Quimia fisica

La quimia fisica es lo domeni de la quimia regardat per l'estudi dei fenomèns quimics a partir de lèis o de concepcions fisicas coma lei transferiments d'energia. Gropa donc d'aspèctes fòrça importants de la quimia modèrna coma la termodinamica, la cinetica quimica, la mecanica estatistica, l'espectroscopia o encara l'electroquimia.

Lo tèrme quimia fisica apareguèt per lo premier còp en 1752 dins un cors dau scientific rus Mikhaïl Lomonosov (1711-1765) que la considerava coma una sciéncia basica permetent d'estudiar l'estructura de la matèria^[1]. Pasmens, mancava encara mai d'una descubèrta per desvolopar aqueu camp d'estudi. Ansin, la quimia fisica apareguèt coma una especialitat independenta de la quimia e de la fisica solament dins lo corrent de la segonda mitat dau sègle XIX, subretot entre 1860 e 1880, gràcias ai progrès realizats en termodinamica e en quimia deis electrolitas.

L'etapa decisiva dins l'emergéncia de la quimia fisica se debanèt en 1876 quand Josiah W. Gibbs (1839-1903) publiquèt son òbra intitulada On the Equilibrium of Heterogeneous Substances (en occitan «De l'equilibri dei substàncias eterogenèas») que definiguèt divèrsei concèptes centraus de la quimia fisica coma l'energia de Gibbs, lo potenciau quimic o la regla dei fasas de Gibbs^[2]. Puei, en 1908, aqueu trabalh foguèt completat per la definicion de l'entalpia per lo Neerlandés Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926)^{[3] [4]}.

D'aqueu temps, apareguèron lei premierei revistas scientificas especializadas coma, en 1887, Zeitschrift für physicalische Chemie dirigida per Wolfgang Ostwald (1853-1932) e Jacobus Henricus van 't Hoff (1852-1911) o, en 1896, Journal of Physical Chemistry dirigida per Wilder Dwight Bancroft (1867-1953). Aprofichèron lei progrès realizadas au sègle XIX dins divèrsei domenis que van pauc a pauc integrar lo camp de la quimia fisica coma l'electroquimia, la termoquimia e la cinetica quimica.

D'efèct, l'òbra d'Alessandro Volta (1745-1827), especialament son estudi de la premiera pila voltaïca a la transicion dei sègles XVIII e XIX, venguèt la fònt d'estudis deis efèctes de l'electricitat — fenomèn fisic — sus lei compausats quimics. Ansin, au començament dau sègle XIX, Humphry Davy (1778-1829) estudièt lei consequéncias dau passatge d'un corrent electric dins una solucion de saus quimics e descurbiguèt dos metaus novèus, lo sòdi e lo potassi, e lo principi de separacion deis ions d'una solucion salina. L'estudi dau fenomèn foguèt melhorada per son estudiant Michael Faraday (1791-1867). En 1834, publiquèt lei doas premierei leis sus l'electrolisi : la quantitat de substància despausada sus un electròd es proporcionala a l'intensitat dau corrent electric e la quantitat de cargas electricas qu'entraïna la formacion d'un grama d'idrogèn causa la formacion d'una quantitat equivalenta d'autrei substàncias.

Dins lo domeni de la termoquimia, lei trabalhs pioniers foguèron aquelei dei quimistas francés Antoine Lavoisier (1743-1794 e Pierre-Simon de Laplace (1749-1827). Capitèron de crear un aparelh novèu dich calorimètre que permet de mesurar la quantitat de calor cambiadas dins lo corrent d'una reaccion quimica. Pensavan qu'existiá una grandor dicha caloric que compausa la matèria. Aqueu concèpte èra faus e foguèt abandonat per la seguida mai sei trabalhs permetèron d'establir lei premierei leis de la termodinamica durant la premiera mitat dau sègle XIX. Puei, lei principis termodinamics, inicialament utilizats en fisica e subretot en engenhariá, foguèron aplicats a la quimia per Marcellin Berthelot (1827-1907) e Henry Le Chatelier (1850-1936). Aquò permetèt l'emergéncia de la termoquimia modèrna.

Enfin, la cinetica quimica comencèt d'aparéisser a partir dei trabalhs de Ludwig Ferdinand Wilhelmy (1812-1864) sus la velocitat dei cambiaments de configuracion de grops quimics sucre en preséncia d'un acid. Vèrs la mitat dau sègle XIX, arribèt a la conclusion qu'aquela velocitat èra proporcionala a la concentracion de sucre e d'acid e qu'evolucionava tanben en foncion de la temperatura. Lo quimista George Vernon Harcourt (1834-1919) e lo matematician William Esson (1838-1916) utilizèron alora d'otís matematics coma d'equacions diferencialas per estudiar lo fenomèn. En particular, Esson introduguèt de concèptes primordiaus coma aquelei de reaccions de premier òrdre o de segond òrdre. Puei, van't Hoff completèt aquela òbra e desvolopèt lo metòde diferenciau per estudiar la velocitat dei reaccions quimicas e descurbiguèt en 1884 la relacion famosa que porta lo sieu nom e que permet de far lo liame entre la velocitat d'una reaccion e la temperatura dau mitan reaccionau.

La reünion d'aquelei tres domenis ambé lei trabalhs de Gibbs permetèron l'emergéncia de la quimia fisica a partir de la fin dau sègle XIX e dau començament dau sègle XX. Pasmens, dos autrei domenis a la frontiera entre quimia e fisica i foguèron encara aponduts dins lo corrent de la premiera mitat dau sègle XX : la mecanica estatistica e la mecanica quantica. Lo pionier principau d'aquela darriera evolucion majora dins la disciplina foguèt lo fisician e quimista estatsunidenc Linus Pauling (1901-1994). Dins leis annadas 1930, publiquèt dos libres sus lo subjècte, Introduction to Quantum Mechanics (en occitan «Introduccion ai Mecanismes Quantics») en 1935 (amb una partida intitulada Applications to Chemistry ; en occitan «Aplicacions a la quimia») e The Nature of the Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals en 1939 (en occitan «La natura de la liason quimica e de l'estructura dei moleculas e dei cristaus»), que venguèron la basa de la quimia fisica modèrna. En particular, i introduguèt la nocion d'electronegativitat per depintar la formacion e lei proprietats de la liason quimica e i apliquèt lei principis de la mecanica quantica a l'estudi dei reaccions quimicas.

Dempuei aqueu periòde deis annadas 1930, la basa de la quimia fisica teorica es demorada establa e lei progrès principaus son estats realizats gràcias au desvolopament dei tecnicas d'observacion dei fenomèns fisics (espectrografia... etc) qu'an permés d'identificar de fenomèns novèus. Aquò entraïnèt la division de la disciplica en divèrsei camps d'estudis qu'an a l'ora d'ara una importància gròssa en quimia dei materiaus.

• 
  Retrach de Mikhaïl Lomonosov (1711-1765) qu'utilizèt per lo premier còp lo tèrme «fisica quimia» en 1752.
• 
  Extrach dau manuscrit de Mikhaïl Lomonosov de 1752 intitulat «Cors de Quimia fisica vertadiera».
• 
  Retrach de Josiah W. Gibbs (1839-1903) qu'introduguèt la màger part dei grandors de basa utilizadas en quimia fisica.
• 
  Retrach de Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) que definiguèt la nocion d'entalpia.
• 
  Retrach d'Alessandro Volta (1745-1827), inventor de la pila voltaïca.
• 
  Retrach de Humphry Davy (1778-1829), pionier de l'electroquimia.
• 
  Retrach de Michael Faraday (1791-1867) que trobèt lei premierei leis electroquimicas.
• 
  Retrach d'Antoine Lavoisier (1743-1794, pionier de la quimia e de la termoquimia.
• 
  Retrach de Pierre-Simon de Laplace (1749-1827), pionier de la termoquimia.
• 
  Retrach de Marcellin Berthelot (1827-1907), pionier de l'aplicacion de la termodinamica a la quimia.
• 
  Retrach de Henry Le Chatelier (1850-1936), pionier de l'aplicacion de la termodinamica a la quimia.
• 
  Retrach de George Vernon Harcourt (1834-1919), pionier de l'aplicacion d'otís matematics a l'estudi dei cineticas quimicas.
• 
  Retrach de Jacobus Henricus van 't Hoff (1852-1911) que completèt lei trabalhs de George Vernon Harcourt e William Esson sus la cinetica.
• 
  Retrach de Linus Pauling (1901-1994), pionier de l'estudi deis aplicacions dei mecanicas estatistica e quantica a la quimia.

Lei concèptes principaus de la quimia fisica son d'aplicacions de principis fisics a la descripcion de fenomèns quimics. Lei fenomèns d'estudi majors son l'estructura dei grops d'atòms, lei proprietats quimicas d'un compausat, lei reaccions que podon se produrre dins una situacion donada (e donc l'energia necessària o producha) e la velocitat dei reaccions quimicas.

Per aquò, la quimia fisica considera lei compausats quimics coma de grops d'atòms liats entre elei e lei reaccions quimicas coma de creacion o de destruccion de liames entre atòms. Aquò permet de preveire lei proprietats dei substàncias quimicas a partir de la descripcion deis atòmes e dei liames atomics es donc un objectiu major de la disciplina. Necessita de conóisser la distribucion dei cortegis d'electrons a l'entorn dei nuclèus atomics. La quimia quantica, aplicacion de la mecanica quantica ai problemas quimics, permet tanben d'obtenir d'informacions sus la natura dei liames quimics, lo movement dei nuclèus e lei mòdes d'absorpcion o d'emission de lutz per un compausat quimic. Regardant aquelei mòdes d'absorpcion o d'emission, l'espectrocopia es una sotadisciplina de la quimia fisica qu'estudia especialament leis interaccions entre lei radiacions electromagneticas e la matèria.

L'estudi deis equilibris e dei reaccions quimics que pòdon se produrre d'un biais espontanèu o dei proprietats quimicas d'una mescla de compausats quimics necessita generalament l'estudi de fenomèns termodinamics, dei cambis d'energia e de fenomèns de conversion de l'energia en calor o en trabalh. Aquò permet de preveire la possibilitat de realizar o non una reaccion quimica o de verificar la validitat dei donadas experimentalas.

Aquel estudi es sovent liat ambé l'analisi de la cinetica de la reaccion. L'idèa principala d'aqueu domeni es l'estudi deis espècias intermediàrias qu'apareisson dins lo corrent d'una reaccion. Aquò necessita de mesurar o d'estimar lei nivèus d'energia d'agantar per produrre o consomar aqueleis intermediaris car la velocitat d'una reaccion despend sovent de l'energia d'agantar per lei formar (reaccion rapida quand l'energia es febla, reaccion lenta car l'energia es importanta). D'autrei domenis de recèrca son l'estudi de tièras de reaccions elementàrias e de l'influéncia de la concentracion dei produchs quimics utilizats o de la temperatura sus la velocitat.

Enfin, coma leis objèctes d'estudi de la quimia fisica son generalament d'ensems gropant de miliards de miliards de particulas, lo darrier concèpte major es donc l'utilizacion d'otís estatistic per depintar l'evolucion d'aquelei sistèmas car es pas possible a l'ora d'ara de seguir lo movement de cada particula. Aquò es a l'origina de l'utilizacion de grandors globalas per descriure lo sistèma coma la concentracion, la temperatura o la pression.

Apareguda a partir deis annadas 1860 après l'invencion dau tèrme «colloïde» en 1861 per Thomas Graham (1805-1869), la quimia colloïdala estudia la suspension d'una o unei substàncias, dispersadas regularament dins una autra substància, formant un sistèma de doas fasas separadas, continuas e dispersadas. Dins un fluid, aquò forma una disperson omogenèa de particulas que sei dimensions van de 2 a 2 000 nanomètres. Se parla de «suspension» per un colloïde e non de «solucion». Descriure o preveire l'evolucion d'un colloïde necessitan de conóisser divèrsei paramètres quimics (temperatura, pH... etc) o fisics (interaccions entre particulas, entropia, floculacion... etc). La quimia colloïdala a d'aplicacions dins divèrsei domenis de la quimia modèrna coma la fabricacion de pintura, de manjar o de materiaus polimèrs.

• 
  Thomas Graham (1805-1869) qu'inventèt lo tèrme «colloïde» en 1861.
• 
  Lo lach es una suspension colloïdala formada de globuls gras dins una fasa aquosa.
• 
  Un iogort es una suspension colloïdala formada de bofigas d'èr dins una fasa de crèma.
• 
  Lo sang es una suspension colloïdala de particulas solidas dins una fasa aquosa.

La quimia dei cristaus estudia lei relacions entre leis estructuras cristallinas e lei proprietats de la matèria. Necessita donc de conóisser lei proprietats quimicas deis atòms e lor dependéncia ai proprietats fisicas en foncion de lor posicion espaciala. En particular, de tecnicas d'observacion per diffraccion (rais X, electronics, neutronics...) son necessàrias per determinar leis angles entre leis atòms au sen de l'estructura. Aquò a d'aplicacions per la produccion industriala de cristaus ambé de proprietats especialas (opticas, electricas...).

• 
  Cristau de silici industriau utilizat per la produccion de circuits integrats.
• 
  Laser ambé son cristau artificiau TiSa.
• 
  Cristau artificiau esferic utilizat per una experiéncia de la NASA sus la gravitat.
• 
  Divèrsei tipes de diamants sintetics.

La radioquimia estudia magerament la quimia dei nuclèus radioactius e l'efèct dei raionaments ionizants sus leis atòms e lei moleculas. Tracta tannben dei fenomèns de produccion de radioisotòps e dei compausats eissits de desintegracions nuclears o de materiaus irradiats. Necessita donc de conóisser lei proprietats quimicas dei compausats estudiats e lei consequéncias fisicas deis efècts dei radiacions. Aquò a d'aplicacions importantas en medecina (tecnicas d'imatjariá medicala utilizant de compausats radioactius...) o en proteccion còntra lei radiacions ionizantas (per exemple dins una centrala nucleara).

• 
  Aparelh medicau de tomografia per emission de positrons.
• 
  Aparelh medicau de gammagrafia.
• 
  Muralha de plomb per se protegir còntra d'emissions ionizantas.

Fondada a partir dei trabalhs de Marcellin Berthelot durant la segonda mitat dau sègle XIX, la termoquimia estudia leis efècts termics sus lo debanament dei reaccions quimicas, lei liames entre la temperatura e lei paramètres fisicoquimics e lei proprietats termicas dei compausats en particular aquelei de transicion de fasa. Necessita d'aplicar lei principis de la termodinamica, especialament lo segond principi, ai mecanismes quimics. Aquò a d'aplicacions en engèni dei procediments per preveire la possibilitat de menar una reaccion, de melhorar son rendement o d'accelerar sa velocitat.

• 
  Premier modèl de calorimètre utilizat a la fin dau sègle XVIII per Lavoisier e Laplace.
• 
  Una bomba calorimetrica, aparelh de laboratòri que permet de mesurar lo desgatjament de calor durant una reaccion quimica.
• 
  Desgatjament d'energia durant una reaccion quimica.
• 
  Desgatjament d'energia durant una explosion quimica.

La quimia cinetica es l'estudi de la velocitat dei reaccions quimicas en fonccion dei relacions entre lei paramètres fisics dau mitan reaccionau e dei proprietats quimicas dei substàncias en preséncia. D'efèct, la velocitat dei reaccions quimicas pòu presentar de variacions importantas evolucionant de reaccions fòrça rapidas, coma una explosion que necessita quauquei fraccions de segonda, a de reaccions fòrça lentas coma la formacion d'idrocarburs que necessita de milions d'annadas. I a tanben d'estats provisòris que pòdon existir solament car la reaccion dictant la disparicion d'aquelei substàncias es fòrça lenta. Per exemple, un diamant es una forma non establa de carbòni que va pauc a pauc evolucionar vèrs la forma establa de grafit. La quimia cinetica a donc d'aplicacions importantas. Per exemple, dins l'industria quimica, permet de demenir la durada necessària per realizar una transformacion quimica o, dins l'industria automobilia, permet de melhorar lo rendement d'un motor.

• 
  Mestrejar la velocitat de reaccion entre lo carburant e l'èr permet de melhorar lo rendement d'un motor automobila.
• 
  Dins d'installacions de produccion quimica, conóisser la velocitat de reaccion quimica permet de melhorar lo rendement gràcias a una demenicion de la durada d'utilizacion dau reactor.
• 
  La velocitat de la reaccion de solidicacion d'un ciment es un paramètre major dins l'industria dau bastiment.

La fotoquimia estudia lei reaccions quimicas que dependon de l'influéncia de la lutz visibla, de l'ultraviolet e de l'infraroge. Per exemple, es lo cas de la reaccion de fotosintèsi dei vegetaus. Aquò a d'aplicacions importantas dins divèrsei domenis coma l'estudi de la pollucion (produccion d'ozòn a partir dei gas d'escapament dei veïculs...) o en medecina ambé la comprenença de divèrsei reaccions fotoquimics de l'organisme (pigmentacion, vision...).

• 
  La reaccion de fotosintèsi es una reaccion fotoquimica majora dei vegetaus.
• 
  La pigmentacion de la pèu umana depend de reaccions fotoquimicas dins lo dèrma e l'epidèrma.
• 
  Un fototransistor que son foncionament depend de l'intensitat de la lutz recepuda.

La quimia fisica a d'aplicacions dins l'estudi de l'estructura deis atòms e dei particulas microscopicas qu'estudia lei relacions fisicas entre la composicion de l'atòm (nuclèu, cortègi electronic...) e sei proprietats quimicas. Aquò s'interessa en particular ai proprietats dei particulas cargadas que la carga e seis efèctes son descrichas per de lèis fisicas.

• 
  Estudia de l'estructura d'un atòm d'èli 4.
• 
  Estudia deis orbitalas atomicas de divèrseis atòms.
• 
  Representacion d'un atòm d'idrogèn 1.

La quimia fisica a d'aplicacions dins l'estudi de la corrosion dei metaus que depend d'interaccions entre paramètres quimics (pH, concentracion de certanei compausats...) e fisics (lutz, termodinamica...). Permet de preveire la possibilitat o non de reaccions de corrosions o de leis empachar gràcias a de mesuras de proteccion coma la corrosion diferenciala. Aquò a d'implicacions importantas car lei metaus (fèrre, acièr...) son de materiaus fòrça utilizats dins la vida quotidiana.

• 
  Corrosion sus la còca d'un naviri.
• 
  Corrosion de l'acièr sus una maquina abandonada dins una mina anciana.
• 
  Diferéncia de corrosion entre dos metaus mai o mens sensibles a l'oxidacion.
• 
  Anòd de zinc utilizat per empachar la corrosion d'una pèça d'acièr.

La quimia fisica a d'aplicacions dins l'estudi dei solucions quimicas que depend dei proprietats fisicas dei fasas (temperatura, pression...) e quimicas dei compausats quimics. De mai, d'autrei proprietats quimicas, coma la solubilitat, l'evolucion de temperaturas de transicion de fasa o l'interaccion entre doas particulas, dependon tanben de proprietats fisicas dei substàncias. Aquò a d'aplicacions dins divèrsei domenis economics car lei solucions quimicas son un aspèct fondamentau de la quimia modèrna. Per exemple, son utilizadas dins diferenteis industrias (petroquimia, metallurgia...), dins l'environament (la pollucion es sovent presenta dins l'èr o l'aiga)o encara en medecina (lo còrs uman es una solucion aquosa...).

• 
  Lo sang es una solucion aquosa.
• 
  La metallurgia necessita d'estudiar lei proprietats de solucions mettalicas.
• 
  L'aiga de mar es una solucion aquosa de clorur de sòdi.
• 
  Solucion aquosa de permangante de potassi ambé sa coloracion violeta caracteristica.

• Cambiament d'estat e Equilibri de fasa.
• Cinetica quimica.
• Electroquimia.
• Gas perfèct.
• Mecanica estatistica.
• Mecanica quantica.
• Molecula.
• Radioactivitat.
• Radioquimia.
• Teoria cinetica dei gas.
• Termodinamica.
• Termoquimia.
• Transicion electronica.
• Svante Arrhenius (1859 - 1927).
• Peter Debye (1884 - 1966).
• Josiah Willard Gibbs (1839 - 1903).
• Jacobus Henricus van 't Hoff (1852 - 1911).
• Lars Onsager (1903 - 1976).
• Wilhelm Ostwald (1853 - 1932).
• Linus Pauling (1901 - 1994).

•  {{{títol}}}. Oxford University Press. ISBN 0-7167-3539-3. 
•  {{{títol}}}. Oxford University Press. ISBN 0-19-855386-2. 
•  {{{títol}}}. Alhambra. ISBN 84-205-0569-2. 
•  {{{títol}}}. Ariel. ISBN 84-344-8050-6. 
•  {{{títol}}}. University Press. 

1. ↑ (en) Alexander Vucinich (1970), Science in Russian Culture: 1861-1917, Stanford University Press, p. 388.
2. ↑ (en) Josiah W. Gibbs (1876), On the Equilibrium of Heterogeneous Substances.
3. ↑ (en) Carl S. Helrich (2009), Modern thermodynamics with statistical mechanics, Springer, p. 64.
4. ↑ (en) Milan Trsic, Evelyn Jeniffer de Lima Toledo (2010), A Serious Glance at Chemistry: Basic Notions Explained, World Scientific, p. 109.

• Portal de la quimia