الكيمياء الفيزيائية هي دراسة كيفية تصرف المادة على المستوى الجزيئي والذري وكيفية حدوث التفاعلات الكيميائية. بناءً على تحليلاتهم للخصائص الفيزيائية للمواد الكيميائية، يقوم الكيميائيون الفيزيائيون بتطوير نظريات وتقنيات جديدة يمكن تطبيقها لحل المشكلات العملية.
يمكن لجميع المواد أن توجد في ثلاث حالات: الصلبة والسائلة والغازية. يتم تحديد حالة المادة من خلال درجة الحرارة والضغط. المواد الصلبة لها شكل وحجم ثابتان، والسوائل لها حجم ثابت ولكنها تأخذ شكل الوعاء الخاص بها، والغازات تملأ الوعاء بالكامل.
الديناميكا الحرارية هي مفهوم أساسي في الكيمياء الفيزيائية التي تنطوي على دراسة الطاقة وتحولاتها. تصف قوانين الديناميكا الحرارية كيفية انتقال الطاقة داخل العالم المادي.
تدرس الحركية الكيميائية السرعة التي تحدث بها التفاعلات الكيميائية والخطوات التي تتم بها. يمكن وصف معدل التفاعل من خلال قانون المعدل، والذي في أبسط صوره للتفاعل \(A \rightarrow B\) يمكن تمثيله كـ \(rate = k[A]^n\) ، حيث \(k\) هو المعدل الثابت، \([A]\) هو تركيز المادة المتفاعلة A، و \(n\) هو ترتيب التفاعل بالنسبة إلى A.
يحدث التوازن في التفاعلات الكيميائية عندما تكون معدلات التفاعلات الأمامية والعكسية متساوية، مما يؤدي إلى عدم حدوث تغير صاف في تركيز المواد المتفاعلة والمنتجات مع مرور الوقت. يعبر ثابت التوازن ( \(K\) ) عن نسبة تراكيز المنتجات إلى تراكيز المواد المتفاعلة، كل منها مرفوع إلى أس معاملاتها المتكافئة في المعادلة الموزونة.
تؤثر بنية الجزيئات وأنواع الروابط بين الذرات بشكل مباشر على الخواص الفيزيائية للمادة وتفاعلاتها مع المواد الأخرى. النوعان الأساسيان من الروابط الكيميائية هما الروابط الأيونية والتساهمية. تتشكل الروابط الأيونية عندما تنتقل الإلكترونات من ذرة إلى أخرى، بينما تتشكل الروابط التساهمية عندما تتشارك ذرتان الإلكترونات.
الأحماض والقواعد هي مواد تؤدي عند ذوبانها في الماء إلى زيادة تركيز أيونات الهيدروجين ( \(H^+\) ) وأيونات الهيدروكسيد ( \(OH^-\) )، على التوالي. يُستخدم مقياس الأس الهيدروجيني لقياس حموضة أو قاعدية المحلول، حيث تتراوح القيم من 0 (حمضية قوية) إلى 14 (قاعدية قوية)، ويكون الرقم الهيدروجيني 7 متعادلًا.
التحليل الطيفي هو تقنية تحلل كيفية امتصاص المادة للضوء أو انبعاثه أو تشتيته لتحديد تركيبته وبنيته وخصائصه. يتم استخدام أنواع مختلفة من التحليل الطيفي - مثل الأشعة تحت الحمراء (IR)، والأشعة فوق البنفسجية المرئية (UV-Vis)، والتحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) - لإجراء تحليلات مختلفة.
الكيمياء الكهربائية هي دراسة العلاقة بين الكهرباء والتفاعلات الكيميائية. تقوم الخلايا الكهروكيميائية، بما في ذلك البطاريات والخلايا الإلكتروليتية، بتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية والعكس صحيح. المعادلة الأساسية في الكيمياء الكهربائية، معادلة نيرنست، تربط القوة الدافعة الكهربائية للخلية بتركيزات المواد المتفاعلة والمنتجات.
توفر الميكانيكا الإحصائية إطارًا لربط الخصائص المجهرية للذرات والجزيئات الفردية بالخصائص المجهرية للمواد. يساعد هذا الفرع من الكيمياء الفيزيائية في تفسير ظواهر مثل التحولات الطورية والسعة الحرارية وسلوك الغازات.
تجد الكيمياء الفيزيائية تطبيقات في مختلف المجالات والصناعات، بما في ذلك الأدوية، حيث يتم استخدامها لتطوير أدوية جديدة؛ العلوم البيئية، لفهم التلوث والتخفيف منه؛ وعلوم المواد لتصميم مواد ومنتجات تكنولوجيا النانو أفضل. إن فهم المبادئ الأساسية للكيمياء الفيزيائية يساعد العلماء والمهندسين على حل المشكلات المعقدة في هذه المجالات والعديد من المجالات الأخرى.
