Wat is fysische chemie?
Er bestaan letterlijk miljoenen chemische verbindingen. De manieren waarop deze verbindingen en hun bestanddelen reageren en met elkaar omgaan worden bepaald door bepaalde fysische principes die hun gedrag verklaren. Fysische chemie is daarom de basis waarop alle andere gebieden van chemie berusten, en deze wetenschap is ook relevant voor vrijwel alle andere wetenschappelijke gebieden. Fysische chemie omvat vier vakgebieden, waaronder thermodynamica, kwantumchemie, chemische kinetiek en statistische thermodynamica.
Thermodynamica is de studie van de omzetting van energie in warmte en werk. In deze context wordt werk gedefinieerd als de energie die wordt overgedragen door een kracht; Het schoppen van een bal is bijvoorbeeld een vorm van werk waarbij de persoon die de bal schopt kracht overbrengt van zijn voet naar de bal, waardoor de bal beweegt. Thermodynamica onderzoekt ook manieren waarop het conversieproces kan worden gewijzigd door variabelen zoals druk en temperatuur in een systeem te wijzigen.
Kwantumchemie is een theoretische wetenschap die beschrijft hoe moleculen zich aan elkaar binden door principes van kwantumveldentheorie en kwantummechanica toe te passen. Deze principes beschrijven hoe atomen en subatomaire deeltjes zich in verschillende systemen gedragen en bepalen op hun beurt hoe moleculen zich gedragen. Theoretisch kunnen alle chemische systemen worden beschreven met behulp van de kwantumchemie, maar in de praktijk kunnen alleen zeer eenvoudige systemen nauwkeurig worden onderzocht.
Chemische kinetiek bestudeert de snelheid van chemische processen. De snelheid van een bepaald chemisch proces is eenvoudig de snelheid waarmee een chemische reactie optreedt. Vergelijk bijvoorbeeld de snelheid van ijzeroxidatie, wat een zeer langzaam proces is, met de snelheid van brandstofverbranding, die een fractie van een seconde is. Chemische kinetica onderzoekt ook hoe veranderende variabelen zoals druk en temperatuur de snelheid waarmee reacties optreden veranderen.
Deze drie aspecten van fysische chemie zijn verbonden door een vierde, statistische thermodynamica genoemd. Dit veld houdt zich bezig met energieverdeling in chemische systemen en verbindt ook de microscopische en macroscopische werelden. Het hoofddoel van statistische thermodynamica is het interpreteren van macroscopische eigenschappen van verschillende soorten materie in relatie tot de interacties tussen hun samenstellende microscopische moleculen en deeltjes.
Door de studie van deze vier concepten, probeert de moderne fysische chemie complexe chemische problemen te begrijpen in de context van biologische, milieu- en materiaalwetenschappen. Hoewel dit zeer uiteenlopende velden zijn, zijn de principes van fysische chemie relevant voor iedereen, inclusief biologische en fysische en chemische wetenschappen. Dit is in feite een zeer multidisciplinaire wetenschap, juist omdat de chemische principes die het onderzoekt relevant zijn voor alle biologische en chemische systemen.