Φυσικοχημεία

Η Φυσικοχημεία (αγγλ. physical chemistry) είναι επιστημονικός κλάδος της Χημείας με κύριο αντικείμενο τη μελέτη των φυσικών φαινομένων που παρατηρούνται στα χημικά συστήματα (εφαρμογή αρχών, νόμων και θεωριών της Φυσικής σε προβλήματα της Χημείας). Η Φυσικοχημεία, όπως φανερώνει και το όνομά της, θα μπορούσε να θεωρηθεί και ως ο συνδετικός κρίκος μεταξύ της Φυσικής και της Χημείας.

Ιστορία

Από την έναρξη της συστηματικότερης και λογικά θεμελιωμένης μελέτης της Χημείας, δηλαδή από την ανατροπή της Αλχημείας και μετέπειτα, και μέχρι τα μέσα του 19^ου αιώνα, οι χημικοί βασίστηκαν εξ' ολοκλήρου σε πειραματικές τεχνικές για την εξαγωγή συμπερασμάτων για τη σύσταση, τη δομή και τη δραστικότητα των χημικών ενώσεων. Πιο συγκεκριμένα, έπειτα από την πραγματοποίηση πειραμάτων, οι επιστήμονες συνέλεγαν τα δεδομένα και πρότειναν θεωρίες για τη λογική ερμηνεία τους.

Αυτή η διαδικασία είχε, όμως, δύο προβλήματα. Το πρώτο από αυτά ήταν πως οι περισσότερες θεωρίες ήταν ποιοτικού και όχι ποσοτικού χαρακτήρα. Δηλαδή, με χρήση αυτών μπορούσαν να γίνουν κάποιες προβλέψεις, αλλά όχι μαθηματικοποιημένα (π.χ. ήταν γνωστό πως ο άνθρακας σχηματίζει πάντοτε 4 δεσμούς, αλλά ήταν πολύ δύσκολο να προσδιορισθεί το μήκος του κάθε δεσμού μόνο βάσει της θεωρίας). Το δεύτερο πρόβλημα ήταν πως ορισμένες παρατηρήσεις δε μπορούσαν να ερμηνευθούν μόνο από την εμπειρία και τις θεωρίες της Χημείας. Τα δύο αυτά προβλήματα αντιμετωπίσθηκαν, κυρίως, με την ανάπτυξη του πεδίου της Φυσικοχημείας, τόσο της πειραματικής, όσο και της θεωρητικής Φυσικοχημείας.

Την περίοδο εκείνη στη Φυσική είχε δημιουργηθεί και αναπτυχθεί μια πολλά υποσχόμενη θεωρία, η θεωρία της Θερμοδυναμικής (θεωρία που ασχολείται με τη μεταφορά και τη μετατροπή σε άλλες μορφές ενέργειας της θερμότητας). Κάποιοι επιστήμονες (J.W. Gibbs, J.H. van 't Hoff, S.A. Arrhenious, F.W. Ostwald, G.N. Lewis, W.H. Nernst και άλλοι), λοιπόν, προσπάθησαν και κατόρθωσαν να χρησιμοποιήσουν τη θεωρία αυτή προκειμένου να ερμηνεύσουν φαινόμενα της Χημείας, όπως είναι η αυθορμησία των χημικών αντιδράσεων (δηλαδή το κατά πόσον μια αντίδραση μπορεί να συμβεί από μόνη της σε δεδομένες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας), δημιουργώντας έτσι έναν χώρο που σήμερα καλείται Χημική Θερμοδυναμική. Τα χρόνια που ακολούθησαν, και αφού είχαν γίνει φανερά τα πλεονεκτήματα της προσέγγισης των χημικών συστημάτων από τη σκοπιά του φυσικού, αρκετοί φυσικοί (E. Rutherford, F. Hund, P. Debye, W. Kohn και άλλοι) και χημικοί (O. Hahn, L.C. Pauling, R.S. Mulliken, J. Pople και άλλοι) μετέφεραν στοιχεία από διάφορες θεωρίες της Φυσικής στην Χημεία. Έτσι, δημιουργήθηκαν πεδία όπως η Ηλεκτροχημεία και η Κβαντική Χημεία (βλέπε την παράγραφο «Υποκλάδοι της Φυσικοχημείας»), ενώ η Φυσικοχημεία μετατράπηκε σε έναν από τους τέσσερις βασικούς κλάδους της Χημείας (οι άλλοι τρεις είναι οι: Ανόργανη Χημεία, Οργανική Χημεία και Αναλυτική Χημεία).

Η Φυσικοχημεία προσφέρει βασικά δύο πλεονεκτήματα σε σχέση με την κλασική θεώρηση της Χημείας. Το πρώτο από αυτά είναι πως ορίζει πολλές έννοιες μαθηματικά, προσφέροντας μεγάλη ακρίβεια καθώς και τη δυνατότητα θεωρητικών υπολογισμών πολλών χημικών και φυσικοχημικών μεγεθών και ιδιοτήτων, ενώ το δεύτερο είναι πως χρησιμοποιεί καλά ορισμένες (από την επιστήμη της Φυσικής) έννοιες, όπως για παράδειγμα είναι η δύναμη, για τη βαθύτερη και με μεγάλη ακρίβεια μελέτη των χημικών συστημάτων. Να σημειωθεί εδώ πως εκτός των θεωρητικών εξισώσεων, μέσω της Φυσικής, προσφέρθηκε στη Χημεία η δυνατότητα ανάπτυξης εξειδικευμένης οργανολογίας για τη μελέτη των προβλημάτων της, (π.χ. φωτόμετρα, φασματοφωτόμετρα, όργανα κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ, εκλεκτικά ηλεκτρόδια ιόντων και άλλα).

Υποκλάδοι της Φυσικοχημείας

Ο κλάδος της Φυσικοχημείας αποτελείται, βασικά, από τους εξής επιμέρους υποκλάδους:

• Χημική Θερμοδυναμική (περιλαμβάνει την Θερμοχημεία): εφαρμογή των νόμων της Θερμοδυναμικής στις χημικές αντιδράσεις

• Στατιστική Θερμοδυναμική: μελέτη συστημάτων μεγάλου αριθμού μορίων (που το καθένα εμφανίζει διαφορετική συμπεριφορά) με βάση μία μέση προσέγγιση (Στατιστική) καθώς και με χρήση των νόμων της Θερμοδυναμικής όχι σε μακροσκοπικό, αλλά σε μικροσκοπικό επίπεδο

• Χημική Κινητική: μελέτη της ταχύτητας και των μηχανισμών των χημικών αντιδράσεων

• Ηλεκτροχημεία: μελέτη των χημικών συστημάτων στα οποία υπάρχει μεταφορά ηλεκτρικών φορτίων

• Κβαντική Χημεία: εφαρμογή των νόμων της Κβαντικής Μηχανικής στα άτομα και τα μόρια, για τη διερεύνηση της δομής και της δραστικότητας των χημικών ενώσεων, με τη χρήση μαθηματικών μοντέλων και των Η/Υ

• Φασματοσκοπία: μελέτη της αλληλεπίδρασης του φωτός με την ύλη και εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τη δομή των χημικών ενώσεων

Το αντικείμενο της Φυσικοχημείας

Ειδικότερα, η Φυσικοχημεία εισχωρεί στην βαθύτερη έρευνα της δομής των ατόμων, των μορίων και των κρυστάλλων καθώς και των μειγμάτων αυτών στις διάφορες φυσικές τους καταστάσεις (στερεά, υγρά, αέρια, υπερκρίσιμα ρευστά, κατάσταση πλάσματος), ενώ ασχολείται, επίσης, με τις φυσικές πτυχές των χημικών αντιδράσεων (π.χ. θερμότητα αντίδρασης).

• Δομή στοιχείων και ενώσεων.

Στη σύγχρονη Φυσική και Χημεία, για την περιγραφή της σύστασης και της δομής της ύλης σε μικροσκοπικό επίπεδο, βασικό ρόλο έχουν η ατομική και η κβαντική θεωρία.

Με βάση την ατομική θεωρία όλα τα υλικά σώματα αποτελούνται από διαφόρων τύπων άτομα (χημικά στοιχεία) και από μόρια και κρυστάλλους που προκύπτουν από τη σύνδεση των ατόμων μεταξύ τους (χημικές ενώσεις). Τα άτομα, τα μόρια και οι κρύσταλλοι είναι οι ελάχιστες ποσότητες ύλης που διατηρούν τις φυσικές και χημικές ιδιότητές τους.

Πιο συγκεκριμένα, τα άτομα αποτελούνται από έναν θετικά φορτισμένο πυρήνα, που περιλαμβάνει τα πρωτόνια και τα νετρόνια, ενώ γύρω από αυτόν υπάρχουν και κινούνται τα ηλεκτρόνια. Η συμπεριφορά των υποατομικών σωματιδίων (πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια) δεν είναι κλασική, αλλά απαιτείται η κβαντική θεωρία για να την περιγράψει με πλήρη και ακριβή τρόπο. Όσον αφορά τα ηλεκτρόνια -στα οποία στηρίζεται ο σχηματισμός των χημικών δεσμών μεταξύ των διαφόρων ατόμων- η συμπεριφορά τους μέσα στα άτομα και τα μόρια περιγράφεται από πιθανοκρατικούς και όχι από αιτιοκρατικούς νόμους, πράγμα που δυσκολεύει την διαισθητική κατανόησή τους (ακόμα η ενέργεια σε ατομικό και μοριακό επίπεδο είναι κβαντισμένη, δηλαδή λαμβάνει διακριτές και όχι συνεχείς τιμές, σε αντίθεση με τα μακροσκοπικά συστήματα).

Να παρατηρηθεί εδώ πως οι δύο αυτές θεωρίες μας εξηγούν πως η ύλη είναι ασυνεχής.

• Φυσικοχημική μελέτη μειγμάτων.

Ένα σύστημα που περιέχει αναμεμειγμένα στοιχεία, ενώσεις και κρυστάλλους καλείται μείγμα. Οι ιδιότητες κάθε μείγματος επηρεάζονται σημαντικά από τη φύση και την αναλογία των διαφόρων συστατικών του καθώς και από παραμέτρους όπως είναι η πίεση και η θερμοκρασία. Για την φυσικοχημική περιγραφή ενός μείγματος υπάρχουν δύο βασικές θεωρίες, η Θερμοδυναμική και η Στατιστική Θερμοδυναμική.

Η Θερμοδυναμική εξετάζει τα συστήματα μέσω των μεταβολών τους και σε μακροσκοπικό επίπεδο. Μάλιστα, εστιάζει στην παραγωγή, τη μεταφορά και τη μετατροπή από ή προς άλλες μορφές ενέργειας της θερμότητας

Αντίθετα, η Στατιστική Θερμοδυναμική μελετά μικροσκοπικά ένα σύστημα, δηλαδή ως ένα σύνολο μικροσκοπικών χημικών ειδών που ακολουθούν μια μέση (με μικρές, στατιστικά, αποκλείσεις) συμπεριφορά. Αναλυτικότερα, βάσει αυτής της προσέγγισης προσδιορίζονται μεγέθη όπως είναι οι μέση ταχύτητα ή η μέση δύναμη που δέχεται ένα χημικό είδος.

• Φυσικοχημική μελέτη χημικών αντιδράσεων.

Ως χημική αντίδραση ορίζεται, στη Χημεία, η μεταβολή της δομής και συνήθως και της σύστασης μίας ή περισσοτέρων χημικών ενώσεων υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Εκτός από τη μεταβολή της δομής και της σύστασης, σε μια αντίδραση μπορούν να υπάρξουν και άλλα, ταυτόχρονα εξελισσόμενα φυσικά φαινόμενα, όπως, για παράδειγμα, είναι η έκλυση και η μεταφορά θερμότητας από το σύστημα στο οποίο πραγματοποιείται η αντίδραση προς τον περιβάλλοντα χώρο. Ενώ η χημικές αντιδράσεις και τα αποτελέσματά τους σε δομικό επίπεδο ανήκουν στο χώρο της «καθαρής» Χημείας, για την περιγραφή των φυσικών μεταβολών που συνδέονται με ένα χημικό μετασχηματισμό απαιτείται η χρήση εννοιών της Φυσικής. Σε μεγάλο βαθμό για τη μελέτη μιας αντίδρασης χρησιμοποιούνται η Θερμοδυναμική καθώς και η ατομική και η κβαντική θεωρία (περισσότερο τα ατομικά και μοριακά τροχιακά).

Εφαρμογές

Οι Φυσικοχημικοί μετρούν (ή προσδιορίζουν με θεωρητικό τρόπο) διάφορα φυσικά μεγέθη, όπως είναι η θερμότητα ή ο ηλεκτρισμός που μπορεί να προκύψει από μια χημική αντίδραση, και τα οποία είναι αρκετά σημαντικά. Η Φυσικοχημεία, όπως άλλωστε και γενικότερα η Φυσική και η Χημεία, έχει πολλές πρακτικές εφαρμογές, κάποιες εκ των οποίων περιγράφονται παρακάτω.

• Κατασκευή γαλβανικών στοιχείων (μπαταρίες).
• Βελτίωση φωτοβολταϊκών συστημάτων.
• Σχεδιασμός νέων υλικών με τις επιθυμητές ιδιότητες (π.χ. σκληρότητα, θερμική ανθεκτικότητα, αγωγιμότητα, μαγνητικές ιδιότητες, χρώμα και άλλα).
• Σχεδιασμός νέων ενώσεων (π.χ. φαρμακευτικές ενώσεις) με την απαιτούμενη δομή, άρα και χημική δραστικότητα, για την αντιμετώπιση διαφόρων προβλημάτων της ανθρώπινης υγείας.
• Ανάπτυξη αποδοτικότερων και πιο φιλικών προς το περιβάλλον μεθοδολογιών για την εργοστασιακή παραγωγή διαφόρων προϊόντων.
• Άλλες εφαρμογές.

Δείτε επίσης

• Φυσική και Χημεία
• Θερμοδυναμική και Θερμοχημεία
• Χημική Κινητική
• Ηλεκτροχημεία
• Κβαντική μηχανική και Κβαντική χημεία
• Φασματοσκοπία

Προτεινόμενη βιβλιογραφία

• P. Atkins & J. de Paula, Φυσικοχημεία (μετάφραση 9^ης ξενόγλωσσης έκδοσης), Πανεπιστημιακές εκδόσεις Κρήτης, 2015, ISBN 978-960-524-431-6
• Ν.Α. Κατσάνος, Φυσικοχημεία: Βασική Θεώρηση (έκδοση 3^η-συμπληρωμένη), Εκδόσεις «ΠΑΠΑΖΗΣΗ», 1999, ISBN 9789600204483
• D.D. Ebbing & S.D. Gammon, Γενική Χημεία (6^η έκδοση), Εκδόσεις «Τραυλός», ISBN 960-7990-66-8