الكيمياء الفيزيائية

📅 آخر تحديث: ٧ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٧ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة
يوجد بين اللهب والزهرة مادة الهلام الهوائي ، التي ساعدت الكيمياء الفيزيائية بشكل كبير في تصنيعها.

الكيمياء الفيزيائية هي دراسة الظواهر العيانية والميكروسكوبية في الأنظمة الكيميائية من حيث مبادئ وممارسات ومفاهيم الفيزياء مثل الحركة والطاقة والقوة والزمن والديناميكا الحرارية وكيمياء الكم والميكانيكا الإحصائية والديناميكا التحليلية والتوازنات الكيميائية .

الكيمياء الفيزيائية، على عكس الفيزياء الكيميائية ، هي في الغالب (ولكن ليس دائمًا) علم فوق جزيئي، حيث أن غالبية المبادئ التي تأسست عليها تتعلق بالكتلة بدلاً من التركيب الجزيئي أو الذري وحده (على سبيل المثال، التوازن الكيميائي والغرويات ) .

تشمل بعض العلاقات التي يسعى علم الكيمياء الفيزيائية إلى فهمها تأثيرات ما يلي:

  1. القوى بين الجزيئية التي تؤثر على الخصائص الفيزيائية للمواد ( اللدونة ، قوة الشد ، التوتر السطحي في السوائل ).
  2. حركية التفاعل تؤثر على معدل التفاعل .
  3. هوية الأيونات والتوصيل الكهربائي للمواد.
  4. علم الأسطح والكيمياء الكهربائية لأغشية الخلايا . [ 1 ]
  5. يُطلق على تفاعل جسم مع آخر من حيث كميات الحرارة والشغل اسم الديناميكا الحرارية .
  6. يُطلق على انتقال الحرارة بين النظام الكيميائي ومحيطه أثناء تغير الحالة أو حدوث تفاعل كيميائي اسم الكيمياء الحرارية.
  7. دراسة الخصائص التجميعية لعدد الأنواع الموجودة في المحلول.
  8. يمكن ربط عدد المراحل وعدد المكونات ودرجة الحرية (أو التباين) ببعضها البعض بمساعدة قاعدة الطور .
  9. تفاعلات الخلايا الكهروكيميائية .
  10. سلوك الأنظمة المجهرية باستخدام ميكانيكا الكم والأنظمة العيانية باستخدام الديناميكا الحرارية الإحصائية .
  11. حساب طاقة حركة الإلكترون في الجزيئات والمركبات المعدنية.

المفاهيم الأساسية

تتمثل المفاهيم الأساسية للكيمياء الفيزيائية في الطرق التي يتم بها تطبيق الفيزياء البحتة على المشكلات الكيميائية.

من المفاهيم الأساسية في الكيمياء الكلاسيكية أن جميع المركبات الكيميائية يمكن وصفها بأنها مجموعات من الذرات المرتبطة ببعضها، وأن التفاعلات الكيميائية يمكن وصفها بأنها تكوين هذه الروابط وكسرها. ويُعدّ التنبؤ بخصائص المركبات الكيميائية انطلاقًا من وصف الذرات وكيفية ترابطها أحد الأهداف الرئيسية للكيمياء الفيزيائية. وللوصف الدقيق للذرات والروابط، من الضروري معرفة مواقع أنوية الذرات وكيفية توزيع الإلكترونات حولها. [ 2 ]

التخصصات

يُقدّم علم الكيمياء الكمومية ، وهو فرع من فروع الكيمياء الفيزيائية يُعنى بشكل خاص بتطبيق ميكانيكا الكم على المسائل الكيميائية، أدواتٍ لتحديد قوة الروابط وشكلها، [ 2 ] وكيفية حركة النوى، وكيفية امتصاص الضوء أو انبعاثه من المركبات الكيميائية. [ 3 ] أما علم الأطياف فهو فرعٌ ذو صلة من فروع الكيمياء الفيزيائية، ويهتم تحديدًا بتفاعل الإشعاع الكهرومغناطيسي مع المادة.

تُعنى مجموعة أخرى من الأسئلة المهمة في الكيمياء بنوع التفاعلات التي يمكن أن تحدث تلقائيًا، والخصائص الممكنة لمزيج كيميائي معين. يُدرس هذا في الديناميكا الحرارية الكيميائية ، التي تحدد كميات مثل مدى تقدم التفاعل، أو مقدار الطاقة التي يمكن تحويلها إلى شغل في محرك الاحتراق الداخلي ، والتي تربط بين خصائص مثل معامل التمدد الحراري ومعدل تغير الإنتروبيا مع الضغط للغاز أو السائل . [ 4 ] ويمكن استخدامها بشكل متكرر لتقييم جدوى تصميم مفاعل أو محرك، أو للتحقق من صحة البيانات التجريبية. وإلى حد محدود، يمكن للديناميكا الحرارية شبه المتوازنة وغير المتوازنة وصف التغيرات غير العكوسة. [ 5 ] ومع ذلك، تهتم الديناميكا الحرارية الكلاسيكية في الغالب بالأنظمة المتوازنة والتغيرات العكوسة ، وليس بما يحدث فعليًا، أو مدى سرعة حدوثه، بعيدًا عن حالة التوازن.

يُعدّ تحديد التفاعلات التي تحدث وسرعتها موضوعًا أساسيًا في الحركية الكيميائية ، وهي فرع آخر من فروع الكيمياء الفيزيائية. تتمثل إحدى الأفكار الرئيسية في الحركية الكيميائية في أنه لكي تتفاعل المواد المتفاعلة وتُنتج النواتج ، يجب أن تمر معظم الأنواع الكيميائية بحالات انتقالية ذات طاقة أعلى من طاقة كلٍّ من المواد المتفاعلة والنواتج، وتُشكّل هذه الحالات حاجزًا أمام التفاعل. [ 6 ] وبشكل عام، كلما ارتفع هذا الحاجز، تباطأ التفاعل. ومن الأفكار الأخرى أن معظم التفاعلات الكيميائية تحدث كسلسلة من التفاعلات الأولية ، [ 7 ] ولكل منها حالتها الانتقالية الخاصة. وتشمل الأسئلة الرئيسية في الحركية الكيميائية كيفية اعتماد معدل التفاعل على درجة الحرارة وتركيزات المواد المتفاعلة والمحفزات في خليط التفاعل، بالإضافة إلى كيفية هندسة المحفزات وظروف التفاعل لتحسين معدل التفاعل.

إن إمكانية تحديد سرعة التفاعلات غالبًا ببضع تراكيز ودرجة حرارة فقط، بدلًا من الحاجة إلى معرفة مواقع وسرعات جميع الجزيئات في الخليط، هي حالة خاصة لمفهوم أساسي آخر في الكيمياء الفيزيائية، وهو أنه بقدر ما يحتاج المهندس إلى معرفة كل ما يحدث في خليط من أعداد هائلة من الجسيمات (ربما من رتبة ثابت أفوجادرو ، 6 × 10²³ ) يمكن وصفه غالبًا ببضع متغيرات فقط مثل الضغط ودرجة الحرارة والتركيز. وتُشرح الأسباب الدقيقة لذلك في الميكانيكا الإحصائية [ 8 ] ، وهو تخصص فرعي في الكيمياء الفيزيائية يشترك فيه أيضًا مع الفيزياء. كما توفر الميكانيكا الإحصائية طرقًا للتنبؤ بالخصائص التي نراها في حياتنا اليومية انطلاقًا من الخصائص الجزيئية دون الاعتماد على علاقات تجريبية مبنية على التشابهات الكيميائية [ 5 ] .

تاريخ

جزء من مخطوطة م. لومونوسوف "الكيمياء الفيزيائية" (1752)

صاغ ميخائيل لومونوسوف مصطلح "الكيمياء الفيزيائية" عام 1752، عندما قدم سلسلة محاضرات بعنوان "دورة في الكيمياء الفيزيائية الحقيقية" ( بالروسية : Курс истинной физической химии ) أمام طلاب جامعة سانت بطرسبرغ . [ 9 ] وفي مقدمة هذه المحاضرات، قدم التعريف التالي: "الكيمياء الفيزيائية هي العلم الذي يجب أن يفسر، من خلال التجارب الفيزيائية، سبب ما يحدث في الأجسام المعقدة عبر العمليات الكيميائية".

نشأت الكيمياء الفيزيائية الحديثة في الفترة ما بين ستينيات وثمانينيات القرن التاسع عشر، مع التركيز على الديناميكا الحرارية الكيميائية ، والإلكتروليتات في المحاليل، والحركية الكيميائية ، وغيرها من المواضيع. وكان من أبرز إنجازاتها نشر جوزيا ويلارد جيبس ​​بحثه عام 1876 بعنوان "حول توازن المواد غير المتجانسة" . وقد أرست هذه الورقة البحثية العديد من الركائز الأساسية للكيمياء الفيزيائية، مثل طاقة جيبس ، والجهود الكيميائية ، وقاعدة أطوار جيبس . [ 10 ]

كانت مجلة " Zeitschrift für Physikalische Chemie" الألمانية ، التي أسسها عام 1887 فيلهلم أوستوالد وجاكوبوس هنريكوس فان هوف ، أول مجلة علمية متخصصة في مجال الكيمياء الفيزيائية. وقد كان هؤلاء ، إلى جانب سفانتي أوغست أرهينيوس ، من أبرز الشخصيات في الكيمياء الفيزيائية في أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين. وحصل الثلاثة على جائزة نوبل في الكيمياء بين عامي 1901 و1909.

شهدت العقود اللاحقة تطوراتٍ شملت تطبيق الميكانيكا الإحصائية على الأنظمة الكيميائية، والعمل على الغرويات وكيمياء الأسطح ، حيث قدم إيرفينغ لانغمير إسهاماتٍ جليلة. ومن الخطوات المهمة الأخرى تطوير ميكانيكا الكم إلى كيمياء الكم منذ ثلاثينيات القرن العشرين، وكان لينوس باولينغ من أبرز روادها. وقد سارت التطورات النظرية جنبًا إلى جنب مع التطورات في الأساليب التجريبية، ولعلّ استخدام أشكالٍ مختلفة من التحليل الطيفي ، مثل التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء ، والتحليل الطيفي بالموجات الميكروية ، والرنين المغناطيسي الإلكتروني ، والرنين المغناطيسي النووي ، هو أهم تطورات القرن العشرين.

يمكن أن يعزى 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 "الخواص الفيزيائية الكيميائية المضافة" (يمكن حساب جميع الخواص الفيزيائية الكيميائية تقريبًا، مثل نقطة الغليان، والنقطة الحرجة، والتوتر السطحي، وضغط البخار، وما إلى ذلك - أكثر من 20 صفة في المجموع - بدقة من التركيب الكيميائي وحده، حتى لو ظل الجزيء الكيميائي غير مصنع)، 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 تتناول الكيمياء الفيزيائية ما يلي:

تشمل المجلات التاريخية التي غطت كلاً من الكيمياء والفيزياء مجلة Annales de chimie et de physique (بدأت في عام 1789، ونُشرت تحت الاسم المذكور هنا من عام 1815 إلى عام 1914).

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ توربن سميث سورنسن (1999). كيمياء السطح والكيمياء الكهربائية للأغشية . مطبعة سي آر سي. ص  134. ISBN 0-8247-1922-0.
  2. 1 2 أتكينز 2005 ، ص. 245.
  3. ↑ أتكينز 2005 ، ص 324.
  4. ↑ لاندو، إل دي وليفشيتز، إي إم (1980). الفيزياء الإحصائية ، الطبعة الثالثة، ص 52. إلسيفير بتروورث هاينمان، نيويورك. ISBN 0-7506-3372-7.
  5. 1 2 هيل، تيريل ل. (1986). مقدمة في الديناميكا الحرارية الإحصائية ، ص 1. منشورات دوفر، نيويورك. ISBN 0-486-65242-4.
  6. ↑ شميدت 2005 ، ص 30.
  7. ↑ شميدت 2005 ، ص 25، 32.
  8. ↑ تشاندلر، ديفيد (1987). مقدمة في الميكانيكا الإحصائية الحديثة ، ص 54. مطبعة جامعة أكسفورد، نيويورك. ISBN 978-0-19-504277-1.
  9. ↑ فوتشينيتش، ألكسندر (1963). العلم في الثقافة الروسية . مطبعة جامعة ستانفورد. ص 388. ISBN  0-8047-0738-3.{{cite book}}عدم توافق رقم ISBN / التاريخ ( مساعدة )
  10. ↑ جوزيا ويلارد جيبس، 1876، " حول توازن المواد غير المتجانسة "، معاملات أكاديمية كونيتيكت للعلوم
  11. ↑ لايدلر، كيث ( 1993). عالم الكيمياء الفيزيائية . أكسفورد: مطبعة جامعة أكسفورد. ص 48. ISBN  0-19-855919-4.
  12. ↑ هيربست، إريك (12 مايو 2005). "كيمياء مناطق تكوّن النجوم". مجلة الكيمياء الفيزيائية أ . 109 (18): 4017-4029 . Bibcode : 2005JPCA..109.4017H . doi : 10.1021/jp050461c . PMID 16833724 . 

مصادر

  • أتكينز، بيتر ؛ فريدمان، رونالد (2005). ميكانيكا الكم الجزيئية . مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 0-19-927498-3LCCN 2005272751 . OCLC 59148810 .​  
  • شميدت، لاني د. (2005). هندسة التفاعلات الكيميائية (  الطبعة الثانية). نيويورك: مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 0-19-516925-5LCCN 2004043285 . OCLC 743218724 .​  {{cite book}}: CS1 maint: ref duplicates default ( link )