Chimie Fizica

Chimia fizică (pe scurt: PC sau Phys.Chem. , Inclusiv: chimie fizică ) , în plus față de anorganică și chimia organică a ramurilor „clasice“ ale chimiei . Se ocupă de zona de frontieră dintre fizică și chimie, în special aplicarea metodelor de fizică la obiectele chimiei, motiv pentru care este uneori folosit termenul de fizică chimică . În timp ce chimia pregătitoare se concentrează pe metodologia sintezei chimice a substanțelor cunoscute și noi, chimia fizică încearcă să descrie proprietățile substanțelor și transformarea acestora cu ajutorul metodelor teoretice și experimentale, cu scopul de a crea procese matematice general aplicabile pentru toate cele relevante. procese Configurați formule cu unități clar definite și valori numerice exacte.

Firește, există o apropiere de fizică (în special de fizica moleculară ), iar clasificarea unui subiect de cercetare ca „fizică” sau „chimie” nu este adesea foarte clară. Cu toate acestea, în funcție de focalizare, se face uneori o distincție între chimia fizică și fizica chimică. Chimia fizică oferă baza teoretică pentru chimia tehnică și ingineria proceselor . Chimiștii care lucrează în primul rând în domeniul chimiei fizice sunt cunoscuți ca chimiști fizici. Chimia fizică este o parte obligatorie a fiecărui curs de chimie .

istorie

Svante Arrhenius (1909)

Primele cursuri pe subiecte de chimie fizică au avut loc în jurul anului 1752 la Universitatea Lomonossow din Moscova de către Michail Lomonossow . În 1890, Svante Arrhenius , Jacobus Henricus van 't Hoff , Wilhelm Ostwald și Walther Nernst au introdus chimia fizică ca disciplină independentă la universități. Josiah Willard Gibbs este considerat fondatorul chimiei fizice în regiunea anglo-saxonă cu articolul său „Despre echilibrul substanțelor eterogene” publicat în 1867, în care a dezvoltat conceptele de bază despre energia liberă , potențialul chimic și regula fazei . Lucrarea lui Gibbs, Robert Mayer , Hermann Helmholtz , Jacobus Henricus van 't Hoff a format o legătură importantă între conceptul de energie din punct de vedere chimic pentru Wilhelm Ostwald.

Gustav Wiedemann a primit primul catedră germană de chimie fizică la Leipzig în 1871 . Abia în 1887 chimia fizică s-a putut manifesta în cercetare după ce catedra a fost ocupată cu Wilhelm Ostwald . Ostwald a devenit primul editor al revistei pentru chimie fizică, stoichiometrie și teoria înrudirii, înființată împreună cu van 't Hoff în 1887 .

La propunerea elevului său Walther Nernst, au urmat în succesiune rapidă alte institute dedicate chimiei fizice în Göttingen (1891), Dresda (1900), Karlsruhe (1900), Berlin (1905), Aachen (1906), Breslau (1910) și în altă parte.

Wilhelm Ostwald a fondat Societatea germană de electrochimie în 1894 , care a fost redenumită Societatea germană Bunsen pentru chimie fizică aplicată în 1901 . In Anglia, Faraday Society (acum Divizia Faraday a Royal Society of Chemistry ) a fost fondată în 1903 . Între timp, nenumărate universități și mai multe institute Max Planck sunt preocupate de chimia fizică.

Un articol de ansamblu al Societății Bunsen oferă o prezentare detaliată a originii și dezvoltării chimiei fizice. Mai multe detalii găsiți în Istoria chimiei , o listă a chimiștilor fizici importanți din toate universitățile germane poate fi găsită aici .

Subzone

Chimia fizică este împărțită în diferite sub-zone în care sunt examinate diferite fenomene. Cele mai importante sunt chimia teoretică , termodinamica , cinetica , spectroscopia și electrochimia .

Chimie teoretică

În chimia teoretică se încearcă prezicerea proprietăților moleculelor unice sau a cantităților macroscopice de substanță cu ajutorul simulărilor și calculelor matematice sau computerizate. În mecanica cuantică oferă baza pentru înțelegerea structurii materiei și legătura chimică , în timp ce termodinamica statistică prevede interconectarea cu termodinamica macroscopice.

Termodinamica chimică

Termodinamica chimică a unificat termenii energetici ai muncii electrochimice ( tensiunea sursei ), energia termică prin creșterea temperaturii unei substanțe, lucrul cu expansiunea gazelor ( motor cu aburi , motor cu ardere ) și energia termică cu conversia substanțelor ( entalpia , de exemplu, arderea cărbunelui sau benzină).

Termodinamica chimică permite, de asemenea, să se facă afirmații dacă sunt posibile conversii de materiale, care energii se dezvoltă sau care trebuie adăugate în timpul unei reacții, ce concentrații de substanță sunt de așteptat în ceea ce privește produsele pentru materiile prime (materii prime) conform legii de acțiune în masă , indiferent dacă o creștere a temperaturii sau a presiunii promovează sau atenuează potențialul redox sau care sunt concentrațiile ionice ale substanțelor individuale.

Comportamentul gazelor cu modificări de temperatură, volum și presiune

Când temperatura se schimbă și presiunea externă rămâne constantă, volumul unui gaz se schimbă proporțional cu schimbarea temperaturii ( legea Gay-Lussac ). Când temperatura crește , gazul se extinde ; când se răcește, se contractă. În cazul gazelor ideale, volumul este proporțional cu temperatura absolută ; Această presupunere este adesea o bună aproximare chiar și pentru gazele reale . Dacă un gaz este comprimat sub presiune ridicată, temperatura și energia internă a gazului cresc. Această energie internă dintr-un gaz poate funcționa și prin extinderea gazului. Acest proces a fost folosit, de exemplu, pentru a conduce motoare cu aburi. Dacă extindeți un gaz foarte repede într-un cilindru cu piston la un volum mai mare, gazul se răcește. Acest proces este utilizat, de exemplu, în frigidere sau sisteme de lichefiere a aerului .

Într-un motor cu abur, doar o anumită parte a energiei termice este convertită în energie mecanică. Energia termică devine funcțională, dar energia totală a unui sistem închis nu se schimbă. Coeficientul cotei de energie termică care este eliberată neutilizată în mediu în timpul acestui proces la temperatură se numește entropie . Descărcarea unui gaz în vid este, de asemenea, asociată cu o creștere a entropiei; procesul nu are loc în mod voluntar în direcția opusă.

Conversii chimice ale substanțelor

Conversiile chimice ale substanțelor, modificările stării fizice sau dizolvarea sărurilor sau a acizilor sau bazelor concentrate în apă sunt adesea asociate cu eliberarea sau absorbția căldurii. Chimiștii obișnuiau să creadă că generarea de căldură este baza pentru reacțiile chimice dintre substanțe. Cu toate acestea, reacțiile în care s-a produs răcirea s-au găsit și ulterior. Oamenii de știință au recunoscut că, în cazul conversiilor materiale cu scăderea căldurii, entropia pentru procesele chimice trebuia să joace un rol important.

Cantitatea de energie a fiecărui metabolism poate fi legată de un mol de substanță, astfel încât rezultatele să poată fi comparate. Când 12 g de carbon sunt arși pentru a forma 48 g de dioxid de carbon , se eliberează o cantitate diferită de căldură ( entalpia ) decât atunci când 12 g de carbon sunt arși pentru a forma 28 g de monoxid de carbon . Fiecărui compus material i se poate atribui o anumită cantitate de energie (entalpia standard de formare) pe baza energiilor termice măsurate - în raport cu un mol. Cantități necunoscute de energie, de ex. B. formarea dioxidului de carbon din monoxidul de carbon și oxigenul poate fi determinată de un total. Din cunoștințele entalpiei standard de formare, chimistul poate determina câtă energie termică este necesară pentru o conversie a substanței sau este eliberată în timpul unei reacții.

Când hidrogenul gaz și oxigenul sunt arși , se produce apă și energie termică. În același timp, volumul de gaz este redus. Reducerea gazului în această reacție este o cantitate de energie ( entropie ), al cărei conținut de energie rezultă din modificarea volumului de gaz descris mai sus. Entropia standard de formare poate fi determinată și pentru majoritatea substanțelor. În termeni de energie, entropia standard de formare poate fi determinată prin înmulțirea acesteia cu temperatura absolută (în K). Entalpia standard de formare și entropia de formare sunt legate de entalpia liberă. Dacă se formează diferențele de la entalpia liberă a produselor finale la materiile prime, se obține entalpia liberă de reacție . Entalpia liberă a reacției trebuie să fie întotdeauna negativă, astfel încât să fie posibilă o reacție; dacă este pozitivă, reacția chimică este imposibilă.

Legea acțiunii în masă

Legea acțiunii în masă - sau mai exact echilibrul chimic cu constanta de echilibru K - descrie legătura multiplicativ dintre concentrațiile produselor și materiile prime. Entalpia liberă a reacției este legată printr-o formulă simplă cu constanta de echilibru a legii acțiunii de masă. Dacă entalpia liberă de reacție este negativă, produsele se formează în principal în echilibru din materiile prime; dacă entalpia reacției este pozitivă, nu are loc aproape nici o conversie. Echilibrul unei conversii chimice poate fi adesea modificat prin schimbări de temperatură sau presiune. Uneori, totuși, sunt necesari și catalizatori pentru a atinge echilibrul dorit.

Înainte de dezvoltarea procesului Haber-Bosch pentru producția de amoniac, se știa din termodinamică că formarea amoniacului din hidrogen și azot ar trebui să fie posibilă. Cu toate acestea, pentru o lungă perioadă de timp, formarea a eșuat, numai cu catalizatori și la temperaturi și presiuni mai mari, reacția a decurs așa cum s-a dorit. Presiunea a fost necesară pentru a compensa scăderea entropiei; deși o temperatură ridicată a avut un efect negativ asupra entropiei, a fost avantajoasă pentru activarea catalitică.

O lege deosebit de importantă, ecuația van 't Hoff , descrie schimbarea echilibrului în funcție de schimbarea temperaturii. De asemenea, solubilitatea sărurilor anorganice și organice în apă și alte lichide poate fi produsă din reacția liberă și se calculează legea acțiunii masei. În reacțiile redox , ecuația Nernst oferă o modalitate de a calcula concentrațiile ionilor sau potențialele electrochimice (de exemplu, permanganatul de potasiu în soluții acide, neutre și bazice).

cinetica

De cinetică este preocupat cu secvența temporală a reacțiilor chimice (cinetică a reacției) sau a proceselor de transport ( de exemplu. B. difuzia , depuneri de material pe suprafețe, cataliza cu ). În cinetică, sunt examinate atât cursul macroscopic al unei reacții (macrokinetica), cât și cursul exact al unei reacții în reacțiile elementare individuale (microcinetică).

Spectroscopie

Spectroscopia este un termen colectiv pentru o clasă de metode experimentale care investighează modul în care o probă poate absorbi sau elibera energie sub formă de radiații electromagnetice (unde radio, microunde, infraroșu, lumină vizibilă, UV, raze X). Scopul spectroscopiei este de a trage concluzii despre eșantionul din spectrul obținut, de exemplu despre structura sa internă ( forța intermoleculară ), compoziția materialului sau dinamica.

Electrochimie

Electrochimie se ocupă cu proprietățile de încărcate particule, în special ionii și efectul curentului electric pe țesături. Cele mai importante domenii de investigație în electrochimie sunt procesele în soluții apoase de ioni, electroliți și pe electrozi . Interacțiunea acestor procese este crucială pentru afișarea și rafinarea electrolizei, procesele de coroziune și domeniul stocării energiei electrice în baterii și acumulatori . Alte aplicații importante din punct de vedere tehnic ale electrochimiei sunt celulele de combustibil și depunerea metalelor pe suprafețe în galvanizare .

Relevanță în tehnologie și în viața de zi cu zi

Chimia fizică se ocupă de multe obiecte care au un potențial mare de aplicare sau sunt de o importanță crucială pentru calitatea vieții omenirii.

literatură

Manuale generale

Reviste fizico-chimice

articole de jurnal

  • Paul Harteck: Teoria cuantică în chimie . În: Științe ale naturii . bandă 38 , nr. 3 , 1951, pp. 61–67 , doi : 10.1007 / BF00589913 (prelegere susținută în cadrul reuniunii Societății Oamenilor de Știință și Doctori din Natura din Germania, la 23 octombrie 1950 la München).

Link-uri web

Wikibooks: Formule de chimie fizică  - materiale de învățare și predare
Wikționar: chimie fizică  - explicații ale semnificațiilor, originea cuvintelor, sinonime, traduceri

Dovezi individuale

  1. ↑ Universitatea din Leipzig Chimie fizică, 1887 în „Al doilea institut chimic”, Brüderstr. 34, iar în 1898 în noul „Institut Ostwald pentru chimie fizică și teoretică”, Linnestr. 2
  2. ↑ Universitatea din Göttingen în 1891 în Physikalisches Institut, Michaelishaus am Leinekanal, iar în 1896 ca noul „Inst. pentru fizic. Chimie"
  3. ^ TH Dresda 1900 ca „Laborator de electrochimie”
  4. ^ TH Karlsruhe 1900 ca „Inst. pentru fizic. Chimie"
  5. ↑ Universitatea din Berlin în Institutul chimic II (a se vedea sub „Istorie”), 1905 ca „Physikalisch-Chemisches Institut”
  6. ^ TH Aachen 1897 ca „Elektrochemie”, 1906 cu catedra ca „Metalurgie teoretică și chimie fizică”
  7. ^ TH Breslau 1910 ca „Inst. pentru fiz. Chimie"; Manfred Rasch:  Schenck, Friedrich Rudolf. În: New German Biography (NDB). Volumul 22, Duncker & Humblot, Berlin 2005, ISBN 3-428-11203-2 , p. 667 f. ( Versiune digitalizată ).
  8. ↑ 100 de ani de Chimie Fizică în Aachen ( Memento al originalului din 29 octombrie 2013 în Internet Archive ) Info: Arhiva link - ul a fost introdus în mod automat și nu a fost încă verificată. Vă rugăm să verificați linkul original și arhivă conform instrucțiunilor și apoi eliminați această notificare. (PDF; 1,9 MB); 100 de ani de chimie fizică în Karlsruhe (PDF; 109 kB) @ 1@ 2Șablon: Webachiv / IABot / www.bunsen.de
  9. ↑ Manfred Zeidler 100 de ani de Chimie Fizică de la Universitatea RWTH Aachen, p 91. ( Amintirea originalului din 29 octombrie 2013 în Internet Archive ) Info: Arhiva link - ul a fost introdus în mod automat și nu a fost încă verificată. Vă rugăm să verificați linkul original și arhivă conform instrucțiunilor și apoi eliminați această notificare. (PDF; 1,9 MB) @ 1@ 2Șablon: Webachiv / IABot / www.bunsen.de
  10. ↑ Institute de chimie fizică în Germania și Austria ( Memento din originalului din 29 octombrie 2013 în Internet Archive ) Info: Arhiva link - ul a fost introdus în mod automat și nu a fost încă verificată. Vă rugăm să verificați linkul original și arhivă conform instrucțiunilor și apoi eliminați această notificare. @ 1@ 2Șablon: Webachiv / IABot / www.bunsen.de
  11. ↑ Privire de ansamblu asupra tuturor scaune și departamentele pentru chimie fizică ( amintire originalului din 29 octombrie 2013 în Internet Archive ) Info: Arhiva link - ul a fost introdus în mod automat și nu a fost încă verificată. Vă rugăm să verificați linkul original și arhivă conform instrucțiunilor și apoi eliminați această notificare. (PDF; 9 MB) @ 1@ 2Șablon: Webachiv / IABot / bunsen.de

Vezi si