Hóa lý là nghiên cứu về cách vật chất hoạt động ở cấp độ phân tử và nguyên tử cũng như cách các phản ứng hóa học xảy ra. Dựa trên những phân tích về tính chất vật lý của các chất hóa học, các nhà hóa học vật lý phát triển các lý thuyết và kỹ thuật mới có thể áp dụng để giải quyết các vấn đề thực tế.
Mọi vật chất đều có thể tồn tại ở ba trạng thái: rắn, lỏng và khí. Trạng thái của một chất được xác định bởi nhiệt độ và áp suất của nó. Chất rắn có hình dạng và thể tích cố định, chất lỏng có thể tích cố định nhưng có hình dạng bình chứa và chất khí lấp đầy hoàn toàn bình chứa chúng.
Nhiệt động lực học là một khái niệm cơ bản trong hóa học vật lý liên quan đến việc nghiên cứu năng lượng và sự biến đổi của nó. Các định luật nhiệt động lực học mô tả cách năng lượng được truyền trong thế giới vật chất.
Động học hóa học nghiên cứu tốc độ xảy ra các phản ứng hóa học và các bước tiến hành của chúng. Tốc độ của một phản ứng có thể được mô tả bằng định luật tốc độ, ở dạng đơn giản nhất cho phản ứng \(A \rightarrow B\) có thể được biểu diễn dưới dạng \(rate = k[A]^n\) , trong đó \(k\) là hằng số tốc độ, \([A]\) là nồng độ của chất phản ứng A, và \(n\) là bậc của phản ứng đối với A.
Cân bằng xảy ra trong các phản ứng hóa học khi tốc độ của phản ứng thuận và phản ứng nghịch bằng nhau, dẫn đến nồng độ chất phản ứng và sản phẩm không thay đổi theo thời gian. Hằng số cân bằng ( \(K\) ) biểu thị tỷ lệ giữa nồng độ sản phẩm và nồng độ chất phản ứng, mỗi hệ số được nâng lên lũy thừa của các hệ số cân bằng hóa học của chúng trong phương trình cân bằng.
Cấu trúc của phân tử và kiểu liên kết giữa các nguyên tử ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất vật lý của một chất và phản ứng của nó với các chất khác. Hai loại liên kết hóa học chính là liên kết ion và cộng hóa trị. Liên kết ion hình thành khi các electron được chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, trong khi liên kết cộng hóa trị hình thành khi hai nguyên tử chia sẻ electron.
Axit và bazơ là những chất khi hòa tan trong nước sẽ làm tăng nồng độ của các ion hydro ( \(H^+\) ) và các ion hydroxit ( \(OH^-\) ), tương ứng. Thang đo pH được sử dụng để đo độ axit hoặc độ bazơ của dung dịch, với các giá trị nằm trong khoảng từ 0 (axit mạnh) đến 14 (bazơ mạnh) và độ pH bằng 7 là trung tính.
Quang phổ là một kỹ thuật phân tích cách vật chất hấp thụ, phát ra hoặc tán xạ ánh sáng để xác định thành phần, cấu trúc và tính chất của nó. Các loại quang phổ khác nhau—như quang phổ hồng ngoại (IR), quang phổ tử ngoại (UV-Vis) và cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)—được sử dụng cho các phân tích khác nhau.
Điện hóa học là nghiên cứu về mối quan hệ giữa điện và phản ứng hóa học. Các tế bào điện hóa, bao gồm pin và tế bào điện phân, chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện và ngược lại. Phương trình cơ bản trong điện hóa học, phương trình Nernst, liên hệ sức điện động của tế bào với nồng độ của chất phản ứng và sản phẩm.
Cơ học thống kê cung cấp một khuôn khổ để liên hệ các đặc tính vi mô của từng nguyên tử và phân tử với các đặc tính khối vĩ mô của vật liệu. Nhánh hóa học vật lý này giúp giải thích các hiện tượng như chuyển pha, nhiệt dung và hoạt động của chất khí.
Hóa lý được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực và ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm cả dược phẩm, nơi nó được sử dụng để phát triển các loại thuốc mới; khoa học môi trường, để hiểu và giảm thiểu ô nhiễm; và khoa học vật liệu để thiết kế các vật liệu và sản phẩm công nghệ nano tốt hơn. Hiểu các nguyên tắc cơ bản của hóa lý giúp các nhà khoa học và kỹ sư giải quyết các vấn đề phức tạp trong những lĩnh vực này và nhiều lĩnh vực khác.
