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物理化学

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物理化学(英语:physical chemistry),简称理化,是一门从物理学角度分析物质体系化学行为的原理、规律和方法的学科,可谓近代化学的原理根基。物理化学家关注于分子如何形上是错错结构、动态变化、分子光谱原理、平衡态等根本问题,涉及的物理学有静力学动力学量子力学统计力学等。大体而言,物理化学为化学诸分支中,最讲求数值精确和理论解释的学科。化学物理学和物理化学都是物理学和化学的交叉学科,但二者还是有细微区别的。化学物理学主要是研究化学过程的特征现象和物理理论,而物理化学主要研究化学的物理本质,主要借助原子与分子物理学和凝聚态物理学中的理论方法和实验技术,研究物理化学现象的学科。

以下都在物理化学要研究的范围之中:

  1. 影响物体物理性质(包括塑性变形强度及液体中的表面张力)的分子间作用力
  2. 有关反应速率化学动力学
  3. 材料的导电性
  4. 细胞膜表面化学电化学[1]
  5. 物体之间交换,称为热力学
  6. 化学系统环境之间,在相变化学反应中产生的热交换,称为热化学
  7. 溶液中依数性的研究。
  8. 配合相律判断相数、成分数及自由度。
  9. 电化电池的反应。

研究内容

物理化学是以纯物理来处理化学的问题。物理化学的主要研究内容有三个方面[2]

  • 化学体系的宏观平衡性质:以热力学的三个基本定律为理论基础来研究宏观化学体系在气态液态固态、溶解态以及高分散状态的平衡物理化学性质及其规律性。属于这方面的分支学科有化学热力学、溶液、胶体和表面化学
  • 化学体系的微观结构和性质:以量子理论为理论基础,研究原子分子的结构,物体的体相中原子和分子的空间结构、表面相的结构,以及结构与物性的规律性。属于这方面的分支学科有结构化学量子化学
  • 化学体系的动态性质:研究体系中发生的化学变化过程的速率和变化机理。属于这方面的分支学科有化学动力学、催化、光化学和电化学

化学的一个重要概念是化合物都可以表示为一群彼此键结原子,而化学反应可以描述为化学键的生成及断裂。物理化学的一个主要概念就是根据化合物的原子及其键结的性质来预测化合物的性质。若要准确的描述原子及键结,需要知道原子的原子半径以及其电子的分布方式[3]
量子化学是物理化学的一个分支,主要是将量子力学应用在化学问题上,有一些工具可以确认键结的强度及化学键的形状[3]、原子移动的方式、及化合物的吸收光谱或发射光谱[4]光谱学是物理化学中的一个子学科,关注物质和电磁辐射之间的交互作用。

化学中另一个重要的问题是哪些反应会自然发生,特定化合物混合后会有什么特质?化学热力学就是研究此方面的概念,可以回答一个反应可以以多快的速率进行、内燃机中有多少能量可以转换为功、并且可以找到像热膨胀系数等物理量和某一压力气体液体变化率之间的关系[5]。化学热力学常用来判断一个反应器或是引擎设计是否可行,或是确认一组实验数值的正确性。某些情形下,准静态过程非平衡态热力学也可以描述不可逆反应[6],不过古典热力学主要关注平衡可逆的系统,而不关注一个远离平衡点的系统以及其离开平衡的速度。

会发生哪些反应以及其反应速率是化学动力学的主题。化学动力学的一个主要概念是在反应物反应到形成生成物之间,大部分的化学反应会先变成过渡态,过渡态的能量比反应物或生成物都高,反应的速率因此受限[7]。一般而言,过渡态的能量越高,反应速率越慢,化学动力学的另一个主要概念是大部分化学反应都是由一连串的基本反应组成[8],每一个基本反应都有其过渡态。化学动力学的关键问题是反应速率和温度、反应物浓度及使用的催化剂之间的关系,以及可以如何调整催化剂及反应条件以达到最佳的反应速率。

化学反应的速率只和反应物浓度、催化物及温度有关,不需要知道混合物中所有粒子的位置及速率,这是统计力学中的一个特例。统计力学是物理化学中的一个主题,是描述一个有相当大数量(数量级可能会到阿伏伽德罗常数6 x 1023)粒子的系统可以用像压力、温度及浓度几个参数来描述[9],这是物理化学和物理重叠的部分。统计力学也提供方式可以用分子的性质来预测人们日常生活看到的许多性质,而不用参考以化学相似性为基础的实验关系[6]

历史

在1752年,“物理化学”这个概念被俄国科学家罗蒙索诺夫在圣彼得堡大学的一堂课程(A Course in True Physical Chemistry)上首次提出。[10]在讲座的序言中他提出了物理化学的定义:“物理化学是要解释在化学反应的许多机制其实际内涵的化学。”

19世纪后期关于化学热力学,溶液的电离学说,化学动力学等方面的研究,奠定了物理化学这一学科形成和发展的基础。物理化学史上的一个里程碑事件,是1876年美国化学家约西亚·吉布斯发表的《论非均相物体的平衡》一文,其中提出了吉布斯能化学势[11]等物理化学中的基本概念,并阐明了化学平衡相平衡、表面吸附等现象的本质。

第一本物理化学方面的学术杂志是1887年由德国科学家威廉·奥斯特瓦尔德和荷兰科学家雅各布斯·亨里克斯·范托夫合办的德文期刊《国际物理化学与化学物理研究》(德语:Zeitschrift für Physikalische Chemie)。奥斯特瓦尔德和范托夫,以及瑞典化学家阿伦尼乌斯是十九世纪末二十世纪初物理化学界的领军人物。[12] 三人在1901-1909年间均获得了诺贝尔化学奖

在之后的几十年里,物理化学的发展主要有统计力学的应用和欧文·朗缪尔胶体表面化学的研究。另一个重要的发展,是20世纪30年代随着量子力学的发展而出现的量子化学莱纳斯·鲍林在这个领域做出了突出的贡献。与此同时,实验技术也在大踏步的前进,各种光谱技术的应用,如红外波谱、微波波谱、电子自旋共振波谱和核磁共振波谱可能是20世纪最重要的一些科技成果。

物理化学进一步的发展可能归功于在二战爆发前和二战期间核化学领域的一些新发现,特别是在同位素分离方面,还有最近在天体化学上的发现,[13]以及对化合物理化性质的计算算法的发展(基本上包含了所有的理化性质,如:沸点临界点表面张力蒸气压等20多种特性的值都可以从化学结构式计算出来,就算该分子仍然没有被合成出来)在这个领域,体现出了现代物理化学在实际应用中的重要性。

期刊

以下是一些以物理化学为主的期刊

包括物理及化学的历史期刊有《Annales de chimie et de physique英语Annales de chimie et de physique 》(1789年开始,在1815至1914年以此名称发行)

物理化学家

诺贝尔化学奖的物理化学家

分支和相关学科

当代物理化学包涵数个延伸学门:

参考文献

  1. ^ Torben Smith Sørensen. Surface chemistry and electrochemistry of membranes. CRC Press. 1999: 134 [2010-09-01]. ISBN 0-8247-1922-0. (原始内容存档于2014-08-26). 
  2. ^ 唐有祺. 物理化学. 中国大百科全书·化学卷II. 中国大百科全书出版社. 1992 [2013-04-13]. 
  3. ^ 3.0 3.1 Atkins, Peter and Friedman, Ronald (2005). Molecular Quantum Mechanics, p. 249. Oxford University Press, New York. ISBN 978-0-19-927498-7.
  4. ^ Atkins, Peter and Friedman, Ronald (2005). Molecular Quantum Mechanics, p. 342. Oxford University Press, New York. ISBN 978-0-19-927498-7.
  5. ^ Landau, L. D. and Lifshitz, E. M. (1980). Statistical Physics, 3rd Ed. p. 52. Elsevier Butterworth Heinemann, New York. ISBN 978-0-7506-3372-7.
  6. ^ 6.0 6.1 Hill, Terrell L. (1986). Introduction to Statistical Thermodynamics, p. 1. Dover Publications, New York. ISBN 978-0-486-65242-9.
  7. ^ Schmidt, Lanny D. (2005). The Engineering of Chemical Reactions, 2nd Ed. p. 30. Oxford University Press, New York. ISBN 978-0-19-516925-6.
  8. ^ Schmidt, Lanny D. (2005). The Engineering of Chemical Reactions, 2nd Ed. p. 25, 32. Oxford University Press, New York. ISBN 978-0-19-516925-6.
  9. ^ Chandler, David (1987). Introduction to Modern Statistical Mechanics, p. 54. Oxford University Press, New York. ISBN 978-0-19-504277-1.
  10. ^ Alexander Vucinich. Science in Russian culture. Stanford University Press. 1963: 388 [2010-08-31]. ISBN 0804707383. (原始内容存档于2021-04-14). 
  11. ^ Josiah Willard Gibbs, 1876, "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances", Transactions of the Connecticut Academy of Sciences
  12. ^ Laidler, Keith. The World of Physical Chemistry. Oxford: Oxford University Press. 1993: 48. ISBN 0198559194. 
  13. ^ Herbst, Eric. Chemistry of Star-Forming Regions. Journal of Physical Chemistry A. May 12, 2005, 109 (18): 4017–4029. 
  14. ^ 诺贝尔奖官方网站的威廉•奥斯特瓦尔德传记. [2015-03-04]. (原始内容存档于2008-04-22). 

参见

外部链接

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