Química física

La química física o la fisicoquímica és una branca de la química que estudia la matèria emprant conceptes físics.

D'acord al químic nord-americà de renom Gilbert Lewis, "La Química física és qualsevol cosa interessant", probablement referint-se al fet que molts fenòmens de la naturalesa pel que fa a la matèria són de principal interès en la química física.

La físicoquímica representa una branca on hi ha una combinació de diverses ciències, com la química, la física, la termodinàmica, l'electroquímica i la mecànica quàntica on les funcions matemàtiques poden representar interpretacions a nivell molecular i a nivell atòmic. Canvis en la temperatura, pressió, volum, calor i treball als sistemes, sòlid, líquid i/o gasós es troben també relacionats a aquestes interpretacions d'interaccions moleculars.

El químic nord-americà del segle XIX Willard Gibbs és també considerat el pare fundador de la química física, on a la seva publicació de 1876 anomenada "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances" (Estudi sobre l'equilibri de substàncies heterogènies) va parlar de termes com energia lliure, potencial químic, i regla de les fases, que anys més tard serien de principal interès d'estudi en aquesta disciplina.

La química física moderna té fermes bases en la física pura. Àrees d'estudi molt importants en aquesta inclouen a la termoquímica (termodinàmica química), cinètica química, química quàntica, mecànica estadística, electroquímica, química de l'estat líquid i de superfícies, i espectroscòpia. La química física forma part fonamental en l'estudi de la ciència dels materials.

Història

La química física no es va constituir com especialitat independent de la química fins a finals del segle passat (XIX). Es poden prendre com a punt de partida de la nova especialitat les dates de creació de dues de les primeres revistes que van incorporar aquest nom al seu títol: l'alemanya Zeitschrift für physicalische Chemie dirigida per Wolfgang Ostwald (1853-1932) i Jacobus Henricus Van't Hoff (1852-1911), que va començar la seva publicació el 1887, i la nord-americana Journal of Physical Chemistry dirigida per Wilder Dwight Bancroft (1867-1953) des de 1896. Malgrat això, durant tot el segle XIX es van realitzar notables aportacions a alguns dels camps que habitualment solen reunir-se sota la química física, tals com l'electroquímica, la termoquímica o la cinètica química.

L'obra d'Alessandro Volta (1745-1827), especialment la pila que duu el seu nom, va anar el punt de partida de molts treballs en els quals es va estudiar els efectes de l'electricitat sobre els compostos químics. A principis del segle XIX, Humphry Davy (1778-1829) va fer passar el corrent elèctric a través d'insulsa i potassa fosa, el que li va permetre estudiar dos nous metalls: el sodi i el potassi. El seu principal discípul i el seu successor en la Royal Institution va ser Michael Faraday (1791-1867), que va continuar les investigacions del seu mestre. En un article publicat el 1834, Faraday va proposar els seus dues conegudes lleis sobre l'electròlisi. La primera afirma que la quantitat de substància que es diposita en un electrode és proporcional a la quantitat de càrrega elèctrica que travessa el circuit. En la seva segona llei, Faraday afirma que la quantitat de càrrega elèctrica que provoca el despreniment d'un gram d'hidrogen produeix el despreniment d'una quantitat igual a l'equivalent electroquímic d'altres substàncies. Els treballs realitzats per Antoine Lavoisier (1743-1794) i Pierre-Simon Laplace (1749-1827) són habitualment considerats com el punt de partida de la termoquímica. Van dissenyar un nou instrument, el calorímetre, en el qual podia realitzar mesures sobre la quantitat de calor despresa durant les reaccions químiques. Laplace i Lavoisier pensaven que el calòric era un dels elements imponderables i que els gasos eren compostos de calor i l'element corresponent. En la primera meitat del segle XIX, la idea del calòric va ser abandonada i van començar a realitzar-se les investigacions que van permetre l'establiment de les lleis de la termodinàmica. L'aplicació d'aquestes investigacions als processos químics va permetre el sorgiment de la termoquímica, gràcies a l'obra d'autors com Marcelin Berthelot (1827-1907) o Henry Li Châtelier (1850-1936).

Un dels primers treballs dedicats a l'estudi de la cinètica química van ser les investigacions de Ludwig Ferdinand Wilhelmy (1812-1864) sobre la velocitat de canvi de configuració de determinats sucres en presència d'un àcid. A mitjan el segle XIX, Wilhelmy va arribar a la conclusió que la velocitat del canvi era proporcional a la concentració del sucre i de l'àcid i que també variava amb la temperatura. La col·laboració entre un químic, George Vernon Harcourt (1834-1919), i un matemàtic, William Esson (1838-1916), va permetre la introducció d'ecuaciones diferencials a l'estudi de la cinètica química. Esson va ser l'introductor dels conceptes de reaccions de "primer ordre", la velocitat del qual és proporcional a la concentració d'un només reactiu, i de reaccions de "segon ordre", en les quals la velocitat és proporcional al producte de dues concentracions. En els últims anys del segle XIX, els treballs de Jacobus Henricus Van't Hoff (1852-1911) van tenir una gran influència en est i altres camps de la química. Entre les seves aportacions, es troba la introducció del "mètode diferencial" per a l'estudi de la velocitat de les reaccions químiques i la seva famosa ecuación que permet relacionar la velocitat i la temperatura de la reacció.

El desenvolupament de la mecànica quàntica i la seva aplicació a l'estudi dels fenòmens químics ha estat un dels canvis més notables que s'han produït en la química del segle XX. Entre els científics que més aportacions han realitzat en aquest sentit es troba Linus Pauling, autor de llibres tan significatius com el seu Introduction to Quantum Mechanics, with Applications to Chemistry (1935) o The Nature of the Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals (1939). Entre moltes altres aportacions, Linus Pauling va ser l'introductor del nostre concepte modern d'electronegativitat.

Químics Físics destacats

• Michael Gómez
• Svante Arrhenius
• Peter Debye
• Erich Hückel
• Josiah W. Gibbs
• J.H. van 't Hoff
• Lars Onsager
• Wilhelm Ostwald
• Linus Pauling