Co to jest chemia fizyczna?

Istnieją dosłownie miliony związków chemicznych. Sposób, w jaki te związki i ich składniki reagują i oddziałują na siebie, jest regulowany przez pewne fizyczne zasady, które wyjaśniają ich zachowanie. Chemia fizyczna jest zatem podstawą, na której spoczywają wszystkie inne dziedziny chemii, i ta nauka jest również istotna dla praktycznie wszystkich innych dziedzin nauki. Chemia fizyczna obejmuje cztery obszary tematyczne, w tym termodynamikę, chemię kwantową, kinetykę chemiczną i termodynamikę statystyczną.

Termodynamika to nauka o konwersji energii w ciepło i pracę. W tym kontekście praca jest definiowana jako energia przenoszona przez siłę; na przykład kopanie piłki jest formą pracy, w której osoba, która kopie piłkę, przenosi siłę z nogi na piłkę, powodując jej ruch. Termodynamika bada także sposoby zmiany procesu konwersji poprzez zmianę zmiennych, takich jak ciśnienie i temperatura w systemie.

Chemia kwantowa to nauka teoretyczna, która opisuje, w jaki sposób cząsteczki łączą się ze sobą, stosując zasady kwantowej teorii pola i mechaniki kwantowej. Zasady te opisują, jak zachowują się atomy i cząsteczki subatomowe w różnych układach, a te z kolei regulują zachowanie molekuł. Teoretycznie wszystkie układy chemiczne można opisać za pomocą chemii kwantowej, ale w praktyce można dokładnie zbadać tylko bardzo proste układy.

Kinetyka chemiczna bada tempo procesów chemicznych. Szybkość danego procesu chemicznego jest po prostu prędkością, z jaką zachodzi reakcja chemiczna. Na przykład, kontrast szybkości utleniania żelaza, która jest procesem bardzo wolnym, z szybkością spalania paliwa, która jest procesem ułamkowym. Kinetyka chemiczna bada także, w jaki sposób zmienne takie jak ciśnienie i temperatura zmieniają szybkość zachodzenia reakcji.

Te trzy aspekty chemii fizycznej są połączone czwartym, zwanym termodynamiką statystyczną. Dziedzina ta dotyczy dystrybucji energii w układach chemicznych, a także łączy mikroskopijne i makroskopowe światy. Głównym celem termodynamiki statystycznej jest interpretacja makroskopowych właściwości różnych rodzajów materii w odniesieniu do interakcji między ich składowymi mikroskopijnymi cząsteczkami i cząsteczkami.

Poprzez badanie tych czterech pojęć współczesna chemia fizyczna stara się zrozumieć złożone problemy chemiczne w kontekście nauk biologicznych, środowiskowych i materiałowych. Mimo że są to bardzo różne dziedziny, zasady chemii fizycznej są istotne dla wszystkich, w tym nauk biologicznych, a także nauk fizycznych i chemicznych. W rzeczywistości jest to wysoce interdyscyplinarna nauka, właśnie dlatego, że badane przez nią zasady chemiczne dotyczą wszystkich układów biologicznych i chemicznych.