Фізи́чна хі́мія — галузь науки, яка вивчає хімічні явища та процеси на основі загальних принципів фізики з використанням фізичних експериментальних методів.
На відміну від хімічної фізики, яка використовує мікроскопічний підхід, фізична хімія застосовує фізичні поняття для вивчення макро- і мезоскопічних систем. Проте, оскільки фізична хімія є міждисциплінарною наукою, класифікувати конкретне дослідження як чисто фізичне, хімічне, приналежне до фізичної хімії чи до хімічної фізики, часто доволі складно.
Історія Термін «фізична хімія», використаний Михайлом Ломоносовим у назві свого рукописного конспекта у XVIII столітті (, 1752 рік), мав описово-філософський зміст і означав спробу якісно пояснювати хімічні явища через загальні фізичні уявлення того часу (рух, тепло, вага, механіка). Він не базувався і не міг базуватися на законах, методах і математичному апараті, які визначають сучасну фізичну хімію, і яка почала зароджуватися в другій половині XIX ст. Хіміки того часу поділялися на «органіків» і «неорганіків», які постійно конфліктували. Хіміки-органіки дедалі більше зосереджувалися на синтезі нових сполук та їхньому композиційному аналізі. Розуміння між ними було ускладнене відсутністю таких понять, як стереохімія та ізомерія, нерозумінням природи хімічної спорідненості, не існувало узгодженої атомної теорії. 1860 року німецький хімік Авґуст Кекуле організував у Карлсруе, можливо, першу міжнародну наукову конференцію, яка мала узгодити трактування основних хімічних понять. Близько 140 хіміків, які приїхали на конференцію, так і не змогли прийти до згоди. Хіміки здебільшого не цікавилися такими питаннями, як природа та міцність хімічного зв'язку або швидкість реакцій; всі їхні зусилля були спрямовані на методи синтезу та складні спроби визначити кількість різних атомів у щойно синтезованій сполуці.
Та був один вчений, Вільгельм Оствальд, який вважав, що хіміки занадто вузько зосереджуються на складі, структурі та властивостях речовин, які беруть участь у хімічних процесах, натомість потрібно вивчати умови, за яких утворюються та розкладаються сполуки, враховуючи хімічну спорідненість, рівноваги, швидкості реакції. 1887 року, у молодому віці 34 років, він посів кафедру хімії в Лейпцизькому університеті, одному з центрів німецьких досліджень. Він спочатку назвав свій інститут (так у Німеччині тоді називали кафедри) Інститутом загальної хімії; назва «фізична хімія» з'явилася трохи пізніше, і вже до кінця 1890-х років була широко вживаною. На думку Оствальда, фізика була необхідна для прогресу хімії, бо вже перейшла від описової стадії до визначення загальних законів явищ, чого ще не досягла хімія.
У Лейпцигу Оствальд установив контакт із двома вченими, яких разом з ним уважають засновниками фізичної хімії: голландцем Якобом Вант-Гоффом (1852—1911) та шведом Сванте Арреніусом (1859—1927). Ван Гофф починав як хімік-органік, а на момент отримання докторського ступеня 1874 року вже заропонував модель тетраедричного атома вуглецю, що дало початок сучасній органічній стереохімії. З 1878 року він розпочав дослідження у галузі фізичній хімії, зокрема, динаміки реакцій, осмотичного тиску в розчинах та поліморфізму. 1901 року йому була присуджена перша Нобелівська премія з хімії.
Арреніус розпочинав свою наукову кар'єру як фізик. Будучи професором фізики у Стокгольмі, представив дисертацію про електропровідність водних розчинів солей. 1903 року він отримав Нобелівську премію з хімії й був здивований, що не з фізики, бо дальше вважав себе фізиком. Його досягненням було визнання та доказ того, що солі при розчиненні у воді дисоціюють на заряджені частинки, які згодом стали називатися іонами. Арреніус також визнав, що іонна дисоціація може відбуватися без підведення струму, що на той час вимагало великої наукової відваги. Саме робота Арреніуса з іонної дисоціації зблизила його з Оствальдом, який одразу прийняв його ідеї та сприяв його кар'єрі. Учені-матеріалознавці цінують його також за рівняння швидкості хімічної реакції з експоненціальною залежністю від температури (1889). Насправді рівняння вперше запропонував Вант-Гофф, але Арреніус стверджував, що висновок Вант-Гоффа не був бездоганним (тепер рівняння називають на честь Арреніуса, а не Вант-Гоффа).
Ще одним визначним вченим, який захопився вивченням іонів у розчинах був Вальтер Нернст, якого Оствальд запросив до співпраці у Лейпцигу. Нернст зосередився на теорії електрохімії, з часом опублікував книгу під назвою «Теоретична хімія з позицій правила Авогадро та термодинаміки».
Визначний внесок у становлення фізичної хімії зробив Джозая Віллард Ґіббз. Праці Гіббса заклали теоретичний фундамент фізичної хімії, надавши їй строгий термодинамічний апарат для опису хімічної рівноваги, фазових переходів і хімічних процесів, перетворивши її на математично обґрунтовану наукову дисципліну. Він увів поняття вільної енергії та хімічного потенціалу, що дозволило: формально описувати хімічну рівновагу; визначати напрям і границі хімічних реакцій; об’єднати хімічні, фазові та теплові явища в єдиній теорії. Сформульоване ним правило фаз стало базовим інструментом фізичної хімії та матеріалознавства, оскільки дало критерій для аналізу багатофазних систем, фазових діаграм.
Сприйняття фізичної хімії як нової дисципліни на початку XX століття було підтверджене Нобелівськими преміями для трьох його засновників (Вант-Гофф — 1901, Арреніус — 1903, Оствальд — 1909), успішним промисловим застосуванням її ідей, визнанням в університетах (у міжвоєнний період фізична хімія міцно утвердилася у європейських і американських університетах). Перша кафедра фізичної хімії в Україні була створена у вересні 1900 року в Київському політехнічному інституті (нині НТУУ «КПІ ім. Ігоря Сікорського») під керівництвом професора Володимира Тимофєєва Натомість, ще 1865 року курс фізичної хімії прочитав у Харківському університеті один із творців фізичної хімії академік Микола Бекетов, рік по тому — для інженерів у Харківському Технологічному інституті, що було на десятки років раніше, ніж у багатьох західноєвропейських університетах. Окрема кафедра фізичної хімії Харківському Технологічному інституті була створена пізніше 1926 року.
Ще одним утвердженням фізичної хімії стало успішне створення нових присвячених їй наукових журналів після її поступового проникнення в існуючі хімічні журнали. Перший журнал, повністю присвячений фізичній хімії, був заснований Оствальдом і Вант-Гоффом 1887 року в Лейпцигу. Початкова назва журналу була (пізніше її скоротили до Zeitschrift für physikalische Chemie). Дев'ять років по тому в США (1867-1953), учень і послідовник Оствальда, заснував «Journal of Physical Chemistry».
Розвиток спектроскопії, рентгенівських методів досліджень, методів електронного та ядерного магнітного резонансів надав хімікам нові інструменти й розширив можливості їхніх досліджень. Виникла можливість установлення взаємозв'язку між хімічною структурою та властивостями речовин. Квантова механіка призвела до появи квантової хімії.
У XX ст. методи фізичної хімії стали застосовуватися для вивчення колоїдів та поверхневих властивостей речовин, сформувалися колоїдна хімія та хімія поверхні. Завдяки розвитку ядерної фізики виникла також і ядерна хімія, серед задач якої виділяється проблема розділення ізотопів та використання радіоізотопів у радіохімії. Серед провідних дослідників у галузі фізичної хімії у XX ст. виділяються Ірвінг Ленгмюр та Лайнус Полінг.
Основні напрямки досліджень
Основними напрямками досліджень фізичної хімії є:
Теорія хімічної будови. Вивчення будови хімічних речовин і проміжних частинок у хімічних процесах із використанням фізико-хімічних методів. Теорія хімічних реакцій, кінетика й механізм реакцій у газах, рідинах, твердих тілах і молекулярно організованих системах. Хімічна термодинаміка й фазова рівновага в хімічних системах. Поверхневі явища: адсорбція, адсорбенти, іонообмінники. Фотохімічні явища та процеси. Хімічний зв'язок, міжмолекулярна взаємодія, теорія розчинів. Взаємозв'язок хімічної будови речовин з їх реакційною здатністю. Елементарні акти механізмів динаміки хімічних процесів. Вплив фізичних факторів — температури, тиску, ультрафіолетового, інфрачервоного, радіаційного та інших видів випромінювання, електричного та магнітного полів тощо на хімічні процеси. Нові фізико-хімічні методи досліджень. Хімія ізотопів та радіохімія.
Відмінність між фізичною хімією та хімічною фізикою Обидві ці науки знаходяться на стику між хімією та фізикою, іноді хімічну фізику включають до складу фізичної хімії. Провести чітку межу між цими науками не завжди можливо. Однак з достатнім ступенем точності цю відмінність можна визначити так:
фізична хімія розглядає сумарно процеси, що протікають з одночасною участю безлічі частинок; хімічна фізика розглядає окремі частинки та взаємодію між ними, тобто конкретні атоми та молекули (таким чином, у ній немає місця поняття «ідеальний газ», яке широко використовується у фізхімії).
Розділи фізичної хімії Теоретична хімія — дослідження та передбачення властивостей окремих молекул чи макроскопічних кількостей речовини за допомогою математичного апарату та комп'ютерних симуляцій. Для розуміння будови матерії та хімічного зв'язку використовують квантову механіку, а статистична термодинаміка дозволяє знайти взаємозв'язок із хімічною термодинамікою макроскопічних об'єктів. Будова речовини, властивості молекул, іонів, радикалів, природу хімічного зв'язку — у цей розділ входить вчення про будову атомів і молекул і вчення про агрегатні стани речовини. Вчення про будову атома, що відноситься більшою мірою до фізики, в курсах фізичної хімії необхідне для з'ясування питань утворення молекул з атомів, природи хімічного зв'язку. Хімічна термодинаміка — в цьому розділі фізичної хімії розглядаються основні співвідношення, що випливають з першого закону термодинаміки, які дозволяють розрахувати кількість теплоти, що виділяється або поглинається і визначити, як буде впливати на це зміна зовнішніх умов. На основі другого закону термодинаміки визначається можливість самовільного перебігу процесу, а також умови положення рівноваги і його зміщення під впливом зміни зовнішніх умов. У цьому розділі також можна виділити кілька підрозділів: Термодинаміка газів Термодинаміка розчинів розглядає природу розчинів, їх внутрішню структуру і найважливіші властивості, залежність властивостей від концентрації і хімічної природи компонентів та питання розчинності. Термодинаміка адсорбції Статистична термодинаміка дозволяє отримувати термодинамічні параметри системи виходячи з будови компонентів системи та зовнішніх умов. Хімічна кінетика — вивчає швидкість хімічних реакцій, її залежність від зовнішніх умов (температура, концентрація). Є одним з найважливіших розділів хімії, показує який саме продукт утворюється в складній системі Електрохімія вивчає деякі особливості властивостей розчинів електролітів, електропровідність розчинів, процеси електролізу речовини. Звукохімія (акустохімія) вивчає хімічні процеси, що протікають при дії звукових хвиль. Потенціометрія — область фізичної хімії, що використовує різні електрохімічні і термодинамічні методи, також методи аналітичної хімії. Спектроскопія — загальне поняття, що охоплює клас експериментальних досліджень, які вивчають як зразки речовини віддають чи адсорбують енергію у формах електромагнітного випромінювання (радіохвилі, світлові, інфрачервоні, ультрафіолетові-, рентгенівські промені тощо). Метою спектроскопії на основі отриманого спектра зробити висновки про внутрішню структуру речовини, її склад чи динаміку процесів у матерії.
Методи фізичної хімії При вивченні закономірностей фізичних та хімічних процесів прагнуть їх кількісного вираження, при цьому користуються різними методамиСіренко Г. О., Кузишин О. В. Фізична і колоїдна хемія: Курс лекцій. — Івано-Франківськ: Прикарп. нац. ун-т ім. В. Стефаника, 2015. — 167 с..