Fizikalna kemija proučava kako se materija ponaša na molekularnoj i atomskoj razini i kako se odvijaju kemijske reakcije. Na temelju svojih analiza fizikalnih svojstava kemijskih tvari, fizikalni kemičari razvijaju nove teorije i tehnike koje se mogu primijeniti za rješavanje praktičnih problema.
Sva materija može postojati u tri stanja: krutom, tekućem i plinovitom. Agregatno stanje tvari određeno je njezinom temperaturom i tlakom. Čvrste tvari imaju fiksni oblik i volumen, tekućine imaju fiksni volumen, ali poprimaju oblik svoje posude, a plinovi potpuno ispunjavaju svoju posudu.
Termodinamika je temeljni koncept fizičke kemije koji uključuje proučavanje energije i njezinih transformacija. Zakoni termodinamike opisuju kako se energija prenosi unutar fizičkog svijeta.
Kemijska kinetika proučava brzinu kojom se odvijaju kemijske reakcije i korake u kojima se odvijaju. Brzina reakcije može se opisati zakonom brzine, koji se u svom najjednostavnijem obliku za reakciju \(A \rightarrow B\) može predstaviti kao \(rate = k[A]^n\) , gdje \(k\) je konstanta brzine, \([A]\) je koncentracija reaktanta A, a \(n\) je red reakcije s obzirom na A.
Ravnoteža se javlja u kemijskim reakcijama kada su brzine prednje i obrnute reakcije jednake, što rezultira bez neto promjene u koncentraciji reaktanata i proizvoda tijekom vremena. Konstanta ravnoteže ( \(K\) ) izražava omjer koncentracija proizvoda i koncentracija reaktanata, svaki podignut na potenciju svojih stehiometrijskih koeficijenata u uravnoteženoj jednadžbi.
Struktura molekula i vrste veza između atoma izravno utječu na fizikalna svojstva tvari i njezine reakcije s drugim tvarima. Dvije primarne vrste kemijskih veza su ionske i kovalentne veze. Ionske veze nastaju kada se elektroni prenose s jednog atoma na drugi, dok kovalentne veze nastaju kada dva atoma dijele elektrone.
Kiseline i baze su tvari koje, kada su otopljene u vodi, povećavaju koncentraciju vodikovih iona ( \(H^+\) ) odnosno hidroksidnih iona ( \(OH^-\) ). pH ljestvica koristi se za mjerenje kiselosti ili bazičnosti otopine, s vrijednostima u rasponu od 0 (jako kiselo) do 14 (jako bazično), a pH 7 je neutralan.
Spektroskopija je tehnika koja analizira kako materija apsorbira, emitira ili raspršuje svjetlost da bi se odredio njezin sastav, struktura i svojstva. Različite vrste spektroskopije—kao što su infracrvena (IR), ultraljubičasto-vidljiva (UV-Vis) i nuklearna magnetska rezonancija (NMR) spektroskopija—koriste se za različite analize.
Elektrokemija je proučavanje odnosa između elektriciteta i kemijskih reakcija. Elektrokemijske ćelije, uključujući baterije i elektrolitičke ćelije, pretvaraju kemijsku energiju u električnu i obrnuto. Temeljna jednadžba u elektrokemiji, Nernstova jednadžba, povezuje elektromotornu silu ćelije s koncentracijama reaktanata i produkata.
Statistička mehanika pruža okvir za povezivanje mikroskopskih svojstava pojedinačnih atoma i molekula s makroskopskim svojstvima mase materijala. Ova grana fizičke kemije pomaže objasniti fenomene kao što su fazni prijelazi, toplinski kapacitet i ponašanje plinova.
Fizikalna kemija nalazi primjenu u raznim područjima i industrijama, uključujući farmaceutsku, gdje se koristi za razvoj novih lijekova; znanost o okolišu, za razumijevanje i ublažavanje zagađenja; i znanosti o materijalima, za dizajniranje boljih materijala i nanotehnoloških proizvoda. Razumijevanje temeljnih principa fizičke kemije pomaže znanstvenicima i inženjerima u rješavanju složenih problema u ovim i mnogim drugim područjima.
