Chemia fizyczna to nauka o zachowaniu się materii na poziomie molekularnym i atomowym oraz o tym, jak zachodzą reakcje chemiczne. Na podstawie analiz właściwości fizycznych substancji chemicznych fizycy chemicy opracowują nowe teorie i techniki, które można zastosować do rozwiązywania problemów praktycznych.
Cała materia może występować w trzech stanach: stałym, ciekłym i gazowym. Stan substancji zależy od jej temperatury i ciśnienia. Ciała stałe mają ustalony kształt i objętość, ciecze mają stałą objętość, ale przyjmują kształt pojemnika, a gazy całkowicie wypełniają pojemnik.
Termodynamika to podstawowe pojęcie w chemii fizycznej, które obejmuje badanie energii i jej przemian. Prawa termodynamiki opisują sposób przenoszenia energii w świecie fizycznym.
Kinetyka chemiczna bada szybkość, z jaką zachodzą reakcje chemiczne i etapy ich przebiegu. Szybkość reakcji można opisać za pomocą prawa szybkości, które w najprostszej postaci reakcji \(A \rightarrow B\) można przedstawić jako \(rate = k[A]^n\) , gdzie \(k\) to stała szybkości, \([A]\) to stężenie reagenta A, a \(n\) to rząd reakcji względem A.
Równowaga występuje w reakcjach chemicznych, gdy szybkości reakcji do przodu i do tyłu są równe, co nie skutkuje żadną zmianą netto w stężeniu reagentów i produktów w czasie. Stała równowagi ( \(K\) ) wyraża stosunek stężeń produktów do stężeń reagentów, każde podniesione do potęgi ich współczynników stechiometrycznych w zrównoważonym równaniu.
Struktura cząsteczek i rodzaje wiązań między atomami bezpośrednio wpływają na właściwości fizyczne substancji i jej reakcje z innymi substancjami. Dwa podstawowe typy wiązań chemicznych to wiązania jonowe i kowalencyjne. Wiązania jonowe powstają, gdy elektrony są przenoszone z jednego atomu na drugi, natomiast wiązania kowalencyjne powstają, gdy dwa atomy dzielą elektrony.
Kwasy i zasady to substancje, które po rozpuszczeniu w wodzie zwiększają stężenie odpowiednio jonów wodorowych ( \(H^+\) ) i jonów wodorotlenkowych ( \(OH^-\) ). Skala pH służy do pomiaru kwasowości lub zasadowości roztworu, przy wartościach od 0 (silnie kwaśny) do 14 (silnie zasadowy), a pH 7 oznacza obojętność.
Spektroskopia to technika analizująca sposób, w jaki materia pochłania, emituje lub rozprasza światło, w celu określenia jej składu, struktury i właściwości. Do różnych analiz wykorzystuje się różne rodzaje spektroskopii, takie jak spektroskopia w podczerwieni (IR), spektroskopia w świetle ultrafioletowym (UV-Vis) i jądrowy rezonans magnetyczny (NMR).
Elektrochemia to nauka zajmująca się badaniem związku między elektrycznością a reakcjami chemicznymi. Ogniwa elektrochemiczne, w tym baterie i ogniwa elektrolityczne, przekształcają energię chemiczną w energię elektryczną i odwrotnie. Podstawowe równanie elektrochemii, równanie Nernsta, wiąże siłę elektromotoryczną ogniwa ze stężeniami reagentów i produktów.
Mechanika statystyczna zapewnia ramy umożliwiające powiązanie mikroskopijnych właściwości poszczególnych atomów i cząsteczek z makroskopowymi właściwościami masowymi materiałów. Ta gałąź chemii fizycznej pomaga wyjaśnić zjawiska, takie jak przejścia fazowe, pojemność cieplna i zachowanie gazów.
Chemia fizyczna znajduje zastosowanie w różnych dziedzinach i gałęziach przemysłu, m.in. w farmacji, gdzie wykorzystuje się ją do opracowywania nowych leków; nauki o środowisku, aby zrozumieć i złagodzić zanieczyszczenie; i materiałoznawstwa, aby projektować lepsze materiały i produkty nanotechnologiczne. Zrozumienie podstawowych zasad chemii fizycznej pomaga naukowcom i inżynierom rozwiązywać złożone problemy w tych i wielu innych dziedzinach.
