparte coa física. A mecánica estatística tamén proporciona formas de predicir as propiedades que vemos na vida cotiá a partir das propiedades moleculares, sen depender de correlacións empíricas baseadas en similitudes químicas.

Lista de disciplinas

En resumo, as principais áreas de interese da química física pódense enumerar da seguinte maneira:

• Mecánica cuántica e química cuántica
• Química computacional
• Termodinámica e termoquímica
• Mecánica estatística
• Cinética química
• Dinámica molecular
• Electroquímica
• Espectroscopia molecular
• Fenómenos de transporte
• Química do estado sólido e superficies
• Química da interfase
• Química coloide
• Fotoquímica
• Femtoquímica
• Química supramolecular
• Química nuclear
• Sonoquímica
• Astroquímica
• Química estrutural
• Transicións de fase
• Magnetoquímica

Historia

Artigo principal: Historia da química.

Mikhail Lomonosov

A físicoquímica non se constituíu como especialidade independente da química até finais do século XIX. O termo "química física" foi cuñado polo científico ruso Mikhail Lomonosov en 1752, cando presentou un curso titulado "Un curso de verdadeira química física" (en ruso: “Курс истинной физической химии”) ante os estudantes da Universidade Estatal de San Petersburgo, que consideraba como unha ciencia básica para o estudo da estrutura da materia. No preámbulo destas conferencias, dá a seguinte definición: "A química física é a ciencia que debe explicar, baixo as disposicións dos experimentos físicos, a razón do que ocorre nos corpos complexos mediante operacións químicas".

A química física moderna xurdiu entre as décadas de 1860 e 1880 grazas ós traballos sobre química termodinámica, electrólitos en solución e cinética química entre outras materias. Un fito clave foi a publicación en 1876 da obra On the Equilibrium of Heterogeneous Substances (Sobre o equilibrio de substancias heteroxéneas) de Josiah Willard Gibbs. Neste traballo presentáronse por vez primeira diversas das pedras angulares da química física, como os conceptos da enerxía de Gibbs, de potencial químico ou a regra das fases de Gibbs. Outros fitos importantes que cómpre salientar son a creación en 1908 do termo entalpía, atribuído ó premio Nobel de Física neerlandés Heike Kamerlingh Onnes, ou o coneixement dos procesos macromoleculares.

As primeiras revistas científicas que se dedicaron á nova disciplina foron a alemá Zeitschrift für physicalische Chemie dirixida por Wolfgang Ostwald (1853-1932) e Jacobus Henricus Van't Hoff (1852-1911), que comezou a súa publicación en 1887, e estadounidense Journal of Physical Chemistry dirixida por Wilder Dwight Bancroft (1867-1953) publicada dende 1896. Malia isto, durante todo o século XIX realizáronse notables achegas a algúns dos campos que habitualmente adoitan reunirse baixo a química física, tales como a electroquímica, a termoquímica ou a cinética química.

A obra de Alessandro Volta (1745-1827), especialmente a pila que leva o seu nome, foi o punto de partida de moitos traballos nos que se estudaron os efectos da electricidade sobre os compostos químicos. A comezos do século XIX, Humphry Davy (1778-1829) fixo pasar unha corrente eléctrica a través de solucións de sales o que lle permitiu separar e estudar dos novos metais: o sodio e o potasio. O seu principal discípulo e o seu succesor na Royal Institution foi Michael Faraday (1791-1867), que continuou as investigacións do seu mestre. Nun artigo publicado en 1834, Faraday propuxo as súas dúas leis sobre a electrólise. A primeira afirma que a cantidade de substancia que se deposita nun eléctrodo é proporcional á cantidade de carga eléctrica que atravesa o circuíto. Na segunda lei, Faraday afirma que a cantidade de carga eléctrica que provoca o desprendemento dun gramo de hidróxeno produce o desprendemento dunha cantidade igual ó equivalente electroquímico doutras substancias.

Os traballos realizados por Antoine Lavoisier (1743-1794) e Pierre Simon Laplace (1749-1827) son a miúdo considerados como o punto de partida da termoquímica. Deseñaron un novo instrumento, o calorímetro, co que podían realizar medidas sobre a cantidade de calor desprendida durante as reaccións químicas. Laplace e Lavoisier coidaban que o calórico era un dos elementos imponderables e que os gases estaban compostos por calor e o elemento correspondente. Durante a primeira metade do século XIX, a idea do calórico foi abandonada e comezaron a facerse as investigacións que permitiron o estabeleemento das leis da termodinámica. A aplicación destas investigacións nos procesos químicos permitiron o xurdimento da termoquímica, grazas á obra de autores como Marcellin Berthelot (1827-1907) ou Henry Le Chatelier (1850-1936).

Jacobus Henricus van 't Hoff

Uns dos primeiros traballos dedicados ó estudo da cinética química foron as investigacións de Ludwig Ferdinand Wilhelmy (1812-1864) sobre a velocidade de cambio de configuración de determinados azucres en presenza dun ácido. A metade do século XIX, Wilhelmy chegou á conclusión de que a velocidade do cambio era proporcional á concentración de azucre e de ácido e que tamén variaba coa temperatura. A colaboración entre un químico, George Vernon Harcourt (1834-1919), e un matemático, William Esson (1838-1916), permitiu a introdución de ecuacións diferenciais no estudo da cinética química. Esson foi o introdutor de conceptos como os de reaccións de "primeira orde", a velocidade das cales é proporcional á concentración de só un reactivo, e de reaccións de "segunda orde", ás cales a velocidade é proporcional no produto de dúas concentracións. Nos últimos anos do século XIX, os traballos de Jacobus Henricus van 't Hoff (1852-1911), premio Nobel de Química de 1901, tiveron unha grande influencia neste e noutros eidos da química. Entre as súas achegas, atópase a introdución do "método diferencial" para o estudo da velocidade das reaccións químicas e a súa famosa ecuación que permite relacionar a velocidade e a temperatura dunha reacción.

O desenvolvemento da mecánica cuántica e a súa aplicación ó estudo dos fenómenos químicos foi un dos cambios máis notables que se produciron na química do século XX. Entre os científicos que máis achegas fixeron neste senso atópase Linus Pauling, autor de libros tan significativos como o seu Introduction to Quantum Mechanics, with Applications to Chemistry (1935) ou The Nature of the Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals (1939). Entre moitas outras achegas, Linus Pauling foi o introdutor do noso concepto moderno de electronegatividade.

Campo de estudo

A fisicoquímica moderna ten firmes bases na física pura. Entre as súas principais áreas de estudo cóntanse a termodinámica química, a cinética química, a química cuántica, a mecánica estatística, a electroquímica, a química do estado sólido e de superficies, e a espectroscopia. A fisicoquímica forma parte fundamental no estudo da ciencia dos materiais.

As principais áreas de estudo da fisicoquímica inclúen a termodinámica química, a cinética química, a química cuántica, a mecánica estatística, a electroquímica, a química de superficies, a química do estado sólido, a espectroscopia e a mecánica cuántica onde funcións matemáticas poden representar interpretacións a nivel molecular e atómico estrutural. Cambios na temperatura, presión, volume, calor e traballo nos sistemas, sólido, líquido e/ou gasoso atópanse tamén relacionados a estas interpretacións de interaccións moleculares. Ó mesmo tempo, a fisicoquímica é parte fundamental da ciencia de materiais moderna.

Segundo o afamado químico estadounidense Gilbert Lewis, "a fisicoquímica é calquera cousa interesante", referíndose ao feito que moitos fenómenos da natureza con respecto á materia son de principal interese na fisicoquímica.

Relevancia na tecnoloxía e na vida cotiá

A química física ocúpase de moitos obxectos que teñen un gran potencial de aplicación ou que son de importancia crucial para a calidade de vida da humanidade.

• No campo da cinética de reacción, Paul J. Crutzen, Mario J. Molina e Frank Sherwood Rowland recibiron o Premio Nobel pola súas investigacións sobre o mecanismo de reacción da formación e descomposición do ozono.
• Practicamente todos os automóbiles contan cunha sonda lambda no catalizador, que analiza constantemente os gases de escape e axusta a inxección de combustible para emitir a menor cantidade posible de combustible sen queimar e aumentar así a eficiencia.
• Os coñecementos electroquímicos son indispensables para o desenvolvemento de novos tipos de baterías para computadores portátiles e teléfonos móbiles.
• No ámbito do desenvolvemento de principios activos para a industria farmacéutica utilízanse cada vez máis métodos de química teórica.
• A fisicoquímica é unha das disciplinas clave da nanotecnoloxía.
• Os métodos da química de superficies permiten comprender o proceso da síntese de amoníaco segundo o proceso Haber-Bosch, sen o cal non sería posible a produción de fertilizantes artificiais e a produción mundial de alimentos sería moito máis difícil.

Problemas a resolver pola fisicoquímica

Algunhas das relacións que a química física esfórzase por resolver inclúen os efectos de:

1. Forzas intermoleculares que actúan sobre as propiedades físicas dos materiais (plasticidade, resistencia á tracción, tensión superficial en líquidos).
2. Cinética de reacción sobre a taxa dunha reacción.
3. A identidade dos iones e a conductividad eléctrica dos materiais.
4. Ciencia de superficies e electroquímica das membranas celulares.
5. Interacción dun corpo con outro en termos de cantidades de calor e traballo chamados termodinámicos.
6. Transferencia de calor entre un sistema químico e a súa contorna durante o cambio de fase ou reacción química que ten lugar chamada termoquímica.
7. Estudo das propiedades coligativas do número de especies presentes na solución.
8. O número de fases, o número de compoñentes e o grao de liberdade (ou varianza) poden correlacionarse entre si con axuda da regra das fases.
9. Reaccións de célula electroquímica.

Fisicoquímicos destacados

• Svante Arrhenius
• Lars Onsager
• Wilhelm Ostwald
• Linus Pauling
• Fritz Haber
• Irving Langmuir
• Jaroslav Heyrovský

Véxase tamén

Bibliografía

• Peter W. Atkins (1978). Physical Chemistry. Oxford University Press. ISBN 0-7167-3539-3. 
• R.J. Hunter (1993). Introduction to Modern Colloid Science. Oxford University Press. ISBN 0-19-855386-2. 
• M. Diaz Peña, A. Roig Muntaner (1984). Química Física. Alhambra. Madrid. ISBN 84-205-0569-2. 
• J. Bertran Rusca, J. Núñez Delgado (2002). Química Física. Ariel, Barcelona. ISBN 84-344-8050-6. 
• Schmidt, Lanny D. (2005). The Engineering of Chemical Reactions (2nd ed.). Nova York: Oxford University Press. ISBN 0-19-516925-5. LCCN 2004043285. OCLC 743218724. 

Outros artigos

• Primeira lei da termodinámica
• Química cuántica
• Segunda lei da termodinámica
• Terceira lei da termodinámica
• Termodinámica

Ligazón externas

• 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)