Füüsikaline keemia onkeemia haru, mis käsitlebaatomite,elementaarosakeste jatahkiste (makroskoopilist) käitumist keemilistes reaktioonides ning vaatleb neid füüsikalisest küljest. See haru kätkeb endas printsiipe, tavasid ja mõisteid naguliikumine,energia,jõud,aeg,termodünaamika,kvantkeemia,statistiline mehhaanika jadünaamiline tasakaal.
Erinevalt keemilisest füüsikast on füüsikaline keemia valdavalt, kuid mitte alati,makroskoopiline võisupramolekulaarne teadusuharu. (Põhjuseks on füüsikalise keemia alustalade seotus pigem üldisema käsitlusega kui ainult molekulaarse ning atomaarse struktuuriga eraldi.)
Järgnevalt on välja toodud mõned teemad ja seosed, millega füüsikaline keemia tegeleb:
•Molekulisisesed jõud, mis mõjutavad materjalide füüsikalisi omadusi naguplastilisus,tugevuspiir javedelike pindpinevus;
•Reaktsiooni kineetika reaktsiooniastme alusel;
•Ioonide omadused ja materjalielektrijuhtivus;
•Pindnähtuste keemia jamembraanide elektrokeemia;[1]
•Kahe keha vastastikused mõjud tulenevalt soojuse hulgast ja termodünaamika tingimustest;
•Keemilise süsteemi ja seda ümbritseva keskkonna soojusülekanded termokeemilise reaktsiooni ajal või muutused, mis toimuvad keemilise reaktsiooni oleku muutuse ajal;
•Elektrokeemiliste rakkude reaktsioonid.
Füüsikaline keemia on teadusharu, mis rakendab füüsikat keemiaalaste probleemide lahendamiseks. Klassikalise keemia üheks põhiliseks alustalaks on idee, et keemilisi sidemeid saab kirjeldada kui omavahel sidemeid omavaid aatomite gruppe ning keemilised reaktsioonid on kirjeldatavad nende sidemete lõhkumise või tekkimisena. Üks füüsikalise keemia põhilistest eesmärkidest on aatomite kirjelduste ja nendevaheliste sidemete tekke või katkemise põhjal keemilise ühendi omaduste prognoosimine. Selleks, et aatomeid ja keemilisi sidemeid täpselt kirjeldada, on vajalik teada, kus paiknevad aatomitetuumad ning kuidas on nende ümber jaotunudelektronid.[2]
Kvantkeemia on füüsikalise keemia üks alaliikidest, mis tegeleb justkvantmehaanika rakendamisega keemiaalaste probleemide lahendamise tarvis. Kvantmehaanika pakub vahendeid määratlemaks keemiliste sidemete kuju, tuuma liikumist ning valguse neeldumise või eraldumise võimalikkust keemilisest sidemest.[2]Spektroskoopia on füüsikalise keemiaga seotud haru, mis tegeleb spetsiifiliseltelektromangetkiirguse ja aine omavaheliste seoste uurimisega.[3]
Füüsikalise keemia üks probleemiasetusi on ka iseeneslikult kulgevate reaktsioonide ning keemiliste lahuste või segude omaduste uurimine. Sellega tegelebkeemiline termodünaamika, uurides näiteks, kui kaugele võib reaktsioon kulgeda või kui palju energiat on võimalik muuta töökssisepõlemismootoris. Samuti loob keemiline termodünaamika seoseid erinevate omaduste, nagu näiteks termilise paisumise koefitsiendi jaentroopia taseme muutuse vahel.[4] Neid seoseid on tihti võimalik kasutada reaktori või mootori disaini hindamiseks või katseseadmete paikapidavuse kontrollimiseks. Piiratud ulatuses võib keemilise tasakaalu lähedane olek või selle puudumine kirjeldada pöördumatuid muutusi.[5] Suures osas tegeleb klassikaline termodünaamika siiski süsteemidega, mis on tasakaalus ja pööratavate muutustega, ning mitte sellega, mis toimub tasakaaluolekust kaugemal.
Keemiline kineetika uurib keemiliste reaktsioonide kiirust ja seda, millised reaktsioonid üldse toimuda saavad. Nimetatud valdkond on samuti üks füüsikalise keemia alaliikidest. Keemilise kineetika põhiline idee seisneb selles, et lähteainete reageerimiseks ning saaduste tekkimiseks on vajalik enamikul keemilistest ainetest läbidasiirdeseisund, mis omab kõrgematenergiataset kui lähteaineid või saadused eraldi. Siirdeseisund toimib reaktsioonile takistusena.[6] Sisuliselt tähendab see, et mida kõrgem on energia siirdeseisundis, seda suurem on takistus ning seda kauem kestab ka vastav reaktsioon.[7]Teine keemilise kineetika alus on, et enamik keemilisi reaktsioone võivad aset leidaelementaarreaktsioonide jadana, igaüks oma siirdeseisundiga. Kineetika põhiline uurimisvaldkond onreaktsiooni kiiruse sõltuvus temperatuurist, lähteainete kontsentratsioonidest ningkatalüsaatoritest segus, samuti tegeletakse katalüsaatori ja reaktsioonitingimuste seadmisega vastavaks mõistlikule reaktsioonikiirusele.
Tõsiasi, et reaktsiooni kulgemise kiirust saab tihtipeale mõjutada vaid väikese kontsentratsioonide või temperatuuri muutusega ning kõigimolekulide segus paiknemise ning kiiruse teadmine pole oluline, on füüsikalise keemia põhitõdede üks erijuhte. Tänu sellele teadmisele saab protsesse, millest võtab osa tohutult palju osakesi, ligikauduAvogadro arvu jagu (6 x 1023), kirjeldada vaid mõne muutuja kaudu, milleks võivad olla näiteks rõhk, temperatuur või kontsentratsioon.[8]Täpseid põhjuseid, miks see nii on, kirjeldabstatistiline mehaanika – eriala, mis kuulubfüüsika alla, kuid millega tegeleb ka füüsikaline keemia. Tänu statistilisele mehaanikale saab ka molekulaarsete omaduste põhjal ennustada nähtuseid, mida me näeme oma igapäevaelus, toetumata kogemustel põhinevatele seostele, vaid põhinedes keemilistel sarnasustel.[5]
Mõiste „füüsikaline keemia“ võttis aastal 1752 kasutusele teadlane Mihhail Lomonossov (vene keeles Михаил Васильевич Ломоносов; 19. november 1711–15. aprill 1765). Samal aastal pidas ta Peterburi Riiklikus Ülikoolis oma loengutesarja „Tõelise füüsikalise keemia kursus“ (vene keeles „Курс истинной физической химии”).[9] Sissejuhatavas osas nendele loengutele defineeris ta füüsikalist keemiat kui teadust, mis peab füüsikalistest katsetest lähtuvalt seletama, mis keemiliste toimingute käigus ühenditega toimub.
Kaasaegse füüsikalise keemia teke jääb umbes 1860.–1870. aastate vahemikku, mil töötati keemilise termodünaamika, lahuses olevate elektrolüütide ning keemilise kineetika kallal. Üheks teetähiseks võib lugeda Josiah Willard Gibbsi publikatsiooni „On the Equilibrium of Heterogeneous substances“. See üllitis tutvustas mitmeid füüsikalise keemia alustalasid, milleks on näiteks Gibbsi vabaenergia, keemiline potentsiaal ja Gibbsi faaside reegel.[10]
Esimene just füüsikalisele keemiale suunatud teaduslik ajakiri ilmus Saksamaal ning selle nimeks oli Zeitschrift für Physikalische Chemie. Ajakirja asutasid 1887. aastalWilhelm Ostwald jaJacobus Henricus van ’t Hoff. KoosSvante August Arrheniusega olid nad 19. sajandi lõpu ning 20. sajandi alguse juhtivad teadlased füüsikalise keemia erialal. Kõiki kolme autasustati ajavahemikul 1901–1909 Nobeli keemiaauhinnaga.[11]
Järgnevatel aastakümnetel aset leidnud areng kätkes endas statistilise mehaanika üle toomist keemilisse süsteemi. Samuti töötati kolloid- ja pindnähtuste keemia vallas, millele andis oma suure panuseIrving Langmuir. Oluliseks verstapostiks oli ka 1930. aastatel kvantmehaanika areng kvantkeemiaks. Selle ülemineku üheks eestvedajaks oliLinus Pauling. Teoreetilised arengud on käinud käsikäes praktiliste meetodite arenguga. Üks kahekümnenda sajandi suurimaid edasiminekuid oli erinevate spektromeetriliste meetodite kasutuselevõtt, nagu näiteks infrapunaspektroskoopia, elektronspektroskoopia ja tuumamagnetresonantsspektroskoopia.
Edasisi arenguid füüsikalises keemias võib seostada arengutega tuumakeemias, näiteks tegeleti enne Teist maailmasõda ning selle ajal isotoopide eraldamisega . Tänapäevasemad avastused tulevadastrokeemia vallast,[12] samuti ka arengutest algoritmite arvutustes. Viimaseid kasutatakse füüsikalis-keemiliste omaduste kirjeldamiseks:keemistemperatuur,kriitiline punkt,pindpinevus jaaururõhk. Tundes vaid aine keemilist struktuuri, on võimalik rohkem kui kahtekümmet sarnast omadust täpselt välja arvutada.
All on välja toodud mõned ajakirjad, mis käsitlevad füüsikalist keemiat:
Sulgudes toodud aastaarvud tähistavad antud ajakirjade esmase ilmumise aastat.
[[Kategooria:Füüsikaline keemia| ]][[Kategooria:Keemia]]