شیمی فیزیک مطالعه چگونگی رفتار ماده در سطح مولکولی و اتمی و چگونگی انجام واکنش های شیمیایی است. شیمی دانان فیزیک بر اساس تجزیه و تحلیل خود از خواص فیزیکی مواد شیمیایی، نظریه ها و تکنیک های جدیدی را توسعه می دهند که می تواند برای حل مسائل عملی به کار رود.
همه مواد می توانند در سه حالت جامد، مایع و گاز وجود داشته باشند. وضعیت یک ماده با دما و فشار آن تعیین می شود. جامدات شکل و حجم ثابتی دارند، مایعات حجم ثابتی دارند اما شکل ظرف خود را می گیرند و گازها ظرف آنها را کاملا پر می کنند.
ترمودینامیک یک مفهوم اساسی در شیمی فیزیک است که شامل مطالعه انرژی و تبدیلات آن می شود. قوانین ترمودینامیک چگونگی انتقال انرژی در دنیای فیزیکی را توصیف می کند.
سینتیک شیمیایی سرعت رخ دادن واکنش‌های شیمیایی و مراحلی که طی آن انجام می‌شود را مطالعه می‌کند. سرعت یک واکنش را می توان با قانون سرعت توصیف کرد، که در ساده ترین شکل آن برای یک واکنش \(A \rightarrow B\) می تواند به صورت \(rate = k[A]^n\) نمایش داده شود که در آن \(k\) ثابت سرعت، \([A]\) غلظت واکنش دهنده A و \(n\) ترتیب واکنش نسبت به A است.
تعادل در واکنش‌های شیمیایی زمانی اتفاق می‌افتد که سرعت واکنش‌های رو به جلو و معکوس برابر باشد و در نتیجه تغییر خالصی در غلظت واکنش‌دهنده‌ها و محصولات در طول زمان ایجاد نمی‌شود. ثابت تعادل ( \(K\) ) نسبت غلظت محصول به غلظت واکنش دهنده را بیان می کند که هر کدام به توان ضرایب استوکیومتری خود در معادله متعادل افزایش می یابد.
ساختار مولکول ها و انواع پیوند بین اتم ها به طور مستقیم بر خواص فیزیکی یک ماده و واکنش های آن با سایر مواد تأثیر می گذارد. دو نوع اصلی پیوندهای شیمیایی پیوندهای یونی و کووالانسی هستند. پیوندهای یونی زمانی تشکیل می شوند که الکترون ها از یک اتم به اتم دیگر منتقل می شوند، در حالی که پیوندهای کووالانسی زمانی تشکیل می شوند که دو اتم الکترون های مشترک را به اشتراک بگذارند.
اسیدها و بازها موادی هستند که با حل شدن در آب به ترتیب غلظت یون های هیدروژن ( \(H^+\) ) و یون های هیدروکسید ( \(OH^-\) ) را افزایش می دهند. مقیاس pH برای اندازه‌گیری اسیدیته یا بازی یک محلول استفاده می‌شود، با مقادیری از 0 (به شدت اسیدی) تا 14 (به شدت بازی)، و pH 7 خنثی است.
طیف سنجی تکنیکی است که تجزیه و تحلیل می کند که ماده چگونه نور را جذب، ساطع یا پراکنده می کند تا ترکیب، ساختار و خواص آن را تعیین کند. انواع مختلف طیف سنجی - مانند طیف سنجی مادون قرمز (IR)، طیف سنجی ماوراء بنفش مرئی (UV-Vis) و رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR) - برای آنالیزهای مختلف استفاده می شود.
الکتروشیمی مطالعه رابطه بین الکتریسیته و واکنش های شیمیایی است. سلول های الکتروشیمیایی شامل باتری ها و سلول های الکترولیتی انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند و بالعکس. معادله اساسی در الکتروشیمی، معادله نرنست، نیروی الکتروموتور یک سلول را به غلظت واکنش دهنده ها و محصولات مرتبط می کند.
مکانیک آماری چارچوبی را برای ارتباط خواص میکروسکوپی تک تک اتم‌ها و مولکول‌ها با خواص توده‌ای ماکروسکوپی مواد فراهم می‌کند. این شاخه از شیمی فیزیک به توضیح پدیده هایی مانند انتقال فاز، ظرفیت گرمایی و رفتار گازها کمک می کند.
شیمی فیزیک در زمینه ها و صنایع مختلف، از جمله داروسازی، که در آن برای تولید داروهای جدید استفاده می شود، کاربرد دارد. علم محیط زیست، برای درک و کاهش آلودگی؛ و علم مواد، برای طراحی بهتر مواد و محصولات نانوتکنولوژی. درک اصول اساسی شیمی فیزیک به دانشمندان و مهندسان کمک می کند تا مسائل پیچیده ای را در این زمینه ها و بسیاری از زمینه های دیگر حل کنند.
