الكيمياء الفيزيائية
| جزء من سلسلة عن |
| كيمياء |
|---|
 |
|
|
الكيمياء الفيزيائية هي دراسة الظواهر العيانية والمجهرية في الأنظمة الكيميائية من حيث مبادئ وممارسات ومفاهيم الفيزياء مثل الحركة والطاقة والقوة والوقت والديناميكا الحرارية والكيمياء الكمومية والميكانيكا الإحصائية والديناميكا التحليلية والتوازنات الكيميائية .
الكيمياء الفيزيائية، على النقيض من الفيزياء الكيميائية ، هي في الغالب (ولكن ليس دائمًا) علم فوق جزيئي، حيث أن غالبية المبادئ التي تأسست عليها تتعلق بالجزء الأكبر وليس بالبنية الجزيئية أو الذرية وحدها (على سبيل المثال، التوازن الكيميائي والغرويات ) .
تتضمن بعض العلاقات التي تسعى الكيمياء الفيزيائية إلى فهمها تأثيرات:
- القوى بين الجزيئات التي تؤثر على الخصائص الفيزيائية للمواد ( اللدونة ، قوة الشد ، التوتر السطحي في السوائل ).
- حركية التفاعل على معدل التفاعل .
- هوية الأيونات والتوصيل الكهربائي للمواد.
- علم السطح والكيمياء الكهربائية لأغشية الخلايا . [1]
- تفاعل جسم مع جسم آخر من حيث كميات الحرارة والعمل يسمى الديناميكا الحرارية .
- انتقال الحرارة بين النظام الكيميائي ومحيطه أثناء تغير الطور أو حدوث تفاعل كيميائي يسمى بالكيمياء الحرارية
- دراسة الخواص التجميعية لعدد الأنواع الموجودة في المحلول.
- يمكن ربط عدد المراحل وعدد المكونات ودرجة الحرية (أو التباين) مع بعضها البعض بمساعدة قاعدة المرحلة .
- تفاعلات الخلايا الكهروكيميائية .
- سلوك الأنظمة المجهرية باستخدام ميكانيكا الكم والأنظمة العيانية باستخدام الديناميكا الحرارية الإحصائية .
- حساب طاقة حركة الالكترون في الجزيئات والمجمعات المعدنية.
المفاهيم الرئيسية
المفاهيم الأساسية للكيمياء الفيزيائية هي الطرق التي يتم بها تطبيق الفيزياء البحتة على المشاكل الكيميائية.
أحد المفاهيم الأساسية في الكيمياء الكلاسيكية هو أن جميع المركبات الكيميائية يمكن وصفها كمجموعات من الذرات المرتبطة ببعضها البعض ويمكن وصف التفاعلات الكيميائية بأنها تكوين وكسر تلك الروابط. يعد التنبؤ بخصائص المركبات الكيميائية من خلال وصف الذرات وكيفية ارتباطها أحد الأهداف الرئيسية للكيمياء الفيزيائية. لوصف الذرات والروابط بدقة، من الضروري معرفة مكان وجود نوى الذرات، وكيفية توزيع الإلكترونات حولها. [2]
التخصصات
الكيمياء الكمومية ، وهي فرع من فروع الكيمياء الفيزيائية يهتم بشكل خاص بتطبيق ميكانيكا الكم على المشاكل الكيميائية، وتوفر أدوات لتحديد مدى قوة الروابط وشكلها، [2] وكيف تتحرك النوى، وكيف يمكن امتصاص الضوء أو انبعاثه بواسطة مركب كيميائي. [3] التحليل الطيفي هو الفرع الفرعي المرتبط بالكيمياء الفيزيائية والذي يهتم بشكل خاص بتفاعل الإشعاع الكهرومغناطيسي مع المادة.
تتعلق مجموعة أخرى من الأسئلة المهمة في الكيمياء بنوع التفاعلات التي يمكن أن تحدث تلقائيًا وما هي الخصائص الممكنة لمزيج كيميائي معين. تتم دراسة هذا في الديناميكا الحرارية الكيميائية ، والتي تضع حدودًا لكميات مثل مدى استمرار التفاعل، أو مقدار الطاقة التي يمكن تحويلها إلى عمل في محرك الاحتراق الداخلي ، والتي توفر روابط بين خصائص مثل معامل التمدد الحراري ومعدل تغير الإنتروبيا مع الضغط للغاز أو السائل . [4] يمكن استخدامه كثيرًا لتقييم ما إذا كان تصميم المفاعل أو المحرك ممكنًا، أو للتحقق من صحة البيانات التجريبية. إلى حد محدود، يمكن للديناميكا الحرارية شبه المتوازنة وغير المتوازنة وصف التغييرات غير القابلة للعكس. [5] ومع ذلك، فإن الديناميكا الحرارية الكلاسيكية تهتم في الغالب بالأنظمة المتوازنة والتغيرات القابلة للعكس وليس بما يحدث بالفعل، أو مدى سرعة الابتعاد عن التوازن.
ما هي التفاعلات التي تحدث ومدى سرعتها هو موضوع الحركية الكيميائية ، وهو فرع آخر من الكيمياء الفيزيائية. إحدى الأفكار الرئيسية في الحركية الكيميائية هي أنه لكي تتفاعل المتفاعلات وتشكل المنتجات ، يجب أن تمر معظم الأنواع الكيميائية بحالات انتقالية تكون أعلى في الطاقة من المتفاعلات أو المنتجات وتكون بمثابة حاجز للتفاعل. [6] بشكل عام، كلما ارتفع الحاجز، كان التفاعل أبطأ. الفكرة الثانية هي أن معظم التفاعلات الكيميائية تحدث كتسلسل من التفاعلات الأولية ، [7] ولكل منها حالة انتقال خاصة بها. تتضمن الأسئلة الرئيسية في الحركية كيف يعتمد معدل التفاعل على درجة الحرارة وعلى تركيزات المتفاعلات والحفازات في خليط التفاعل، بالإضافة إلى كيفية هندسة الحفازات وظروف التفاعل لتحسين معدل التفاعل.
إن حقيقة أن سرعة حدوث التفاعلات يمكن تحديدها غالبًا من خلال تركيزات قليلة ودرجة حرارة فقط، بدلاً من الحاجة إلى معرفة جميع مواضع وسرعات كل جزيء في الخليط، هي حالة خاصة لمفهوم رئيسي آخر في الكيمياء الفيزيائية، وهو أنه إلى الحد الذي يحتاج المهندس إلى معرفته، يمكن غالبًا وصف كل ما يحدث في خليط من أعداد كبيرة جدًا (ربما من رتبة ثابت أفوجادرو ، 6 × 10 23 ) من الجسيمات من خلال عدد قليل فقط من المتغيرات مثل الضغط ودرجة الحرارة والتركيز. تم وصف الأسباب الدقيقة لذلك في الميكانيكا الإحصائية ، [8] وهو تخصص ضمن الكيمياء الفيزيائية مشترك أيضًا مع الفيزياء. توفر الميكانيكا الإحصائية أيضًا طرقًا للتنبؤ بالخصائص التي نراها في الحياة اليومية من الخصائص الجزيئية دون الاعتماد على الارتباطات التجريبية القائمة على أوجه التشابه الكيميائية. [5]
تاريخ
صاغ ميخائيل لومونوسوف مصطلح "الكيمياء الفيزيائية" في عام 1752، عندما ألقى محاضرة بعنوان "دورة في الكيمياء الفيزيائية الحقيقية" ( بالروسية : Курс истинной физической химии ) أمام طلاب جامعة بطرسبورغ . [9] وفي مقدمة هذه المحاضرات، قدم التعريف التالي: "الكيمياء الفيزيائية هي العلم الذي يجب أن يفسر بموجب أحكام التجارب الفيزيائية سبب ما يحدث في الأجسام المعقدة من خلال العمليات الكيميائية".
نشأت الكيمياء الفيزيائية الحديثة في ستينيات إلى ثمانينيات القرن التاسع عشر مع العمل على الديناميكا الحرارية الكيميائية ، والإلكتروليتات في المحاليل، والحركية الكيميائية وغيرها من الموضوعات. كان أحد المعالم البارزة هو نشر يوشيا ويلارد جيبس في عام 1876 بحثه، حول توازن المواد غير المتجانسة . قدم هذا البحث العديد من أحجار الزاوية في الكيمياء الفيزيائية، مثل طاقة جيبس ، والإمكانات الكيميائية ، وقاعدة جيبس للطور . [10]
كانت أول مجلة علمية متخصصة في مجال الكيمياء الفيزيائية هي المجلة الألمانية Zeitschrift für Physikalische Chemie ، التي أسسها فيلهلم أوستوالد وجاكوبس هنريكوس فان ت هوف عام 1887. وكان هؤلاء ، إلى جانب سفانتي أوغست أرينيوس ، [11] من الشخصيات الرائدة في الكيمياء الفيزيائية في أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين. وقد حصل الثلاثة على جائزة نوبل في الكيمياء بين عامي 1901 و1909.
تشمل التطورات في العقود التالية تطبيق الميكانيكا الإحصائية على الأنظمة الكيميائية والعمل على الغرويات وكيمياء السطح ، حيث قدم إيرفينج لانجموير العديد من المساهمات. كانت خطوة مهمة أخرى هي تطوير ميكانيكا الكم إلى كيمياء الكم من ثلاثينيات القرن العشرين، حيث كان لينوس بولينج أحد الأسماء الرائدة. سارت التطورات النظرية جنبًا إلى جنب مع التطورات في الأساليب التجريبية، حيث كان استخدام أشكال مختلفة من التحليل الطيفي ، مثل التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء ، والتحليل الطيفي للموجات الدقيقة ، والرنين المغناطيسي الإلكتروني ، والتحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي ، هو على الأرجح أهم تطور في القرن العشرين.
يمكن أن يُعزى المزيد من التطور في الكيمياء الفيزيائية إلى الاكتشافات في الكيمياء النووية ، وخاصة في فصل النظائر (قبل وأثناء الحرب العالمية الثانية)، والاكتشافات الأحدث في الكيمياء الفلكية ، [12] بالإضافة إلى تطوير خوارزميات الحساب في مجال "الخصائص الفيزيائية الكيميائية المضافة" (يمكن حساب جميع الخصائص الفيزيائية الكيميائية تقريبًا، مثل نقطة الغليان، والنقطة الحرجة، والتوتر السطحي، وضغط البخار، وما إلى ذلك - أكثر من 20 في المجموع - بدقة من التركيب الكيميائي وحده، حتى لو ظل الجزيء الكيميائي غير مُصنّع)، [ بحاجة لمصدر ] وهنا تكمن الأهمية العملية للكيمياء الفيزيائية المعاصرة.
انظر طريقة مساهمة المجموعة ، طريقة ليدرسن ، طريقة جوباك ، نظرية زيادة مجموعة بنسون ، العلاقة الكمية بين البنية والنشاط
المجلات
تتضمن بعض المجلات التي تتعامل مع الكيمياء الفيزيائية ما يلي:
- Zeitschrift für Physikalische Chemie (1887)
- مجلة الكيمياء الفيزيائية أ (منذ عام 1896 باسم مجلة الكيمياء الفيزيائية ، وأعيدت تسميتها في عام 1997)
- الكيمياء الفيزيائية الفيزياء الكيميائية (منذ عام 1999، كانت تُعرف سابقًا باسم معاملات فاراداي التي يعود تاريخها إلى عام 1905)
- الكيمياء والفيزياء الجزيئية الكبيرة (1947)
- المجلة السنوية للكيمياء الفيزيائية (1950)
- الفيزياء الجزيئية (1957)
- مجلة الكيمياء العضوية الفيزيائية (1988)
- مجلة الكيمياء الفيزيائية ب (1997)
- كيمياء فيزياء (2000)
- مجلة الكيمياء الفيزيائية ج (2007)
- مجلة رسائل الكيمياء الفيزيائية (منذ عام 2010، رسائل مجمعة نُشرت سابقًا في مجلات منفصلة)
تشمل المجلات التاريخية التي غطت كل من الكيمياء والفيزياء مجلة Annales de chimie et de physique (التي بدأت في عام 1789، ونشرت تحت الاسم المذكور هنا من عام 1815 إلى عام 1914).
الفروع والمواضيع ذات الصلة
انظر أيضا
- قائمة المنشورات المهمة في الكيمياء#الكيمياء الفيزيائية
- قائمة المسائل غير المحلولة في الكيمياء#مسائل الكيمياء الفيزيائية
- الكيمياء الحيوية الفيزيائية
- الفئة:الكيميائيون الفيزيائيون
مراجع
- ^ Torben Smith Sørensen (1999). كيمياء السطح والكيمياء الكهربائية للأغشية. CRC Press. ص. 134. ISBN 0-8247-1922-0.
- ^ أتكينز، بيتر وفريدمان، رونالد (2005). ميكانيكا الكم الجزيئية ، ص 249. مطبعة جامعة أكسفورد ، نيويورك. ISBN 0-19-927498-3 .
- ^ أتكينز، بيتر وفريدمان، رونالد (2005). ميكانيكا الكم الجزيئية ، ص 342. مطبعة جامعة أكسفورد، نيويورك. ISBN 0-19-927498-3 .
- ^ لاندو، إل دي وليفشيتز، إي إم (1980). الفيزياء الإحصائية ، الطبعة الثالثة، ص 52. إلسفير باتروورث هاينمان، نيويورك. رقم ISBN 0-7506-3372-7 .
- ^ ab Hill, Terrell L. (1986). Introduction to Statistical Thermodynamics , p. 1. Dover Publications, New York. ISBN 0-486-65242-4 .
- ^ شميت، لاني د. (2005). هندسة التفاعلات الكيميائية ، الطبعة الثانية، ص 30. مطبعة جامعة أكسفورد، نيويورك. ISBN 0-19-516925-5 .
- ^ شميت، لاني د. (2005). هندسة التفاعلات الكيميائية ، الطبعة الثانية، ص 25، 32. مطبعة جامعة أكسفورد، نيويورك. ISBN 0-19-516925-5 .
- ^ تشاندلر، ديفيد (1987). مقدمة في الميكانيكا الإحصائية الحديثة ، ص 54. مطبعة جامعة أكسفورد، نيويورك. ISBN 978-0-19-504277-1 .
- ^ فوسينيتش، ألكسندر (1963). العلم في الثقافة الروسية. مطبعة جامعة ستانفورد. ص 388. ISBN 0-8047-0738-3.
- ^ جوزيه ويلارد جيبس، 1876، " حول توازن المواد غير المتجانسة "، معاملات أكاديمية كونيتيكت للعلوم
- ^ لايدلير، كيث (1993). عالم الكيمياء الفيزيائية . أكسفورد: مطبعة جامعة أكسفورد. ص 48. ISBN 0-19-855919-4.
- ^ هيربست، إيريك (12 مايو 2005). "كيمياء مناطق تشكل النجوم". مجلة الكيمياء الفيزيائية أ . 109 (18): 4017-4029. رمز Bibcode :2005JPCA..109.4017H. doi :10.1021/jp050461c. PMID 16833724.
روابط خارجية
- عالم الكيمياء الفيزيائية (كيث ج. لايدلير، 1993)
- الكيمياء الفيزيائية من أوستوالد إلى بولينج (جون دبليو سيرفوس، 1996)
- الكيمياء الفيزيائية: لا السمك ولا الطيور؟ (يواكيم شومر، استقلالية الكيمياء ، فورتسبورغ، كونيغسهاوزن ونيومان، 1998، ص 135-148)
- تاريخ كامبريدج للعلوم: العلوم الفيزيائية والرياضية الحديثة (ماري جو ني، 2003)
