Füüsikaline keemia – määratlus ja põhimõisted

Füüsikaline keemia kasutab keemiliste süsteemide uurimiseks füüsikat. See uurib neid makroskoopilisel, aatomilisel, subatomaarsel ja tahkede osakeste tasandil. See uurib selliseid mõisteid nagu liikumine, energia, jõud, aeg, termodünaamika, kvantkeemia, statistiline mehaanika ja dünaamika.

Füüsikaline keemia ei ole sama mis keemiline füüsika. Füüsikaline keemia on enamasti makroskoopiline ehk ülalmolekulaarne teadus. Enamik füüsikalise keemia mõisteid on seotud pigem lahtiste omadustega kui ainult molekulaarse/atomaarse struktuuriga. Nende hulka kuuluvad keemiline tasakaal ja kolloidid.

Mõned seosed, mida füüsikaline keemia püüab lahendada, hõlmavad järgmisi mõjusid:

Põhiterminid ja lähenemised

Füüsikaline keemia ühendab kontseptsioonid ja meetodid nii keemiast kui ka füüsikast, et mõista aine käitumist mitmel skaalal. Peamised lähenemised hõlmavad termodünaamikat (energia ja vabaenergia mõõtmine ning tasakaaluseisundite kirjeldus), reaktsioonikiiruseõpetust ehk kinetikat (kuidas ja kui kiiresti protsessid toimuvad), kvantkeemiat (molekulide elektronstruktuuri ja spektroskoopia aluseks olev teooria) ning statistilist mehaanikat (makroskoopiliste omaduste tuletamine mikroskoopilistest osakestest).

Näitlikud uurimisvaldkonnad ja rakendused

• Termodünaamika ja faasikäitumine — kuidas energia jaguneb süsteemis, millal tekivad eri faasid (tahke, vedel, gaas) ning kuidas toimub faasidevaheline tasakaal.
• Reaktsioonikiirus ja mehhanismid — keemiliste reaktsioonide sammud, aktiveerimisenergiad ja faktorid, mis mõjutavad reaktsioonikiirust (temperatuur, kontsentratsioon, katalüsaatorid).
• Kvantkeemia ja spektroskoopia — molekulide energia- ja elektronseisundite arvutus, infra‑, UV‑vis ja raman‑spektroskoopia interpretatsioon.
• Statistiline mehaanika — makroskoopiliste omaduste (nt soojusmahtuvus, rõhk) ennustamine põhinedes osakeste tõenäosusjaotustel.
• Pindakeemia ja kolloidid — pindade ja piiriüleste kihtide omadused, adsorptsioon, pindpinevus ning kolloidsete süsteemide stabiliseerumine.
• Elektrokeemia — laenguülekanne, redoksprotsessid, patareide ja kütuseelementide tööpõhimõtted.
• Transportnähtused — difusioon, viskoossus, soojus- ja massiülekanne süsteemides.
• Katalüüs — kuidas ained kiirendavad keemilisi reaktsioone ega muutu ise püsivalt protsessis; heterogeensed ja homogeensed katalüsaatorid.
• Polümeeride ja materjalide füüsikaline keemia — suured molekulid, nende termodünaamilised ja mehaanilised omadused ning iseorganiseerumine.
• Arvutusmeetodid ja modelleerimine — molekulidünaamikas, kvantkeemias ja Monte Carlo simulatsioonides põhinevad tööriistad, mis võimaldavad prognoosida ja seletada eksperimentaalset käitumist.

Miks see oluline on?

Füüsikaline keemia loob sillad teooria ja praktiliste rakenduste vahel. See aitab mõista energia teisendusi, optilisi ja elektrilisi omadusi, reaktsioonimehhanisme ning materjalide käitumist erinevates tingimustes. Tulemused on olulised nii tööstusprotsesside (katalüüs, patareid, keemiline tootmine) kui ka akadeemilise teadustöö (molekulaarstruktuuride selgitamine, uute materjalide disain) jaoks.

Kuidas õppida edasi

Alustuseks on kasulik omandada põhiteadmised termodünaamikast, keemilisest kineetikast ja kvantmehaanikast ning harjutada neid eksperimentaalse andmestiku tõlgendamisel. Kasulikud vahendid on laborikatsed, arvutuslikud simulatsioonid ja spektroskoopilised meetodid. Koostöö teiste erialadega — füüsika, materjaliteadus, biokeemia — avab täiendavaid rakendusvõimalusi.

Ajalugu

Terminit "füüsikaline keemia" kasutas esimest korda Mihhail Lomonossov 1752. aastal. Ta esitas Peterburi ülikooli üliõpilastele loengukursuse pealkirjaga "Kursus tõelises füüsikalises keemias" (vene keeles "Курс истинной физической химии").

Kaasaegne füüsikaline keemia arenes 1860-1880ndatel aastatel, mil töötati keemilise termodünaamika, elektrolüütide lahuste, keemilise kineetika ja muude teemade kallal. 1876. aastal kirjutas Josiah Willard Gibbs artikli "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances" (Heterogeensete ainete tasakaalustatus). Selles artiklis tutvustati paljusid füüsikalise keemia peamisi osi, nagu Gibbs'i energia, keemilised potentsiaalid, Gibbs'i faasireegel. Muude oluliste avastuste hulka kuuluvad Heike Kamerlingh Onnesi tööd entalpiate ja makromolekulaarsete protsesside kohta.

Esimene füüsikalist keemiat käsitlev teadusajakiri oli saksa ajakiri Zeitschrift für Physikalische Chemie. Selle asutasid 1887. aastal Wilhelm Ostwald ja Jacobus Henricus van 't Hoff. Need kaks keemikut ja Svante August Arrhenius olid 19. sajandi lõpu ja 20. sajandi alguse füüsikalise keemia juhtivad mehed. Kõik kolm said Nobeli keemiapreemia.

Olulised avastused tehti 20. sajandil. Nende hulka kuuluvad statistilise mehaanika rakendamine keemilistele süsteemidele ning Irving Langmuiri tööd kolloidide ja pinnakeemia alal. 1930. aastatel rakendasid Linus Pauling ja teised kvantmehaanikat kvantkeemia arendamiseks. Keemilised teooriad on kasvanud koos uute eksperimentaalsete avastustega. 20. sajandil hakati kasutama uusi spektroskoopia vorme, sealhulgas infrapunaspektroskoopiat, mikrolainespektroskoopiat, EPR-spektroskoopiat ja NMR-spektroskoopiat.

Füüsikaline keemia paranes ka tänu avastustele tuumakeemia vallas, eriti isotoopide eraldamisel. See toimus umbes ajal enne Teist maailmasõda ja selle ajal. Keemikud avastasid olulisi fakte astrokeemias.

Fragment M. Lomonossovi käsikirjast "Füüsikaline keemia" (1752)

Küsimused ja vastused

K: Mis on füüsikaline keemia?

K: Mille poolest erineb füüsikaline keemia keemilisest füüsikast?

K: Milliseid mõisteid uuritakse füüsikalises keemias?

K: Milliseid seoseid püüab füüsikaline keemia lahendada?

K: Kas füüsikaline keemia keskendub molekulaarsele/atomaarsele struktuurile?

K: Mis liiki teadus on füüsikaline keemia?

Otsing