معرفی شیمی فیزیک

معرفی شیمی فیزیک | معرفی رشته شیمی فیزیک :

معرفی شیمی فیزیک :

شیمی فیزیک (Physical Chemistry) پایه ای ترین زیر شاخه شیمی که مسائل و پدیده های شیمی را با قواعد و اصول فیزیک حل و همچنین روابط بسیار پیچیده و غیر قابل فهم شیمی را با زبان ریاضی قابل فهم و درک آن را آسان میکند.

شیمیدانان معروفی مانند جوسایا ویلارد گیبس (Josiah willard Gibbs) ، هرمان وون هلمهوتز (Hermann von Helmhoitz) ، سوانت آرنیوس (Svanta Arrhenius) ، والترهرمان نرنست (Walther Hermann Nernst) و شرودینگر (Schrodingr) هریک در زمینه شیمی فیزیک فعالیت های گسترده  و نقش مهمی در پیشرفت این علم داشته اند.

تاریخچه علم شیمی فیزیک :

اصطلاح “شیمی فیزیکی” توسط میکائیل لومونسو ( Mikhail Lomonosov ) در سال  1752به کار برده شد . او در دانشگاه پترزبورگ (Petersburg) یک دوره سخنرانی تحت عنوان “دوره ای در شیمی فیزیک واقعی” ارائه کرد ، که در پیشگفتار این سخنرانی ها، میگویید : “شیمی فیزیک علمی است که باید تحت مفاهیم آزمایش های فیزیکی توضیح داده شود که به چه دلیل در بدن واکنش های پیچیده شیمیای اتفاق می افتد”.

شیمی فیزیکی مدرن در دهه 1860 تا 1880 با کار بر روی ترمودینامیک شیمیایی ، الکترولیت ها در محلول ها ، سینتیک شیمیایی و سایر موضوعات مطرح شد . یک نقطه عطف در سال 1876 توسط جوسایا وییلارد گیبس از مقاله او، در تعادل مواد نامتقارن منتشر شد . این مقاله چندین سنگ بنای شیمی فیزیکی مانند انرژی گیبس ، پتانسیل های شیمیایی و قانون فاز گیبس را معرفی کرد .

اولین مجله علمی به طور خاص در زمینه شیمی فیزیک ، مجله آلمانی Zeitschrift für Physikalische Chemie بود که در سال  1887توسط ویلهلم استوالد (Wilhelm Ostwald) و ژاکوبوس هنریکوس وان تی هوف (Jacobus Henricus van ‘t Hoff ) نوشته شد . این دو دانشمند و سوانته آگوست آرنیوس(Svante August Arrhenius)  در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیست از چهره های برجسته در شیمی فیزیکی بودند. هر سه این دانشمندان مشهور جایزه نوبل شیمی در بین سالهای 1901 تا 1909 را دریافت کردند.

تحولات در دهه های بعدی توسط ایروینگ لانگمویر (Irving Langmuir) بااستفاده ازمکانیک آماری به سیستم های شیمیایی و کار بر روی کلوئید و شیمی سطح صورت گرفت . یکی دیگر از گام مهم ، توسعه مکانیک کوانتومی به شیمی کوانتومی از دهه 1930 با فعالیت های  لینوس پائولینگ (Linus Pauling) آغاز شد . و در ادامه پیشرفت های تئوریک با پیشرفت های روش های تجربی رو به رو شد ، جایی که استفاده از اشکال مختلف طیف سنجی مانند طیف سنجی مادون قرمز، طیف سنجی مایکروویو ، رزونانس مغناطیسی الکترون و طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته، احتمالا مهمترین توسعه قرن بیست و یکم است .

توسعه بیشتر در شیمی فیزیکی ممکن است به اکتشافات در شیمی هسته ای به ویژه در جداسازی ایزوتوپ (عناصری که عدد اتمی یکسان و عدد اتمی متفاوت دارند ) (پیش از و در طی جنگ جهانی دوم) ، همچنین توسعه الگوریتم های محاسباتی در زمینه افزودنی خواص فیزیکی و شیمیایی (تقریبا تمام خواص فیزیکی و شیمیایی مانند نقطه جوش، نقطه بحرانی، کشش سطحی، فشار بخار و… ) باشد.

شیمی فیزیک و ارتباط آن با دیگر علوم :

شیمی فیزیک علم بسیار گسترده ای است که با رشته های زیادی از زیست شناسی تا فیزیک نظری در ارتباط است و پلی میان علوم دیگر ایجاد کرده است. شیمی فیزیک همچنین با ریاضیات ، فیزیک حالت جامد ، فیزیک اتمی و مولکولی رابطه عمقی دارد زیرا در شیمی کوانتوم مفاهیم ریاضی پیچیده ای وجود دارد که با کمک این علوم قابل درک میشود.

تنها تفاوت شیمی فیزیک با علم فیزیک نپرداختن به فیزیک ذرات است که دانشمندان شیمی فیزیک به مطالعه فیزیک ذرات نیز میپردازند زیرا در طیف سنجی با دنیای ذرات نیز سروکار دارند.

رشته بیوشیمی فیزیک از ترکیب شیمی فیزیک با زیست شناسی بوجود آمده که در این رشته شیمی فیزیک به بررسی مولکول های زیستی پرداخته است.

شیمی فیزیک با ریاضیات پیشرفته ، مهندسی شیمی ، مهندسی مواد ، مکانیک و فیزیک (در زمینه نانو ، شیمی سطح ، کوانتوم ، طیف سنجی مولکولی ، ترمودینامیک و شیمی هسته ای ) ارتباط عمق و تنگاتنگی دارد.

زیر شاخه های شیمی فیزیک :

1. ترمودینامیک :

ترمودینامیک از اصولی ترین بخش های شیمی فیزیک است که با مطالعه آن بخش وسیعی از شیمی فیزیک قابل حل و درک میشود. ترمودینامیک به بررسی خواص ماکروسکوپی مواد و قوانین مربوط به خواصی که برای انسال قابل فهم تر باشد میپردازد . ترمودینامیک به بخش میکروسکوپی مواد مربوط نمیشود به طوری که بسیاری از قوانین ترمودینامیکی قبل از کشف ذره و اتم بیان شده است.

از دانشمندانی که در این زمینه فعالیت داشته اند و موفقیت های زیادی که باعث پیشرفت و گسترش ترمودینامیک شده کسب کرده اند میتوان : کلوین ، نرنست ، رادرفورد ، کلازیوس ، گیبس ، بولتزمن ، سدی کارنو ، ماکسول ، پلانک ، ژول ، رابرت مایر و رابرت بویل را نام برد.

2. سینتیک :

سینتیک بخشی از شیمی فیزیک است که به بررسی واکنش های شیمیایی ، مکانیزم و سرعت انجام واکنش ها میپردازد. این زیرشاخه شیمی فیزیک نسبت به زیر شاخه های دیگر کاربرد بیشتری در صنعت دارد مانند : طراحی راکتورهای صنعتی ، کاتالیز واکنش های شیمیایی ، مطالعات بیوشیمیایی مخصوصا در سرعت آنزیم ها و…

به عنوان مثال : کاتالیزورها در سینتیک بسیار مهم هستند و سرعت واکنش ها را افزایش میدهند . آنزیم ها مهمترین کاتالیزورها میباشند مانند ” آنزیم آدنوزین تری فسفاتاز ” که سرعت تبدیل آدنوزین تری فسفات (ATP) را به آدنوزین دی فسفات (ADP) افزایش میدهد و اگر آنزیم نبود این واکنش به کندی صورت میگرفت و آدنوزین تری فسفات که در محلول های آبی ناپایدار است از بین میرفت .

3. مکانیک آماری :

مکانیک آماری به کمک قوانین میکروسکوپی ماده ، آمار و احتمالات به خواص ماکروسکوپی ماده پی میبرد و راه ارتباطی بین کوانتوم و ترمودینامیک برقرار میکند. به عنوان مثال معادله حالت گاز کامل در ابتدا ترکیبی از قوانین بویل ، شارل و آوواگادرو بصورت تجربی بدست آمده بود که با کمک مکانیک آماری با چند فرض ساده حالت گاز کامل قابل اثبات است.

4. کوانتوم :

کوانتوم به مطالعه و بررسی خواص میکروسکوپی (ذره ، اتم ، مولکول) میپردازد و تنها علمی است که میتواند دنیای میکروسکوپی را توجیه کند و مکانیک کلاسیک در بخش کوانتوم و خواص میکروسکوپی ناتوان است.

شرودینگر و هایزنبرگ پایه گذارهای علم کوانتوم بودند که دانشمندانی چون فایمن ، دیراک ، اپتهایمر ،بورن ، دوبروی ، پلانک و … نیز به مطالعه و گسترش این علم پرداختند.

کاربرد های شیمی فیزیک :

1. با استفاده از مطالعه الکتروشیمی میتوان علت خوردگی فلز را کشف و از ضررهای اقتصادی و اجتماعی این اتفاق جلوگیری کرد .

2. قوانین ترمودینامیک مانند ” نقطه اتکیتک (Eutectic point) “برای جلوگیری ضررهای مالی و جانی مانند یخ بندان بسیارمهم وکاربردی است.

3. تمامی پیل ها ، باطری های ماشین و گوشی توسط علم شیمی فیزیک طراحی شده است .

4. ساخت قطعات الکترونیکی ، ترانزیستورها و… همگی به کمک شیمی فیزیک ، شیمی سطح و حالت جامد بوجود آمده .

5. با کمک سینتیک وترمودینامیک طراحی سوخت موشک ها انجام میشود .