Kasutaja:A.laaneleht/Füüsikaline keemia

Füüsikaline keemia on keemia haru, mis käsitleb aatomite, elementaarosakeste ja tahkiste (makroskoopilist) käitumist keemilistes reaktioonides ning vaatleb neid füüsikalisest küljest. See haru kätkeb endas printsiipe, tavasid ja mõisteid nagu liikumine, energia, jõud, aeg, termodünaamika, kvantkeemia, statistiline mehhaanika ja dünaamiline tasakaal.

Erinevalt keemilisest füüsikast on füüsikaline keemia valdavalt, kuid mitte alati, makroskoopiline või supramolekulaarne 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 nagu plastilisus, tugevuspiir ja vedelike pindpinevus;

• Reaktsiooni kineetika reaktsiooniastme alusel;

• Ioonide omadused ja materjali elektrijuhtivus;

• Pindnähtuste keemia ja membraanide 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.

Üldised põhimõtted

Üldiseloomustus

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 aatomite tuumad ning kuidas on nende ümber jaotunud elektronid. ^[2]

Kvantkeemia

Kvantkeemia on füüsikalise keemia üks alaliikidest, mis tegeleb just kvantmehaanika 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 spetsiifiliselt elektromangetkiirguse ja aine omavaheliste seoste uurimisega.^[3]

Keemiline termodünaamika

Füüsikalise keemia üks probleemiasetusi on ka iseeneslikult kulgevate reaktsioonide ning keemiliste lahuste või segude omaduste uurimine. Sellega tegeleb keemiline termodünaamika, uurides näiteks, kui kaugele võib reaktsioon kulgeda või kui palju energiat on võimalik muuta tööks sisepõlemismootoris. Samuti loob keemiline termodünaamika seoseid erinevate omaduste, nagu näiteks termilise paisumise koefitsiendi ja entroopia 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

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 läbida siirdeseisund, mis omab kõrgemat energiataset 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 leida elementaarreaktsioonide jadana, igaüks oma siirdeseisundiga. Kineetika põhiline uurimisvaldkond on reaktsiooni kiiruse sõltuvus temperatuurist, lähteainete kontsentratsioonidest ning katalüsaatoritest segus, samuti tegeletakse katalüsaatori ja reaktsioonitingimuste seadmisega vastavaks mõistlikule reaktsioonikiirusele.

Statistiline mehaanika

Tõsiasi, et reaktsiooni kulgemise kiirust saab tihtipeale mõjutada vaid väikese kontsentratsioonide või temperatuuri muutusega ning kõigi molekulide segus paiknemise ning kiiruse teadmine pole oluline, on füüsikalise keemia põhitõdede üks erijuhte. Tänu sellele teadmisele saab protsesse, millest võtab osa tohutult palju osakesi, ligikaudu Avogadro 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, kirjeldab statistiline mehaanika – eriala, mis kuulub füüsika 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]

Ajalugu

18. sajand

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.

19. sajand

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. aastal Wilhelm Ostwald ja Jacobus Henricus van ’t Hoff. Koos Svante 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]

20. ja 21. sajand

Järgnevatel aastakümnetel aset leidnud areng kätkes endas statistilise mehaanika üle toomist keemilisse süsteemi. Samuti töötati kolloid- ja pindnähtuste keemia vallas, millele andis oma suure panuse Irving Langmuir. Oluliseks verstapostiks oli ka 1930. aastatel kvantmehaanika areng kvantkeemiaks. Selle ülemineku üheks eestvedajaks oli Linus 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 tulevad astrokeemia vallast,^[12] samuti ka arengutest algoritmite arvutustes. Viimaseid kasutatakse füüsikalis-keemiliste omaduste kirjeldamiseks: keemistemperatuur, kriitiline punkt, pindpinevus ja aururõhk. Tundes vaid aine keemilist struktuuri, on võimalik rohkem kui kahtekümmet sarnast omadust täpselt välja arvutada.

Teaduslikud ajakirjad

All on välja toodud mõned ajakirjad, mis käsitlevad füüsikalist keemiat:

Zeitschrift für Physikalische Chemie (1887)
Journal of Physical Chemistry A (1896)
Physical Chemistry Chemical Physics (1905)
Macromolecular Chemistry and Physics (1947)
Annual Review of Physical Chemistry (1950)
Molecular Physics (1957)
Journal of Physical Organic Chemistry (1988)
Journal of Physical Chemistry B (1997)
ChemPhysChem (2000)
Journal of Physical Chemistry C (2007)
Journal of Physical Chemistry Letters(2010)

Sulgudes toodud aastaarvud tähistavad antud ajakirjade esmase ilmumise aastat.

Allikad

↑ Torben Smith Sørensen (1999). Surface chemistry and electrochemistry of membranes. CRC Press. Lk 134. ISBN 0-8247-1922-0.
↑ ^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.
↑ Atkins, Peter and Friedman, Ronald (2005). Molecular Quantum Mechanics, p. 342. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-927498-3.
↑ Landau, L. D. and Lifshitz, E. M. (1980). Statistical Physics, 3rd Ed. p. 52. Elsevier Butterworth Heinemann, New York. ISBN 0-7506-3372-7.
↑ ^5,0 ^5,1 Hill, Terrell L. (1986). Introduction to Statistical Thermodynamics, p. 1. Dover Publications, New York. ISBN 0-486-65242-4.
↑ Schmidt, Lanny D. (2005). The Engineering of Chemical Reactions, 2nd Ed. p. 30. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-516925-5.
↑ Schmidt, Lanny D. (2005). The Engineering of Chemical Reactions, 2nd Ed. p. 25, 32. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-516925-5.
↑ Chandler, David (1987). Introduction to Modern Statistical Mechanics, p. 54. Oxford University Press, New York. ISBN 978-0-19-504277-1.
↑ Alexander Vucinich (1963). Science in Russian culture. Stanford University Press. Lk 388. ISBN 0-8047-0738-3.
↑ Josiah Willard Gibbs, 1876, "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances", Transactions of the Connecticut Academy of Sciences
↑ Laidler, Keith (1993). The World of Physical Chemistry. Oxford: Oxford University Press. Lk 48. ISBN 0-19-855919-4.
↑ Herbst, Eric (12. mai 2005). "Chemistry of Star-Forming Regions". Journal of Physical Chemistry A. 109: 4017–4029. DOI:10.1021/jp050461c. PMID 16833724.

[[Kategooria:Füüsikaline keemia| ]] [[Kategooria:Keemia]]

[1] Torben Smith Sørensen (1999). Surface chemistry and electrochemistry of membranes. CRC Press. Lk 134. ISBN 0-8247-1922-0.

[Atkins249-2] 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.

[3] Atkins, Peter and Friedman, Ronald (2005). Molecular Quantum Mechanics, p. 342. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-927498-3.

[4] Landau, L. D. and Lifshitz, E. M. (1980). Statistical Physics, 3rd Ed. p. 52. Elsevier Butterworth Heinemann, New York. ISBN 0-7506-3372-7.

[Hill1-5] 5,0 ^5,1 Hill, Terrell L. (1986). Introduction to Statistical Thermodynamics, p. 1. Dover Publications, New York. ISBN 0-486-65242-4.

[6] Schmidt, Lanny D. (2005). The Engineering of Chemical Reactions, 2nd Ed. p. 30. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-516925-5.

[7] Schmidt, Lanny D. (2005). The Engineering of Chemical Reactions, 2nd Ed. p. 25, 32. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-516925-5.

[Chandler-8] Chandler, David (1987). Introduction to Modern Statistical Mechanics, p. 54. Oxford University Press, New York. ISBN 978-0-19-504277-1.

[9] Alexander Vucinich (1963). Science in Russian culture. Stanford University Press. Lk 388. ISBN 0-8047-0738-3.

[10] Josiah Willard Gibbs, 1876, "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances", Transactions of the Connecticut Academy of Sciences

[11] Laidler, Keith (1993). The World of Physical Chemistry. Oxford: Oxford University Press. Lk 48. ISBN 0-19-855919-4.

[12] Herbst, Eric (12. mai 2005). "Chemistry of Star-Forming Regions". Journal of Physical Chemistry A. 109: 4017–4029. DOI:10.1021/jp050461c. PMID 16833724.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]