เคมีเชิงฟิสิกส์คือการศึกษาว่าสสารมีพฤติกรรมอย่างไรในระดับโมเลกุลและอะตอม และปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นได้อย่างไร จากการวิเคราะห์คุณสมบัติทางกายภาพของสารเคมี นักเคมีกายภาพได้พัฒนาทฤษฎีและเทคนิคใหม่ๆ ที่สามารถนำไปใช้ในการแก้ปัญหาในทางปฏิบัติได้
สสารทั้งหมดสามารถดำรงอยู่ในสามสถานะ: ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ สถานะของสารถูกกำหนดโดยอุณหภูมิและความดัน ของแข็งมีรูปร่างและปริมาตรคงที่ ของเหลวมีปริมาตรคงที่แต่มีรูปร่างเหมือนภาชนะ และก๊าซจะเต็มภาชนะจนเต็ม
อุณหพลศาสตร์เป็นแนวคิดพื้นฐานในเคมีฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับการศึกษาพลังงานและการเปลี่ยนแปลงของพลังงาน กฎของอุณหพลศาสตร์อธิบายว่าพลังงานถูกถ่ายโอนภายในโลกทางกายภาพอย่างไร
จลนพลศาสตร์เคมีศึกษาความเร็วของปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นและขั้นตอนที่ปฏิกิริยาเกิดขึ้น อัตราของปฏิกิริยาสามารถอธิบายได้ด้วยกฎอัตรา ซึ่งในรูปแบบที่ง่ายที่สุดสำหรับปฏิกิริยา \(A \rightarrow B\) สามารถแสดงเป็น \(rate = k[A]^n\) โดยที่ \(k\) คืออัตราคงที่ \([A]\) คือความเข้มข้นของสารตั้งต้น A และ \(n\) คือลำดับของปฏิกิริยาเทียบกับ A
ความสมดุลเกิดขึ้นในปฏิกิริยาเคมีเมื่ออัตราของปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับเท่ากัน ส่งผลให้ความเข้มข้นของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป ค่าคงที่สมดุล ( \(K\) ) แสดงอัตราส่วนของความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ต่อความเข้มข้นของสารตั้งต้น โดยแต่ละค่าจะเพิ่มขึ้นตามกำลังของสัมประสิทธิ์ปริมาณสัมพันธ์ในสมการที่สมดุล
โครงสร้างของโมเลกุลและประเภทของพันธะระหว่างอะตอมส่งผลโดยตรงต่อคุณสมบัติทางกายภาพของสารและปฏิกิริยาของสารกับสารอื่นๆ พันธะเคมีสองประเภทหลักคือพันธะไอออนิกและโควาเลนต์ พันธะไอออนิกเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนถูกถ่ายโอนจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอมหนึ่ง ในขณะที่พันธะโควาเลนต์เกิดขึ้นเมื่ออะตอมสองอะตอมใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน
กรดและเบสเป็นสารที่เมื่อละลายในน้ำ ความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออน ( \(H^+\) ) และไฮดรอกไซด์ไอออน ( \(OH^-\) ) จะเพิ่มขึ้นตามลำดับ ระดับ pH ใช้ในการวัดความเป็นกรดหรือความเป็นด่างของสารละลาย โดยมีค่าตั้งแต่ 0 (มีความเป็นกรดสูง) ถึง 14 (เป็นเบสอย่างเข้มข้น) และค่า pH เท่ากับ 7 คือเป็นกลาง
สเปกโทรสโกปีเป็นเทคนิคที่วิเคราะห์ว่าสสารดูดซับ เปล่งแสง หรือกระจายแสงอย่างไร เพื่อพิจารณาองค์ประกอบ โครงสร้าง และคุณสมบัติของสสาร สเปกโทรสโกปีประเภทต่างๆ เช่น สเปกโทรสโกปีแบบอินฟราเรด (IR), สเปกโทรสโกปีแบบมองเห็นอัลตราไวโอเลต (UV-Vis) และสเปกโทรสโกปีเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ (NMR) ใช้สำหรับการวิเคราะห์ที่แตกต่างกัน
เคมีไฟฟ้าคือการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้าและปฏิกิริยาเคมี เซลล์ไฟฟ้าเคมี รวมถึงแบตเตอรี่และเซลล์อิเล็กโทรไลต์ แปลงพลังงานเคมีให้เป็นพลังงานไฟฟ้าและในทางกลับกัน สมการพื้นฐานในเคมีไฟฟ้าหรือสมการเนิร์สต์เกี่ยวข้องกับแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเซลล์กับความเข้มข้นของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์
กลศาสตร์ทางสถิติเป็นกรอบการทำงานสำหรับการเชื่อมโยงคุณสมบัติทางจุลภาคของอะตอมและโมเลกุลแต่ละตัวกับคุณสมบัติมวลรวมของวัสดุด้วยกล้องจุลทรรศน์ เคมีฟิสิกส์สาขานี้ช่วยอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น การเปลี่ยนเฟส ความจุความร้อน และพฤติกรรมของก๊าซ
เคมีเชิงฟิสิกส์สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในสาขาและอุตสาหกรรมต่างๆ รวมถึงเภสัชภัณฑ์ เพื่อใช้ในการพัฒนายาใหม่ๆ วิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อมเพื่อทำความเข้าใจและลดมลพิษ และวัสดุศาสตร์ เพื่อออกแบบวัสดุและผลิตภัณฑ์นาโนเทคโนโลยีที่ดีขึ้น การทำความเข้าใจหลักการพื้นฐานของเคมีเชิงฟิสิกส์ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรสามารถแก้ไขปัญหาที่ซับซ้อนในสาขาเหล่านี้และสาขาอื่นๆ อีกมากมาย
