Fiziksel kimya, maddenin moleküler ve atomik düzeyde nasıl davrandığını ve kimyasal reaksiyonların nasıl oluştuğunu inceleyen bilim dalıdır. Fiziksel kimyacılar, kimyasal maddelerin fiziksel özelliklerine ilişkin analizlerine dayanarak pratik problemleri çözmek için uygulanabilecek yeni teoriler ve teknikler geliştirirler.
Tüm maddeler üç halde bulunabilir: katı, sıvı ve gaz. Bir maddenin durumu sıcaklığı ve basıncı ile belirlenir. Katıların şekli ve hacmi sabittir, sıvıların hacmi sabittir ancak bulundukları kabın şeklini alırlar, gazlar ise bulundukları kabı tamamen doldururlar.
Termodinamik, fiziksel kimyada enerji ve dönüşümlerinin incelenmesini içeren temel bir kavramdır. Termodinamiğin yasaları, enerjinin fiziksel dünyada nasıl aktarıldığını açıklar.
Kimyasal kinetik, kimyasal reaksiyonların meydana gelme hızını ve ilerledikleri adımları inceler. Bir reaksiyonun hızı, bir reaksiyon için en basit haliyle \(A \rightarrow B\) \(rate = k[A]^n\) olarak temsil edilebilen hız kanunu ile tanımlanabilir; burada \(k\) hız sabitidir, \([A]\) reaktan A'nın konsantrasyonudur ve \(n\) reaksiyonun A'ya göre sırasıdır.
Kimyasal reaksiyonlarda ileri ve geri reaksiyonların hızları eşit olduğunda denge oluşur, bu da zaman içinde reaktanların ve ürünlerin konsantrasyonunda net bir değişiklik yaratmaz. Denge sabiti ( \(K\) ), dengeli denklemde her biri stokiyometrik katsayılarının gücüne yükseltilen ürün konsantrasyonlarının reaktan konsantrasyonlarına oranını ifade eder.
Moleküllerin yapısı ve atomlar arasındaki bağ türleri, maddenin fiziksel özelliklerini ve diğer maddelerle reaksiyonlarını doğrudan etkiler. İki ana kimyasal bağ türü iyonik ve kovalent bağlardır. İyonik bağlar, elektronların bir atomdan diğerine aktarılmasıyla oluşurken kovalent bağlar, iki atomun elektronları paylaşmasıyla oluşur.
Asitler ve bazlar, suda çözündüklerinde sırasıyla hidrojen iyonlarının ( \(H^+\) ) ve hidroksit iyonlarının ( \(OH^-\) ) konsantrasyonunu artıran maddelerdir. pH ölçeği, bir çözeltinin asitliğini veya bazlığını ölçmek için kullanılır; değerler 0 (kuvvetli asidik) ile 14 (kuvvetli bazik) arasında değişir ve pH 7 nötrdür.
Spektroskopi, maddenin bileşimini, yapısını ve özelliklerini belirlemek için maddenin ışığı nasıl emdiğini, yaydığını veya dağıttığını analiz eden bir tekniktir. Farklı analizler için kızılötesi (IR), ultraviyole görünür (UV-Vis) ve nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi gibi farklı spektroskopi türleri kullanılır.
Elektrokimya, elektrik ve kimyasal reaksiyonlar arasındaki ilişkinin incelenmesidir. Piller ve elektrolitik hücreler de dahil olmak üzere elektrokimyasal hücreler, kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür ve bunun tersi de geçerlidir. Elektrokimyadaki temel denklem olan Nernst denklemi, bir hücrenin elektromotor kuvvetini reaktanların ve ürünlerin konsantrasyonlarıyla ilişkilendirir.
İstatistiksel mekanik, tek tek atomların ve moleküllerin mikroskobik özelliklerini malzemelerin makroskobik yığın özellikleriyle ilişkilendirmek için bir çerçeve sağlar. Fiziksel kimyanın bu dalı, faz geçişleri, ısı kapasitesi ve gazların davranışı gibi olguların açıklanmasına yardımcı olur.
Fiziksel kimya, yeni ilaçların geliştirilmesinde kullanıldığı farmasötikler de dahil olmak üzere çeşitli alanlarda ve endüstrilerde uygulama alanı bulur; kirliliği anlamak ve azaltmak için çevre bilimi; ve malzeme bilimi, daha iyi malzemeler ve nanoteknoloji ürünleri tasarlamak için. Fiziksel kimyanın temel prensiplerini anlamak, bilim adamlarının ve mühendislerin bu ve diğer birçok alandaki karmaşık problemleri çözmelerine yardımcı olur.
