Fizika kemio

El Vikipedio, la libera enciklopedio
Salti al navigilo Salti al serĉilo
Al la rusa kemiisto Miĥail Lomonosov oni atribuas la uzon de la termino "fizika kemio" por la unua fojo en januaro 1752.

Fizika kemio estas scienca branĉo, kiu aplikas fizikajn konceptojn kaj metodojn por priskribi kemiajn fenomenojn. Ĝi estas formita de teoriaj kaj eksperimentaj priskribantaj bazoj por la tuto de la kemio inkluzive de organika, neorganika kaj analiza kemio. En ĝi oni studas kemian ekvilibron, gradon de la kemiaj reakcioj kaj fizikajn propraĵojn de la substancoj, ankaŭ influon de temperaturo, premo, elektro kaj lumo sur ili. En la fizika kemio ĉiun sistemon oni povas rigardi el tri vidpunktoj: termodinamika, kiu studas kvalitojn de granda nombro da molekuloj en sia ensemblo, kinetika, kiu studas kemiajn ŝanĝiĝojn tra tempo kaj studo de la molekula strukturo, kiu ankaŭ estas studo de elektrona kaj atoma aranĝoj, kiuj estiĝas laŭ leĝoj de la kvantuma mekaniko. Ĉi lasta aliro, kiu ĉefe estas teoria helpas ekkonon de kemiaj ligoj, kiuj estas kaŭzoj de la strukturo de materialoj.

Fizika kemio do provizas ankaŭ la bazon de Materialscienco.

Ŝlosilaj konceptoj[redakti | redakti fonton]

La ŝlosilaj konceptoj de fizika kemio estas la manieroj per kiuj pura fiziko estas aplikata al kemiaj aferoj.

Modelo de atomo kun atomkerno en centro kaj elektronoj orbitantaj ĉirkaŭ ĝi. Ĉi tiu modelo ne konvenas al la nuntempa fizika kompreno de atomo kaj estadas uzata plejparte kiel bilda simbolo de atomo.

Unu el la ŝlosilaj konceptoj de klasika kemio estas, ke ĉiuj kemiaj komponaĵoj povas esti priskribitaj kiel grupoj de atomoj kune ligitaj kaj la kemiaj reakcioj povas esti priskribitaj kiel la farado kaj malfarado de tiuj ligoj. Antaŭscio de la proprecoj de kemiaj komponaĵoj el la priskribo de atomoj kaj kiel ili ligias estas unu el la ĉefaj celoj de la fizika kemio. Por priskribi la atomojn kaj ties ligojn precize, necesas scii kaj kie estas la atomkernoj, kaj kiel la elektronoj estas distribuataj ĉirkaŭ ili.[1]
Kvantuma kemio, nome subfako de la fizika kemio speciale temas pri la aplikado de la kvantuma mekaniko al kemiaj problemoj, havigas ilojn por determini kiom fortaj la ligoj estas kaj kian formon ili havas,[1] kiel la atomkernoj moviĝas, kaj kiel la lumo povas esti absorbita aŭ elsendita fare de kemia komponaĵoj[2] Spektroskopio estas la rilata sub-fako de la fizika kemio kiu specife temas pri la interagado de la elektromagneta radiado kun la materio.

Alia aro de gravaj demandoj en kemio temas pri kia tipo de reakcioj povas okazi spontanee kaj kiuj proprecoj estas eblaj por difinita kemia miksaĵo. Estas studita en kemia termodinamiko, kio metas limon al la kvantoj je kiuj povas okazi reakcio, aŭ kiom multe da energio povas esti konvertita en laboro en eksplodmotoro, kaj kio havigas ligojn inter proprecoj kiel la dilatkoeficiento kaj la proporcio de ŝanĝo de entropio per efiko de premo super gasolikvaĵo.[3] Ĝi povas esti ofte uzata por pritaksi ĉu dezajno de reaktoro aŭ motoro estas farebla, aŭ por testi la validecon de eksperimentaj datumoj. Je limigita etendo, preskaŭ-ekvilibra kaj ne-ekvilibra termodinamiko povas priskribi nereverteblajn ŝanĝojn.[4] Tamen, klasika termodinamiko temas ĉefe pri sistemoj en ekvilibraj kaj reverteblaj ŝanĝoj kaj ne pri kio fakte okazas, aŭ pri kiom rapide, el ekvilibro.

Kiuj reakcioj okazas kaj kiom rapide estas la temo de la kemia kinetiko, nome alia branĉo de la fizika kemio. Ŝlosila ideo de la kemia kinetiko estas ke por ke reakciantoj reakciu kaj formu kemiajn produktojn, plej el la kemiaj specioj devas trairi transirajn statojn kiuj estas pli altaj en energio ol ĉu la reakciantoj ĉu la produktoj kaj tio utilas kiel bariero al la reakcio.[5] Ĝenerale, ju pli alta estas la bariero, des pli malrapida estas la reakcio. Dua afero estas ke plej el la kemiaj reakcioj okazas kiel sekvenco de bazaj reakcioj,[6] ĉiu el kiuj kun sia propra transira stato. Ŝlosilaj demandoj en kinetiko estas pri kiel la proporcio de reakcio dependas el la temperaturo kaj el la koncentrigo de reakciantoj kaj kataliziloj en la reakcia miksaĵo, same kiel pri kiel la kataliziloj kaj la reakciaj kondiĉoj povas esti inĝenierigitaj por optimumigi la reakcian proporcion.

La fakto, ke kiom rapide okazas reakcioj povas ofte esti specifita per ĝuste nur malmultaj koncentroj kaj temperaturo, anstataŭ bezoni koni ĉiujn poziciojn kaj rapidojn de ĉiu molekulo en miksaĵo, estas speciala okazo de alia ŝlosila koncepto en fizika kemio, kio estas je la etendo kiun inĝeniero bezonas koni, ĉio en miksaĵo de tre grandaj nombroj (eble je la gamo de la Konstanto de Avogadro, 6 x 1023) de partikloj kiujn ofte oni povas priskribi per nur kelkaj malmultaj variabloj kiel premo, temperaturo kaj koncentriĝo. La precizaj tialoj por tio estas priskribitaj en statistika mekaniko,[7] nome speciala fako ene de la fizika kemio, kiu estas kunhavita ankaŭ de la fiziko. La statistika mekaniko havigas ankaŭ vojojn por antaŭdiri la proprecojn kiujn oni vidas en la ĉiutaga vivo el molekulaj proprecoj sen rilato al empiriaj kunrilatoj bazitaj sur kemiaj similecoj.[4]

Historio[redakti | redakti fonton]

Fragmento de la manuskripto de M. Lomonosov 'Fizika kemio' (1752).

La termino "fizika kemio" estis stampita de Miĥail Lomonosov en 1752, kiam li prezentis prelegojn titolitajn "Kurso pri vera fizika kemio" (en rusa: «Курс истинной физической химии») al la studentoj de la Peterburga Universitato.[8] En la prologo al tiuj prelegoj li havigis la difinon: "Fizika kemio estas la scienco kiu devas klarigi laŭ havigo de fizikaj eksperimentoj la tialon de tio kio okazas en kompleksaj korpoj pere de kemiaj operacioj".

Moderna fizika kemio originiĝis en la 1860-aj jaroj ĝis la 1880-aj jaroj per laboro pri kemia termodinamiko, elektrolitoj en solvaĵoj, kemia kinetiko kaj aliaj proksimaj temoj. Unu mejloŝtono estis la publikigo en 1876 fare de Josiah Willard Gibbs de sia artikolo, On the Equilibrium of Heterogeneous Substances (Pri la ekvilibro de heterogenaj substancoj). Tiu artikolo enkondukis kelkajn el la volboŝtonoj de la fizika kemio, kiel la Gibsa energio, la kemiaj potencialoj kaj la Gibsa fazregulo.[9]

La unua scienca gazeto specife en la fako de fizika kemio estis la germana gazeto, Zeitschrift für Physikalische Chemie, fondita en 1887 fare de Wilhelm Ostwald kaj Jacobus Henricus van 't Hoff. Kune kun Svante August Arrhenius,[10] tiuj estis la ĉefaj figuroj en fizika kemio fine de la 19-a jarcento kaj komenco de la 20-a jarcento. Al la triopo estis atribuita la Nobel-premio pri kemio inter 1901–1909.

Disvolvigoj en la postaj jardekoj estis la aplikado de la statistika mekaniko al la kemiaj sistemoj kaj laboro pri koloidoj kaj kemio de surfacoj, en kio Irving Langmuir faris multajn fruktodonajn kontribuojn. Alia grava paŝo estis la disvolvigo de la kvantuma mekaniko en la kvantuman kemion el la 1930-aj jaroj, en kio Linus Pauling estis unu el la ĉefaj figuroj. Teoria disvolvigo estis akompanata de disvolvigoj en la eksperimentaj metodoj, en kio la uzado de diversaj formoj de spektroskopio, kiel la infraruĝa spektroskopio, la mikroonda spektroskopio, la elektronparamagneta rezonanco kaj la nuklemagneta rezonanca spektroskopio, estas probable la plej grava disvolvigo en la 20-a jarcento.

Plua disvolvigo en fizika kemio povas esti atribuata al malkovroj en nuklea kemio, speciale en separo de izotopoj (antaŭ kaj dum la Dua Mondmilito), pli ĵusaj malkovroj en astrokemio,[11] same kiel la disvolvigo de kalkulalgoritmoj en la fako de "fizikokemiaj proprecoj de aldonaĵoj" (praktike ĉiuj fizikokemiaj proprecoj, kiel bolpunkto, kriza punkto, surfaca tensio, vaporpremo, ktp. — pli ol 20 entute — povas esti precize kalkulataj el nur la kemia strukturo, even if the chemical molecule remains unsynthesized), and herein lies the practical importance of contemporary physical chemistry.

Gazetoj[redakti | redakti fonton]

Antoine Lavoisier estis unu el la fruaj redaktoroj de la gazeto Annales de chimie et de physique.

Kelkaj gazetoj kiuj temas pri fizika kemio estas Zeitschrift für Physikalische Chemie (1887); Journal of Physical Chemistry A (el 1896 kiel Journal of Physical Chemistry, renomita en 1997); Physical Chemistry Chemical Physics (el 1999, iam Faraday Transactions kun historio el 1905); Macromolecular Chemistry and Physics (1947); Annual Review of Physical Chemistry (1950); Molecular Physics (1957); Journal of Physical Organic Chemistry (1988); Journal of Physical Chemistry B (1997); ChemPhysChem (2000); Journal of Physical Chemistry C (2007); kaj Journal of Physical Chemistry Letters (el 2010, kombinis "letters" iam publikigitajn en apartaj gazetoj).

Historiaj gazetoj kiuj kovris kaj kemion kaj fizikon estis Annales de chimie et de physique (starte en 1789, publikigita sub tiu nomo el 1815–1914).

Gravaj fizik-kemiistoj[redakti | redakti fonton]

Linus Pauling (gradigo en Oregonstata Universitato, 1922) ricevis la Nobel-premion pri kemio ĉar estis unu el la ĉefaj figuroj de la disvolvigo de la kvantuma mekaniko en la kvantuman kemion. Li eklernis Esperanton kiel 15-jarulo kaj laŭ letero sendita en 1991 li tiutempe ankoraŭ senĝene sciis legi ĝin[12].

Vidu ankaŭ[redakti | redakti fonton]

Notoj[redakti | redakti fonton]

  1. 1,0 1,1 Atkins, Peter kaj Friedman, Ronald (2005). Molecular Quantum Mechanics, p. 249. Oxford University Press, New York. (ISBN 0-19-927498-3).
  2. Atkins, Peter kaj Friedman, Ronald (2005). Molecular Quantum Mechanics, p. 342. Oxford University Press, New York. (ISBN 0-19-927498-3).
  3. Landau, L.D. kaj Lifshitz, E.M. (1980). Statistical Physics, 3a. eldono. p. 52. Elsevier Butterworth Heinemann, New York. (ISBN 0-7506-3372-7).
  4. 4,0 4,1 Hill, Terrell L. (1986). Introduction to Statistical Thermodynamics, p. 1. Dover Publications, New York. (ISBN 0-486-65242-4).
  5. Schmidt, Lanny D. (2005). The Engineering of Chemical Reactions, 2a eld. p. 30. Oxford University Press, New York. (ISBN 0-19-516925-5).
  6. Schmidt, Lanny D. (2005). The Engineering of Chemical Reactions, 2nd Ed. pp. 25, 32. Oxford University Press, New York. (ISBN 0-19-516925-5).
  7. Chandler, David (1987). Introduction to Modern Statistical Mechanics, p. 54. Oxford University Press, New York. (ISBN 978-0-19-504277-1).
  8. Alexander Vucinich. (1963) Science in Russian culture. Stanford University Press. ISBN 0-8047-0738-3.
  9. Josiah Willard Gibbs, 1876, "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances", Transactions of the Connecticut Academy of Sciences
  10. Laidler, Keith. (1993) The World of Physical Chemistry. Oxford: Oxford University Press, p. [htt://archive.org/details/worldofysicalc0000laid/e/48 48]. ISBN 0-19-855919-4.
  11. Herbst, Eric (May 12, 2005). “Chemistry of Star-Forming Regions”, Journal of Physical Chemistry A 109, p. 4017–4029. doi:10.1021/jp050461c. 
  12. Revuo Esperanto, aprilo 1998 (n-ro 1102), p. 78

Bibliografio[redakti | redakti fonton]

  • Atkins, P. W. (1978). Physical Chemistry. Oxford University Press. ISBN 0-7167-3539-3.
  • W. Bechmann, J. Schmidt: Einstieg in die physikalische Chemie für Nebenfächler. Teubner, 2005, ISBN 3-8351-0035-1
  • Bertran Rusca, J. kaj J. Núñez Delgado (2002). Química Física. Ariel, Barcelona. ISBN 84-344-8050-6.
  • Díaz Peña, M. kaj A. Roig Muntaner (1984). Química Física. Alhambra. Madrid. ISBN 84-205-0569-2.* Hunter, R. J. (1993). Introduction to Modern Colloid Science. Oxford University Press. ISBN 0-19-855386-2.
  • Paul Harteck: Die Quantentheorie in der Chemie. En: Naturwissenschaften. Band 38, Nr. 3, 1951, S. 61–67, doi:10.1007/BF00589913.
  • Laidler, K. J. (1993). The World of Physical Chemistry. University Press, Oxford.
  • Kurt Schwabe: Physikalische Chemie. Band 1. Akademie-Verlag, Berlin 1973.
  • Gerd Wedler, Hans-Joachim Freund: Lehrbuch der physikalischen Chemie. 6. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2012, ISBN 978-3-527-32909-0.
  • En tiu ĉi artikolo estas uzita traduko de teksto el la artikolo Physical chemistry en la angla Vikipedio.