Fysikalisk kemi är studiet av hur materia beter sig på molekylär och atomär nivå och hur kemiska reaktioner uppstår. Baserat på sina analyser av fysikaliska egenskaper hos kemiska ämnen utvecklar fysikaliska kemister nya teorier och tekniker som kan tillämpas för att lösa praktiska problem.
All materia kan existera i tre tillstånd: fast, flytande och gas. Ett ämnes tillstånd bestäms av dess temperatur och tryck. Fasta ämnen har en fast form och volym, vätskor har en fast volym men tar formen av sin behållare, och gaser fyller sin behållare helt.
Termodynamik är ett grundläggande begrepp inom fysikalisk kemi som involverar studiet av energi och dess omvandlingar. Termodynamikens lagar beskriver hur energi överförs inom den fysiska världen.
Kemisk kinetik studerar hastigheten med vilken kemiska reaktioner sker och de steg med vilka de fortskrider. Hastigheten för en reaktion kan beskrivas av hastighetslagen, som i sin enklaste form för en reaktion \(A \rightarrow B\) kan representeras som \(rate = k[A]^n\) , där \(k\) är hastighetskonstanten, \([A]\) är koncentrationen av reaktant A, och \(n\) är reaktionsordningen med avseende på A.
Jämvikt uppstår i kemiska reaktioner när hastigheterna för framåt- och bakåtreaktionerna är lika, vilket resulterar i ingen nettoförändring i koncentrationen av reaktanter och produkter över tiden. Jämviktskonstanten ( \(K\) ) uttrycker förhållandet mellan produktkoncentrationer och reaktantkoncentrationer, var och en upphöjd till styrkan av deras stökiometriska koefficienter i den balanserade ekvationen.
Molekylernas struktur och typerna av bindning mellan atomer påverkar direkt ett ämnes fysikaliska egenskaper och dess reaktioner med andra ämnen. De två primära typerna av kemiska bindningar är joniska och kovalenta bindningar. Jonbindningar bildas när elektroner överförs från en atom till en annan, medan kovalenta bindningar bildas när två atomer delar elektroner.
Syror och baser är ämnen som vid upplösning i vatten ökar koncentrationen av vätejoner ( \(H^+\) ) respektive hydroxidjoner ( \(OH^-\) ). pH-skalan används för att mäta surheten eller basiciteten hos en lösning, med värden från 0 (starkt surt) till 14 (starkt basiskt), och ett pH på 7 är neutralt.
Spektroskopi är en teknik som analyserar hur materia absorberar, avger eller sprider ljus för att bestämma dess sammansättning, struktur och egenskaper. Olika typer av spektroskopi - som infraröd (IR), ultraviolett-synlig (UV-Vis) och kärnmagnetisk resonans (NMR) - används för olika analyser.
Elektrokemi är studiet av sambandet mellan elektricitet och kemiska reaktioner. Elektrokemiska celler, inklusive batterier och elektrolytiska celler, omvandlar kemisk energi till elektrisk energi och vice versa. Den grundläggande ekvationen inom elektrokemi, Nernst-ekvationen, relaterar en cells elektromotoriska kraft till koncentrationerna av reaktanter och produkter.
Statistisk mekanik tillhandahåller ett ramverk för att relatera de mikroskopiska egenskaperna hos enskilda atomer och molekyler till de makroskopiska bulkegenskaperna hos material. Denna gren av fysikalisk kemi hjälper till att förklara fenomen som fasövergångar, värmekapacitet och gasernas beteende.
Fysikalisk kemi hittar tillämpningar inom olika områden och industrier, inklusive läkemedel, där den används för att utveckla nya läkemedel; miljövetenskap, för att förstå och mildra föroreningar; och materialvetenskap, för att designa bättre material och nanotekniska produkter. Att förstå de grundläggande principerna för fysikalisk kemi hjälper forskare och ingenjörer att lösa komplexa problem inom dessa och många andra områden.
