Química física

La química física es el estudio de los fenómenos macroscópicos y microscópicos en los sistemas químicos en términos de los principios, prácticas y conceptos de la física, tales como el movimiento , la energía , la fuerza , el tiempo , la termodinámica , la química cuántica , la mecánica estadística , la dinámica analítica y los equilibrios químicos .

La química física, a diferencia de la física química , es predominantemente (aunque no siempre) una ciencia supramolecular, ya que la mayoría de los principios en los que se fundó se relacionan con el conjunto de las sustancias en lugar de con la estructura molecular o atómica por sí sola (por ejemplo, el equilibrio químico y los coloides ).

Algunas de las relaciones que la química física se esfuerza por comprender incluyen los efectos de:

1. Fuerzas intermoleculares que actúan sobre las propiedades físicas de los materiales ( plasticidad , resistencia a la tracción , tensión superficial en líquidos ).
2. Cinética de reacción sobre la velocidad de una reacción .
3. La identidad de los iones y la conductividad eléctrica de los materiales.
4. Ciencia de superficies y electroquímica de membranas celulares . ^{[ 1 ]}
5. La interacción de un cuerpo con otro en términos de cantidades de calor y trabajo se denomina termodinámica .
6. La transferencia de calor entre un sistema químico y su entorno durante un cambio de fase o una reacción química que tiene lugar se denomina termoquímica.
7. Estudio de las propiedades coligativas de varias especies presentes en solución.
8. El número de fases, el número de componentes y el grado de libertad (o varianza) pueden correlacionarse entre sí con la ayuda de la regla de fase .
9. Reacciones de las celdas electroquímicas .
10. Comportamiento de sistemas microscópicos mediante mecánica cuántica y de sistemas macroscópicos mediante termodinámica estadística .
11. Cálculo de la energía del movimiento de electrones en moléculas y complejos metálicos.

Los conceptos clave de la química física son las formas en que la física pura se aplica a los problemas químicos.

Uno de los conceptos clave de la química clásica es que todos los compuestos químicos pueden describirse como grupos de átomos unidos entre sí, y las reacciones químicas pueden describirse como la formación y ruptura de esos enlaces. Predecir las propiedades de los compuestos químicos a partir de la descripción de los átomos y cómo se enlazan es uno de los principales objetivos de la química física. Para describir con precisión los átomos y los enlaces, es necesario conocer tanto la ubicación de los núcleos atómicos como la distribución de los electrones a su alrededor. ^{[ 2 ]}

La química cuántica , un subcampo de la química física que se ocupa especialmente de la aplicación de la mecánica cuántica a problemas químicos, proporciona herramientas para determinar la fuerza y ​​la forma de los enlaces, ^{[ 2 ]} el movimiento de los núcleos y la absorción o emisión de luz por un compuesto químico. ^{[ 3 ]} La espectroscopia es la subdisciplina relacionada de la química física que se ocupa específicamente de la interacción de la radiación electromagnética con la materia.

Otro conjunto de preguntas importantes en química se refiere a qué tipo de reacciones pueden ocurrir espontáneamente y qué propiedades son posibles para una mezcla química dada. Esto se estudia en la termodinámica química , que establece límites a cantidades como hasta dónde puede avanzar una reacción, o cuánta energía se puede convertir en trabajo en un motor de combustión interna , y que proporciona vínculos entre propiedades como el coeficiente de expansión térmica y la tasa de cambio de entropía con la presión para un gas o un líquido . ^{[ 4 ]} Se puede utilizar frecuentemente para evaluar si el diseño de un reactor o motor es factible, o para verificar la validez de los datos experimentales. En cierta medida, la termodinámica de cuasiequilibrio y de no equilibrio puede describir cambios irreversibles. ^{[ 5 ]} Sin embargo, la termodinámica clásica se ocupa principalmente de sistemas en equilibrio y cambios reversibles y no de lo que realmente sucede, o con qué rapidez, fuera del equilibrio.

Qué reacciones ocurren y a qué velocidad es el objeto de estudio de la cinética química , otra rama de la química física. Una idea clave en la cinética química es que, para que los reactivos reaccionen y formen productos , la mayoría de las especies químicas deben pasar por estados de transición que tienen mayor energía que los reactivos o los productos y actúan como barrera para la reacción. ^{[ 6 ]} En general, cuanto mayor es la barrera, más lenta es la reacción. Otra idea es que la mayoría de las reacciones químicas ocurren como una secuencia de reacciones elementales , ^{[ 7 ]} cada una con su propio estado de transición. Las preguntas clave en cinética incluyen cómo la velocidad de reacción depende de la temperatura y de las concentraciones de reactivos y catalizadores en la mezcla de reacción, así como cómo se pueden diseñar los catalizadores y las condiciones de reacción para optimizar la velocidad de reacción.

El hecho de que la velocidad de las reacciones a menudo se pueda especificar con solo unas pocas concentraciones y una temperatura, en lugar de necesitar conocer todas las posiciones y velocidades de cada molécula en una mezcla, es un caso especial de otro concepto clave en la química física: que, en la medida en que un ingeniero necesita saber, todo lo que sucede en una mezcla de un número muy grande (quizás del orden de la constante de Avogadro , 6 × ^10²³ ) de partículas a menudo se puede describir con solo unas pocas variables como la presión, la temperatura y la concentración. Las razones precisas de esto se describen en la mecánica estadística , ^{[ 8 ]} una especialidad dentro de la química física que también se comparte con la física. La mecánica estadística también proporciona formas de predecir las propiedades que observamos en la vida cotidiana a partir de las propiedades moleculares sin depender de correlaciones empíricas basadas en similitudes químicas. ^{[ 5 ]}

El término "química física" fue acuñado por Mikhail Lomonosov en 1752, cuando impartió un curso titulado "Curso de verdadera química física" ( en ruso : Курс истинной физической химии ) a los estudiantes de la Universidad de San Petersburgo . ^{[ 9 ]} En el preámbulo de estas clases, ofrece la siguiente definición: "La química física es la ciencia que debe explicar, mediante experimentos físicos, la razón de lo que ocurre en los cuerpos complejos a través de operaciones químicas".

La química física moderna se originó entre las décadas de 1860 y 1880 con trabajos sobre termodinámica química , electrolitos en disoluciones, cinética química y otros temas. Un hito importante fue la publicación en 1876 por Josiah Willard Gibbs de su artículo « Sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas ». Este artículo introdujo varios de los pilares de la química física, como la energía de Gibbs , los potenciales químicos y la regla de fases de Gibbs . ^{[ 10 ]}

La primera revista científica dedicada específicamente a la química física fue la revista alemana Zeitschrift für Physikalische Chemie , fundada en 1887 por Wilhelm Ostwald y Jacobus Henricus van 't Hoff . Junto con Svante August Arrhenius , ^{[ 11 ]} fueron figuras destacadas en química física a finales del siglo XIX y principios del XX. Los tres recibieron el Premio Nobel de Química entre 1901 y 1909.

Los avances de las décadas siguientes incluyen la aplicación de la mecánica estadística a los sistemas químicos y el trabajo sobre coloides y química de superficies , donde Irving Langmuir realizó numerosas contribuciones. Otro paso importante fue el desarrollo de la mecánica cuántica en la química cuántica a partir de la década de 1930, donde Linus Pauling fue una de las figuras más destacadas. Los avances teóricos han ido de la mano con los avances en los métodos experimentales, donde el uso de diferentes formas de espectroscopia , como la espectroscopia infrarroja , la espectroscopia de microondas , la resonancia paramagnética electrónica y la espectroscopia de resonancia magnética nuclear , es probablemente el desarrollo más importante del siglo XX.

El desarrollo posterior en química física puede atribuirse a los descubrimientos en química nuclear , especialmente en la separación de isótopos (antes y durante la Segunda Guerra Mundial), descubrimientos más recientes en astroquímica , ^{[ 12 ]} así como al desarrollo de algoritmos de cálculo en el campo de las "propiedades fisicoquímicas aditivas" (prácticamente todas las propiedades fisicoquímicas, como el punto de ebullición, el punto crítico, la tensión superficial, la presión de vapor, etc., más de 20 en total, pueden calcularse con precisión a partir de la estructura química sola, incluso si la molécula química permanece sin sintetizar), y aquí radica la importancia práctica de la química física contemporánea.

Véase Método de contribución de grupo , método de Lydersen , método de Joback , teoría de incremento de grupo de Benson , relación cuantitativa estructura-actividad.

Algunas revistas que tratan sobre química física incluyen:

• Zeitschrift für Physikalische Chemie (1887)
• Revista de Química Física A (desde 1896 como Revista de Química Física , renombrada en 1997)
• Química Física Química (desde 1999, anteriormente Faraday Transactions , con una historia que se remonta a 1905)
• Química y física macromolecular (1947)
• Revista Anual de Química Física (1950)
• Física molecular (1957)
• Revista de Química Orgánica Física (1988)
• Revista de Química Física B (1997)
• Química, Física y Química (2000)
• Revista de Química Física C (2007)
• Journal of Physical Chemistry Letters (desde 2010, recopila cartas publicadas previamente en revistas separadas)

Entre las revistas históricas que abarcaban tanto la química como la física se encuentra Annales de chimie et de physique (fundada en 1789 y publicada con el nombre que se menciona aquí desde 1815 hasta 1914).

• Lista de publicaciones importantes en química#Química física
• Lista de problemas sin resolver en química#Problemas de química física
• bioquímica física
• Categoría: Químicos físicos

• El mundo de la química física (Keith J. Laidler, 1993)
• Química física desde Ostwald hasta Pauling (John W. Servos, 1996)
• Química Física: ¿ni peces ni aves? (Joachim Schummer, La autonomía de la química , Würzburg, Königshausen & Neumann, 1998, págs.  135-148)
• Historia de la ciencia de Cambridge: Las ciencias físicas y matemáticas modernas (Mary Jo Nye, 2003)