شیمی فیزیک

شیمی فیزیک مطالع? اصول فیزیکی است که خواص و رفتار سیستمهای شیمیایی را معین می نماید. یک سیستم شیمیایی می تواند از هر دو دیدگاه میکروسکوپی و ماکروسکوپی مورد مطالعه قرار گیرد. دیدگاه میکروسکوپی بر پای? مفهوم مولکولها استوار است. در دیدگاه ماکروسکوپی خواص ماده در مقیاس بزرگ، بدون آنکه مفهوم مولکول به صراحت به کار رود، مطالعه می شود. عبارت فیزیک شیمی به معنی آن جنبه هایی از شیمی فیزیک است که پدیده ها را در سطح مولکولی بررسی می کند.

شیمی فیزیک را می توان به چهار مبحث اصلی تقسیم کرد:

 1- ترمودینامیک

2- شیمی کوانتومی

3- مکانیک آماری

4- سینتیک

ترمودینامیک علم ماکروسکوپی است که ارتباطهای خواص تعادلی یک سیستم و تغییرات آن را در خلال فرایندها مطالعه می کند.

مولکولها، الکترونها و هسته هایی که آنها را ساخته انداز مکانیک کلاسیک پیروی نمی کنند. در عوض، حرکات آنها از قوانین مکانیک کوانتومی معین می شود. کاربرد مکانیک کوانتومی برای ساختار اتمی، پیوند مولکولی و طیف بینی شیمی کوانومی را تشکیل می دهد.

علم ماکروسکوپی ترمودینامیک نتیجه ای از رخدادها در سطح مولکولی(میکروسکوپی) است. سطح مولکولی و ماکروسکوپی توسط شاخه ای از علم به نام مکانیک آماری به یکدیگر مرتبط می شوند. مکانیک آماری بینشی در خصوص اعتبار قوانین ترمودینامیک ایجاد می کند و امکان محاسب? خواص ماکروسکوپی ترمودینامیک را از روی خواص مولکولی میسر می سازد.

سینتیک مطالع? سرعت فرایندها، نظیر واکنشهای شیمیایی، نفوذ، و جریان بار در یک پیل الکتروشیمیایی است. نظری? سرعت فرایندها مشابه نظریات ترمودینامیک، مکانیک کوانتومی و مکانیک آماری توسهع نیافته است. در سینتیک، مباحث ترمودینامیک، شیمی کوانتومی و مکانیک آماری استفاده می شود.

اصول شیمی فیزیک چارچوپی را برای کلی? شاخه های شیمی ارائه می کند.

شیمیدانهای مواد آلی مطالعات سینتیک را به منظور کشف مکانیسم واکنشهای شیمیایی به کار می برند، از محاسبات شیمی کوانتومی برای مطالعه ساختار و پایداری حدواسطهای واکنشها استفاده می کنند. قوائد تقارن حاصل از شیمی ک.انتومی را برای پیش بینی مسیر واکنشها و تشدید مغناطیسی هسته ای(NMR) و ططیف بینی فروسرخ را برای کمک در تعیین ساختار ترکیبات به کار می گیرند. شیمیدانهای مواد معدنی، شیمی کوانتومی و طیف بینی را برای مطالع? پیوند به کار می برند.

متخصصین شیمی تجزیه، طیف طیف بینی را برای تجزیه و تحلیل نمونه ها مورد مطالع? پیوند به کار می دهند. شیمیدانهای زیستی سینتیک را در مطالع? سرعت واکنشهای آنزیمی به کار می گیرند؛ ار ترمودینامیک برای مطالعه تبدیلات انرژی پدیدهای زیستی، اُسمز و تعادل غشا استفاده می کنند و برای تعیین وزنهای مولکولی مولکولهای حیاتی، آن را به کار می برند. همچنین طیف بینی را برای مطالع? فرایندها در سطح مولکولی به کار می گیرند( به عنوان مثال با به کار گیری NMR حرکات درون مولکولی در پروتئینها را مطالعه می کنند) و جهت تعیین ساختار پروتئینها و اسیدهای نوکلئیک از پراش پرتو X استفاده می کنند.

مهندسین شیمی، ترمودینامیک را برای پیش بینی ترکیب تعادلی مخلوط واکنش ها به کار می گیرند، سینتیک را براب محاسب? چگونگی تشکیل سریع فرآوردها و از اصول تعادی فاز در ترمودینامیک برای طراحی روش جداسازی، نظیر تقطیر جزء به جزء استفاده می کنند. شیمیدانهای علوم زمین نمودارهای فاز در ترمودینامیک را جهت فهم فرایندها در زمین به کار می برند.

متخصصین شیمی پلیمر ترمودینامیک، سینتیک و مکانیک آماری را برای مطالع? سینتیک بسپارش اوزان مولکولی بسپارها، جریان محلولهای بسپار و توزیع صورتبندیهای یک مولکول بسپار به کار می گیرند.

واژه «شیمی فیزیک» در سد? 1700 به کار رفته است. به عنوان نمونه، میخائیل لومونوزوف شاعر، فیزیکدان و شیمیدان روسی در سال 1752 درس شیمی فیزیک را ارائه کرد. شناخت گسترد? شیمی فیزیک به عنوان یک مجموع? منسجم در سال 1887 با طرحریزی مجل? Zeitschrift fur Physikalische Chemie  توسط ویلهم استوالد و با همکاری وانت هوف آغاز شد. استوالد تعادل شیمیایی، سینتیک شیمیایی، و محلولها را مورد تحقیق قار داد و اولین کتاب درسی شیمی فیزیک را نوشت. وی سهم مؤثری در ترسیم نقش پیشتازانه گیبس در زمین? ترمودینامیک شیمیایی داشت و اولین کسی بود که اینشتین را نامزد جایزه نوبل ساخت. تعجب آور آنکه استوالد در مقابل نظری? اتمی ماده ایستاد و تا سال 1908 واقعیت اتمها و مولکولها را نپذیرفت. به طور کلی استوالد، وانت هوف و آرنیوس پایه گذاران شیمی فیزیک هستند.

در آن سالها اصولاً تحقیق در زمین? شیمی فیزیک در سطح ماکروسکوپی صورت می گرفت. باکشف قوانین مکانیک کوانتومی در 1925-1926 توجه به انجام تحقیق در سطح مولکولی آغاز شد.(مجله فیزیک شیمی در واکنش به امتناع هیأت تحریریه مجله شیمی فیزیک از چاپ مقالات نظری در سال 1933 منتشر شد). امروزه با بهره گیری از روشهای تجربی که خواص و فرایندها را در سطح مولکولی مطالعه می کنند و با استفاده از کامپیوترهای سریعی که (الف)داده های حاصل از آزمایشات طیف سنجی و کریستالوگرافی تابشX را تجزیه و تحلیل نموده، (ب) خواص مولکولهایی که خیلی بزرگ نیستند را محاسبه کرده، و (ج) شبیه سازی مجموعه ای از صدها مولکول را انجام می دهد توانایی شیمی فیزیک به شدت افزایش یافته است.