Физичка хемија

Из Википедије, слободне енциклопедије

Физикална кемија или физичка хемија је настала обједињавањем знања из физике, хемије, термодинамике и квантне механике да би се опажене макроскопске појаве описале на атомском и молекулском нивоу, дакле, физикална кемија се бави везом између микроскопских и макроскопских особина материје. Нпр., величина молекула у текућини се може одредити на основу мјерења њеног индекса преламања и густоће, или на основу топлинског капацитета и површинског напона.[1]

Физичка хемија, за разлику од хемијске физике, је предоминантно (мада не увек) макроскопска или супра-молекуларна наука. Већина принципа на којима је физичка хемија заснована су концепти везани за масе, пре него за саме молекуларне/атомске структуре. На пример, хемијска равнотежа, и колоиди.

Неки од односа које физичка хемија настоји да риши укључују ефекте:

  • Идентитета јона и електричне проводности на материјале.
  • Успостављање корелација између броја фаза, броја компоненти и броја степена слободе уз помоћ правила фаза.[11]

Кључни концепти[уреди]

Кључни концепти физичке хемије се тичу начина на који се чиста физика примењује на хемијске проблеме.

Један од кључних концепата класичне хемије је да се сва хемијска једињења могу описати као групе атома везаних заједно, а хемијске реакције се могу описати као формирање и раскидање тих веза. Предвиђање својстава хемијских једињења полазећи од описа атома и начина на који су они везани, један је од главних циљева физичке хемије. Да би се прецизно описали атоми и везе, неопходно је да се зна где су нуклеуси, и како су електрони распоређени око њих.[12]

Квантна хемија, која је потпоље физичке хемије се бави применом квантне механике на хемијске проблеме. Она пружа оруђа за одређивање јачине и облика веза,[12] начина кретања нуклеуса, и начина на који хемијска једињења апсорбују или емитују светлост.[13] Спектроскопија је сродна потдисциплина физичке хемије која се специфично бави интеракцијама електромагнетне радијације са материјом.

Још једна група важних питања у хемији се тиче врста реакција које се могу спонтано одвијати, као и могућих својстава дате хемијске смеше. Та питања су у области изучавања хемијске термодинамике, која одређује границе квантитета као што је степен до којег се реакција може одвијати, или количина енергије која се може конвертовати у рад у машини са унутрашњим сагоревањем, и која пружа везе између својстава као што су коефицијент термалне експанзије и брзина промене ентропије са притиском за гас или течност.[14] То се често може користити за процену изводивости дизајна реактора или машине, или за проверу валидности експерименталних података. У извесној мери, квази-еквилибријумска и неравнотежна термодинамика могу да опишу иреверзибилне промене.[15] Међутим, класична термодинамика се углавном бави системима у еквилибријуму и реверзибилним променама, а не тиме шта се заправо догоди, или колико брзо, далеко од еквилибријума.

Које реакције се одвијају и којом брзином је предмет хемијске кинетике, још једне гране физичке хемије. Кључна идеја у хемијској кинетици је да би реагенси реаговали и формирали продукте, већина хемијских врста мора да прође кроз прелазна стања која имају вишу енергију него било реактанти или продукти и служе као реакционе баријере.[16] У општем случају, што је виша баријера, то је спорија реакција. Друга идеја је да се већина хемијских реакција одвија као секвенца елементарних реакција,[17] свака од којих са својим сопственим прелазним стањем. Кључна питања у кинетици су како брзина хемијске реакције зависи од температуре и концентрације реактаната и катализатора у реакционој смеши, као и како се катализатори и реакциони услови могу подесити да се оптимизује брзина реакције.

Чињеница да се брзина одвијања хемијске реакције често може специфицирати са само неколико концентрација и температура, без потребе за познавањем свих позиција и брзина молекула у смеши, је специјални случај још једног кључног концепта физичке хемије. То је да у мери у којој инжињер то треба да зна, све што се догађа у смеши са великим бројем честица (можда реда величине Авогадрове констанце, 6 x 1023) се често може описати са само неколико променљивих као што су притисак, температура, и концентрација. Прецизни разлози за то су описани у статистичкох механици,[18] специјализованој области физичке хемије која се такође сматра и делом физике. Статистичка механика такође пружа начине да се предвиде својства која се могу уочити у свакодневном животу полазећи од молекуларних својстава без зависности од емпиријских корелација базираних на хемијским сличностима.[15]

Историја[уреди]

Фрагмент М. Ломоносововог манускрипта 'Физичка Хемија' (1752)

Према легенди, први физички хемичар је био Архимед када је мерењем густине утврдио да круна његовог владара није од чистог злата.

Темеље модерној физичкој хемији поставили су Аренијус, ван Хоф, Оствалд и Нернст 1890. године. У енглеском говорном подручју пионирским радовима истакао се Гибс који је 1867. објавио чувени чланак „О равнотежи хетерогених сусптанци“ ("On the Equilibrium of Heterogeneous Substances") у којем је увео појмове слободне енергије, хемијског потенцијала, правила фаза, основне концепте модерне физичке хемије.[19]

Термин „физичка хемија“ је сковао Михаил Ломоносов 1752. године кад је дао предавање на курсу са насловом "Курс истинске физичке хемије" (руски: „Курс истинной физической химии“) студентима на Петроградском универзитету.[20] У предговору ових предавања он је дао дефиницију: "Физичка хемија је наука која мора да објасни уз помоћ физичких експеримената разлог за оно што се догађа у комплексним телима путем хемијских операција".

Модерна физичка хемија потиче из период између 1860-тих и 1880-тих са радом на хемијској термодинамици, електролитима у растворима, хемијској кинетици и другим предметима. Једна од прекретница је објављивање Гибсове публикације: On the Equilibrium of Heterogeneous Substances 1876. године. Тај рад је увео неколико темељних концепта у физичкој хемији, као што су Гибсова енергија, хемијски потенцијали, Гибсово правило фаза.[21] Oстале прекретнице обухватају накнадно именовање и акредитација енталпије научнику Хејке Камерлинг Онес и макромолекуларних процеса.

Први научни журнал са специфичним фокусом на пољу физичке хемије је био немачки журнал, Zeitschrift für Physikalische Chemie, који су 1887. основали Вилхелм Оствалд и Јакобус Хенрикус ван ’т Хоф. Заједно са Сванте Август Аренијусom,[22] oни су били водеће фигуре у физичкој хемији током касног 19. и почетком 20. века. Сва тројица су награђена Нобеловом наградом за хемију у периоду 1901-1909.

Развоји у накнадним декадама обухватају примену статистичке механике на хемијске системе и рад на колоидима и површинској хемији, где је Ирвинг Лангмуир направио многобројне доприносе. Још један важан корак је био развој квантне механике у облику квантне хемије из 1930-тих, где је Лајнус Полинг био једно од водећих имена. Теоретски развоји су ишли руку уз руку са развојем експерименталних метода, где су употребе разних форми спектроскопије, као што су инфрацрвена спектроскопија, микроталасна спектроскопија, ЕПР спектроскопија и НМР спектроскопија, вероватно најважнији развоји током 20. века.

Даљи развој у физичкој хемији се може приписати открићима у нуклеарној хемији, посебно у сепарацији изотопа (пре и током Другог светског рата), недавним открићима у астрохемији,[23] као и развојем алгоритама за прорачуне у пољу „адитивних физикохемијских особина“ (практично свих физикохемијских особина, као што су тачка кључања, критична тачка, површински напон, водени напон, итд. - више од 20 особина - може се прецизно израчунати из саме хемијске структуре, независно од тога да ли је молекул синтетисан), и у тој области је концентрисан практични значај савремене физичке хемије.

Феноменолошка кинетика[уреди]

Феноменолошка кинетика је експериментално изучавање брзина реакција.[24][25] Термодинамика даје увид у спонтаност реакције под датим условима, али не пружа информације о брзини којом се реакција одвија. У многим областима премене, реакциона брзина је важан фактор, а не равнотежна својства система. Један интерасантан пример је:

Cдијамант Cграфит

На собној температури и атмосферском притиску ова реакција је спонтана, јер је Δμ је негативно. Међутим, брзина реакције на датој термператури и притиску је изузетно мала, тако да се реакција практично не одвија.

Журнали[уреди]

Неки од журнала кој се баве физичком хемијом су:

Један од старијих журнала који су се бавио хемијом и физиком је Annales de chimie et de physique. Он је жапочет 1789. године, и објављиван је под тим именом током периода 1815–1914.

Гране физичке хемије и сродне теме[уреди]

Види још[уреди]

Референце[уреди]

  1. Atkins, P.W. Physical Chemistry. Oxford University Press. ISBN 0-19-879285-9. 
  2. R. Hill, The Mathematical Theory of Plasticity, Oxford University Press (1998)
    Jacob Lubliner, Plasticity Theory, Macmillan Publishing, New York (1990)
    L. M. Kachanov, Fundamentals of the Theory of Plasticity, Dover Books
    A.S. Khan and S. Huang, Continuum Theory of Plasticity, Wiley (1995)
    J. C. Simo, T. J. Hughes, Computational Inelasticity, Sprinɡ
  3. [1] "Konstrukcijski elementi I", Tehnički fakultet Rijeka, Božidar Križan i Saša Zelenika, 2011.
  4. White, Harvey E. (1948). Modern College Physics. van Nostrand. ISBN 0442294018. 
  5. Dondur, dr. Vera (1982). Hemijska kinetika. Beograd: Univerzitet u Beogradu, Prirodnomatematički fakulteti, Fakultet za fizičku hemiju. ISBN 86-87139-04-9. 
  6. Dragojević, Milosav; M. Popović; S. Stević; V. Šćepanović (1999). Opšta hemija (2. изд.). Beograd: Univerzitet u Beogradu, Tehnološko-metalurški fakultet. (COBISS.SR). 
  7. Torben Smith Sørensen (1999). Surface chemistry and electrochemistry of membranes. CRC Press. стр. 134. ISBN 0-8247-1922-0. 
  8. Arnold Sommerfeld (1952/1956). Thermodynamics and Statistical Mechanics, Academic Press, New York.
  9. Perrot, Pierre (1998). A to Z of Thermodynamics. Oxford University Press. ISBN 0-19-856552-6. 
  10. McQuarrie, Donald, et al. Colligative properties of Solutions" General Chemistry Mill Valley: Library of Congress, 2011.
  11. Predel, Bruno; Hoch, Michael J. R; Pool, Monte. Phase Diagrams and Heterogeneous Equilibria : A Practical Introduction. Springer. ISBN 3-540-14011-5. 
  12. 12,0 12,1 Atkins, Peter and Friedman, Ronald (2005). Molecular Quantum Mechanics, p. 249. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-927498-3.
  13. Atkins, Peter and Friedman, Ronald (2005). Molecular Quantum Mechanics, p. 342. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-927498-3.
  14. Landau, L. D. and Lifshitz, E. M. (1980). Statistical Physics, 3rd Ed. p. 52. Elsevier Butterworth Heinemann, New York. ISBN 0-7506-3372-7.
  15. 15,0 15,1 Hill, Terrell L. (1986). Introduction to Statistical Thermodynamics, p. 1. Dover Publications, New York. ISBN 0-486-65242-4.
  16. Schmidt, Lanny D. (2005). The Engineering of Chemical Reactions, 2nd Ed. p. 30. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-516925-5.
  17. Schmidt, Lanny D. (2005). The Engineering of Chemical Reactions, 2nd Ed. p. 25, 32. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-516925-5.
  18. Chandler, David (1987). Introduction to Modern Statistical Mechanics, p. 54. Oxford University Press, New York. ISBN 978-0-19-504277-1.
  19. G. Wedler: Lehrbuch der Physikalischen Chemie, Wiley-VCH, 2004, ISBN 3-527-31066-5, S. 977ff.
  20. Alexander Vucinich (1963). Science in Russian culture. Stanford University Press. стр. 388. ISBN 0-8047-0738-3. 
  21. Josiah Willard Gibbs, 1876, "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances", Transactions of the Connecticut Academy of Sciences
  22. Laidler, Keith (1993). The World of Physical Chemistry. Oxford: Oxford University Press. стр. 48. ISBN 0-19-855919-4. 
  23. Herbst, Eric (12. 5. 2005). „Chemistry of Star-Forming Regions”. Journal of Physical Chemistry A. 109 (18): 4017—4029. PMID 16833724. doi:10.1021/jp050461c. 
  24. Lionel M. Raff. Principles of Physical Chemistry (1st изд.). Upper Saddle River, NJ 07458: Prentice Hall. стр. 1084 — 1085. ISBN 9780130278050. 
  25. Laidler, K. J.; Meiser, J.H. (1982). Physical Chemistry. Benjamin/Cummings. стр. 349. ISBN 061815292X. 
  26. „All Issues”. Macromolecular Chemistry and Physics. Wiley-VCH. Приступљено 2013-07-20. 
  27. „Editorial Committee Members for Annual Reviews of Physical Chemistry”. Annual Reviews journals. Annual Reviews Inc. Приступљено 2013-09-04. 
  28. „Editorial”. Molecular Physics. Taylor & Francis. 106 (16-18): 1959—2253. 2008. Bibcode:2008MolPh.106.1959.. doi:10.1080/00268970802509787. 
  29. Journal of Physical Organic Chemistry, Editorial Board, Wiley Online Library
  30. Mirskiy, Anton G. (2009). Thermochemistry and Advances in Chemistry Research. Nova Science Pub Inc. ISBN 1606923765. 
  31. House, James E. (13. 9. 2007). Principles of Chemical Kinetics (Second изд.). Academic Press. ISBN 978-0-12-356787-1. 
  32. Jeffrey I. Steinfeld; Joseph S. Francisco; William L. Hase (20. 8. 1998). Chemical Kinetics and Dynamics (2nd изд.). Prentice Hall. ISBN 0-13-737123-3. 
  33. Atkins, P.W.; Friedman, R. (2005). Molecular Quantum Mechanics (4th изд.). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-927498-7. 
  34. William L. Masterton, Cecile N. Hurley Chemistry: Principles and Reactions, Cengage Learning (2008) ISBN 0-495-12671-3 p. 379
  35. Wayne, C. E.; Wayne, R. P. Photochemistry, 1st ed.; Oxford University Press: Oxford, United Kingdom, reprinted 2005. ISBN 0-19-855886-4.
  36. Prutton, Martin (1994). Introduction to Surface Physics. Oxford University Press. ISBN 0-19-853476-0. 
  37. [2], Sadoway, Donald. 3.091SC; Introduction to Solid State Chemistry, Fall 2010. (Massachusetts Institute of Technology: MIT OpenCourseWare)
  38. Crouch, Stanley; Skoog, Douglas A. (2007). Principles of instrumental analysis. Australia: Thomson Brooks/Cole. ISBN 0-495-01201-7. 
  39. Herrmann, R.; C. Onkelinx (1986). „Quantities and units in clinical chemistry: Nebulizer and flame properties in flame emission and absorption spectrometry (Recommendations 1986)”. Pure and Applied Chemistry. 58 (12): 1737—1742. doi:10.1351/pac198658121737. 
  40. Peter Jomo Walla (8. 7. 2014). Modern Biophysical Chemistry: Detection and Analysis of Biomolecules. Wiley. стр. 1—. ISBN 978-3-527-68354-3. 
  41. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materials: engineering, science, processing and design (1st изд.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3. 
  42. Hammett, Louis P. (1940) Physical Organic Chemistry New York: McGraw Hill.
  43. Hammond, George S. (1997). „Physical organic chemistry after 50 years: It has changed, but is it still there?”. Pure and Applied Chemistry. 69 (9): 1919—22. doi:10.1351/pac199769091919. 
  44. Brittain, H. G. (1995). Physical characterization of pharmaceutical solids. New York: M. Dekker. стр. 254. ISBN 0-8247-9372-2. 
  45. Carstensen, Jens Thurø (1993). Pharmaceutical principles of solid dosage forms. Lancaster, Pa: Technomic Pub. стр. 211. ISBN 0-87762-955-2. 
  46. Martin, Alfred N.; Patrick J Sinko (2006). Martin's physical pharmacy and pharmaceutical sciences: physical chemical and biopharmaceutical principles in the pharmaceutical sciences. Phila: Lippincott Williams and Wilkins. ISBN 0-7817-5027-X. 
  47. Orr, Clyde; Webb, Paul W. (1997). Analytical methods in fine particle technology. Norcross, Ga: Micromeritics Instrument Corp. ISBN 0-9656783-0-X. 

Литература[уреди]

  • P. Atkins; J. de Paula (2013). „Physikalische Chemie”. 5.. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 3-527-33247-2. 
  • Gerd Wedler: Lehrbuch der Physikalischen Chemie. Wiley-VCH, 2004, ISBN 3-527-31066-5.
  • T. Engel, P. Reid: Physikalische Chemie. Pearson Studium, 2006, ISBN 978-3-8273-7200-0
  • W. Bechmann, J. Schmidt: Einstieg in die physikalische Chemie für Nebenfächler. Teubner, 2005, ISBN 3-8351-0035-1
  • W. J. Moore, D. O. Hummel, G. Trafara, K. Holland-Moritz: Physikalische Chemie. Walter de Gruyter, 1999, ISBN 3-11-010979-4.
  • Kurt Schwabe: Physikalische Chemie. Band 1. Akademie Verlag|Akademie-Verlag, Berlin 1973.
  • Bunsen-Magazin der Deutschen Bunsen-Gesellschaft für Physikalische Chemie
  • Chemical Physics / Chemical Physics Letters (engl.) ISSN 0009-2614
  • ChemPhysChem (engl.) – A European Journal of Chemical Physics and Physical Chemistry ISSN 1439-4235
  • Peter Jomo Walla (8. 7. 2014). Modern Biophysical Chemistry: Detection and Analysis of Biomolecules. Wiley. стр. 1—. ISBN 978-3-527-68354-3. 
  • Atkins, P.W.; Friedman, R. (2008). Quanta, Matter and Change: A Molecular Approach to Physical Change. ISBN 978-0-7167-6117-4. 
  • Pullman, Bernard; Pullman, Alberte (1963). Quantum Biochemistry. New York and London: Academic Press. ISBN 90-277-1830-X. 
  • Scerri, Eric R. (2006). The Periodic Table: Its Story and Its Significance. Oxford University Press. ISBN 0-19-530573-6.  Considers the extent to which chemistry and especially the periodic system has been reduced to quantum mechanics.
  • Kostas Gavroglu, Ana Simões: NEITHER PHYSICS NOR CHEMISTRY.A History of Quantum Chemistry, MIT Press, 2011, ISBN 0-262-01618-4
  • McWeeny, R. Coulson's Valence. Oxford Science Publications. ISBN 0-19-855144-4. 
  • Karplus M., Porter R.N. (1971). Atoms and Molecules. An introduction for students of physical chemistry, Benjamin–Cummings Publishing Company, ISBN 978-0-8053-5218-4
  • Szabo, Attila; Ostlund, Neil S. (1996). Modern Quantum Chemistry: Introduction to Advanced Electronic Structure Theory. Dover. ISBN 0-486-69186-1. 
  • Landau, L.D.; Lifshitz, E.M. Quantum Mechanics:Non-relativistic Theory. Course of Theoretical Physic. 3. Pergamon Press. ISBN 0-08-019012-X. 
  • Askeland, Donald R.; Pradeep P. Phulé (2005). The Science & Engineering of Materials (5th изд.). Thomson-Engineering. ISBN 0-534-55396-6. 
  • Callister, Jr., William D. (2000). Materials Science and Engineering – An Introduction (5th изд.). John Wiley and Sons. ISBN 0-471-32013-7. 
  • Eberhart, Mark (2003). Why Things Break: Understanding the World by the Way It Comes Apart. Harmony. ISBN 1-4000-4760-9. 
  • Gaskell, David R. (1995). Introduction to the Thermodynamics of Materials (4th изд.). Taylor and Francis Publishing. ISBN 1-56032-992-0. 
  • Gordon, James Edward (1984). The New Science of Strong Materials or Why You Don't Fall Through the Floor (eissue изд.). Princeton University Press. ISBN 0-691-02380-8. 
  • Mathews, F.L. & Rawlings, R.D. (1999). Composite Materials: Engineering and Science. Boca Raton: CRC Press. ISBN 0-8493-0621-3. 
  • Lewis, P.R.; Reynolds, K. & Gagg, C. (2003). Forensic Materials Engineering: Case Studies. Boca Raton: CRC Press. 
  • Wachtman, John B. (1996). Mechanical Properties of Ceramics. New York: Wiley-Interscience, John Wiley & Son's. ISBN 0-471-13316-7. 
  • Walker, P., ур. (1993). Chambers Dictionary of Materials Science and Technology. Chambers Publishing. ISBN 0-550-13249-X. 
  • Adkins, C.J. (1968/1975). Equilibrium Thermodynamics, second edition, McGraw-Hill, London, ISBN 0-07-084057-1.
  • Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics, American Institute of Physics Press, New York, ISBN 0-88318-797-3.
  • Max Born (1949). Natural Philosophy of Cause and Chance, Oxford University Press, London.
  • George H. Bryan (1907). Thermodynamics. An Introductory Treatise dealing mainly with First Principles and their Direct Applications, B.G. Teubner, Leipzig.
  • Herbert Callen (1960/1985). Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, (1st edition 1960) 2nd edition 1985, Wiley, New York, ISBN 0-471-86256-8.
  • Eu, B.C. (2002). Generalized Thermodynamics. The Thermodynamics of Irreversible Processes and Generalized Hydrodynamics, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, ISBN 1-4020-0788-4.
  • Ralph H. Fowler, Edward A. Guggenheim (1939). Statistical Thermodynamics, Cambridge University Press, Cambridge UK.
  • Josiah Willard Gibbs (1875). On the equilibrium of heterogeneous substances, Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Sciences, 3: 108–248.
  • Grandy, W.T., Jr (2008). Entropy and the Time Evolution of Macroscopic Systems, Oxford University Press, Oxford, ISBN 978-0-19-954617-6.
  • Edward A. Guggenheim (1949/1967). Thermodynamics. An Advanced Treatment for Chemists and Physicists, (1st edition 1949) 5th edition 1967, North-Holland, Amsterdam.
  • Haase, R. (1971). Survey of Fundamental Laws, chapter 1 of Thermodynamics, pages 1–97 of volume 1, ed. W. Jost, of Physical Chemistry. An Advanced Treatise, ed. H. Eyring, D. Henderson, W. Jost, Academic Press, New York, lcn 73–117081.
  • Kondepudi, D., Ilya Prigogine, I. (1998). Modern Thermodynamics. From Heat Engines to Dissipative Structures, John Wiley & Sons, ISBN 0-471-97393-9.
  • Lebon, G., Jou, D., Casas-Vázquez, J. (2008). Understanding Non-equilibrium Thermodynamics, Springer, Berlin, ISBN 978-3-540-74251-7.
  • J. R. Partington (1949). An Advanced Treatise on Physical Chemistry, volume 1, Fundamental Principles. The Properties of Gases, Longmans, Green and Co., London.
  • Brian Pippard (1957). The Elements of Classical Thermodynamics, Cambridge University Press.
  • Max Planck (1897/1903). Treatise on Thermodynamics, translated by A. Ogg, Longmans, Green & Co., London.
  • Max Planck (1923/1926). Treatise on Thermodynamics, third English edition translated by A. Ogg from the seventh German edition, Longmans, Green & Co., London.
  • James Serrin (1986). New Perspectives in Thermodynamics, edited by J. Serrin, Springer, Berlin, ISBN 3-540-15931-2.
  • Tschoegl, N.W. (2000). Fundamentals of Equilibrium and Steady-State Thermodynamics, Elsevier, Amsterdam, ISBN 0-444-50426-5.
  • László Tisza (1966). Generalized Thermodynamics, M.I.T Press, Cambridge MA.
  • Clifford Truesdell (1980). The Tragicomical History of Thermodynamics, 1822–1854, Springer, New York, ISBN 0-387-90403-4.
  • Химическая энциклопедия НИ «Большая российская энциклопедия», М., 1998;
  • Некрасов, В. В. «Основы общей химии» в 2-х т., том 1, М.: «Химия», 1973. — 656 c.
  • Вайс Е. Ф., Буйкр Е. В., Салмина А. Б. «Физическая химия» 2008

Спољашње везе[уреди]