כימיה פיזיקלית

כימיה פיזיקלית עוסקת בתכונות הפיזיקליות של החומרים ובשינוי שלהם, כגון: טמפרטורה, מסיסות, ערבוב, חמצון-חיזור ועוד. נכללים בה חקר מקרוסקופי, אטומי ותת-אטומי של תופעות בכימיה, במונחים וחוקים פיזיקליים. היא מיישמת את העקרונות והרעיונות של פיזיקה כגון תנועה, אנרגיה, כח, זמן, תרמודינמיקה, כימיה קוואנטיתֿֿֿ, מכניקה סטטיסטית ועוד.

יש להבדיל בין פיזיקה כימית לכימיה פיזיקלית, כאשר פיזיקה כימית מתרכזת יותר בתאוריות פיזיות ובמאפיינים פיזיים של חומרים שונים בטבע, ואילו כימיה פיזיקלית מתרכזת בלימודי טבע הכימיה בפיזיקה. חרף שמותיהם הדומים של שני התחומים ונושאיהם הדומים לכאורה, קשרם זה לזה מעורפלים, וחוקרים רבים מעדיפים ללמוד אותם כשני מקצועות נפרדים.

עקרונות מפתח

עקרונות המפתח של כימיה פיזיקלית הם הדרכים בהן פיזיקה מיושמת בבעיות כימיות.

אחד מעקרונות המפתח בכימיה קלאסית הוא שכל התרכובות הכימיות יכולות להיות מתוארות כקבוצות של אטומים הקשורים זה לזה, ותגובות כימיות יכולות להיות מתוארות כיצירה ופירוק של הקשרים הללו. צפייה מראש של התנהגותן של תרכובות כימיות על ידי תיאור של אטומים וכיצד הם מתחברים, היא אחת ממטרות-העל של כימיה פיזיקלית. על-מנת לתאר את האטומים והקשרים בדיוק, נחוץ לדעת היכן גרעיני האטום נמצאים, וכיצד אלקטרונים פזורים סביבם.

כימיה קוואנטיתֿ, תת-שדה של כימיה פיזיקלית, עוסק בעיקר בישום מכניקת הקוונטים עבור בעיות בכימיה, ומעניק כלים לקביעת כמה חזקים קשרים כימיים ומהם צורתם, כיצד גרעינים נעים, וכמה אור יכול להבלע או להפלט על ידי תרכובת כימית.

נושא נוסף שמעסיק את הכימיה הפיזיקלית היא אלו סוגים של תגובות יכולים להתרחש באפן ספונטני, ואילו תכונות קיימות עבור תערובת כימית נתונה. נושא זה נלמד בתרמודינמיקהֿ, שקובעת עד כמה יכולה תגובה להתרחש, או כמה אנרגיה יכולה להפוך לעבודה.

אילו תגובות אכן מתרחשות וכמה מהר נוגעות לענף של קינטיקה כימיתֿֿ; עקרון מפתח בענף זה הוא כי על-מנת שמגיבים אכן יגיבו ויהפכו לתוצרים, מרבית החומרים הכימיים חייבים לעבור במצב מעבר, הדורש אנרגיה גבוהה יותר מאשר המגיבים או התוצרים עצמם, ומהווה ״מחסום״ לתגובה. באפן כללי, ככל שהמחסום גבוה יותר, כך התגובה איטית יותר. שאלות מפתח בקינטיקה הן כיצד קצב התגובה מושפע מהטמפרטורה ומהריכוזים של המגיבים והזרזים בתערובת התגובה, כמו גם כיצד ניתן לתכנן את תנאי הזרזים והמגיבים למצב שיביא לקצב התגובה האופטימלי.

היסטוריה

ערך מורחב – היסטוריה של הכימיה

המונח ״כימיה פיזיקלית״ נטבע בשנת 1752 על ידי מיכאיל לומונוסוב, כאשר זה הציג קורס באוניברסיטת פטרסבורג.

כימיה פיזיקלית מודרנית החלה בשנות ה-60 עד ה-80 של המאה ה-19, בעבודות של תרמודינמיקה, אלקטרוליטים בתמיסות, קינטיקה כימית ועוד. התפתחויות בעשורים לאחר-מכן כללו יישום של מכניקה סטטיסטית עבור מערכות בכימיה, ועבודות בתחום הקולואידים, לה תרם רבות אירווינג לאנגמיור. צעד חשוב נוסף היה פיתוח המכניקה הקוונטית משנות ה-30 של המאה הקודמת ואלך. התפתחויות תאורטיות הלכו יד ביד עם התפתחויות בשיטות ניסוי, אליהן נכנסו צורות שונות של ספקטרוסקופיה.

התפתחות נוספת בכימיה פיזיקלית מיוחסת גם לגילויים בכימיה גרעינית, ובמיוחד בהפרדת איזוטופים, גילויים חדשים באסטרוכימיה והתפתחות של אלגוריתמים חישוביים, כגון נקודת רתיחה או נקודה קריטית.

תחומים קשורים

• תרמודינמיקה - עוסקת בשינויי טמפרטורות בתגובה כימית, "אנרגיה החופשית", אנטרופיה (אי סדר של חומר או תגובה ביו חומרים) וכדומה.
• אלקטרוכימיה - עוסקת ביחסי הגומלין בין תרכובות או יסודות של החומרים התורמים או מקבלים אלקטרונים מתרכובות או יסודות אחרים.
• סולבטציה - תהליך בו מולקולות ממס מקיפות מומס. אחד החוקרים המרכזיים שחקר תחום זה היה מקס בורן (Born) שפיתח את משוואת בורן להערכת אנרגיית הסולבטציה.
• מוליכים למחצה - תחום רחב שנכנס גם לפיזיקה וגם לכימיה.
• קינטיקה כימית - חקר קצב תגובה, סדר תגובה, קבועי מהירות וקבועי שיווי משקל בתגובות כימית.
• כימיה קוונטית - ענף בכימיה תאורטית העוסק ביישום מכניקת הקוונטים לבעיות כימיות.
• פיזיקת מצב מוצק - חקר החומרים המוצקים, התכונות הפיזיקליות והכימיות שלהם, המבנה שלהם ושיטות סינתזה.
• כימיה של פני שטח - חקר התהליכים המתרחשים בממשק בין פאזות שונות (כמו מוצק-גז, נוזל-מוצק וכו').
• ספקטרוסקופיה - שיטות גילוי, זיהוי וקביעת מבנה של חומרים במגוון דרכים המבוססות על אינטראקציה בין חומר לקרינה אלקטרומגנטית.
• הנדסת חומרים - תיכּוּן חומרים, טכניקות עיבוד ועוד.

ראו גם

• ג'וסיה וילארד גיבס, נחשב אבי הכימיה הפיזיקלית. במאמריו עסק באנרגיה חופשית של גיבס ופוטנציאל כימי.
• פיטר אטקינס כתב ספר לימוד בכימיה פיזיקלית שעברה כבר 10 מהדורות.