Química física

Física aplicada a sistemas químicos

La química física es el estudio de los fenómenos macroscópicos y microscópicos en los sistemas químicos en términos de los principios, prácticas y conceptos de la física como el movimiento , la energía , la fuerza , el tiempo , la termodinámica , la química cuántica , la mecánica estadística , la dinámica analítica y los equilibrios químicos .

La química física, a diferencia de la física química , es predominantemente (pero no siempre) una ciencia supramolecular, ya que la mayoría de los principios en los que se fundó se relacionan con la masa y no solo con la estructura molecular o atómica (por ejemplo, el equilibrio químico y los coloides ).

Algunas de las relaciones que la química física se esfuerza por comprender incluyen los efectos de:

Fuerzas intermoleculares que actúan sobre las propiedades físicas de los materiales ( plasticidad , resistencia a la tracción , tensión superficial en líquidos ).
Cinética de reacción sobre la velocidad de una reacción .
La identidad de los iones y la conductividad eléctrica de los materiales.
Ciencia de superficies y electroquímica de membranas celulares . ^[1]
Interacción de un cuerpo con otro en términos de cantidades de calor y trabajo llamada termodinámica .
Transferencia de calor entre un sistema químico y su entorno durante el cambio de fase o reacción química que tiene lugar llamada termoquímica.
Estudio de las propiedades coligativas del número de especies presentes en solución.
El número de fases, el número de componentes y el grado de libertad (o varianza) se pueden correlacionar entre sí con la ayuda de la regla de fases .
Reacciones de celdas electroquímicas .
Comportamiento de sistemas microscópicos utilizando mecánica cuántica y sistemas macroscópicos utilizando termodinámica estadística .
Cálculo de la energía del movimiento de electrones en moléculas y complejos metálicos.

Conceptos clave

Los conceptos clave de la química física son las formas en que se aplica la física pura a los problemas químicos.

Uno de los conceptos clave de la química clásica es que todos los compuestos químicos pueden describirse como grupos de átomos unidos entre sí y las reacciones químicas pueden describirse como la formación y la ruptura de esos enlaces. Predecir las propiedades de los compuestos químicos a partir de una descripción de los átomos y de cómo se unen es uno de los principales objetivos de la química física. Para describir los átomos y los enlaces con precisión, es necesario saber dónde están los núcleos de los átomos y cómo se distribuyen los electrones a su alrededor. ^[2]

Disciplinas

La química cuántica , un subcampo de la química física que se ocupa especialmente de la aplicación de la mecánica cuántica a los problemas químicos, proporciona herramientas para determinar qué tan fuertes y qué forma tienen los enlaces, ^[2] cómo se mueven los núcleos y cómo la luz puede ser absorbida o emitida por un compuesto químico. ^[3] La espectroscopia es la subdisciplina relacionada de la química física que se ocupa específicamente de la interacción de la radiación electromagnética con la materia.

Otro conjunto de preguntas importantes en química se refiere a qué tipo de reacciones pueden ocurrir espontáneamente y qué propiedades son posibles para una mezcla química dada. Esto se estudia en la termodinámica química , que establece límites a cantidades como hasta dónde puede avanzar una reacción o cuánta energía se puede convertir en trabajo en un motor de combustión interna , y que proporciona vínculos entre propiedades como el coeficiente de expansión térmica y la tasa de cambio de entropía con la presión para un gas o un líquido . ^[4] Con frecuencia se puede utilizar para evaluar si un diseño de reactor o motor es factible, o para verificar la validez de los datos experimentales. Hasta cierto punto, la termodinámica de cuasiequilibrio y no equilibrio puede describir cambios irreversibles. ^[5] Sin embargo, la termodinámica clásica se ocupa principalmente de los sistemas en equilibrio y los cambios reversibles y no de lo que realmente sucede, o qué tan rápido, fuera del equilibrio.

Qué reacciones ocurren y con qué velocidad es el tema de la cinética química , otra rama de la química física. Una idea clave en la cinética química es que para que los reactivos reaccionen y formen productos , la mayoría de las especies químicas deben pasar por estados de transición que son más altos en energía que los reactivos o los productos y sirven como una barrera para la reacción. ^[6] En general, cuanto más alta es la barrera, más lenta es la reacción. Una segunda es que la mayoría de las reacciones químicas ocurren como una secuencia de reacciones elementales , ^[7] cada una con su propio estado de transición. Las preguntas clave en cinética incluyen cómo la velocidad de reacción depende de la temperatura y de las concentraciones de reactivos y catalizadores en la mezcla de reacción, así como cómo los catalizadores y las condiciones de reacción pueden diseñarse para optimizar la velocidad de reacción.

El hecho de que la velocidad con la que se producen las reacciones se pueda especificar a menudo con sólo unas pocas concentraciones y una temperatura, en lugar de necesitar conocer todas las posiciones y velocidades de cada molécula en una mezcla, es un caso especial de otro concepto clave en la química física, que es que en la medida en que un ingeniero necesita saber, todo lo que sucede en una mezcla de cantidades muy grandes (quizás del orden de la constante de Avogadro , 6 x 10 ²³ ) de partículas a menudo se puede describir con sólo unas pocas variables como la presión, la temperatura y la concentración. Las razones precisas para esto se describen en la mecánica estadística ^[8] , una especialidad dentro de la química física que también se comparte con la física. La mecánica estadística también proporciona formas de predecir las propiedades que vemos en la vida cotidiana a partir de propiedades moleculares sin depender de correlaciones empíricas basadas en similitudes químicas. ^[5]

Historia

El término "química física" fue acuñado por Mijaíl Lomonósov en 1752, cuando presentó un curso de conferencias titulado "Un curso de verdadera química física" ( en ruso : Курс истинной физической химии ) ante los estudiantes de la Universidad de San Petersburgo . ^[9] En el preámbulo de estas conferencias da la definición: "La química física es la ciencia que debe explicar con arreglo a las disposiciones de los experimentos físicos la razón de lo que sucede en los cuerpos complejos a través de operaciones químicas".

La química física moderna se originó entre los años 1860 y 1880 con trabajos sobre termodinámica química , electrolitos en soluciones, cinética química y otros temas. Un hito fue la publicación en 1876 por Josiah Willard Gibbs de su artículo, Sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas . Este artículo introdujo varias de las piedras angulares de la química física, como la energía de Gibbs , los potenciales químicos y la regla de fases de Gibbs . ^[10]

La primera revista científica dedicada específicamente a la química física fue la revista alemana Zeitschrift für Physikalische Chemie , fundada en 1887 por Wilhelm Ostwald y Jacobus Henricus van 't Hoff . Junto con Svante August Arrhenius , ^[11] estos fueron los principales autores de la química física a finales del siglo XIX y principios del XX. Los tres recibieron el Premio Nobel de Química entre 1901 y 1909.

Los desarrollos en las décadas siguientes incluyen la aplicación de la mecánica estadística a los sistemas químicos y el trabajo sobre coloides y química de superficies , donde Irving Langmuir hizo muchas contribuciones. Otro paso importante fue el desarrollo de la mecánica cuántica en la química cuántica a partir de la década de 1930, donde Linus Pauling fue uno de los nombres principales. Los desarrollos teóricos han ido de la mano con los desarrollos en los métodos experimentales, donde el uso de diferentes formas de espectroscopia , como la espectroscopia infrarroja , la espectroscopia de microondas , la resonancia paramagnética electrónica y la espectroscopia de resonancia magnética nuclear , es probablemente el desarrollo más importante del siglo XX.

El desarrollo posterior de la química física se puede atribuir a los descubrimientos en química nuclear , especialmente en la separación de isótopos (antes y durante la Segunda Guerra Mundial), descubrimientos más recientes en astroquímica , ^[12] así como al desarrollo de algoritmos de cálculo en el campo de las "propiedades fisicoquímicas aditivas" (prácticamente todas las propiedades fisicoquímicas, como el punto de ebullición, el punto crítico, la tensión superficial, la presión de vapor, etc., más de 20 en total, se pueden calcular con precisión solo a partir de la estructura química, incluso si la molécula química permanece sin sintetizar), ^{[ cita requerida ]} y aquí radica la importancia práctica de la química física contemporánea.

Véase Método de contribución grupal , Método de Lydersen , Método de Joback , Teoría del incremento del grupo de Benson , Relación cuantitativa estructura-actividad

Revistas

Algunas revistas que tratan la química física incluyen

Zeitschrift für Physikalische Chemie (1887)
Revista de química física A (desde 1896 como Revista de química física , renombrada en 1997)
Química física Física química (desde 1999, anteriormente Faraday Transactions con una historia que se remonta a 1905)
Química y física macromolecular (1947)
Revista anual de química física (1950)
Física molecular (1957)
Revista de química orgánica física (1988)
Revista de química física B (1997)
Química Física Química (2000)
Revista de química física C (2007)
Journal of Physical Chemistry Letters (a partir de 2010, cartas combinadas publicadas previamente en revistas independientes)

Las revistas históricas que cubrieron tanto la química como la física incluyen Annales de chimie et de physique (iniciada en 1789, publicada bajo el nombre que se da aquí desde 1815 hasta 1914).

Ramas y temas relacionados

Véase también

Referencias

^ Torben Smith Sørensen (1999). Química de superficies y electroquímica de membranas. CRC Press. p. 134. ISBN 0-8247-1922-0.
^ ab Atkins, Peter y Friedman, Ronald (2005). Mecánica cuántica molecular , pág. 249. Oxford University Press , Nueva York. ISBN 0-19-927498-3 .
^ Atkins, Peter y Friedman, Ronald (2005). Mecánica cuántica molecular , pág. 342. Oxford University Press, Nueva York. ISBN 0-19-927498-3 .
^ Landau, LD y Lifshitz, EM (1980). Física estadística , 3.ª ed., pág. 52. Elsevier Butterworth Heinemann, Nueva York. ISBN 0-7506-3372-7 .
^ ab Hill, Terrell L. (1986). Introducción a la termodinámica estadística , pág. 1. Dover Publications, Nueva York. ISBN 0-486-65242-4 .
^ Schmidt, Lanny D. (2005). La ingeniería de las reacciones químicas , 2.ª edición, pág. 30. Oxford University Press, Nueva York. ISBN 0-19-516925-5 .
^ Schmidt, Lanny D. (2005). La ingeniería de las reacciones químicas , 2.ª edición, págs. 25, 32. Oxford University Press, Nueva York. ISBN 0-19-516925-5 .
^ Chandler, David (1987). Introducción a la mecánica estadística moderna , pág. 54. Oxford University Press, Nueva York. ISBN 978-0-19-504277-1 .
^ Vucinich, Alexander (1963). La ciencia en la cultura rusa. Stanford University Press. pág. 388. ISBN 0-8047-0738-3.
^ Josiah Willard Gibbs, 1876, " Sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas ", Transacciones de la Academia de Ciencias de Connecticut
^ Laidler, Keith (1993). El mundo de la química física . Oxford: Oxford University Press. pp. 48. ISBN. 0-19-855919-4.
^ Herbst, Eric (12 de mayo de 2005). "Química de las regiones de formación estelar". Journal of Physical Chemistry A . 109 (18): 4017–4029. Bibcode :2005JPCA..109.4017H. doi :10.1021/jp050461c. PMID 16833724.

Enlaces externos

El mundo de la química física (Keith J. Laidler, 1993)
Química física desde Ostwald hasta Pauling (John W. Servos, 1996)
Química Física: ¿ni peces ni aves? (Joachim Schummer, La autonomía de la química , Würzburg, Königshausen & Neumann, 1998, págs. 135-148)
La historia de la ciencia de Cambridge: las ciencias físicas y matemáticas modernas (Mary Jo Nye, 2003)

[1] Torben Smith Sørensen (1999). Química de superficies y electroquímica de membranas. CRC Press. p. 134. ISBN 0-8247-1922-0.

[Atkins249-2] Atkins, Peter y Friedman, Ronald (2005). Mecánica cuántica molecular , pág. 249. Oxford University Press , Nueva York. ISBN 0-19-927498-3 .

[3] Atkins, Peter y Friedman, Ronald (2005). Mecánica cuántica molecular , pág. 342. Oxford University Press, Nueva York. ISBN 0-19-927498-3 .

[4] Landau, LD y Lifshitz, EM (1980). Física estadística , 3.ª ed., pág. 52. Elsevier Butterworth Heinemann, Nueva York. ISBN 0-7506-3372-7 .

[Hill1-5] Hill, Terrell L. (1986). Introducción a la termodinámica estadística , pág. 1. Dover Publications, Nueva York. ISBN 0-486-65242-4 .

[6] Schmidt, Lanny D. (2005). La ingeniería de las reacciones químicas , 2.ª edición, pág. 30. Oxford University Press, Nueva York. ISBN 0-19-516925-5 .

[7] Schmidt, Lanny D. (2005). La ingeniería de las reacciones químicas , 2.ª edición, págs. 25, 32. Oxford University Press, Nueva York. ISBN 0-19-516925-5 .

[Chandler-8] Chandler, David (1987). Introducción a la mecánica estadística moderna , pág. 54. Oxford University Press, Nueva York. ISBN 978-0-19-504277-1 .

[9] Vucinich, Alexander (1963). La ciencia en la cultura rusa. Stanford University Press. pág. 388. ISBN 0-8047-0738-3.

[10] Josiah Willard Gibbs, 1876, " Sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas ", Transacciones de la Academia de Ciencias de Connecticut

[11] Laidler, Keith (1993). El mundo de la química física . Oxford: Oxford University Press. pp. 48. ISBN. 0-19-855919-4.

[12] Herbst, Eric (12 de mayo de 2005). "Química de las regiones de formación estelar". Journal of Physical Chemistry A . 109 (18): 4017–4029. Bibcode :2005JPCA..109.4017H. doi :10.1021/jp050461c. PMID 16833724.