Co je fyzikální chemie?

Doslova existují miliony chemických sloučenin. Způsoby, jak tyto sloučeniny a jejich složky reagují a vzájemně reagují, se řídí určitými fyzikálními principy, které vysvětlují jejich chování. Fyzikální chemie je proto základem, na kterém spočívají všechny ostatní oblasti chemie, a tato věda je také relevantní prakticky pro všechny ostatní vědecké obory. Fyzikální chemie je zahrnuta ve čtyřech předmětech, včetně termodynamiky, kvantové chemie, chemické kinetiky a statistické termodynamiky.

Termodynamika je studium přeměny energie na teplo a práci. V této souvislosti je práce definována jako energie přenášená silou; například kopat míč je forma práce, ve které osoba, která kope míč, přenáší sílu z nohou na míč, což způsobí, že se míč pohybuje. Termodynamika také studuje způsoby, kterými lze proces přeměny změnit změnou proměnných, jako je tlak a teplota v systému.

Kvantová chemie je teoretická věda, která popisuje, jak se molekuly váží k sobě navzájem pomocí principů teorie kvantového pole a kvantové mechaniky. Tyto principy popisují, jak se atomy a subatomické částice chovají v různých systémech, a zase řídí, jak se molekuly chovají. Teoreticky lze všechny chemické systémy popsat pomocí kvantové chemie, ale v praxi lze přesně zkoumat pouze velmi jednoduché systémy.

Chemická kinetika studuje rychlost chemických procesů. Rychlost daného chemického procesu je jednoduše rychlost, při které dochází k chemické reakci. Například kontrastujte s rychlostí oxidace železa, což je velmi pomalý proces, s rychlostí spalování paliva, což je proces vteřiny. Chemická kinetika také studuje, jak měnící se proměnné, jako je tlak a teplota, mění rychlost, při které se reakce vyskytují.

Tyto tři aspekty fyzikální chemie jsou spojeny čtvrtou, zvanou statistická termodynamika. Toto pole se zabývá distribucí energie v chemických systémech a také spojuje mikroskopické a makroskopické světy. Hlavním cílem statistické termodynamiky je interpretovat makroskopické vlastnosti různých typů látek ve vztahu k interakcím mezi jejich jednotlivými mikroskopickými molekulami a částicemi.

Studiem těchto čtyř konceptů se moderní fyzikální chemie snaží porozumět složitým chemickým problémům v kontextu biologických, environmentálních a materiálových věd. I když se jedná o široce odlišné oblasti, principy fyzikální chemie jsou relevantní pro všechny, včetně biologických, jakož i fyzikálních a chemických věd. Ve skutečnosti jde o vysoce multidisciplinární vědu, a to právě proto, že chemické principy, které studuje, jsou relevantní pro všechny biologické a chemické systémy.