Química Física

La química física (a menudo abreviada en la literatura como química física ) es una rama de la química, la ciencia de las leyes generales de la estructura, estructura y transformación de los productos químicos . Explora los fenómenos químicos utilizando métodos teóricos y experimentales de la física . La rama más extensa de la química.

Historia de la química física

El término "química física" fue utilizado por primera vez por el alquimista alemán Heinrich Khunrath en 1598 [1] ; en los siglos XVII-XVIII. este término fue generalmente aceptado para lo que hoy llamamos " química teórica " ​​[2] .

En la historiografía nacional de la química, se cree que el comienzo de la química física se sitúa a mediados del siglo XVIII . El término "Química física", en la comprensión moderna de la metodología de la ciencia y las cuestiones de la teoría del conocimiento [3] , pertenece a M. V. Lomonosov , quien en 1752 leyó por primera vez el Curso de verdadera química física a estudiantes de la Universidad Académica . En el preámbulo de estas conferencias, da la siguiente definición: "La química física es una ciencia que debe, sobre la base de las disposiciones y experimentos de los científicos físicos, explicar la razón de lo que sucede a través de las operaciones químicas en cuerpos complejos". El científico en los trabajos de su teoría corpuscular-cinética del calor se ocupa de cuestiones que cumplen plenamente con las tareas y métodos anteriores. Esta es precisamente la naturaleza de las acciones experimentales que sirven para confirmar las hipótesis y disposiciones individuales de este concepto. M. V. Lomonosov siguió estos principios en muchas áreas de su investigación: en el desarrollo y la implementación práctica de la "ciencia del vidrio" fundada por él, en varios experimentos dedicados a confirmar la ley de conservación de la materia y la fuerza (movimiento); -en trabajos y experimentos relacionados con el estudio de soluciones- desarrolló un amplio programa de investigación sobre este fenómeno físico y químico, que se encuentra en proceso de desarrollo hasta la actualidad.

A esto le siguió una pausa de más de cien años, y D. I. Mendeleev inició uno de los primeros estudios fisicoquímicos en Rusia a fines de la década de 1850 .

El siguiente curso de química física fue impartido por N. N. Beketov en la Universidad de Kharkov en 1865.

En la segunda mitad del siglo XIX, el estadounidense Gibbs hizo una contribución significativa al desarrollo de la química física .

La primera revista científica dedicada a publicar artículos sobre química física (" Zeitschrift für physikalische Chemie ") fue fundada en 1887 por W. Ostwald y J. van't Hoff .

El primer departamento de química física en Rusia se abrió en 1914 en la Facultad de Física y Matemáticas de la Universidad de San Petersburgo, en el otoño, un estudiante de D.P. Konovalov , M.S. Vrevsky , comenzó a leer el curso obligatorio y las clases prácticas de química física. .

El tema de la química física

La química física es el fundamento teórico principal de la química moderna, utilizando los métodos teóricos de secciones tan importantes de la física como la mecánica cuántica , la física estadística y la termodinámica , la dinámica no lineal , la teoría de campos , etc. Incluye la doctrina de la estructura de la materia, que incluye: la estructura de las moléculas, la termodinámica química , la cinética química y la catálisis . La electroquímica , la fotoquímica , la química física de los fenómenos superficiales (incluida la adsorción ), la química de la radiación , el estudio de la corrosión de los metales , la química física de los compuestos macromoleculares (ver física de los polímeros ), etc. , también se distinguen como secciones separadas en la química física . adyacentes a la química física y, a veces, se consideran sus secciones independientes de química coloidal , análisis físico-químico y química cuántica . La mayoría de las secciones de la química física tienen límites bastante claros en términos de objetos y métodos de investigación, en términos de características metodológicas y el aparato utilizado.

Diferencia entre la química física y la física química

Ambas ciencias se encuentran en el cruce entre la química y la física , a veces la física química se incluye en la química física. No siempre es posible trazar una línea clara entre estas ciencias. Sin embargo, con un grado razonable de precisión, esta diferencia se puede determinar de la siguiente manera:

Secciones de química física

Química coloidal

La química coloidal (del griego antiguo κόλλα - pegamento) es el nombre tradicional de la química física de los sistemas dispersos y los fenómenos superficiales que ocurren en la interfase [5] . Estudia adhesión, adsorción, humectación, coagulación, electroforesis y desarrolla tecnologías de materiales de construcción, perforación de rocas, tecnologías sol-gel. La química coloidal moderna es una ciencia que se encuentra en la intersección de la química, la física y la biología.

Las direcciones principales de la química coloidal moderna:

Química de los cristales

La química de cristales  es la ciencia de las estructuras cristalinas y su conexión con la naturaleza de la materia [6] . Al ser una rama de la química, la química de cristales está estrechamente relacionada con la cristalografía y estudia la disposición espacial y los enlaces químicos de los átomos en los cristales, así como la dependencia de las propiedades físicas y químicas de las sustancias cristalinas en su estructura. Con la ayuda del análisis de difracción de rayos X, la difracción de electrones estructurales y la difracción de neutrones, la química de cristales determina los valores absolutos de las distancias interatómicas y los ángulos entre las líneas de enlace químico (ángulos de valencia). La química de cristales tiene un extenso material sobre las estructuras cristalinas de más de 425 mil compuestos, más de la mitad de los cuales son compuestos inorgánicos.

Las tareas de la química de cristales incluyen:

Radioquímica

La radioquímica trabaja con cantidades ultrapequeñas de sustancias y con soluciones muy diluidas, así como con fuentes de radiación ionizante [7] . La radiactividad de las sustancias estudiadas por radioquímica permite y requiere el uso de métodos específicos de alta sensibilidad para medir sus cantidades microscópicas, métodos de análisis automatizados a distancia.

Termoquímica

La termoquímica  es una rama de la termodinámica química, cuya tarea es:

Los principales métodos experimentales de la termoquímica son:

La doctrina de la estructura del átomo

Átomo (de otro griego ἄτομος - indivisible) - una partícula de materia de tamaño y masa microscópicos, la parte más pequeña de un elemento químico, que es el portador de sus propiedades. Un átomo consiste en un núcleo atómico y electrones. Si el número de protones en el núcleo coincide con el número de electrones, entonces el átomo en su conjunto es eléctricamente neutro. De lo contrario, tiene alguna carga positiva o negativa y se llama ion. En algunos casos, los átomos se entienden únicamente como sistemas eléctricamente neutros en los que la carga del núcleo es igual a la carga total de los electrones, oponiéndolos así a los iones eléctricamente cargados.

El núcleo, que contiene más del 99,9 % de la masa del átomo, está formado por protones con carga positiva y neutrones sin carga, que están unidos por la fuerza fuerte. Los átomos se clasifican según el número de protones y neutrones en el núcleo: el número de protones Z corresponde al número de serie del átomo en el sistema periódico y determina si pertenece a un determinado elemento químico, y el número de neutrones N corresponde a cierto isótopo de este elemento. El número Z también determina la carga eléctrica positiva total (Ze) del núcleo atómico y el número de electrones en un átomo neutro, lo que determina su tamaño. Los átomos de diferentes tipos en diferentes cantidades, conectados por enlaces interatómicos, forman moléculas.

La doctrina de la corrosión de los metales

La corrosión (del latín corrosio - corrosivo) es la destrucción espontánea de metales como resultado de la interacción física y química con el medio ambiente [8] . La causa de la corrosión es la inestabilidad termodinámica de los materiales estructurales ante los efectos de las sustancias en contacto con ellos. En la vida cotidiana, para aleaciones de hierro (aceros), el término "óxido" se usa con mayor frecuencia. Casos menos conocidos de corrosión de polímeros. En relación a ellos, existe el concepto de "envejecimiento", similar al término "corrosión" para los metales. La velocidad de corrosión, como cualquier reacción química, depende en gran medida de la temperatura. Un aumento de la temperatura de 100 grados puede aumentar la tasa de corrosión en varios órdenes de magnitud.

La doctrina de las soluciones

Una solución  es una mezcla homogénea formada por partículas de un soluto, un disolvente y los productos de su interacción. La formación de uno u otro tipo de solución está determinada por la intensidad de la interacción intermolecular, interatómica, interiónica o de otro tipo, es decir, por las mismas fuerzas que determinan la ocurrencia de un determinado estado de agregación. Diferencias: la formación de una solución depende de la naturaleza e intensidad de la interacción de partículas de diferentes sustancias. Las soluciones son gaseosas, líquidas y sólidas.

Cinética química

La cinética química o la cinética de las reacciones químicas es una rama de la química física que estudia los patrones del curso de las reacciones químicas a lo largo del tiempo, la dependencia de estos patrones de las condiciones externas, así como los mecanismos de las transformaciones químicas.

La molecularidad de una reacción elemental es el número de partículas que, según el mecanismo de reacción establecido experimentalmente, participan en un acto elemental de interacción química.

Reacciones monomoleculares  : reacciones en las que se produce una transformación química de una molécula (isomerización, disociación, etc.):

H 2 S → H 2 + S

Reacciones bimoleculares  : reacciones cuyo acto elemental se lleva a cabo mediante la colisión de dos partículas (idénticas o diferentes):

CH 3 Br + KOH → CH 3 OH + KBr

Reacciones trimoleculares  : reacciones cuyo acto elemental se lleva a cabo mediante la colisión de tres partículas:

O 2 + NO + NO → 2NO 2

Se desconocen reacciones con una molecularidad superior a tres.

Para reacciones elementales realizadas a concentraciones cercanas de las sustancias de partida, los valores de molecularidad y orden de la reacción son los mismos. No existe una relación claramente definida entre los conceptos de molecularidad y orden de reacción, ya que el orden de reacción caracteriza la ecuación cinética de la reacción y la molecularidad caracteriza el mecanismo de reacción.

La catálisis  es el proceso de cambiar la velocidad de las reacciones químicas en presencia de sustancias llamadas catalizadores. Las reacciones catalíticas son reacciones que tienen lugar en presencia de catalizadores.

La catálisis se denomina positiva, en la que aumenta la velocidad de reacción , negativa ( inhibición ), en la que disminuye. Un ejemplo de catálisis positiva es la oxidación de amoníaco sobre platino para producir ácido nítrico . Un ejemplo de negativo es una disminución en la velocidad de corrosión cuando se introducen nitrito de sodio, cromato y dicromato de potasio en el líquido en el que se opera el metal.

Muchas de las industrias químicas más importantes, como la producción de ácido sulfúrico, amoníaco , ácido nítrico , caucho sintético , una serie de polímeros , etc., se llevan a cabo en presencia de catalizadores.

Fotoquímica

La fotoquímica  es una parte de la química de alta energía, una sección de la química física que estudia las transformaciones químicas (la química de los estados excitados de las moléculas, las reacciones fotoquímicas) que ocurren bajo la acción de la luz en el rango de la radiación ultravioleta lejana a la infrarroja. Muchos de los procesos más importantes que ocurren en el medio ambiente y en nosotros mismos son de naturaleza fotoquímica. Basta nombrar fenómenos como la fotosíntesis , la visión y la formación de ozono en la atmósfera bajo la acción de la radiación ultravioleta.

leyes de la fotoquimica

Termodinámica química

La termodinámica química  es una rama de la química física que estudia los procesos de interacción de las sustancias mediante los métodos de la termodinámica [9] .

Las principales áreas de la termodinámica química son:

  1. Termodinámica química clásica , el estudio del equilibrio termodinámico en general.
  2. Termoquímica , que estudia los efectos térmicos que acompañan a las reacciones químicas.
  3. Teoría de la solución , que modela las propiedades termodinámicas de una sustancia basándose en ideas sobre la estructura molecular y datos sobre la interacción intermolecular.

La termodinámica química está estrechamente relacionada con ramas de la química como

Análisis fisicoquímicos

El análisis físico y químico  es un conjunto de métodos para analizar sistemas físicos y químicos mediante la construcción y el análisis geométrico de diagramas de estado y diagramas de composición y propiedades . Este método permite detectar la existencia de compuestos (por ejemplo, oro cuproso CuAu), cuya existencia no puede ser confirmada por otros métodos de análisis. Inicialmente, la investigación en el campo del análisis fisicoquímico se centró en estudiar las dependencias de las temperaturas de transición de fase en la composición. Sin embargo, a finales del siglo XIX y XX , N. S. Kurnakov demostró que cualquier propiedad física de un sistema es una función de la composición, y que la conductividad eléctrica , la viscosidad , la tensión superficial , la capacidad calorífica , el índice de refracción , la elasticidad y otras propiedades físicas pueden utilizarse para estudiar el estado de fase [10] .

La teoría del análisis fisicoquímico se basa en los principios de correspondencia y continuidad formulados por N. S. Kurnakov. El principio de continuidad establece que si no se forman nuevas fases en el sistema o las existentes no desaparecen, entonces con un cambio continuo en los parámetros del sistema, las propiedades de las fases individuales y las propiedades del sistema como un todo cambian continuamente . . El principio de correspondencia establece que cada complejo de fases corresponde a una determinada imagen geométrica en el diagrama de composición-propiedad .

La teoría de la reactividad de los compuestos químicos

La teoría de la reactividad de los compuestos químicos (TRSHS) es una disciplina científica que estudia el mecanismo de las reacciones químicas y la mecánica de un acto elemental de transformación química. TRSHS es una rama relativamente joven de la ciencia química que se ha desarrollado activamente en las últimas décadas, que está asociada con el progreso en los campos de la química computacional y cuántica, así como con los métodos de análisis fisicoquímicos.

Métodos experimentales TRSHS:

Química de alta energía

La química de altas energías  es una rama de la química física que describe los procesos químicos y fisicoquímicos que ocurren en una sustancia cuando se expone a agentes de energía no térmica: radiación ionizante, luz, plasma, ultrasonido, choque mecánico y otros [11] .

La química de alta energía (HVE) estudia las reacciones y transformaciones químicas que ocurren en la materia bajo la influencia de la energía no térmica. Los mecanismos y la cinética de tales reacciones y transformaciones se caracterizan por concentraciones sustancialmente fuera de equilibrio de partículas rápidas, excitadas o ionizadas con una energía mayor que la energía de su movimiento térmico y, en algunos casos, por enlaces químicos. Portadores de energía no térmica que actúan sobre la materia: electrones e iones acelerados, neutrones rápidos y lentos, partículas alfa y beta, positrones, muones, piones, átomos y moléculas a velocidades supersónicas, cuantos de radiación electromagnética, así como pulsos eléctricos, magnéticos y campos acústicos.

Los procesos de química de alta energía se distinguen por etapas temporales en físicas, ocurriendo en un tiempo de femtosegundos o menos, durante el cual la energía no térmica se distribuye de manera desigual en el medio y se forma un “punto caliente”, físico-químico, durante en el que se manifiesta el desequilibrio y la falta de homogeneidad en el “punto caliente” y, por último, el químico, en el que las transformaciones de la materia obedecen a las leyes de la química general. Como resultado, dichos iones y estados excitados de átomos y moléculas se forman a temperaturas ambiente que no pueden surgir debido a procesos de equilibrio.

La manifestación externa de CHE es la formación de iones y estados excitados de átomos y moléculas a temperatura ambiente, en los que estas partículas no pueden surgir debido a procesos de equilibrio. NE Ablesimov formuló un principio de relajación para controlar las propiedades de los sistemas físicos y químicos que no están en equilibrio. En el caso de que los tiempos de relajación sean mucho más largos que la duración del impacto físico, es posible controlar la liberación de formas químicas, fases y, en consecuencia, las propiedades de las sustancias (materiales), utilizando información sobre los mecanismos de relajación. en sistemas condensados ​​fuera del equilibrio en la etapa fisicoquímica de los procesos de relajación (incluido el número y durante la operación).

Las secciones principales del HVE

y otros.

Química láser

La química láser  es una rama de la química física que estudia los procesos químicos que se producen bajo la acción de la radiación láser y en los que las propiedades específicas de la radiación láser juegan un papel decisivo, así como los procesos quimioláser ( láseres químicos ) [12] . La monocromaticidad de la radiación láser hace posible excitar selectivamente moléculas de un tipo, mientras que las moléculas de otros tipos permanecen sin excitar. La selectividad de la excitación en este proceso está limitada únicamente por el grado de superposición de bandas en el espectro de absorción de la sustancia. Por lo tanto, al seleccionar la frecuencia de excitación, es posible no solo llevar a cabo la activación selectiva de moléculas, sino también cambiar la profundidad de penetración de la radiación en la zona de reacción.

La posibilidad de focalizar la radiación láser permite introducir energía localmente, en una determinada región del volumen ocupado por la mezcla reaccionante. La influencia del láser en las reacciones químicas puede ser térmica y fotoquímica. Oftalmología láser y microcirugía, en definitiva, la misma química láser, pero con fines médicos.

Química de la radiación

La química de las radiaciones  , una parte de la química de altas energías , una sección de la química física, estudia los procesos químicos provocados por la acción de las radiaciones ionizantes sobre la materia [13] .

La radiación electromagnética ( rayos X , radiación γ, radiación sincrotrón ) y las corrientes de partículas aceleradas ( electrones , protones , neutrones , heliones , iones pesados; fragmentos de fisión de núcleos pesados, etc.) tienen una capacidad ionizante, cuya energía excede el potencial de ionización de átomos o moléculas (en la mayoría de los casos, en el rango de 10-15 eV ).

En el marco de la química de las radiaciones, se consideran algunos procesos químicos que son imposibles utilizando enfoques químicos tradicionales. La radiación ionizante puede reducir en gran medida la temperatura de las reacciones químicas sin el uso de catalizadores e iniciadores.

Historia de la química de la radiación.

La química de la radiación surgió tras el descubrimiento de los rayos X por W. Roentgen en 1895 y la radiactividad por A. Becquerel en 1896, quienes fueron los primeros en observar los efectos de la radiación en placas fotográficas.

Los primeros trabajos sobre química de las radiaciones fueron realizados en 1899-1903 por los esposos M. Curie y P. Curie . En los años siguientes, el mayor número de estudios se dedicó a la radiólisis de agua y soluciones acuosas .

Química nuclear

La química nuclear  , una parte de la química de alta energía , una sección de la química física, estudia las reacciones nucleares y los procesos fisicoquímicos que las acompañan, establece la relación entre las propiedades fisicoquímicas y nucleares de una sustancia [14] . A menudo, la química nuclear significa las áreas de estudio de la radioquímica (a veces como una sección de la misma) y la química de la radiación . Estas son ciencias diferentes, pero la química nuclear es la base teórica para ellas. El término química nuclear, incluso en la actualidad, no es generalmente aceptado debido al hecho de que la transformación de los núcleos atómicos es originalmente un campo de la física nuclear , y la química , por definición, estudia solo las reacciones químicas en las que los núcleos de los átomos permanecen . sin alterar. La química nuclear se originó en la intersección de la radioquímica , la física química y la física nuclear .

Direcciones principales de la química nuclear:

Electroquímica

La electroquímica  es una rama de la ciencia química que considera los sistemas y los límites de las interfases cuando una corriente eléctrica fluye a través de ellos , se estudian los procesos en los conductores , en los electrodos (de metales o semiconductores , incluido el grafito ) y en los conductores iónicos ( electrólitos ). La electroquímica explora los procesos de oxidación y reducción que ocurren en electrodos espacialmente separados, la transferencia de iones y electrones . La transferencia de carga directa de molécula a molécula no se considera en electroquímica.

Tradicionalmente, la electroquímica se divide en teórica y aplicada.

electroquímica teórica electroquímica aplicada

Química del sonido

La química del sonido (sonoquímica) es una rama de la química que estudia la interacción de ondas acústicas potentes y los efectos químicos y fisicoquímicos resultantes [15] . La sonoquímica investiga la cinética y el mecanismo de las reacciones sonoquímicas que ocurren en el volumen de un campo sonoro. El campo de la química del sonido también incluye algunos procesos físicos y químicos en un campo sonoro: sonoluminiscencia , dispersión de una sustancia bajo la acción del sonido, emulsificación y otros procesos químicos coloidales.

La sonoquímica presta la atención principal al estudio de las reacciones químicas que ocurren bajo la acción de vibraciones acústicas: reacciones sonoquímicas . Como regla general, los procesos químicos de sonido se estudian en el rango ultrasónico (desde 20 kHz hasta varios MHz). Las vibraciones sonoras en el rango de los kilohercios y el rango infrasónico se estudian con mucha menos frecuencia. La química del sonido investiga los procesos de cavitación .

Los siguientes métodos se utilizan para estudiar las reacciones químicas del sonido:

Química estructural

La química estructural  es una sección, un campo de la química que estudia la relación entre varias propiedades físicas y físico-químicas de varias sustancias con su estructura química y reactividad. La química estructural considera no solo la estructura geométrica de las moléculas; lo siguiente está sujeto a estudio: las longitudes de los enlaces químicos, los ángulos de enlace, los números de coordinación, las conformaciones y configuraciones de las moléculas; efectos de su influencia mutua, aromaticidad.

La química estructural se basa en los siguientes métodos experimentales para estudiar sustancias:

Teoría de los procesos metalúrgicos

Sección que estudia procesos en unidades metalúrgicas.

Potenciometría

La potenciometría  es un campo interdisciplinario de la química física, que involucra el uso de varios métodos electroquímicos y termodinámicos, métodos de química analítica, ampliamente utilizados en la investigación científica de diversas afiliaciones, en la práctica industrial; incluyendo - ionometría, pH -metría, así como al crear el equipo de medición utilizado en ellos (ver también: ley periódica (potencial de oxidación) , pH , potencial redox , medidor de pH , electrodo de vidrio ).

Véase también

Notas

  1. ↑ Khunrath H. Symbolum Physico-Chymicum. Hamburgo, 1598.
  2. ↑ Solovyov Yu. I. Ensayos sobre la historia de la química física. M: Nauka, 1964. S. 7.
  3. ↑ “Físicoquímica” incluso en la alquimia se denominaba a ciertas representaciones conceptuales de este conglomerado filosófico del arte y la ciencia, pero ese concepto, por supuesto, de ninguna manera puede asociarse con el sistema metodológico que implica la enseñanza de M. V. Lomonosov propuesta para el desarrollo y desarrollado por el
  4. ↑ Física química en el umbral del siglo XXI. Al centenario de N. N. Semyonov . — M .: Nauka, 1996. — 218 p. — ISBN 5-02-001876-7 . Archivado el 18 de septiembre de 2020 en Wayback Machine .
  5. ↑ Zakharchenko V. N. Química coloidal: Proc. para biólogo médico. especialista. universidades.-2ª ed., revisada. y add.-M.: Vyssh.shk., 1989.-238 p.: ill.
  6. ↑ Boky G. B. Química de los cristales. M.: Editorial de la Universidad Estatal de Moscú, 1960. - 357 p.
  7. ↑ Nesmeyanov A. N., Radioquímica, M., 1972.
  8. ↑ Brikker Yu., Menshikov Yu. Corrosión de metales, métodos de protección contra ella . Cine educativo para universidades . Tsentrnauchfilm (1980). Consultado el 18 de marzo de 2013. Archivado desde el original el 7 de octubre de 2014.
  9. ↑ Prigogine I., Defey R. Termodinámica química. Novosibirsk: Nauka, 1966. 510 págs.
  10. ↑ Kurnakov N. S. Introducción al análisis físico y químico / Ed. V. Ya. Anosova y M. A. Klochko. - 4ª ed. agregar. - M. - L .: Editorial de la Academia de Ciencias de la URSS, 1940. - 562 p. Archivado el 4 de marzo de 2016 en Wayback Machine .
  11. ↑ Bugaenko L. T., Kuzmin M. G., Polak L. S. Química de alta energía. Química, 1988. - 368 p.
  12. ↑ Bashkin A. S. Láseres químicos / A. S. Bashkin, V. I. Igoshin, A. N. Oraevsky, V. A. Shcheglov - M .: Nauka, 1982.
  13. ↑ Pikaev A.K. Modern Radiation Chemistry: Basic Provisions: Experimental Technical and Methods. M.: Nauka, 1985. 375 págs.
  14. ↑ G. Choppin, Ya. Rydberg, Química nuclear. Fundamentos de teoría y aplicación, trad. de Inglés, M., 1984;
  15. ↑ Margulis MA Fundamentos de la química del sonido. Reacciones químicas en campos acústicos. - M. : Escuela superior, 1984. - 272 p. - 300 copias.

Literatura


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