Vad är fysisk kemi?

Bokstavligen finns miljoner kemiska föreningar. Hur dessa föreningar och deras beståndsdelar reagerar och interagerar med varandra styrs av vissa fysiska principer som förklarar deras beteende. Fysisk kemi är därför den grund som alla andra kemiområden bygger på, och denna vetenskap är också relevant för praktiskt taget alla andra vetenskapliga områden. Fysisk kemi omfattas av fyra ämnesområden, inklusive termodynamik, kvantkemi, kemisk kinetik och statistisk termodynamik.

Termodynamik är studien av omvandling av energi till värme och arbete. I detta sammanhang definieras arbete som den energi som överförs av en kraft; till exempel att sparka en boll är en form av arbete där personen som sparkar bollen överför kraft från sin fot till bollen, vilket får bollen att röra sig. Termodynamik studerar också sätt på vilka konverteringsprocessen kan ändras genom att ändra variabler som tryck och temperatur i ett system.

Kvantkemi är en teoretisk vetenskap som beskriver hur molekyler binds till varandra genom att tillämpa principer för kvantfältteori och kvantmekanik. Dessa principer beskriver hur atomer och subatomära partiklar uppträder i olika system och styr i sin tur hur molekyler beter sig. Teoretiskt kan alla kemiska system beskrivas med kvantkemi, men i praktiken kan endast mycket enkla system undersökas exakt.

Kemisk kinetik studerar hastigheterna för kemiska processer. Hastigheten för en given kemisk process är helt enkelt den hastighet med vilken en kemisk reaktion inträffar. Kontrastera till exempel hastigheten för järnoxidation, som är en mycket långsam process, med hastigheten för bränsleförbränning, som är en split-sekunders process. Kemisk kinetik studerar också hur förändrade variabler som tryck och temperatur ändrar hastigheten vid vilken reaktioner inträffar.

Dessa tre aspekter av fysisk kemi är kopplade till en fjärde, kallad statistisk termodynamik. Det här fältet handlar om energidistribution i kemiska system och länkar också de mikroskopiska och makroskopiska världarna. Huvudmålet för statistisk termodynamik är att tolka makroskopiska egenskaper hos olika typer av materia i relation till interaktioner mellan deras beståndsdelar mikroskopiska molekyler och partiklar.

Genom att studera dessa fyra begrepp försöker modern fysisk kemi förstå komplexa kemiska problem i samband med biologiska, miljö- och materialvetenskaper. Även om dessa är mycket olika områden, är principerna för fysisk kemi relevanta för alla, inklusive biologiska såväl som fysiska och kemiska vetenskaper. Detta är i själva verket en mycket tvärvetenskaplig vetenskap, precis för att de kemiska principerna som den studerar är relevanta för alla biologiska och kemiska system.