Fysisk kemi (ofte forkortet i litteraturen som fysisk kemi ) er en gren af kemi, videnskaben om de generelle love for kemikaliers struktur, struktur og omdannelse . Udforsker kemiske fænomener ved hjælp af teoretiske og eksperimentelle fysikmetoder . Den mest omfattende gren af kemi.
Udtrykket "fysisk kemi" blev første gang brugt af den tyske alkymist Heinrich Khunrath i 1598 [1] ; i XVII-XVIII århundreder. dette udtryk blev generelt accepteret for det, vi i dag kalder " teoretisk kemi " [2] .
I kemiens hjemlige historieskrivning antages det, at begyndelsen til fysisk kemi blev lagt i midten af det 18. århundrede . Udtrykket "fysisk kemi", i den moderne forståelse af videnskabens metodologi og spørgsmål om videnteorien [3] , tilhører M. V. Lomonosov , som i 1752 for første gang læste Kurset for ægte fysisk kemi for studerende fra Akademisk Universitet . I indledningen til disse forelæsninger giver han følgende definition: "Fysisk kemi er en videnskab, der på baggrund af fysiske videnskabsmænds bestemmelser og forsøg skal forklare årsagen til, hvad der sker gennem kemiske operationer i komplekse legemer." Videnskabsmanden i værkerne af sin korpuskulær-kinetiske teori om varme beskæftiger sig med spørgsmål, der fuldt ud opfylder ovenstående opgaver og metoder. Dette er netop karakteren af de eksperimentelle handlinger, der tjener til at bekræfte individuelle hypoteser og bestemmelser i dette koncept. M. V. Lomonosov fulgte disse principper på mange områder af sin forskning: i udviklingen og den praktiske implementering af "videnskaben om glas" grundlagt af ham, i forskellige eksperimenter afsat til at bekræfte loven om bevarelse af stof og kraft (bevægelse); - i værker og eksperimenter relateret til studiet af løsninger - udviklede han et omfattende forskningsprogram om dette fysiske og kemiske fænomen, som er under udvikling frem til i dag.
Dette blev efterfulgt af en pause på mere end hundrede år, og en af de første fysisk-kemiske undersøgelser i Rusland i slutningen af 1850'erne blev startet af D. I. Mendeleev .
Det næste kursus i fysisk kemi blev undervist af N. N. Beketov ved Kharkov Universitet i 1865.
I anden halvdel af det 19. århundrede ydede amerikaneren Gibbs et væsentligt bidrag til udviklingen af fysisk kemi .
Det første videnskabelige tidsskrift dedikeret til at udgive artikler om fysisk kemi (" Zeitschrift für physikalische Chemie ") blev grundlagt i 1887 af W. Ostwald og J. van't Hoff .
Den første afdeling for fysisk kemi i Rusland blev åbnet i 1914 ved Fakultetet for Fysik og Matematik ved St. Petersborg Universitet, i efteråret begyndte en studerende fra D.P. Konovalov , M.S. Vrevsky , at læse det obligatoriske kursus og praktiske klasser i fysisk kemi .
Fysisk kemi er det vigtigste teoretiske grundlag for moderne kemi, ved at bruge de teoretiske metoder i så vigtige dele af fysikken som kvantemekanik , statistisk fysik og termodynamik , ikke- lineær dynamik , feltteori osv. Det inkluderer læren om stofstrukturen, herunder: strukturen af molekyler, kemisk termodynamik , kemisk kinetik og katalyse . Elektrokemi , fotokemi , fysisk kemi af overfladefænomener (herunder adsorption ), strålingskemi , studiet af metalkorrosion , fysisk kemi af makromolekylære forbindelser (se polymerfysik ) osv. skelnes også som separate sektioner i fysisk kemi . støder op til fysisk kemi og betragtes undertiden som dens uafhængige sektioner af kolloidkemi , fysisk-kemisk analyse og kvantekemi . De fleste dele af fysisk kemi har ret klare grænser med hensyn til objekter og forskningsmetoder, med hensyn til metodiske træk og det anvendte apparatur.
Begge disse videnskaber er i krydsfeltet mellem kemi og fysik , nogle gange er kemisk fysik inkluderet i fysisk kemi. Det er ikke altid muligt at trække en klar grænse mellem disse videnskaber. Men med en rimelig grad af nøjagtighed kan denne forskel bestemmes som følger:
Kolloid kemi (oldgræsk κόλλα - lim) er det traditionelle navn for den fysiske kemi af disperse systemer og overfladefænomener, der forekommer ved grænsefladen [5] . Det studerer adhæsion, adsorption, befugtning, koagulering, elektroforese og udvikler byggematerialeteknologier, klippeboring, sol-gel-teknologier. Moderne kolloid kemi er en videnskab, der er i skæringspunktet mellem kemi, fysik og biologi.
De vigtigste retninger for moderne kolloid kemi:
Krystalkemi er videnskaben om krystalstrukturer og deres forbindelse med stoffets natur [6] . Som en gren af kemi, er krystalkemi tæt forbundet med krystallografi og studerer det rumlige arrangement og kemiske binding af atomer i krystaller, samt afhængigheden af de fysiske og kemiske egenskaber af krystallinske stoffer på deres struktur. Ved hjælp af røntgendiffraktionsanalyse, strukturel elektrondiffraktion og neutrondiffraktion bestemmer krystalkemi de absolutte værdier af interatomare afstande og vinklerne mellem kemiske bindingslinjer (valensvinkler). Krystalkemi har omfattende materiale på krystalstrukturerne af mere end 425 tusinde forbindelser, hvoraf mere end halvdelen er uorganiske forbindelser.
Krystalkemiens opgaver omfatter:
Radiokemi arbejder med ultrasmå mængder af stoffer og med meget fortyndede opløsninger, samt med kilder til ioniserende stråling [7] . Radioaktiviteten af stofferne undersøgt af radiokemi tillader og kræver brug af specifikke meget følsomme metoder til måling af deres mikroskopiske mængder, fjerntliggende automatiserede analysemetoder.
Termokemi er en gren af kemisk termodynamik, hvis opgave er:
De vigtigste eksperimentelle metoder til termokemi er:
Atom (fra anden græsk ἄτομος - udelelig) - en partikel af stof af mikroskopisk størrelse og masse, den mindste del af et kemisk grundstof, som er bæreren af dets egenskaber. Et atom består af en atomkerne og elektroner. Hvis antallet af protoner i kernen falder sammen med antallet af elektroner, så er atomet som helhed elektrisk neutralt. Ellers har den en positiv eller negativ ladning og kaldes en ion. I nogle tilfælde forstås atomer kun som elektrisk neutrale systemer, hvor ladningen af kernen er lig med den samlede ladning af elektroner, og derved modsætter dem elektrisk ladede ioner.
Kernen, som bærer mere end 99,9 % af atomets masse, består af positivt ladede protoner og uladede neutroner, som er bundet sammen af den stærke kraft. Atomer klassificeres efter antallet af protoner og neutroner i kernen: antallet af protoner Z svarer til serienummeret på atomet i det periodiske system og bestemmer, om det tilhører et bestemt kemisk grundstof, og antallet af neutroner N svarer til til en bestemt isotop af dette grundstof. Z-tallet bestemmer også den samlede positive elektriske ladning (Ze) af atomkernen og antallet af elektroner i et neutralt atom, som bestemmer dets størrelse. Atomer af forskellige typer i forskellige mængder, forbundet med interatomiske bindinger, danner molekyler.
Korrosion (af latin korrosio-ætsende) er den spontane ødelæggelse af metaller som følge af fysisk og kemisk interaktion med miljøet [8] . Årsagen til korrosion er den termodynamiske ustabilitet af strukturelle materialer til virkningerne af stoffer i kontakt med dem. I hverdagen, for jernlegeringer (stål), bruges udtrykket "rust" oftere. Mindre kendte tilfælde af korrosion af polymerer. I forhold til dem er der begrebet "ældning", svarende til udtrykket "korrosion" for metaller. Korrosionshastigheden er ligesom enhver kemisk reaktion meget afhængig af temperaturen. En stigning i temperaturen med 100 grader kan øge korrosionshastigheden med flere størrelsesordener.
En opløsning er en homogen blanding bestående af partikler af et opløst stof, et opløsningsmiddel og produkterne af deres interaktion. Dannelsen af en eller anden type opløsning bestemmes af intensiteten af den intermolekylære, interatomiske, interioniske eller anden type interaktion, det vil sige af de samme kræfter, der bestemmer forekomsten af en bestemt aggregeringstilstand. Forskelle: Dannelsen af en opløsning afhænger af arten og intensiteten af interaktionen mellem partikler af forskellige stoffer. Opløsninger er gasformige, flydende og faste.
Kemisk kinetik eller kinetikken af kemiske reaktioner er en gren af fysisk kemi, der studerer mønstrene for kemiske reaktioners forløb over tid, disse mønstres afhængighed af ydre forhold, samt mekanismerne for kemiske transformationer.
Molekulæriteten af en elementær reaktion er antallet af partikler, der ifølge den eksperimentelt etablerede reaktionsmekanisme deltager i en elementær handling af kemisk interaktion.
Monomolekylære reaktioner - reaktioner, hvor der sker en kemisk transformation af et molekyle (isomerisering, dissociation osv.):
H2S → H2 + SBimolekylære reaktioner - reaktioner, hvis elementære handling udføres ved sammenstød mellem to partikler (identiske eller forskellige):
CH3Br + KOH → CH3OH + KBrTrimolekylære reaktioner - reaktioner, hvis elementære handling udføres ved kollision af tre partikler:
O 2 + NO + NO → 2NO 2Reaktioner med en molekylæritet større end tre er ukendte.
For elementære reaktioner udført ved tætte koncentrationer af udgangsstofferne er værdierne for molekylæritet og reaktionsrækkefølgen de samme. Der er ikke noget klart defineret forhold mellem begreberne molekylæritet og reaktionsrækkefølge, da reaktionsrækkefølgen karakteriserer reaktionens kinetiske ligning, og molekylæritet karakteriserer reaktionsmekanismen.
Katalyse er processen med at ændre hastigheden af kemiske reaktioner i nærvær af stoffer kaldet katalysatorer. Katalytiske reaktioner er reaktioner , der finder sted i nærvær af katalysatorer.
Katalyse kaldes positiv, hvor reaktionshastigheden stiger, negativ ( hæmning ), hvor den falder. Et eksempel på positiv katalyse er oxidation af ammoniak på platin til fremstilling af salpetersyre . Et eksempel på en negativ er et fald i korrosionshastigheden , når natriumnitrit, kromat og kaliumdichromat indføres i væsken, hvori metallet drives.
Mange af de vigtigste kemiske industrier, såsom produktion af svovlsyre, ammoniak , salpetersyre , syntetisk gummi , en række polymerer osv., udføres i nærværelse af katalysatorer.
Fotokemi er en del af højenergikemi, en sektion af fysisk kemi, der studerer kemiske transformationer (kemien af exciterede tilstande af molekyler, fotokemiske reaktioner), der forekommer under påvirkning af lys i området fra langt ultraviolet til infrarød stråling. Mange af de vigtigste processer, der foregår i miljøet og i os selv , er af fotokemisk karakter. Det er tilstrækkeligt at nævne sådanne fænomener som fotosyntese , syn og dannelsen af ozon i atmosfæren under påvirkning af UV-stråling.
Fotokemiens loveKemisk termodynamik er en gren af fysisk kemi, der studerer stoffers interaktionsprocesser ved termodynamikkens metoder [9] .
Hovedområderne for kemisk termodynamik er:
Kemisk termodynamik er tæt forbundet med sådanne grene af kemi som
Fysisk og kemisk analyse er et sæt metoder til at analysere fysiske og kemiske systemer ved at konstruere og geometrisk analyse af tilstandsdiagrammer og sammensætning-egenskabsdiagrammer . Denne metode gør det muligt at påvise eksistensen af forbindelser (for eksempel kobberguld CuAu), hvis eksistens ikke kan bekræftes af andre analysemetoder. Oprindeligt var forskning inden for fysisk-kemisk analyse fokuseret på at studere faseovergangstemperaturers afhængighed af sammensætning . Men ved overgangen til det 19.-20. århundrede viste N. S. Kurnakov , at enhver fysisk egenskab ved et system er en funktion af sammensætning, og elektrisk ledningsevne , viskositet , overfladespænding , varmekapacitet , brydningsindeks , elasticitet og andre fysiske egenskaber kan bruges til at studere fasetilstanden [10] .
Teorien om fysisk-kemisk analyse er baseret på principperne om korrespondance og kontinuitet formuleret af N. S. Kurnakov. Kontinuitetsprincippet siger, at hvis der ikke dannes nye faser i systemet, eller de eksisterende ikke forsvinder, så ændres egenskaberne ved de enkelte faser og systemets egenskaber som helhed ved en kontinuerlig ændring af systemets parametre. . Korrespondanceprincippet siger, at hvert kompleks af faser svarer til et bestemt geometrisk billede på komposition-egenskabsdiagrammet .
Teorien om kemiske forbindelsers reaktivitet (TRSHS) er en videnskabelig disciplin, der studerer mekanismen for kemiske reaktioner og mekanikken bag en elementær handling af kemisk omdannelse. TRSHS er en relativt ung gren af kemisk videnskab, der har været aktivt under udvikling i de seneste årtier, hvilket er forbundet med fremskridt inden for beregnings- og kvantekemi samt fysisk-kemiske analysemetoder.
Eksperimentelle metoder TRSHS:
Højenergikemi er en gren af fysisk kemi, der beskriver de kemiske og fysisk-kemiske processer, der forekommer i et stof, når det udsættes for ikke-termiske energimidler - ioniserende stråling, lys, plasma, ultralyd, mekanisk stød og andre [11] .
Højenergikemi (HVE) studerer de kemiske reaktioner og transformationer, der forekommer i stof under påvirkning af ikke-termisk energi. Mekanismerne og kinetikken af sådanne reaktioner og transformationer er karakteriseret ved i det væsentlige ikke-ligevægtskoncentrationer af hurtige, exciterede eller ioniserede partikler med en energi, der er større end energien af deres termiske bevægelse og i nogle tilfælde kemisk binding. Bærere af ikke-termisk energi, der virker på stof: accelererede elektroner og ioner, hurtige og langsomme neutroner, alfa- og beta-partikler, positroner, myoner, pioner, atomer og molekyler ved supersoniske hastigheder, elektromagnetiske strålingskvanter, såvel som pulserende elektriske, magnetiske og akustiske felter.
Højenergikemiens processer er kendetegnet ved tidsfaser til fysiske, der finder sted i en tid på femtosekunder eller mindre, hvor ikke-termisk energi fordeles ujævnt i mediet, og et "hot spot" dannes, fysisk-kemisk, under hvilken uligevægt og inhomogenitet i "hot spot" er manifesteret og endelig kemisk, hvor stoffets transformationer adlyder den almindelige kemi. Som et resultat dannes sådanne ioner og exciterede tilstande af atomer og molekyler ved stuetemperaturer, der ikke kan opstå på grund af ligevægtsprocesser.
Den ydre manifestation af CHE er dannelsen af ioner og exciterede tilstande af atomer og molekyler ved stuetemperatur, hvor disse partikler ikke kan opstå på grund af ligevægtsprocesser. NE Ablesimov formulerede et afslapningsprincip til at kontrollere egenskaberne af ikke-ligevægts fysiske og kemiske systemer. I det tilfælde, hvor relaksationstiderne er meget længere end varigheden af den fysiske påvirkning, er det muligt at kontrollere frigivelsen af kemiske former, faser og som følge heraf egenskaberne af stoffer (materialer) ved hjælp af information om relaksationsmekanismerne i ikke-ligevægtskondenserede systemer på det fysisk-kemiske stadium af afslapningsprocesser (herunder antal og under drift).
Hovedsektionerne af HVE
og andre.
Laserkemi er en gren af fysisk kemi, der studerer kemiske processer, der sker under påvirkning af laserstråling , og hvor laserstrålingens specifikke egenskaber spiller en afgørende rolle, samt kemolaserprocesser ( kemiske lasere ) [12] . Laserstrålingens monokromaticitet gør det muligt selektivt at excitere molekyler af én type, mens molekyler af andre typer forbliver uexciterede. Selektiviteten af excitation i denne proces er kun begrænset af graden af båndoverlapning i stoffets absorptionsspektrum . Ved at vælge excitationsfrekvensen er det således muligt ikke kun at udføre selektiv aktivering af molekyler, men også at ændre dybden af strålingsgennemtrængning i reaktionszonen.
Muligheden for at fokusere laserstråling gør det muligt at indføre energi lokalt i et bestemt område af volumenet optaget af den reagerende blanding. Lasers indflydelse på kemiske reaktioner kan være termisk og fotokemisk. Laser oftalmologi og mikrokirurgi, i sidste ende, den samme laserkemi, men til medicinske formål.
Strålingskemi - en del af højenergikemi , en sektion af fysisk kemi - studerer kemiske processer forårsaget af virkningen af ioniserende stråling på stof [13] .
Elektromagnetisk stråling ( røntgenstråler , γ-stråling , synkrotronstråling ) og strømme af accelererede partikler ( elektroner , protoner , neutroner , helioner , tunge ioner; fissionsfragmenter af tunge kerner osv.) har en ioniserende evne, hvis energi overstiger ioniseringspotentialet for atomer eller molekyler (i de fleste tilfælde ligger i området 10-15 eV ).
Inden for rammerne af strålingskemi betragtes nogle kemiske processer, som er umulige ved brug af traditionelle kemiske tilgange. Ioniserende stråling kan i høj grad reducere temperaturen af kemiske reaktioner uden brug af katalysatorer og initiatorer.
Strålingskemiens historieStrålingskemi opstod efter opdagelsen af røntgenstråler af W. Roentgen i 1895 og radioaktivitet af A. Becquerel i 1896, som var de første til at observere strålingseffekter i fotografiske plader.
De første arbejder om strålingskemi blev udført i 1899-1903 af ægtefællerne M. Curie og P. Curie . I de efterfølgende år blev det største antal undersøgelser afsat til radiolyse af vand og vandige opløsninger .
Kernekemi - en del af højenergikemi , en sektion af fysisk kemi - studerer nukleare reaktioner og de fysisk-kemiske processer, der ledsager dem, fastslår forholdet mellem de fysisk-kemiske og nukleare egenskaber af et stof [14] . Ofte betyder nuklear kemi studieområderne for radiokemi (nogle gange som en del af det) og strålingskemi . Det er forskellige videnskaber, men nuklear kemi er det teoretiske grundlag for dem. Udtrykket kernekemi, selv på nuværende tidspunkt, er ikke generelt accepteret på grund af det faktum, at omdannelsen af atomkerner oprindeligt er et felt inden for kernefysik , og kemi studerer pr. definition kun kemiske reaktioner , hvor atomkerner forbliver uændret. Nuklear kemi opstod i skæringspunktet mellem radiokemi , kemisk fysik og kernefysik
Hovedretninger for kernekemi:
Elektrokemi er en gren af den kemiske videnskab, der overvejer systemer og interfasegrænser , når en elektrisk strøm strømmer gennem dem , processer i ledere , på elektroder (fra metaller eller halvledere , inklusive grafit ) og i ionledere ( elektrolytter ) studeres. Elektrokemi udforsker processerne for oxidation og reduktion, der finder sted på rumligt adskilte elektroder, overførsel af ioner og elektroner . Direkte ladningsoverførsel fra molekyle til molekyle betragtes ikke i elektrokemi.
Traditionelt er elektrokemi opdelt i teoretisk og anvendt.
Teoretisk elektrokemiLydkemi (sonokemi) er en gren af kemi, der studerer samspillet mellem kraftige akustiske bølger og de deraf følgende kemiske og fysisk-kemiske effekter [15] . Sonochemistry undersøger kinetikken og mekanismen af sonokemiske reaktioner, der forekommer i volumen af et lydfelt. Området for lydkemi omfatter også nogle fysiske og kemiske processer i et lydfelt: sonoluminescens , dispersion af et stof under påvirkning af lyd, emulgering og andre kolloide kemiske processer.
Sonochemistry lægger hovedvægten på studiet af kemiske reaktioner, der opstår under påvirkning af akustiske vibrationer - sonokemiske reaktioner . Som regel studeres lydkemiske processer i ultralydsområdet (fra 20 kHz til flere MHz). Lydvibrationer i kilohertz-området og det infrasoniske område studeres meget sjældnere. Lydkemi undersøger kavitationsprocesserne .
Følgende metoder bruges til at studere lyd-kemiske reaktioner:
Strukturkemi er et afsnit, et felt inden for kemi, der studerer sammenhængen mellem forskellige fysiske og fysisk-kemiske egenskaber af forskellige stoffer med deres kemiske struktur og reaktivitet. Strukturkemi overvejer ikke kun den geometriske struktur af molekyler; følgende er genstand for undersøgelse - længden af kemiske bindinger, bindingsvinkler, koordinationstal, konformationer og konfigurationer af molekyler; virkninger af deres gensidige påvirkning, aromaticitet.
Strukturkemi er baseret på følgende eksperimentelle metoder til undersøgelse af stoffer:
Et afsnit, der studerer processer i metallurgiske enheder.
Potentiometri er et tværfagligt felt af fysisk kemi, som involverer brugen af forskellige elektrokemiske og termodynamiske metoder, metoder til analytisk kemi, som er meget udbredt i videnskabelig forskning af forskellige tilhørsforhold, i industriel praksis; herunder - ionometri, pH -metri, samt ved oprettelse af det måleudstyr, der bruges i dem (se også: periodisk lov (oxidationspotentiale) , pH , redoxpotentiale , pH-meter , glaselektrode ).
af materialevidenskab | Afsnit||
---|---|---|
Grundlæggende definitioner | ||
Hovedretninger | ||
Generelle aspekter |
| |
Andre vigtige retninger |
| |
Beslægtede videnskaber |
Ordbøger og encyklopædier | ||||
---|---|---|---|---|
|