Chimie physique - Physical chemistry

La chimie physique est l'étude des phénomènes macroscopiques et particulaires dans les systèmes chimiques en termes de principes, pratiques et concepts de physique tels que le mouvement , l' énergie , la force , le temps , la thermodynamique , la chimie quantique , la mécanique statistique , la dynamique analytique et les équilibres chimiques .

La chimie physique, contrairement à la physique chimique , est principalement (mais pas toujours) une science macroscopique ou supramoléculaire, car la majorité des principes sur lesquels elle a été fondée se rapportent à la masse plutôt qu'à la structure moléculaire/atomique seule (par exemple , équilibre chimique et colloïdes ).

Certaines des relations que la chimie physique s'efforce de résoudre comprennent les effets de :

  1. Forces intermoléculaires qui agissent sur les propriétés physiques des matériaux ( plasticité , résistance à la traction , tension superficielle dans les liquides ).
  2. Cinétique de réaction sur la vitesse d'une réaction .
  3. L'identité des ions et la conductivité électrique des matériaux.
  4. Science des surfaces et électrochimie des membranes cellulaires .
  5. Interaction d'un corps avec un autre en termes de quantités de chaleur et de travail appelée thermodynamique .
  6. Transfert de chaleur entre un système chimique et son environnement lors d'un changement de phase ou d' une réaction chimique appelée thermochimie
  7. Etude des propriétés colligatives du nombre d'espèces présentes en solution.
  8. Le nombre de phases, le nombre de composants et le degré de liberté (ou variance) peuvent être corrélés entre eux à l'aide de la règle de phase .
  9. Réactions des cellules électrochimiques .
  10. Comportement des systèmes microscopiques utilisant la mécanique quantique et des systèmes macroscopiques utilisant la thermodynamique statistique .

Concepts clés

Les concepts clés de la chimie physique sont les manières dont la physique pure est appliquée aux problèmes chimiques.

L'un des concepts clés de la chimie classique est que tous les composés chimiques peuvent être décrits comme des groupes d' atomes liés entre eux et que les réactions chimiques peuvent être décrites comme la création et la rupture de ces liaisons. Prédire les propriétés des composés chimiques à partir d'une description des atomes et de la façon dont ils se lient est l'un des principaux objectifs de la chimie physique. Pour décrire précisément les atomes et les liaisons, il est nécessaire de savoir à la fois où se trouvent les noyaux des atomes, et comment se répartissent les électrons autour d'eux.
La chimie quantique , un sous-domaine de la chimie physique particulièrement concerné par l'application de la mécanique quantique aux problèmes chimiques, fournit des outils pour déterminer la force et la forme des liaisons, comment les noyaux se déplacent et comment la lumière peut être absorbée ou émise par un composé chimique. La spectroscopie est la sous-discipline connexe de la chimie physique qui s'intéresse spécifiquement à l'interaction du rayonnement électromagnétique avec la matière.

Un autre ensemble de questions importantes en chimie concerne le type de réactions pouvant se produire spontanément et les propriétés possibles pour un mélange chimique donné. Ceci est étudié en thermodynamique chimique , qui fixe des limites sur des quantités comme jusqu'où une réaction peut se dérouler, ou combien d' énergie peut être convertie en travail dans un moteur à combustion interne , et qui fournit des liens entre des propriétés comme le coefficient de dilatation thermique et le taux de changement d' entropie avec pression pour un gaz ou un liquide . Il peut fréquemment être utilisé pour évaluer si une conception de réacteur ou de moteur est réalisable, ou pour vérifier la validité des données expérimentales. Dans une mesure limitée, la thermodynamique de quasi-équilibre et de non-équilibre peut décrire des changements irréversibles. Cependant, la thermodynamique classique s'intéresse principalement aux systèmes en équilibre et aux changements réversibles et non à ce qui se passe réellement ou à quelle vitesse s'éloigne de l'équilibre.

Quelles réactions se produisent et à quelle vitesse est le sujet de la cinétique chimique , une autre branche de la chimie physique. Une idée clé de la cinétique chimique est que pour que les réactifs réagissent et forment des produits , la plupart des espèces chimiques doivent passer par des états de transition qui sont plus énergétiques que les réactifs ou les produits et servent de barrière à la réaction. En général, plus la barrière est élevée, plus la réaction est lente. Une seconde est que la plupart des réactions chimiques se produisent comme une séquence de réactions élémentaires , chacune avec son propre état de transition. Les questions clés en cinétique comprennent la façon dont la vitesse de réaction dépend de la température et des concentrations de réactifs et de catalyseurs dans le mélange réactionnel, ainsi que la manière dont les catalyseurs et les conditions de réaction peuvent être conçus pour optimiser la vitesse de réaction.

Le fait que la vitesse à laquelle les réactions se produisent peut souvent être spécifiée avec seulement quelques concentrations et une température, au lieu d'avoir besoin de connaître toutes les positions et vitesses de chaque molécule dans un mélange, est un cas particulier d'un autre concept clé de la chimie physique, qui est que dans la mesure où un ingénieur a besoin de savoir, tout ce qui se passe dans un mélange de très grands nombres (peut-être de l'ordre de la constante d'Avogadro , 6 x 10 23 ) de particules peut souvent être décrit par quelques variables comme la pression, température et concentration. Les raisons précises en sont décrites en mécanique statistique , une spécialité de la chimie physique qui est également partagée avec la physique. La mécanique statistique fournit également des moyens de prédire les propriétés que nous voyons dans la vie quotidienne à partir des propriétés moléculaires sans s'appuyer sur des corrélations empiriques basées sur des similitudes chimiques.

Histoire

Fragment du manuscrit de M. Lomonosov 'Physical Chemistry' (1752)

Le terme « chimie physique » a été inventé par Mikhail Lomonosov en 1752, lorsqu'il a présenté un cours magistral intitulé « Un cours de chimie physique véritable » (en russe : « Курс истинной физической химии ») devant les étudiants de l' Université de Saint - Pétersbourg . Dans le préambule de ces conférences, il en donne la définition : « La chimie physique est la science qui doit expliquer sous des dispositions d'expériences physiques la raison de ce qui se passe dans les corps complexes par des opérations chimiques ».

La chimie physique moderne est née dans les années 1860 à 1880 avec des travaux sur la thermodynamique chimique , les électrolytes en solution, la cinétique chimique et d'autres sujets. Une étape importante a été la publication en 1876 par Josiah Willard Gibbs de son article, On the Equilibrium of Heterogeneous Substances . Cet article a présenté plusieurs des pierres angulaires de la chimie physique, telles que l' énergie de Gibbs , les potentiels chimiques et la règle de phase de Gibbs .

La première revue scientifique spécifiquement dans le domaine de la chimie physique était la revue allemande Zeitschrift für Physikalische Chemie , fondée en 1887 par Wilhelm Ostwald et Jacobus Henricus van 't Hoff . Avec Svante August Arrhenius , ils étaient les figures de proue de la chimie physique à la fin du XIXe siècle et au début du XXe siècle. Tous trois ont reçu le prix Nobel de chimie entre 1901 et 1909.

Les développements au cours des décennies suivantes incluent l'application de la mécanique statistique aux systèmes chimiques et des travaux sur les colloïdes et la chimie de surface , où Irving Langmuir a apporté de nombreuses contributions. Une autre étape importante a été le développement de la mécanique quantique en chimie quantique des années 1930, où Linus Pauling a été l' un des plus grands noms. Les développements théoriques sont allés de pair avec le développement des méthodes expérimentales, où l'utilisation de différentes formes de spectroscopie , telles que la spectroscopie infrarouge , la spectroscopie micro - ondes , la résonance paramagnétique électronique et la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire , est probablement le développement le plus important du 20e siècle.

Le développement ultérieur de la chimie physique peut être attribué aux découvertes en chimie nucléaire , en particulier dans la séparation des isotopes (avant et pendant la Seconde Guerre mondiale), les découvertes plus récentes en astrochimie , ainsi que le développement d'algorithmes de calcul dans le domaine des « propriétés physico-chimiques additives » (pratiquement toutes les propriétés physico-chimiques, telles que le point d'ébullition, le point critique, la tension superficielle, la pression de vapeur, etc. - plus de 20 en tout - peuvent être calculées avec précision à partir de la structure chimique seule, même si la molécule chimique reste non synthétisée), et se trouve ici l'importance pratique de la chimie physique contemporaine.

Voir méthode de contribution du Groupe , méthode Lydersen , méthode Jöback , la théorie de l' augmentation du groupe Benson , relation structure-activité quantitative

Journaux

Certaines revues qui traitent de la chimie physique comprennent Zeitschrift für Physikalische Chemie (1887); Journal of Physical Chemistry A (depuis 1896 sous le nom de Journal of Physical Chemistry , renommé en 1997); Chimie Physique Physique Chimique (à partir de 1999, anciennement Faraday Transactions avec une histoire remontant à 1905) ; Chimie et physique macromoléculaires (1947); Revue annuelle de chimie physique (1950); Physique moléculaire (1957); Journal de chimie organique physique (1988); Journal de chimie physique B (1997); ChemPhysChem (2000); Journal de chimie physique C (2007); et Journal of Physical Chemistry Letters (à partir de 2010, lettres combinées précédemment publiées dans des revues distinctes)

Les revues historiques qui couvraient à la fois la chimie et la physique comprennent les Annales de chimie et de physique (commencées en 1789, publiées sous le nom donné ici de 1815 à 1914).

Branches et sujets connexes

Voir également

Les références

Liens externes