Fysisk kemi: definition, termodynamik, kvantekemi og statistisk mekanik

Fysisk kemi: definition, termodynamik, kvantekemi og statistisk mekanik — klar og brugbar gennemgang af energi, ligevægt, molekylær dynamik og praktiske anvendelser.

Fysisk kemi bruger fysik til at studere kemiske systemer. Den undersøger systemer på makroskopisk, atomart, subatomart og partikulært niveau og beskriver, hvordan partikler og felter fører til observerbare kemiske egenskaber. Centrale begreber omfatter bevægelse, energi, kraft, tid, termodynamik, kvantekemi, statistisk mekanik og dynamik. Fysisk kemi forbinder eksperimentelle målinger med modeller og teorier, så man kan forudsige stofers adfærd under forskellige betingelser.

Fysisk kemi er ikke det samme som kemisk fysik. Fysisk kemi er ofte orienteret mod makroskopiske eller supra-molekylære egenskaber og de metoder, der bruges til at beskrive bulkmaterialers termodynamik og transportegenskaber. Mange fysiske kemibegreber relaterer sig til bulkegenskaber frem for kun molekylær eller atomar struktur; eksempler er kemisk ligevægt og kolloider. Kemisk fysik har derimod ofte fokus på fundamentale fysiske modeller på mikroskopisk niveau og på at udvikle fysiske teorier anvendt på kemiske problemer.

Nogle af de forhold, som den fysiske kemi forsøger at beskrive og forstå, omfatter:

• Energioverførsel og varmeledning i materialer;
• Reaktionshastigheder og reaktionsmekanismer (kinetik);
• Ligevægtstilstande og faser, inkl. faseovergange;
• Termodynamiske størrelser som entalpi, entropi og fri energi;
• Statistiske fordelinger af partikler og deres konsekvenser for makroskopiske egenskaber;
• Overflade- og grænsefladefænomener, adsorption og katalyse;
• Spektroskopiske egenskaber og interaktioner mellem lys og stof;
• Transportprocesser som diffusion, viskositet og elektrisk ledningsevne;
• Materialers elektroniske struktur og magnetiske egenskaber.

Termodynamik

Termodynamik i fysisk kemi beskriver energibegreber og ligevægt i systemer. Man anvender begreber som indre energi (U), entalpi (H), entropi (S) og Gibbs fri energi (G). Et grundlæggende resultat er, at spontane processer ved konstant tryk og temperatur er forbundet med en nedsættelse af Gibbs fri energi: ΔG = ΔH − TΔS. Termodynamik giver reglerne for, hvilke processer der er muligt, og beregner ligevægtskonstanter for kemiske reaktioner.

Kvantekemi

Kvantekemi anvender kvantemekanik til at beskrive elektronernes og atomernes adfærd i molekyler. Centralt står Schrödinger-ligningen, som bruges til at beregne energiniveauer, molekylorbitaler og reaktionspotentialer. Kvantekemi er grundlaget for at forstå kemiske bindinger, spektre og elektronoverførsler. I praksis bruges metoder som Hartree–Fock, DFT (density functional theory) og korrelationsmetoder til at få kvantitative resultater.

Statistisk mekanik

Statistisk mekanik knytter de mikroskopiske tilstande af mange partikler til makroskopiske termodynamiske størrelser. Ved hjælp af statistik (f.eks. Boltzmann-fordelingen) kan man udlede temperatur, tryk og entropi fra partiklernes energifordeling. Statistisk mekanik forklarer, hvordan tilfældige bevægelser på mikroniveau giver strukturerede, forudsigelige egenskaber på makroniveau.

Kinetik og reaktionsmekanismer

Kinetik beskriver hastigheden af kemiske reaktioner og hvordan de afhænger af koncentration, temperatur og katalysatorer. Reaktionshastigheder kan ofte beskrives ved ratesætninger (rate laws), og aktiveringsenergi kan estimeres fra Arrhenius-ligningen. Studiet af mekanismer afdækker de mellemliggende trin, overgangstilstande og energibarrierer, som bestemmer, hvor hurtigt en reaktion forløber.

Spektroskopi og eksperimentelle metoder

Spektroskopi (IR, UV/Vis, NMR, Raman, MS osv.) er centrale eksperimentelle redskaber i fysisk kemi til at bestemme struktur, energiniveauer og dynamik. Andre metoder omfatter calorimetri (til måling af varmeændringer), røntgendiffraktion (strukturanalyse), elektrokemi (redoxegenskaber) og forskellige overfladekarakteriseringsmetoder (AFM, SEM, XPS).

Computational fysikal kemi

Computational metoder supplerer eksperimenterne: simuleringer som molekylær dynamik (MD), Monte Carlo og elektronisk struktur-beregninger gør det muligt at modellere komplekse systemer, forudsige materialers egenskaber og undersøge processer, der er svære at måle direkte. Disse teknikker bruges i design af nye materialer, katalysatorer og lægemidler.

Anvendelser

Fysisk kemi har mange praktiske anvendelser, blandt andet:

• udvikling af batterier og brændselsceller, hvor termodynamik og elektrokemi er centrale;
• katalyse og procesoptimering i industrien;
• materialedesign til elektronik, polymerer og nanomaterialer;
• miljøkemi, f.eks. forståelse af atmosfæriske processer og forureningstransport;
• biokemiske og farmaceutiske processer, hvor kinetik og bindinger styrer aktivitet.

Hvordan arbejder fysisk kemi?

Arbejde i fysisk kemi kombinerer teori og eksperiment: man opstiller modeller, udfører målinger, tilpasser teorier og bruger beregningsværktøjer for at opnå forståelse og forudsigelser. Feltet er tværfagligt og samarbejder ofte med materialefysik, teoretisk kemi, biokemi og ingeniørvidenskab.

Samlet set forbinder fysisk kemi mikroskopiske principper med makroskopiske observationer og spiller en central rolle i at udvikle ny viden og teknologi inden for kemi og materialer.

Historie

Udtrykket "fysisk kemi" blev første gang brugt af Mikhail Lomonosov i 1752. Han forelagde et kursus med titlen "A Course in True Physical Chemistry" (russisk: "Курс истинной физической химии") for de studerende på Petersborg Universitet.

Den moderne fysiske kemi blev udviklet i 1860'erne til 1880'erne med arbejde om kemisk termodynamik, elektrolytter i opløsninger, kemisk kinetik og andre emner. I 1876 skrev Josiah Willard Gibbs en artikel med titlen "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances" (Om ligevægt mellem heterogene stoffer). Denne artikel introducerede mange af de vigtigste dele af den fysiske kemi, såsom Gibbs energi, kemiske potentialer og Gibbs' faseregler. Andre vigtige opdagelser omfatter Heike Kamerlingh Onnes' arbejde om entalpi og makromolekylære processer.

Det første videnskabelige tidsskrift om fysisk kemi var det tyske tidsskrift Zeitschrift für Physikalische Chemie. Det blev grundlagt i 1887 af Wilhelm Ostwald og Jacobus Henricus van 't Hoff. De to kemikere og Svante August Arrhenius var de førende mænd inden for fysisk kemi i slutningen af det 19. århundrede og begyndelsen af det 20. århundrede. Alle tre modtog Nobelprisen i kemi.

Der blev gjort vigtige opdagelser i det 20. århundrede. Disse omfatter anvendelse af statistisk mekanik på kemiske systemer og Irving Langmuirs arbejde med kolloider og overfladekemi. I 1930'erne anvendte Linus Pauling og andre kvantemekanikken til at udvikle kvantekemien. Kemiske teorier er vokset i takt med nye eksperimentelle opdagelser. Nye former for spektroskopi begyndte i det 20. århundrede, herunder: infrarød spektroskopi, mikrobølgespektroskopi, EPR-spektroskopi og NMR-spektroskopi.

Den fysiske kemi blev også forbedret med opdagelserne inden for kernekemi, især inden for isotopseparation. Dette skete omkring tiden før og under Anden Verdenskrig. Kemikere opdagede vigtige kendsgerninger inden for astrokemi.

 
Fragment af M. Lomonosovs manuskript "Fysisk kemi" (1752)  

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er fysisk kemi?

Spørgsmål: Hvordan adskiller fysisk kemi sig fra kemisk fysik?

Spørgsmål: Hvilke begreber studeres i fysisk kemi?

Spørgsmål: Hvilke typer sammenhænge forsøger den fysiske kemi at løse?

Spørgsmål: Fokuserer fysisk kemi på molekylær/atomar struktur?

Spørgsmål: Hvilken type videnskab er fysisk kemi?

Søg efter bogstav