Kimika fisikoa[1] materiaren propietate kimikoak eta portaera fisikoaren ikuspuntutik aztertzen dituen kimikaren adarra da. Arlo horrek, sistema kimikoen eredu matematikoak garatzen ditu fisikaren legeez baliatuz.
Gilbert N. Lewis-en arabera, «kimika-fisikoa interesgarria den edozer gauza da», eta, beraz, segur aski esan nahi zuena zen naturako fenomeno asko, materiari dagokionez, interes nagusikoak direla kimika fisikoan.
Willard Gibbs XIX. mendeko fisikari estatubatuarra kimika fisikoaren aita fundatzailetzat ere hartzen da; izan ere, 1876an argitaratu zuen On the Ecolibrium of Heterogeneous Substances (Substantzia heterogeneoen orekari buruzko azterketa) lanean, besteak beste, energia askea, potentzial kimikoa eta faseen erregela terminoak sortu zituen, urte batzuk geroago diziplina horretan interes nagusiko aztergaiak izango zirenak.
Kimika fisiko mikroskopikoak materiaren eta uhin-elektromagnetikoen arteko elkarrekintzak aztertzen ditu. Uhin-elektromagnetiko batek materiarekin talka egiten duenean, materiaren izaeraren arabera, uhinaren energiaren absortzioa eman daiteke. Materiak, heltzen zaion energia guztia absorbatzen du, eta, absorbatzen duen guztia igortzen duenean, gorputz beltza dela esan daiteke. Hala ere, materiadun gorputz guztiek ez dute gorputz beltza moduan jokatzen, eta ez dute heltzen zaien energia guztia absorbatzen.
XX. mendean, Albert Einsteinek ondorioztatu zuen uhinak partikulez ere eratuta daudela, eta horiei fotoi izena jarri zien. Aldi berean, Max Planck zientzialariak ondorioztatu zuen materiak igorri dezakeen energia zenbaki baten multiploa zela. Zenbaki horri energia kuantu izena jarri zion, eta ondorioztatu zuen horrek fotoi baten energia bera duela.
Bi ondorio hauek erlazionatzen ditu ondorengo formulak:
6,62.10-34 J.s Planck-en konstantea eta uhinaren maiztasuna izanik.
Energia mailen kuantizazioak eta partikula subatomikoenuhin-partikula dualtasunak, bereziki, mekanika kuantikoaren garapena ekarri zuen. Materia eta fotoiaren arteko elkarrekintza deskribatzeko, sistema osoaren energia hartzen da kontutan. Prozesu horietan, energia ere lekuz aldatzen da, baina kontserbatu egiten da. Hortaz, materian dauden molekulak eta fotoiak elkarrekin topatzen direnean, energia elkartrukatzen dute, eta mekanika kuantikoarekin aztertu beharreko hainbat energia mota deskribatzea ahalbidetzen du. Molekulak fotoiaren energiaren parte bat absorbatzen du, eta energia maila altuago batera doa:
Energia diferentzia eta fotoiaren energia berdina denean, absortzioa gertatzen da. Hori ematen denean, trantsizio espektroskopiko bat gertatu dela esaten da. Beraz, kuantizatutako energiak uhinaren maiztasunarekin erlazionatu daitezke:
Mijaíl Lomonósov-en eskuizkribuaren irudia, non «Kimika fisiko» terminoa lehen aldiz agertzen den, 1752an.
Kimika fisikoaren terminoa Mikhaíl Lomonosovek erabili zuen lehen aldiz, 1752ko urtarrilean. XX. mendearen hasierara arte, ez zen kimikako espezialitate independente gisa eratu. Espezialitate berriaren abiapuntutzat har daiteke izenburuan izen hori jarri zioten lehen bi aldizkarietako sortze-datak: Zeitschrift für physikalische Chemiealemaniarra, Wolfgang Ostwaldek eta Jacobus Henricus van 't Hoffek zuzendua eta 1887an argitaratzen hasi zena, eta Journal of Physical Chemistry Aestatubatuarra, 1896tik Wilder Dwight Bancroftek zuzendua. Hala eta guztiz ere, XIX. mende osoan, ekarpen nabarmenak egin ziren kimika fisikoaren barruan bildu ohi diren zenbait arlotan, hala nola elektrokimikan, termokimikan eta zinetika kimikoan. Alemaniako zenbait institutuk eta unibertsitatek baliabide espezifikoak eskaini zituzten kimika fisikoaren arloan, Walther Nernst-ek hala eskatuta. Hori segida azkar batean gertatu zen, hala nola Göttingen (1891)[2], Dresden (1900)[3], Karlsruhe (1900)[4], Berlin (1905)[5], Akisgran (1906)[6], Wrocław (1910)[7] eta beste batzuetan.
Alessandro Voltaren lana (bereziki bere izena daraman pila) izan zen elektrizitateak konposatu kimikoetan duen eragina aztertu zuten lan askoren abiapuntua. XIX. mendearen hasieran, Humphry Davyk korronte elektrikoa sosa kaustiko eta potasa urtutik pasarazi zuen, eta, horri esker, bi metal berri aztertu ahal izan zituen: sodioa eta potasioa. Michael Faraday izan zen bere ikasle nagusia, eta ondorengoa, Royal Institution-ean, eta maisuaren ikerketekin jarraitu zuen. 1834an argitaratutako artikulu batean, Faradayk elektrolisiari buruzko bere bi lege ezagunak proposatu zituen. Lehenengoak dio elektrodo batean jalkitzen den substantzia kantitatea zirkuitua zeharkatzen duen karga elektrikoaren kantitatearekiko proportzionala dela. Bigarren legean, berriz, Faradayk dio hidrogeno gramo bat askatzeak eragiten duen karga elektrikoaren kantitateak beste substantzia batzuen baliokide elektrokimikoaren kantitate bera askatzen duela.
Antoine Lavoisierrek eta Pierre-Simon Laplacek egindako lanak termokimikaren abiapuntutzat hartu ohi dira. Tresna berri bat diseinatu zuten, kalorimetroa, erreakzio kimikoetan askatutako bero kantitatearen neurketak egiteko. Laplacek eta Lavoisierrek uste zuten beroa elementu zehazgaitzetako bat zela, eta gasak, berriz, beroz eta dagokion elementuz osatuak. XIX. mendearen lehen erdian, alde batera utzi zen beroaren ideia, eta termodinamikaren legeak ezartzea ahalbidetu zuten ikerketak egiten hasi ziren. Ikerketa horiek prozesu kimikoetan aplikatzeak termokimikaren sorrera ahalbidetu zuen, Marcelin Berthelot edo Henry Le Châtelier egileen lanari esker, besteak beste.
Zinetika kimikoari eskainitako lehen lanetako bat Ludwig Ferdinand Wilhelmyk egin zuen, azido baten aurrean azukre jakin batzuen konfigurazio aldaketaren abiadurari buruz. XIX. mendearen erdialdean, Wilhelmyk ondorioztatu zuen aldaketaren abiadura azukrearen eta azidoaren kontzentrazioarekiko proportzionala zela eta tenperaturarekin ere aldatzen zela. Kimikari baten (George Vernon Harcourt) eta matematikari baten (William Esson) arteko lankidetzari esker, ekuazio diferentzialak sartu ahal izan ziren zinetika kimikoaren azterketan. Essonek sartu zituen «lehen mailako» erreakzioen kontzeptuak, zeinak erreaktibo bakar baten kontzentrazioarekiko proportzionala den abiadura duten, eta «bigarren mailakoak», zeinetan abiadura bi kontzentrazioren biderkadurarekiko proportzionala den. XIX. mendearen azken urteetan, Jacobus Henricus van't Hoff-en lanek eragin handia izan zuten kimikaren arlo horretan eta beste batzuetan. Bere ekarpenen artean, erreakzio kimikoen abiadura aztertzeko metodo diferentzialaren sarrera eta bere ekuazio famatua daude, erreakzioaren abiadura eta tenperatura erlazionatzea ahalbidetzen duena.
Mekanika kuantikoaren garapena eta hura fenomeno kimikoen azterketan aplikatzea izan da XX. mendean kimikan gertatu den aldaketa nabarmenetako bat. Ildo horretan ekarpen gehien egin duten zientzialarien artean, Linus Pauling dago, Introduction to Quantum Mechanics, With Applications to Chemistry (1935) edo The Nature of the Chemical Bond and the Structure of Molecular and Crystals (1939) liburu esanguratsuen egilea. Beste ekarpen askoren artean, Linus Pauling izan zen elektronegatibotasunaren kontzeptu modernoaren sortzailea.
Funtsezko kontzeptuak
Kimika fisikoaren funtsezko kontzeptuak dira fisika garbia arazo kimikoei aplikatzeko moduak.
Kimika klasikoaren funtsezko kontzeptuetako bat da konposatu kimiko guztiak elkarri lotutakoatomo-talde gisa deskriba daitezkeela, eta erreakzio kimikoak lotura horien sorrera eta haustura gisa deskriba daitezkeela. Kimika fisikoaren helburu nagusietako bat da atomoen deskribapenen bidez konposatu kimikoen propietateak iragartzea eta nola elkartzen diren. Atomoak eta loturak zehatz deskribatzeko, beharrezkoa da jakitea atomoen nukleoak non dauden eta nola banatzen diren elektroiak haien inguruan[8].
Kimika kuantikoa kimika fisikoaren azpieremu bat da, eta bereziki arduratzen da mekanika kuantikoa arazo kimikoei aplikatzeaz. Loturen indarra eta forma zehazteko tresnak ematen ditu[8], nukleoak nola mugitzen diren eta konposatu kimiko batek argia nola xurga edo igor dezakeen zehazteko[9]. Espektroskopia kimika fisikoarekin lotutako azpi-diziplina da, berariaz erradiazio elektromagnetikoa materiarekin duen elkarrekintzaz arduratzen dena.
Kimikako beste galdera garrantzitsu batzuk dira zer erreakzio gerta daitezkeen berez eta zer propietate izan ditzakeen nahaste kimiko jakin batek. Hori Termodinamika kimikoan aztertzen da. Termodinamikak mugak ezartzen ditu kantitateetan, hala nola erreakzioa noraino irits daitekeen edo barne-errekuntzako motor batean zenbat energia bihur daitekeen lan, eta loturak sortzen ditu zenbait propietateren artean, hala nola espantsio termikoko koefizientearen eta gas edo likido baten presioarekikoentropia-aldaketaren tasaren artean[10]. Sarritan, erreaktore edo motor baten diseinua egingarria ote den ebaluatzeko erabil daiteke, edo datu esperimentalen baliozkotasuna egiaztatzeko. Neurri bateraino, kuasiestatikoak eta termodinamika itzulezinak aldaketa itzulezinak deskriba ditzakete[11]. Hala ere, termodinamika klasikoa orekan dauden sistemez eta aldaketa itzulgarriez arduratzen da batez ere, eta ez, orekatik kanpo, benetan gertatzen denaz edo gertatzen den azkartasunaz.
Zer erreakzio gertatzen diren eta zer abiaduratan da zinetika kimikoaren gaia, kimika fisikoaren beste adar bat. Zinetika kimikoaren funtsezko ideia bat da erreaktanteek erreakzionatu eta produktuak sor ditzaten espezie kimiko gehienek, erreaktiboak edo produktuak baino energia-maila altuagokotik pasa behar dute, eta erreakziorako oztopo izan behar[12]. Oro har, hesia zenbat eta handiagoa izan orduan eta motelagoa izango da erreakzioa. Beste ideia bat da erreakzio kimiko gehienak oinarrizko erreakzioen[13] sekuentzia gisa gertatzen direla, bakoitza bere trantsizio-egoerarekin. Zinetikan, funtsezko galderak hauek dira: nola erreakzio-abiadura erreakzio-nahastean dauden erreaktiboen eta katalizatzaileen tenperaturaren eta kontzentrazioen araberakoa den eta katalizatzaileak eta erreakzio-baldintzak erreakzio-abiadura optimizatzeko diseina daitezkeen ere.
Erreakzioak gertatzen diren azkartasuna, batzuetan, kontzentrazio gutxi batzuekin eta tenperaturarekin zehaztu ahal izatea (molekula bakoitzaren posizio eta abiadura guztiak nahasketa batean ezagutu beharrean), kimika fisikoan funtsezkoa den beste kontzeptu baten kasu berezia da; ingeniari batek jakin behar duen heinean, zenbaki oso handi baten kontzentrazio batean gertatzen den guztia (agian Avogadroren konstantearen ordenakoa, 6 x 1023) partikulen kontzentrazioa, tenperatura eta presioa moduko aldagai gutxi batzuekin deskriba daiteke. Horren arrazoi zehatzak mekanika estatistikoan[14] (kimika fisikoaren barruan dagoen espezialitate bat) deskribatzen dira, fisikarekin ere partekatzen duena. Mekanika estatistikoak, propietate molekularretatik abiatuta, eguneroko bizitzan ikusten ditugun propietateak aurresateko moduak ere ematen ditu, antzekotasun kimikoetan oinarritutako korrelazio enpirikoen mende egon gabe[11].
Kimika fisikoaren atalak
Kimika fisikoak termodinamika aplikatzen du gasen, disoluzioen eta erreakzio kimikoen azterketan, azken horien energia-alderdiak kuantifikatuz eta balizko berezkotasuna edo berezkotasun teorikoaren baldintzak aurreikustera iritsiz. Termodinamikak, halaber, oreka kimikoa eta faseen arteko oreka tratatzen baimentzen du. Mekanika kuantikoaren erabilerak aukera ematen du ez soilik espektro atomikoak eta molekularrak interpretatzeko, baizik eta, bere formalismo matematiko zorrotza erabiliz, lotura kimikoa deskribatzeko eta molekulen propietate garrantzitsuak aurreikusteko, hala nola egonkortasunak eta erreaktibotasunak. Espektroskopiak molekulen egitura eta konposizioa esperimentalki zehazteko aukera ematen du; zinetika kimikoak, berriz, erreakzio kimiko batean gertatzen diren erreakzioen abiadura eta oinarrizko prozesu multzoa aztertzen ditu, erreaktiboetatik azken produktuak lortzen direnean. Elektrokimika, izan ere, kimika fisikoaren beste arlo garrantzitsu bat da, zeina fenomeno elektrikoek eremu kimikoan dituzten inplikazioez arduratzen den.
Kimika koloidala
Kimika koloidala (grekozko κόλλα-tik) sistema sakabanatuen eta faseartean gertatzen diren azaleko fenomenoen kimika fisikoaren izen tradizionala da[15]. Aztertzen dira: atxikidura, adsortzioa, hezetzea, gatzapena, elektroforesia eta eraikuntza-materialen teknologien garapena, baita zulaketa-tresnak eta izotz bakarreko prozesua. Kimika koloidal modernoa kimikaren, fisikaren eta biologiaren arteko lotura-puntuan dagoen zientzia da.
Kimika koloidal modernoaren joera nagusiak hauek dira:
Gainazaleko fenomenoen termodinamika.
Tentsioaktiboaren adsortzioaren azterketa.
Sistema sakabanatuen eraketa eta egonkortasuna eta haien propietate zinetiko-molekularrak, optikoak eta elektrikoen azterketa.
Egitura sakabanatuen mekanika fisiko-kimikoa.
Sistema sakabanatuetan eragile tentsioaktiboen, karga elektrikoen, erresistentzia mekanikoaren eta abarren eraginpean gertatzen diren prozesuen teoria eta mekanismo molekularren garapena.
Kristalaren kimika
Kristal-egituren eta materiaren izaerarekin duten erlazioaren zientzia da[16]. Kimikaren adar bat gisa, kristalaren kimikak lotura estua du kristalografiaren azterketa eta atomoen kokapen espazialarekin eta kristaletako lotura kimikoekin, baita substantzia kristalinoek egituran duten propietate fisiko eta kimikoekiko mendekotasunarekin ere. X izpiendifrakzioaren, elektroien eta neutroien difrakzioaren eta egiturazko difrakzio kristalinoaren laguntzaz zehazten du distantzia interatomikoen eta lotura kimikoen lerroen arteko angeluen (lotura-angeluak) balio absolutuak. Kimikaren atal honek material ugari du 425.000 konposaturen baino gehiagoren kristal-egiturei dagokionez, eta, konposatu horien erdiak baino gehiago, konposatu ez-organikoak dira.
Kristalaren kimikaren helburuak hauek dira:
lotura kimiko mota horietan ikusitako egitura kristalinoen taxonomia eta deskribapena;
kristal-egituren interpretazioa (material kristalino baten egitura zehazten duten faktoreak identifikatzea) eta iragarpena;
beirek beren egiturarekin eta lotura kimikoaren izaerarekin dituzten propietate fisiko eta kimikoak aztertzea.
Erradiokimika
Erradiokimika, izan ere, erradiazio ionizatzaileko iturrien disoluzio oso diluituetan substantzia-kantitate txikiekin lan egiten duen kimika fisikoko atala da[17]. Aztertutako konposatuen erradioaktibitatea erradio-kimikoa izan daiteke, eta oso metodo sentikorrak eta espezifikoak erabili behar dira haien kantitate mikroskopikoak neurtzeko, analisi-metodo automatizatuekin.
Termokimika
Helioren atomoaren eta haren nukleoaren neurri erlatiboa
Kimikaren atal bat da, eta honako puntu hauek ditu helburu:
Erreakzioen efektu termikoak identifikatzea eta aztertzea.
Parametro fisiko-kimikoekin dituen erlazioak ezartzea.
Substantzien berotze eta haien fase-trantsizioen beroaren ezarpena neurtzea.
Atomoaren egituraren azterketa
Diziplina hori materiaren eta gehiegiaren (elementu kimiko baten zatirik txikiena) partikula mikroskopikoak aztertzeaz arduratzen da, zeinaren propietateen eramailea den: atomoa. Atomo batek nukleo bat eta elektroiak ditu. Nukleoaren protoi kopurua atomo bateko elektroi kopuruaren bera baldin bada, elektrikoki neutroa da, oro har. Bestela, karga positiboaren edo negatiboaren parte du. Zenbait kasutan, atomo elektrikoki neutroak nukleoaren karga elektroien guztizko kargaren berdina den sistema soilik esan nahi du, eta horrek elektrikoki kargatutako ioiekin kontrastatzen du.
Metalen korrosioaren azterketa
Korrosioa.
Kimika fisikoaren atal honetan, metalen korrosioa aztertzen da, ingurunearekiko elkarrekintza kimiko edo kimika fisikoaren bidez[18]. Korrosioaren zergatia dator eraikuntza-materialen ezegonkortasun termodinamikotik, ingurunearekin kontaktuan dauden substantzien efektuen eraginez. Eguneroko bizitzan, burdin aleazioek (altzairua) «plaga» hitza erabiltzen dute askotan. Ezagutzen ez diren polimeroen korrosio kasuei dagokienez, «zahartze» kontzeptua erabiltzen da, metalen «korrosio» terminoaren antzekoa. Korrosio-abiadura eta edozein erreakzio kimikotenperaturaren mendekoa da oso. Tenperatura 100 °C-ra igotzeak korrosio-abiadura handi dezake zenbait ordenatan.
Disoluzioen azterketa
Diziplina honek disoluzioak aztertzen ditu, hau da, solutuaren, disolbatzailearen eta haien arteko interakzioaren produktu-partikulez osatutako nahasketa homogeneoa. Disoluzio mota jakin baten eraketa ematen da intermolekula interatomikoaren intentsitatearen edo litio-ioien beste elkarrekintza mota baten bidez, hau da, batuketaren egoera jakin bat agertzea eragiten duten indar beren bidez.
Aldeak: disoluzio bat eratzea, substantzia ezberdinen partikulen arteko elkarrekintzaren izaeraren eta intentsitatearen mende dago.
Erreakzio kimikoen zinetika kimika fisikoaren atala da, eta erreakzio kimikoen legeak aztertzen ditu denboran zehar, kanpoko ingurumenaren legeen arabera, baita erreakzioen mekanismoak ere[19].
Fotokimika
Argia
Energia handiko kimikaren atala da, hain zuzen, argiaren eraginpean ultramoretik infragorrira gertatzen diren erreakzio kimikoak (molekulen egoera kitzikatuen kimika, erreakzio fotokimikoak) aztertzen dituen kimika fisikoaren atala. Ingurumeneko eta jendearen prozesu garrantzitsuenek izaera fotokimikoa dute. Fotosintesia, begiak eta ozonoa eta UV irradiazioa gisako gauzak aipatu besterik ez dago.
Fotokimikaren legeak:
Aldaketa fotokimikoak sistemak xurgatutako argiaren eraginpean soilik gertatzen dira.
Fotoi bakoitza lehen egintzan xurgatzen da, eta molekula bakar bat aktibatzeko gai da.
Molekula bakoitzeko fotoi bat xurgatzeak probabilitate posible bat du egoeraren likidazioaren edo kamisetarik baxuenaren (1 anizkoitasunarekin) edo hirukoitz baxuenaren (3 anizkoitasunarekin) egoeran.
Disoluzioan dauden prozesu fotokimiko organiko gehienek ez dute inplikatzen, ez lehen egoera sinple kitzikatua, ez lehen egoera kitzikatu hirukoitza.
Diziplinen zerrenda
Laburbilduz, kimika fisikoaren interes-eremu nagusiak honela zerrenda daitezke:
↑(Alemanez)Andreas-Schubert-Bau, Name Sekretariat Ines Kube E.-Mail senden Eine verschlüsselte E.-Mail über das SecureMail-Portal versenden Adresse work Besuchsadresse:; Tel, 512 Zellescher Weg 19 01069 Dresden Zeige Karte von diesem Ort work. «Physikalische Chemie»TU Dresden(Noiz kontsultatua: 2024-07-12).
