Фізична хімія - це дослідження того, як матерія поводиться на молекулярному та атомному рівнях і як відбуваються хімічні реакції. На основі аналізу фізичних властивостей хімічних речовин фізико-хіміки розробляють нові теорії та методи, які можна застосовувати для вирішення практичних завдань.
Всі речовини можуть перебувати в трьох станах: твердому, рідкому і газоподібному. Агрегатний стан речовини визначається її температурою і тиском. Тверді тіла мають фіксовану форму та об’єм, рідини мають фіксований об’єм, але приймають форму свого контейнера, а гази повністю заповнюють свій вміст.
Термодинаміка — це фундаментальна концепція фізичної хімії, яка включає вивчення енергії та її перетворень. Закони термодинаміки описують, як енергія передається у фізичному світі.
Хімічна кінетика вивчає швидкість, з якою відбуваються хімічні реакції, і етапи, за якими вони протікають. Швидкість реакції можна описати законом швидкості, який у своїй найпростішій формі для реакції \(A \rightarrow B\) можна представити як \(rate = k[A]^n\) , де \(k\) — константа швидкості, \([A]\) — концентрація реагенту A, а \(n\) — порядок реакції відносно A.
Рівновага виникає в хімічних реакціях, коли швидкості прямої та зворотної реакцій рівні, що призводить до відсутності чистої зміни концентрації реагентів і продуктів з часом. Константа рівноваги ( \(K\) ) виражає відношення концентрацій продукту до концентрацій реагентів, кожна з яких зведена до степеня своїх стехіометричних коефіцієнтів у збалансованому рівнянні.
Структура молекул і типи зв’язку між атомами безпосередньо впливають на фізичні властивості речовини та її реакції з іншими речовинами. Двома основними типами хімічних зв’язків є іонні та ковалентні зв’язки. Іонні зв’язки утворюються, коли електрони переносяться від одного атома до іншого, тоді як ковалентні зв’язки утворюються, коли два атоми ділять електрони.
Кислоти та основи — це речовини, які при розчиненні у воді збільшують концентрацію іонів водню ( \(H^+\) ) та гідроксид-іонів ( \(OH^-\) ) відповідно. Шкала рН використовується для вимірювання кислотності або основності розчину зі значеннями в діапазоні від 0 (сильно кислий) до 14 (сильно основний), а рН 7 є нейтральним.
Спектроскопія — це метод, який аналізує, як матерія поглинає, випромінює або розсіює світло, щоб визначити її склад, структуру та властивості. Для різних аналізів використовуються різні типи спектроскопії, як-от інфрачервона (ІЧ), ультрафіолетова (УФ-видима) спектроскопія та ядерно-магнітний резонанс (ЯМР).
Електрохімія вивчає зв’язок між електрикою та хімічними реакціями. Електрохімічні елементи, включаючи батареї та електролітичні елементи, перетворюють хімічну енергію в електричну і навпаки. Основне рівняння електрохімії, рівняння Нернста, пов’язує електрорушійну силу клітини з концентраціями реагентів і продуктів.
Статистична механіка забезпечує основу для зв’язку між мікроскопічними властивостями окремих атомів і молекул і макроскопічними об’ємними властивостями матеріалів. Цей розділ фізичної хімії допомагає пояснити такі явища, як фазові переходи, теплоємність і поведінку газів.
Фізична хімія знаходить застосування в різних галузях і галузях, включаючи фармацевтику, де вона використовується для розробки нових ліків; екологія, щоб зрозуміти та зменшити забруднення; і матеріалознавства, для розробки кращих матеріалів і нанотехнологічних продуктів. Розуміння фундаментальних принципів фізичної хімії допомагає вченим та інженерам вирішувати складні проблеми в цих та багатьох інших областях.
