Khoa học hóa lý

Khoa học hóa lý là lĩnh vực nghiên cứu các hiện tượng vĩ mô và vi mô trong hệ thống hóa học, dựa trên các nguyên lý và khái niệm vật lý như chuyển động, năng lượng, lực, thời gian, nhiệt động lực học, hóa học lượng tử, cơ học thống kê, động lực học phân tử và cân bằng hóa học.

Khác với hóa học vật lý, hóa lý chủ yếu tập trung vào các hiện tượng vĩ mô hoặc siêu phân tử, vì các nguyên lý chủ yếu liên quan đến khối lượng thay vì cấu trúc phân tử hoặc nguyên tử (chẳng hạn như cân bằng hóa học và chất keo).

Hóa lý nhằm giải quyết một số vấn đề như:

1. Tác động của các lực liên phân tử đến các tính chất vật lý của vật liệu (độ dẻo, độ bền kéo, sức căng bề mặt của chất lỏng).
2. Tốc độ của các phản ứng hóa học.
3. Nhận dạng ion và tính dẫn điện của vật liệu.
4. Khoa học bề mặt và điện hóa của màng tế bào.
5. Sự tương tác nhiệt và công việc giữa hai cơ thể, gọi là nhiệt động lực học.
6. Sự truyền nhiệt trong quá trình thay đổi pha hoặc phản ứng hóa học, được gọi là nhiệt hóa học.
7. Nghiên cứu tính chất của các loại hạt trong dung dịch.
8. Liên hệ giữa số lượng pha, số thành phần và mức độ tự do thông qua quy tắc pha.
9. Phản ứng của các pin điện hóa.

Khái niệm chính

Trong hóa lý, những khái niệm chính liên quan đến việc ứng dụng các nguyên lý vật lý thuần túy vào các vấn đề hóa học.

Hóa học cổ điển coi các hợp chất hóa học là các nhóm nguyên tử liên kết với nhau, và các phản ứng hóa học là sự hình thành và phá vỡ những liên kết này. Mục tiêu của hóa lý là dự đoán tính chất của các hợp chất dựa trên mô tả các nguyên tử và cách chúng kết hợp. Để đạt được điều này, cần phải hiểu về cấu trúc hạt nhân và cách mà electron phân bố quanh hạt nhân.

Hóa học lượng tử, một nhánh của hóa lý, tập trung vào việc áp dụng cơ học lượng tử vào các vấn đề hóa học. Nó giúp xác định mức độ liên kết, chuyển động của hạt nhân và cách các chất hóa học hấp thụ hoặc phát ra ánh sáng. Quang phổ học, một lĩnh vực liên quan, nghiên cứu sự tương tác của bức xạ điện từ với vật chất.

Một câu hỏi quan trọng khác trong hóa học là xác định các loại phản ứng có thể xảy ra tự nhiên và tính chất của hỗn hợp hóa học cụ thể. Nghiên cứu này thuộc về nhiệt động hóa học, cho biết giới hạn của phản ứng và khả năng chuyển đổi năng lượng thành công việc, như trong động cơ đốt trong. Nó còn cung cấp các liên kết giữa các tính chất như hệ số giãn nở nhiệt và sự thay đổi entropy với áp suất cho khí hoặc lỏng. Nhiệt động học cũng có thể được sử dụng để đánh giá tính khả thi của thiết kế lò phản ứng hoặc động cơ, hoặc để kiểm tra tính hợp lệ của dữ liệu thực nghiệm. Mặc dù nhiệt động học cổ điển chủ yếu liên quan đến các hệ thống ở trạng thái cân bằng, nó cũng có thể mô tả các thay đổi không thể đảo ngược ở mức độ hạn chế.

Động học hóa học, một lĩnh vực khác của hóa lý, nghiên cứu các phản ứng hóa học và tốc độ của chúng. Một điểm quan trọng trong động học hóa học là các chất phản ứng thường trải qua một trạng thái chuyển tiếp có năng lượng cao hơn so với chất phản ứng hoặc sản phẩm, tạo ra rào cản cho phản ứng. Tốc độ phản ứng thường tỷ lệ nghịch với chiều cao của rào cản. Thêm vào đó, nhiều phản ứng hóa học xảy ra qua chuỗi các phản ứng cơ bản, mỗi phản ứng có trạng thái chuyển tiếp riêng. Các câu hỏi chính trong động học bao gồm việc tốc độ phản ứng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, nồng độ của các chất phản ứng và chất xúc tác, và cách tối ưu hóa tốc độ phản ứng bằng cách thay đổi xúc tác và điều kiện phản ứng.

Khả năng xác định tốc độ phản ứng chỉ từ một số nồng độ và nhiệt độ mà không cần biết chi tiết về mọi phân tử trong hỗn hợp là một ví dụ điển hình của một khái niệm quan trọng trong hóa lý. Điều này liên quan đến việc mô tả hệ thống lớn, thường là ở mức số lượng cực lớn (khoảng 6 x10^23 hạt), bằng cách sử dụng một số ít các biến như áp suất, nhiệt độ và nồng độ. Cơ học thống kê, một ngành học trong hóa lý cũng chia sẻ với vật lý, giải thích tại sao điều này có thể xảy ra. Cơ học thống kê còn cung cấp cách dự đoán các thuộc tính thực tế từ các thuộc tính phân tử mà không cần dựa vào sự tương quan thực nghiệm.

Lịch sử

Mikhail Lomonosov đã đặt ra thuật ngữ 'hóa lý' vào năm 1752 khi ông trình bày bài giảng 'Một khóa học trong hóa lý' (tiếng Nga: «Курс истинной физической химии») trước sinh viên Đại học Petersburg. Trong phần mở đầu, ông định nghĩa hóa lý là một khoa học giải thích các hiện tượng hóa học trong các hệ thống phức tạp bằng các lý thuyết vật lý và thí nghiệm.

Hóa lý hiện đại đã bắt đầu phát triển mạnh mẽ từ những năm 1860 đến 1880, với các nghiên cứu về nhiệt động hóa học, điện giải trong dung dịch, động học hóa học và nhiều lĩnh vực khác. Một cột mốc quan trọng là bài viết của Josiah Willard Gibbs vào năm 1876, Về trạng thái cân bằng của các chất không đồng nhất, đã giới thiệu nhiều khái niệm cơ bản trong hóa lý, như năng lượng Gibbs, thế năng hóa học và quy tắc pha của Gibbs.

Tạp chí khoa học đầu tiên chuyên về hóa lý là Zeitschrift für Physikalische Chemie, được thành lập bởi Wilhelm Ostwald và Jacobus Henricus van 't Hoff vào năm 1887. Cùng với Svante August Arrhenius, họ là những nhân vật quan trọng trong lĩnh vực hóa lý vào cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, và cả ba đều được nhận giải Nobel hóa học từ năm 1901 đến 1909.

Trong những thập kỷ tiếp theo, có nhiều tiến bộ quan trọng trong hóa lý, bao gồm việc áp dụng cơ học thống kê vào hệ thống hóa học và nghiên cứu về chất keo và hóa học bề mặt, với sự đóng góp lớn của Irving Langmuir. Một bước phát triển quan trọng khác là sự chuyển mình từ cơ học lượng tử sang hóa học lượng tử từ những năm 1930, với Linus Pauling là một trong những người tiên phong. Sự tiến bộ lý thuyết này đi đôi với sự phát triển của các phương pháp thí nghiệm, trong đó việc sử dụng các loại quang phổ như quang phổ hồng ngoại, quang phổ vi sóng, cộng hưởng điện từ và phổ cộng hưởng từ hạt nhân được coi là một trong những bước tiến quan trọng nhất của thế kỷ 20.

Tiếp theo, hóa lý tiếp tục phát triển nhờ các khám phá trong hóa học hạt nhân, đặc biệt là sự phân tách đồng vị trước và trong Thế chiến II, và những nghiên cứu gần đây về hóa học. Sự phát triển của các thuật toán tính toán trong lĩnh vực 'phụ gia tính chất hóa lý' cũng rất đáng chú ý, cho phép tính toán chính xác hơn 20 tính chất hóa lý như điểm sôi, điểm tới hạn, sức căng bề mặt và áp suất hơi từ cấu trúc hóa học, ngay cả khi phân tử không bị phân rã. Những tiến bộ này đã làm nổi bật vai trò quan trọng của hóa lý trong nghiên cứu khoa học hiện đại.

Các nhà hóa lý học nổi bật

• Svante Arrhenius
• Walther Nernst
• Fritz Haber
• Peter Debye
• Josiah Willard Gibbs
• J.H.van't Hoff
• Erich Hückel
• Wilhelm Ostwald
• Gilbert N. Lewis
• Friedrich Kohlrausch
• Frederick Lindemann
• Cyril Norman Hinshelwood
• Lars Onsager
• Robert S. Mulliken
• Michael Polanyi
• Linus Pauling
• E. Bright Wilson
• Irving Langmuir
• Jaroslav Heyrovský
• William Giauque
• Manfred Eigen
• Roald Hoffmann
• Dudley R. Herschbach
• Yuan T. Lee
• John Charles Polanyi
• Richard Bernstein
• Richard R. Ernst
• Rudolph A. Marcus
• Ahmed H. Zewail
• Richard Zare

• Hóa học vật lý

Các liên kết bên ngoài