Fyzikální chemie

Fyzikální chemie je interdisciplinární obor chemie. Využívá poznatků a metod chemie, fyziky, elektrochemie a kvantové mechaniky pro zkoumání makroskopických vlastností látek na molekulární úrovni.

Fyzikální chemie popisuje makroskopické a částicové jevy v chemických systémech z hlediska principů, postupů a pojmů fyziky, jako je pohyb, energie, síla, čas, termodynamika, kvantová chemie, statistická mechanika, analytická dynamika a chemická rovnováha. Aplikuje fyzikální metody na objekty chemie, například změny teploty nebo tlaku v systému dává do vztahu s interakcemi mezi atomy a molekulami.

Fyzikální chemici se snaží popsat vlastnosti látek a jejich transformaci pomocí teoretických a experimentálních metod s cílem stanovit obecně platné matematické vzorce s jasně definovanými jednotkami a přesnými číselnými hodnotami pro všechny relevantní procesy. Fyzikální chemie tak poskytuje teoretické základy pro technickou chemii a procesní inženýrství.

Fyzikální chemie je na rozdíl od chemické fyziky převážně makroskopickou vědou, protože většina jejich principů se týká hromadné struktury látek. Například chemické rovnováhy nebo koloidů.

Historie fyzikální chemie

Lomonosovova učebnice fyzikální chemie

Termín fyzikální chemie zavedl Michail Vasiljevič Lomonosov v roce 1752, kdy před studenty Petrohradské univerzity prezentoval přednáškový kurz s názvem Kurz skutečné fyzikální chemie (rusky Курс истинной изической химии). V úvodu těchto přednášek uvedl definici fyzikální chemie:

Fyzikální chemie je věda, která musí podle ustanovení fyzikálních experimentů vysvětlit důvod toho, co se děje ve složitých tělech prostřednictvím chemických operací.

Moderní fyzikální chemie vznikala v 60. až 80. letech 19. století. Jedním z milníků bylo vydání práce O rovnováze heterogenních látek od Josiahema Willardema Gibbse v roce 1876 . Představil zde několik základních kamenů fyzikální chemie, jako je Gibbsova energie, Gibbsův zákon fází a chemické potenciály. Je proto považován za zakladatele fyzikální chemie v anglosaském světě.

Prvním vědeckým časopisem v oblasti fyzikální chemie byl německý časopis Zeitschrift für Physikalische Chemie, založený v roce 1887 Wilhelmem Ostwaldem a Jacobusem Henricusem van 't Hoffem. Společně se Svante Augustem Arrheniem byli tito dva chemici na konci 19. století a na počátku 20. století vůdčími postavami fyzikální chemie. Všichni tři získali v letech 1901–1909 Nobelovu cenu za chemii.

V roce 1890 představili Svante Arrhenius, Jacobus Henricus van 't Hoff, Wilhelm Ostwald a Walther Nernst poprvé fyzikální chemii jako nezávislý předmět na univerzitách.

Vývoj fyzikální chemie v následujících desetiletích ovlivnil Irving Langmuir, který se zabýval aplikací statistické mechaniky na chemické systémy, studiem koloidů a povrchovou chemií.

Ve 30. letech 20. století byl pro fyzikální chemii nejdůležitější objev kvantové mechaniky a její aplikace do kvantové chemie. Teoretický vývoj byl umožněn mnoha novými experimentálními metodami jako je infračervená spektroskopie, mikrovlnná spektroskopie, spektroskopie nukleární magnetické rezonance a elektromagnetická paramagnetická rezonance.

Další vývoj fyzikální chemie byl ovlivněn objevy v jaderné chemii a astrochemii. Také vývoj výpočetních algoritmů v oblasti aditivních fyzikálně-chemických vlastností přinesl mnoho nových možností. Prakticky všechny fyzikálně-chemické vlastnosti, jako je bod varu, kritický bod, povrchové napětí, tlak par a další vlastnosti, lze přesně vypočítat pouze se znalostí chemické struktury látek.

Nobelova cena pro českého chemika

Nositel Nobelovy ceny Jaroslav Heyrovský

Polarografii objevil a propracoval v roce 1922 český chemik Jaroslav Heyrovský jako zcela novou metodu kvalitativní a kvantitativní analýzy. V roce 1959 za ni dostal Nobelovu cenu za chemii.

Polarografie využívá principy a postupy z oblasti fyziky a je na rozhraní fyzikální a analytické chemie Patří mezi elektrochemické analytické metody pro kvalitativní a kvantitativní analýzu chemických prvků a sloučenin, zejména iontů v roztoku. Zatímco voltametrie používá stacionární elektrody, polarografie používá rtuťové kapající elektrody. Elektrický proud potřebný k vylučování prvků z roztoku se při zvyšování napětí také zvyšuje a vytváří typickou schodovitou křivku - polarogram. Podle této křivky dostala tato metoda název polarografie.

Oblasti fyzikální chemie

Nejdůležitějšími oblastmi fyzikální chemie jsou:

Studium struktury látek
Chemická kinetika – reakční rychlost
Chemická termodynamika - endotermické a exotermické reakce
Rovnováha chemických reakcí
Elektrochemie - polarografie
Fotochemie
Kvantová chemie
Spektroskopické vlastnosti látek
Chemie povrchů a tenkých vrstev
Fyzikální chemie makromolekul
Fyzikální chemie koloidů a biopolymerů
Biofyzikální chemie
Počítačové simulace ve fyzice mnoha částic
Numerické metody ve fyzikální chemii

Reference

V tomto článku byly použity překlady textů z článků Physical chemistry na anglické Wikipedii a Physikalische Chemie na německé Wikipedii.

Externí odkazy

Obrázky, zvuky či videa k tématu fyzikální chemie na Wikimedia Commons