物理化學
提示：此條目的主題不是化學物理學。
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 專題  科學史 |
物理化學（英語：Physical chemistry），簡稱物化，是一門從物理學角度分析物質體系化學行為的原理、規律和方法的學科，可謂近代化學的原理根基。物理化學家關注於分子如何形上是錯錯結構、動態變化、分子光譜原理、平衡態等根本問題，涉及的物理學有靜力學、動力學、量子力學、統計力學等。大體而言，物理化學為化學諸分支中，最講求數值精確和理論解釋的學科。化學物理學和物理化學都是物理學和化學的交叉學科，但二者還是有細微區別的。化學物理學主要是研究化學過程的特徵現象和物理理論，而物理化學主要研究化學的物理本質，主要藉助原子與分子物理學和凝聚態物理學中的理論方法和實驗技術，研究物理化學現象的學科。
以下都在物理化學要研究的範圍之中：
- 影響物體物理性質（包括塑性變形、強度及液體中的表面張力）的分子間作用力。
- 有關反應速率的化學動力學。
- 材料的導電性。
- 細胞膜的表面化學及電化學[1]。
- 物體之間熱及功交換，稱為熱力學。
- 化學系統和環境之間，在相變或化學反應中產生的熱交換，稱為熱化學。
- 溶液中依數性的研究。
- 配合相律判斷相數、成份數及自由度。
- 電化電池的反應。
關鍵概念
[編輯]物理化學的關鍵概念是純物理學應用於化學問題的方式。
經典化學的關鍵概念之一是，所有化合物都可以描述為一群彼此鍵結的原子，而化學反應可以描述為化學鍵的生成及斷裂。 根據原子的描述及其鍵結方式預測化合物的性質是物理化學的主要目標之一。 為了精確地描述原子和鍵，有必要知道原子核的位置以及電子在原子核周圍的分佈[2]。
學科
[編輯]物理化學是以純物理來處理化學的問題。物理化學的主要研究內容有三個方面[3] ：
- 化學體系的宏觀平衡性質：以熱力學的三個基本定律為理論基礎來研究宏觀化學體系在氣態、液態、固態、溶解態以及高分散狀態的平衡物理化學性質及其規律性。屬於這方面的分支學科有化學熱力學、溶液、膠體和表面化學。
- 化學體系的微觀結構和性質：以量子理論為理論基礎，研究原子和分子的結構，物體的體相中原子和分子的空間結構、表面相的結構，以及結構與物性的規律性。屬於這方面的分支學科有結構化學和量子化學。
- 化學體系的動態性質：研究體系中發生的化學變化過程的速率和變化機理。屬於這方面的分支學科有化學動力學、催化、光化學和電化學。
量子化學是物理化學的一個分支，主要是將量子力學應用在化學問題上，有一些工具可以確認鍵結的強度及化學鍵的形狀[2]、原子移動的方式、及化合物的吸收光譜或發射光譜[4]。光譜學是物理化學中的一個子學科，關注物質和電磁輻射之間的交互作用。
化學中另一個重要的問題是哪些反應會自然發生，特定化合物混合後會有什麼特質？化學熱力學就是研究此方面的概念，可以回答一個反應可以以多快的速率進行、內燃機中有多少能量可以轉換為功、並且可以找到像熱膨脹係數等物理量和某一壓力下氣體或液體熵變化率之間的關係[5]。化學熱力學常用來判斷一個反應器或是引擎設計是否可行，或是確認一組實驗數值的正確性。某些情形下，準靜態過程及非平衡態熱力學也可以描述不可逆反應[6]，不過古典熱力學主要關注平衡且可逆的系統，而不關注一個遠離平衡點的系統以及其離開平衡的速度。
會發生哪些反應以及其反應速率是化學動力學的主題。化學動力學的一個主要概念是在反應物反應到形成生成物之間，大部份的化學反應會先變成過渡態，過渡態的能量比反應物或生成物都高，反應的速率因此受限[7]。一般而言，過渡態的能量越高，反應速率越慢，化學動力學的另一個主要概念是大部份化學反應都是由一連串的基本反應組成[8]，每一個基本反應都有其過渡態。化學動力學的關鍵問題是反應速率和溫度、反應物濃度及使用的催化劑之間的關係，以及可以如何調整催化劑及反應條件以達到最佳的反應速率。
化學反應的速率只和反應物濃度、催化物及溫度有關，不需要知道混合物中所有粒子的位置及速率，這是統計力學中的一個特例。統計力學是物理化學中的一個主題，是描述一個有相當大數量（數量級可能會到阿伏伽德羅常數6 x 1023）粒子的系統可以用像壓力、溫度及濃度幾個參數來描述[9]，這是物理化學和物理重疊的部份。統計力學也提供方式可以用分子的性質來預測人們日常生活看到的許多性質，而不用參考以化學相似性為基礎的實驗關係[6]。
歷史
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在1752年，「物理化學」這個概念被俄國科學家羅蒙索諾夫在聖彼得堡大學的一堂課程（A Course in True Physical Chemistry）上首次提出。[10]在講座的序言中他提出了物理化學的定義：「物理化學是要解釋在化學反應的許多機制其實際內涵的化學。」
19世紀後期關於化學熱力學，溶液的電離學說，化學動力學等方面的研究，奠定了物理化學這一學科形成和發展的基礎。物理化學史上的一個里程碑事件，是1876年美國化學家約西亞·吉布斯發表的《論非均相物體的平衡》一文，其中提出了吉布斯能，化學勢[11]等物理化學中的基本概念，並闡明了化學平衡、相平衡、表面吸附等現象的本質。
第一本物理化學方面的學術雜誌是1887年由德國科學家威廉·奧斯特瓦爾德和荷蘭科學家雅各布斯·亨里克斯·范托夫合辦的德文期刊《國際物理化學與化學物理研究》（德語：Zeitschrift für Physikalische Chemie）。奧斯特瓦爾德和范托夫，以及瑞典化學家阿倫尼烏斯是十九世紀末二十世紀初物理化學界的領軍人物。[12] 三人在1901-1909年間均獲得了諾貝爾化學獎。
在之後的幾十年裡，物理化學的發展主要有統計力學的應用和歐文·朗繆爾對膠體及表面化學的研究。另一個重要的發展，是20世紀30年代隨着量子力學的發展而出現的量子化學、萊納斯·鮑林在這個領域做出了突出的貢獻。與此同時，實驗技術也在大踏步的前進，各種光譜技術的應用，如紅外波譜、微波波譜、電子自旋共振波譜、和核磁共振波譜可能是20世紀最重要的一些科技成果。
物理化學進一步的發展可能歸功於在二戰爆發前和二戰期間核化學領域的一些新發現，特別是在同位素分離方面，還有最近在天體化學上的發現，[13]以及對化合物理化性質的計算算法的發展（基本上包含了所有的理化性質，如：沸點、臨界點、表面張力及蒸氣壓等20多種特性的值都可以從化學結構式計算出來，就算該分子仍然沒有被合成出來）在這個領域，體現出了現代物理化學在實際應用中的重要性。
期刊
[編輯]以下是一些以物理化學為主的期刊：
- 《國際物理化學與化學物理研究》（1887）
- 《物理化學期刊A》（1896年的名稱為《物理化學期刊》，1997年才改名）
- 《物理化學化學物理》（從1999年起，前身是 Faraday Transactions，日期可以回溯1905年）
- 《高分子化學與物理》（1947）
- 《物理化學的年度回顧》（1950）
- 《分子物理期刊》（1957）
- 《物理有機化學期刊》（1988）
- 《物理化學期刊B》（1997）
- 《ChemPhysChem》（2000）
- 《物理化學期刊C》（2007）
- 《物理化學快報》（2010年）
包括物理及化學的歷史期刊有《Annales de chimie et de physique 》（1789年開始，在1815至1914年以此名稱發行）
物理化學家
[編輯]- 獲諾貝爾化學獎的物理化學家
- 萊納斯·鮑林：因在化學鍵方面的工作獲1954年諾貝爾化學獎。
- 威廉·奧斯特瓦爾德：因其在催化劑的作用、化學平衡、化學反應速率方面的研究的突出貢獻，獲1909年諾貝爾化學獎[14]。
- 拉斯·昂薩格：因發現非平衡態熱力學的一般關係，提出了倒易關係而獲1968年諾貝爾化學獎。
- 雅各布斯·亨里克斯·范托夫：由於「發現了溶液中的化學動力學法則和滲透壓規律以及對立體化學和化學平衡理論作出的貢獻」，於1901年成為第一位諾貝爾化學獎獲得者。
- 彼得·德拜：1936年諾貝爾化學獎獲得者。
- 斯凡特·奧古斯特·阿倫尼烏斯：研究了溫度對化學反應速率的影響，得出阿倫尼烏斯方程。因在物理化學方面的傑出貢獻，獲1903年諾貝爾化學獎。
分支和相關學科
[編輯]當代物理化學包涵數個延伸學門：
參考文獻
[編輯]- ^ Torben Smith Sørensen. Surface chemistry and electrochemistry of membranes. CRC Press. 1999: 134 [2010-09-01]. ISBN 0-8247-1922-0. （原始內容存檔於2014-08-26）.
- ^ 2.0 2.1 Atkins, Peter and Friedman, Ronald (2005). Molecular Quantum Mechanics, p. 249. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-927498-3.
- ^ 唐有祺. 物理化学. 中国大百科全书·化学卷II. 中國大百科全書出版社. 1992 [2013-04-13].[失效連結]
- ^ Atkins, Peter and Friedman, Ronald (2005). Molecular Quantum Mechanics, p. 342. Oxford University Press, New York. ISBN 978-0-19-927498-7.
- ^ Landau, L. D. and Lifshitz, E. M. (1980). Statistical Physics, 3rd Ed. p. 52. Elsevier Butterworth Heinemann, New York. ISBN 978-0-7506-3372-7.
- ^ 6.0 6.1 Hill, Terrell L. (1986). Introduction to Statistical Thermodynamics, p. 1. Dover Publications, New York. ISBN 978-0-486-65242-9.
- ^ Schmidt, Lanny D. (2005). The Engineering of Chemical Reactions, 2nd Ed. p. 30. Oxford University Press, New York. ISBN 978-0-19-516925-6.
- ^ Schmidt, Lanny D. (2005). The Engineering of Chemical Reactions, 2nd Ed. p. 25, 32. Oxford University Press, New York. ISBN 978-0-19-516925-6.
- ^ Chandler, David (1987). Introduction to Modern Statistical Mechanics, p. 54. Oxford University Press, New York. ISBN 978-0-19-504277-1.
- ^ Alexander Vucinich. Science in Russian culture. Stanford University Press. 1963: 388 [2010-08-31]. ISBN 0804707383. （原始內容存檔於2021-04-14）.
- ^ Josiah Willard Gibbs, 1876, "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances", Transactions of the Connecticut Academy of Sciences
- ^ Laidler, Keith. The World of Physical Chemistry. Oxford: Oxford University Press. 1993: 48. ISBN 0198559194.
- ^ Herbst, Eric. Chemistry of Star-Forming Regions. Journal of Physical Chemistry A. May 12, 2005, 109 (18): 4017–4029.
- ^ 诺贝尔奖官方网站的威廉•奥斯特瓦尔德传记. [2015-03-04]. （原始內容存檔於2008-04-22）.
參見
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外部連結
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- Physical Chemistry (Keith J. Laidler, John H. Meiser and Bryan C. Sanctuary)
- The World of Physical Chemistry （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） (Keith J. Laidler, 1993)
- Physical Chemistry from Ostwald to Pauling （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） (John W. Servos, 1996)
- 100 Years of Physical Chemistry （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） (Royal Society of Chemistry, 2004)
- Physical Chemistry: neither Fish nor Fowl? （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） (Joachim Schummer, The Autonomy of Chemistry, Würzburg, Königshausen & Neumann, 1998, pp. 135–148)
- Cathedrals of Science （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） (Patrick Coffey, 2008)
- The Cambridge History of Science: The modern physical and mathematical sciences （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） (Mary Jo Nye, 2003)
