Hva er fysisk kjemi?

Bokstavelig talt eksisterer millioner av kjemiske forbindelser. Måtene disse forbindelsene og deres bestanddeler reagerer på og interagerer med hverandre, styres av visse fysiske prinsipper som forklarer deres oppførsel. Fysisk kjemi er derfor grunnlaget som alle andre kjemifelt hviler på, og denne vitenskapen er også relevant for praktisk talt alle andre vitenskapelige felt. Fysisk kjemi er omfattet av fire fagområder, inkludert termodynamikk, kvantekjemi, kjemisk kinetikk og statistisk termodynamikk.

Termodynamikk er studiet av konvertering av energi til varme og arbeid. I denne sammenhengen er arbeid definert som energien som overføres av en styrke; for eksempel å sparke en ball er en form for arbeid der personen som sparker ballen overfører kraft fra foten til ballen, noe som får ballen til å bevege seg. Termodynamikk studerer også måter konverteringsprosessen kan endres ved å endre variabler som trykk og temperatur i et system.

Kvantekjemi er en teoretisk vitenskap som beskriver hvordan molekyler binder seg til hverandre ved å bruke prinsipper for kvantefeltteori og kvantemekanikk. Disse prinsippene beskriver hvordan atomer og subatomære partikler oppfører seg i forskjellige systemer, og styrer igjen hvordan molekyler oppfører seg. Teoretisk kan alle kjemiske systemer beskrives ved bruk av kvantekjemi, men i praksis er det bare veldig enkle systemer som kan undersøkes nøyaktig.

Kjemisk kinetikk studerer hastighetene for kjemiske prosesser. Hastigheten til en gitt kjemisk prosess er ganske enkelt hastigheten som en kjemisk reaksjon oppstår. Kontrast for eksempel hastigheten på jernoksidasjon, som er en veldig langsom prosess, med hastigheten på forbrenning, som er en prosess på et sekund. Kjemisk kinetikk studerer også hvordan endring av variabler som trykk og temperatur endrer frekvensen av reaksjoner.

Disse tre aspektene ved fysisk kjemi er knyttet sammen av en fjerde, kalt statistisk termodynamikk. Dette feltet er opptatt av energifordeling i kjemiske systemer, og kobler også de mikroskopiske og makroskopiske verdenene. Hovedmålet med statistisk termodynamikk er å tolke makroskopiske egenskaper for forskjellige typer materie i forhold til samspillet mellom deres bestanddeler mikroskopiske molekyler og partikler.

Gjennom studiet av disse fire konseptene søker moderne fysisk kjemi å forstå komplekse kjemiske problemer i sammenheng med biologiske, miljø- og materialvitenskap. Selv om dette er vidt forskjellige felt, er prinsippene for fysisk kjemi relevante for alle, inkludert biologiske så vel som fysiske og kjemiske vitenskaper. Dette er faktisk en meget flerfaglig vitenskap, nettopp fordi de kjemiske prinsippene den studerer er relevante for alle biologiske og kjemiske systemer.