La química física es el estudio de los fenómenos macroscópicos y microscópicos en sistemas químicos en términos de los principios, prácticas y conceptos de la física 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 (pero no siempre) una ciencia supramolecular, ya que la mayoría de los principios en los que se fundó se relacionan con la masa y no solo con la estructura molecular o atómica (por ejemplo, la química). equilibrio y coloides ).
Algunas de las relaciones que la química física se esfuerza por resolver incluyen los efectos de:
Los conceptos clave de la química física son las formas en que se aplica la física pura 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 una descripción de los átomos y cómo se unen es uno de los principales objetivos de la química física. Para describir los átomos y los enlaces con precisión, es necesario saber dónde están los núcleos de los átomos y cómo se distribuyen los electrones a su alrededor. [2]
La química cuántica , un subcampo de la química física especialmente preocupado por la aplicación de la mecánica cuántica a problemas químicos, proporciona herramientas para determinar qué tan fuertes y qué forma tienen los enlaces, [2] cómo se mueven los núcleos y cómo una sustancia química puede absorber o emitir luz. compuesto. [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 cuestiones importantes en química se refiere a qué tipo de reacciones pueden ocurrir espontáneamente y qué propiedades son posibles para una mezcla química determinada. Esto se estudia en 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 presión para un gas o un líquido . [4] Con frecuencia se puede utilizar para evaluar si el diseño de un reactor o motor es factible, o para comprobar la validez de los datos experimentales. Hasta cierto punto, la termodinámica de cuasiequilibrio y no equilibrio puede describir cambios irreversibles. [5] Sin embargo, la termodinámica clásica se ocupa principalmente de los sistemas en equilibrio y los cambios reversibles y no de lo que realmente sucede, o con qué rapidez, fuera del equilibrio.
Qué reacciones ocurren y con qué rapidez es tema de la cinética química , otra rama de la química física. Una idea clave en 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 sirven como una barrera para la reacción. [6] En general, cuanto mayor es la barrera, más lenta es la reacción. La segunda 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 rapidez con la que ocurren las reacciones a menudo pueda especificarse con sólo 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 química física, que es que, hasta donde un ingeniero necesita saber, todo lo que sucede en una mezcla de números muy grandes (quizás del orden de la constante de Avogadro , 6 x 10 23 ) de partículas a menudo puede describirse mediante unas pocas variables como la presión, temperatura y 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 vemos en la vida cotidiana a partir de propiedades moleculares sin depender de correlaciones empíricas basadas en similitudes químicas. [5]
El término "química física" fue acuñado por Mikhail Lomonosov en 1752, cuando presentó un curso titulado "Un curso de verdadera química física" ( ruso : Курс истинной физической химии ) ante los estudiantes de la Universidad de San Petersburgo . [9] En el preámbulo de estas conferencias da la definición: "La química física es la ciencia que debe explicar, mediante experimentos físicos, la razón de lo que sucede en los cuerpos complejos mediante operaciones químicas".
La química física moderna se originó entre las décadas de 1860 y 1880 con trabajos sobre termodinámica química , electrolitos en soluciones, cinética química y otros temas. Un hito fue la publicación en 1876 por Josiah Willard Gibbs de su artículo Sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas . Este artículo presentó varias de las piedras angulares de la química física, como la energía de Gibbs , los potenciales químicos y la regla de fase de Gibbs . [10]
La primera revista científica específicamente en el campo de 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] estos fueron las principales figuras de la química física a finales del siglo XIX y principios del XX. Los tres recibieron el Premio Nobel de Química entre 1901 y 1909.
Los desarrollos en las décadas siguientes incluyen la aplicación de la mecánica estadística a sistemas químicos y trabajos sobre coloides y química de superficies , donde Irving Langmuir hizo muchas contribuciones. Otro paso importante fue el desarrollo de la mecánica cuántica en química cuántica a partir de los años 1930, donde Linus Pauling fue uno de los nombres más destacados. 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.
Un mayor desarrollo de la 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 la "aditiva". propiedades fisicoquímicas" (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 únicamente a partir de la estructura química, incluso si la molécula química permanece sin sintetizar), [ cita necesaria ] y aquí radica la importancia práctica de la química física contemporánea.
Ver Método de contribución grupal , Método Lydersen , Método Joback , Teoría del incremento de grupos de Benson , Relación estructura-actividad cuantitativa
Algunas revistas que tratan sobre química física incluyen
Las revistas históricas que cubren tanto la química como la física incluyen Annales de chimie et de physique (iniciada en 1789, publicada con el nombre que se da aquí desde 1815 hasta 1914).
