Química física

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca

La química física o la fisicoquímica[1] és una branca de la química que estudia els conceptes de la química des d'un punt de vista físic.[2]

D'acord amb el 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 física química 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, o la regla de les fases, que anys més tard serien de cabdal interès dins l'estudi d'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, química col·loïdal, química de superfícies i espectroscòpia. La química física forma part fonamental en l'estudi de la ciència de materials.

Taula de continguts

Història[modifica]

Imatge del manuscrit de Mikhaïl Lomonóssov on apareix per primer cop el 1752 el terme "Química física".

La química física no es va constituir com a especialitat independent de la química fins a finals del segle XIX. El terme "química física" va ser encunyat pel científic rus Mikhaïl Lomonóssov, entre el 1752 i el 1756 va escriure i va presentar un cicle de conferències sobre una nova ciència que va titular "Un curs de veritable Química Física" (en rus: “Курс истинной физической химии”) que considerava com una ciència bàsica per a l'estudi de l'estructura de la matèria.[3]

La química física moderna es va originar entre les dècades del 1860 i la del 1880 gràcies als treballs sobre química termodinàmica, electròlits en solució i cinètica química entre d'altres matèries. Una fita clau va ser la publicació el 1876 de l'obra On the Equilibrium of Heterogeneous Substances[4] (Sobre l'equilibri de substàncies heterogènies) de Josiah Willard Gibbs. En aquest treball es va presentar per primer cop diverses de les pedres angulars de la química física, com els conceptes d'energia de Gibbs, de potencial químic o la regla de les fases de Gibbs. Altres fites importants que podem citar són l'encunyació el 1908 del terme entalpia, atribuït al premi Nobel de Física neerlandès Heike Kamerlingh Onnes,[5][6] o el coneixement dels processos macromoleculars.

Les primeres revistes científiques que es van dedicar a la nova disciplina van ser 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) publicada 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 ser 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 un corrent elèctric a través de solucions de sals el que li va permetre de separar i estudiar dos nous metalls: el sodi i el potassi. El seu principal deixeble i el seu successor a 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 les seves dues lleis sobre l'electròlisi. La primera afirma que la quantitat de substància que es diposita en un elèctrode és proporcional a la quantitat de càrrega elèctrica que travessa el circuit. A la 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, amb el qual podien 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 per calor i l'element corresponent. Durant 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 Marcellin 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 de sucre i d'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'equacions diferencials a l'estudi de la cinètica química. Esson va ser l'introductor de conceptes com els de reaccions de "primer ordre", la velocitat de les qual és proporcional a la concentració de només un reactiu, i de reaccions de "segon ordre", a les quals la velocitat és proporcional al producte de dues concentracions. En els darrers anys del segle XIX, els treballs de Jacobus Henricus van 't Hoff (1852-1911), premi Nobel de Química del 1901, van tenir una gran influència en aquest i en d'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 equació que permet relacionar la velocitat i la temperatura d'una 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.

Conceptes clau[modifica]

Els conceptes fonamentals de la química física són les formes en què s'aplica la física pura als problemes químics.

Un dels conceptes clau en la química clàssica és que tots els compostos químics es poden descriure com a grups d'àtoms enllaçats i les reaccions químiques es poden descriure com la connexió i desconnexió d'aquests enllaços. La predicció de les propietats dels compostos químics a partir d'una descripció dels àtoms i com s'enllacen és un dels principals objectius de la química física. Per descriure els àtoms i enllaços amb precisió, cal conèixer tant on són els nuclis dels àtoms són, i com es distribueixen els electrons al voltant d'ells [7]

La química quàntica, un subcamp de la química física, especialment preocupat per l'aplicació de la mecànica quàntica als problemes químics, proporciona eines per determinar com són de forts i quina forma tenen els enllaços,[7] com es mouen els nuclis , i com la llum pot ser absorbida o emesa per un compost químic.[8] L'espectroscòpia és una subdisciplina relacionada de la química física, que es refereix específicament a la interacció de la radiació electromagnètica amb la matèria.

Una altra sèrie de qüestions importants de les quals s'ocupa la química són quins tipus de reaccions poden ocórrer de forma espontània i quines propietats són possibles per a un compost químic determinat. Això s'estudia a la termodinàmica química, que estableix límits a les quantitats com en quina mesura es pot produir una reacció, o quina quantitat d'energia es pot convertir en treball en un motor de combustió i que proporciona enllaços entre propietats com el coeficient d'expansió tèrmica i el canvi de la relació entre entropia amb la pressió d'un gas o líquid.[9]Amb freqüència es pot utilitzar per avaluar si és factible un disseny de reactor o motor, o per comprovar la validesa de les dades experimentals. Fins a cert punt, el quasi-equilibri i la termodinàmica del no equilibri poden descriure canvis irreversibles [10] No obstant això, la termodinàmica clàssica es refereix principalment als sistemes d'equilibri i canvis reversibles i no al que realment passa, o com passa de ràpid, més enllà de l'equilibri.

Quines reaccions es produeixen i com de ràpid passen és el tema de la cinètica química, una altra branca de la química física. Una idea clau en la cinètica química és que per tal que un reactiu reaccioni i formi productes, la majoria de les espècies químiques han de passar per un estat de transició, que són més alts en energia que qualsevol dels reactius o els productes que es fan servir com a barrera per a la reacció. [11] En general, com més gran és la barrera, més lenta serà la reacció. Una segona idea és que la majoria de les reaccions químiques es produeixen com una seqüència de reacció elemental,[12]cadascuna amb el seu estat de transició. Les qüestions clau en la cinètica inclouen en quina la velocitat de reacció depèn de la temperatura i de les concentracions de reactius i catalitzadors en la mescla de reacció, així com en quina forma poden ser dissenyats els catalitzadors i les condicions de reacció per optimitzar la velocitat de reacció.

La velocitat a què es produeixen les reaccions es pot especificar sovint només amb unes poques concentracions i una temperatura, en lloc d'haver de conèixer totes les posicions i velocitats de totes les molècules en una barreja; és un cas especial d'un altre concepte clau en la química física, que és en quina mesura necessita saber un enginyer. Tot el que succeeix en una barreja de milions de milions de milions de partícules sovint poden ser descrit per només unes poques variables com la pressió, la temperatura i la concentració. Les raons exactes d'això es descriuen a la mecànica estadística, ,[13] una especialitat dins de la química física que també és compartida amb la física. La mecànica estadística també proporciona formes de predir les propietats que veiem en la vida quotidiana de les propietats moleculars sense dependre de correlacions empíriques basades en similituds químiques.[10]

Químics físics destacats[modifica]

Revistes[modifica]

Algunes revistes que s'ocupen de la química física inclouen:

Les revistes històriques que cobrien la química i la física inclouen Annales de Chimie et de physique (iniciada el 1789, publicada sota el nom donat aquí 1815-1914).

Enllaços externs[modifica]

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Química física Modifica l'enllaç a Wikidata

Referències[modifica]

  1. ↑ «Físicoquímica». Diccionari de la llengua catalana. Institut d'Estudis Catalans. [Consulta: 4 de febrer del 2012].
  2. ↑ «Física química». Gran Enciclopèdia Catalana. Grup Enciclopèdia Catalana. [Consulta: 4 de febrer del 2012].
  3. ↑ Vucinich, Alexander. «Science in the age of crisis, 1884-1917. Modern Physics and Chemistry». A: Science in Russian Culture: 1861-1917 (en anglès). Stanford University Press, 1970, pàg. 388. ISBN 0804707383 [Consulta: 4 de febrer del 2012]. «In the 1880's Russia already had a long but tenuous tradition in physical chemistry. In 1752-56, Lomonosov wrote and lectured on a new science, which he named “physical chemistry” and identified as the primary science for studying the structure of matter.» 
  4. ↑ Gibbs, Josiah Willard. «On the Equilibrium of Heterogeneous Substances» (en anglès), 1876. [Consulta: 4 de febrer del 2012].
  5. ↑ Helrich, Carl S. Modern thermodynamics with statistical mechanics (en anglès). Springer, 2009, pàg. 64. ISBN 3540854177 [Consulta: 4 de febrer del 2012]. «The Dutch physicist ans discoverer of superconductivity, Heike Kamerlingh Onnes, initially introduces the term enthalpy at the first meeting of the institute of Refrigeration in Paris in 1908. He had derived the name enthalpy from Greek word “enthalpos” (ἔνθαλπος).» 
  6. ↑ Trsic, Milan; Evelyn Jeniffer De Lima Toledo. «Chemical Transformations and Reactions: Velocity and energy Balance». A: A Serious Glance at Chemistry: Basic Notions Explained (en anglès). World Scientific, 2010, pàg. 109. ISBN 1848165307 [Consulta: 4 de febrer del 2012]. «Josiah Willard Gibbs (America, 1839-1903) introduced the “head function at constant pressure” in 1875. Other scientists defined the modern term enthalpy later. The thermodynamic potential (enthalpy) was defined by the Dutch physicist Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) in the early 20th century.» 
  7. ↑ 7,0 7,1 Atkins, Peter and Friedman, Ronald (2005). Molecular Quantum Mechanics, p. 249. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-927498-3.
  8. ↑ Atkins, Peter i Friedman, Ronald (2005). Molecular Quantum Mechanics, p. 342. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-927498-3.
  9. ↑ Landau, L. D. i Lifshitz, E. M. (1980). Statistical Physics, 3rd Ed. p. 52. Elsevier Butterworth Heinemann, New York. ISBN 0-7506-3372-7.
  10. ↑ 10,0 10,1 Hill, Terrell L. (1986). Introduction to Statistical Thermodynamics, p. 1. Dover Publications, New York. ISBN 0-486-65242-4.
  11. ↑ Schmidt, Lanny D. (2005). The Engineering of Chemical Reactions, 2a ed. p. 30. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-516925-5.
  12. ↑ Schmidt, Lanny D. (2005). The Engineering of Chemical Reactions, 2a. ed. p. 25, 32. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-516925-5.
  13. ↑ Chandler, David (1987). Introduction to Modern Statistical Mechanics, p. 54. Oxford University Press, New York. ISBN 978-0-19-504277-1.

Bibliografia[modifica]

  • P.W. Atkins. Physical Chemistry. Oxford University Press, 1978. ISBN 0-7167-3539-3. 
  • R.J. Hunter. Introduction to Modern Colloid Science. Oxford University Press, 1993. ISBN 0-19-855386-2. 
  • M. Díaz Peña, A. Roig Muntaner. Química Física. Alhambra. Madrid, 1984. ISBN 84-205-0569-2. 
  • J. Bertran Rusca, J. Núñez Prim. Química Física. Ariel, Barcelona, 2002. ISBN 84-344-8050-6. 
  • Laidler, K.J.. The World of Physical Chemistry. University Press, Oxford, 1993. 
Vegeu aquesta plantilla
Camps de la química
Gnome-applications-science.svg


Obtingut de «http://ca.wikipedia.org/w/index.php?title=Química_física&oldid=11945407»