شیمی فیزیک مواد ،تاریخچه و مفاهیم کلیدی آن

شیمی فیزیک مواد چیست ؟

شیمی فیزیک (Physical chemistry)  ، بررسی و مطالعه پدیده های ماکروسکوپی و میکروسکوپی در سیستم های شیمیایی از نظر اصول ، اعمال و مفاهیم فیزیک حرکت ، انرژی ، نیرو ، زمان ، ترمودینامیک ، شیمی کوانتومی ، مکانیک آماری ، دینامیک تحلیلی و دینامیک شیمیایی است.
 شیمی فیزیک، بر خلاف فیزیک شیمیایی ، عمدتاً (اما نه همیشه) یک علم فوق مولکولی است ، زیرا اکثر اصولی که بر اساس آن پایه‌گذاری شده است به جای ساختار مولکولی یا اتمی به تنهایی (به عنوان مثال، شیمیایی تعادل و کلوئیدها).

تاریخچه شیمی فیزیک:

اصطلاح "شیمی فیزیک" توسط میخائیل لومونوسوف در سال 1752 ابداع شد ، زمانی که او یک دوره سخنرانی با عنوان "دوره ای در شیمی فیزیک واقعی" ( Курс истинной физической химии ) در برابر دانشجویان دانشگاه پترزبورگ ارائه کرد .
او در مقدمه این سخنرانی ها این تعریف را ارائه می دهد :"شیمی فیزیک علمی است که باید تحت مقررات آزمایش های فیزیکی دلیل آنچه را که در اجسام پیچیده از طریق عملیات شیمیایی روی می دهد توضیح دهد".

شیمی فیزیک مدرن در دهه های 1860 تا 1880 با کار بر روی ترمودینامیک شیمیایی ، الکترولیت ها در محلول ها ، سینتیک شیمیایی و موضوعات دیگر سرچشمه گرفت. 
یکی از نقاط عطف انتشار مقاله خود در سال 1876 توسط جوزیا ویلارد گیبس ، در مورد تعادل مواد ناهمگن بود.
این مقاله چندین سنگ بنای شیمی فیزیک را معرفی کرد، مانند انرژی گیبس ، پتانسیل های شیمیایی و قانون فاز گیبس.
اولین مجله علمی به طور خاص در زمینه شیمی فیزیک مجله آلمانی Zeitschrift für Physikalische Chemie بود که در سال 1887 توسط Wilhelm Ostwald و Jacobus Henricus van't Hoff تأسیس شد.
همراه با سوانته آگوست آرنیوس ، اینها چهره های پیشرو در شیمی فیزیک در اواخر قرن 19 و اوایل قرن 20 بودند.
به هر سه آنها بین سالهای 1901 تا 1909 جایزه نوبل شیمی اهدا شد.
پیشرفت‌ها در دهه‌های بعدی شامل کاربرد مکانیک آماری در سیستم‌های شیمیایی و کار بر روی کلوئیدها و شیمی سطحی است ، جایی که ایروینگ لانگمویر کمک‌های زیادی کرد.
گام مهم دیگر توسعه مکانیک کوانتومی به شیمی کوانتومی از دهه 1930 بود ، جایی که لینوس پاولینگ یکی از نام‌های برجسته بود.
پیشرفت‌های نظری با پیشرفت‌های روش‌های تجربی همراه بوده است ، جایی که استفاده از اشکال مختلف طیف‌سنجی ، مانند طیف‌سنجی مادون قرمز ، طیف‌سنجی مایکروویو ، رزونانس پارامغناطیسی الکترونی و طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای ، احتمالاً مهم‌ترین توسعه قرن بیستم است.
توسعه بیشتر در شیمی فیزیک را می توان به اکتشافات در شیمی هسته ای ، به ویژه در جداسازی ایزوتوپ (قبل و در طول جنگ جهانی دوم) ، اکتشافات جدیدتر در اخترشیمی و همچنین توسعه الگوریتم های محاسباتی در زمینه "افزودنی" نسبت داد.

خصوصیات فیزیک وشیمیایی" (عملاً تمام خصوصیات فیزیک و شیمیایی ، مانند نقطه جوش ، نقطه بحرانی ، کشش سطحی ، فشار بخار و… در مجموع بیش از 20 مورد را می توان دقیقاً از روی ساختار شیمیایی به تنهایی محاسبه کرد ، حتی اگر مولکول شیمیایی سنتز نشده باقی بماند)

اهمیت عملی شیمی فیزیک 

برخی از روابطی که شیمی فیزیک برای درک آنها تلاش می کند شامل تأثیرات زیر است:
•    نیروهای بین مولکولی که بر خواص فیزیکی مواد ( پلاستیسیته ، استحکام کششی ، کشش سطحی در مایعات ) اثر می‌گذارند.
•    سینتیک واکنش بر روی سرعت یک واکنش .
•    هویت یون ها و هدایت الکتریکی مواد.
•    علوم سطح و الکتروشیمی غشای سلولی .
•    برهمکنش یک جسم با جسم دیگر بر حسب مقدار گرما و کار به نام ترمودینامیک .
•    انتقال گرما بین یک سیستم شیمیایی و محیط اطراف آن در طول تغییر فاز یا واکنش شیمیایی که ترموشیمی نامیده می شود .
•    بررسی ویژگی‌های جمعی تعداد گونه‌های موجود در محلول.
•    تعداد فازها، تعداد مولفه ها و درجه آزادی (یا واریانس) را می توان با کمک قانون فاز با یکدیگر مرتبط کرد .
•    واکنش های سلول های الکتروشیمیایی
•    رفتار سیستم های میکروسکوپی با استفاده از مکانیک کوانتومی و سیستم های ماکروسکوپی با استفاده از ترمودینامیک آماری 
•    محاسبه انرژی حرکت الکترون در مولکول ها و کمپلکس های فلزی

مفاهیم کلیدی شیمی فیزیک :

مفاهیم کلیدی در شیمی فیزیک ، روش هایی هستند که در آنها فیزیک خالص برای مسائل شیمیایی به کار می رود.
یکی از مفاهیم کلیدی در شیمی کلاسیک این است که همه ترکیبات شیمیایی را می توان به عنوان گروه هایی از اتم های متصل به یکدیگر و واکنش های شیمیایی را می توان به عنوان ایجاد و شکستن آن پیوندها توصیف کرد.
پیش بینی خواص ترکیبات شیمیایی از توصیف اتم ها و نحوه پیوند آنها یکی از اهداف اصلی شیمی فیزیک است.
برای توصیف دقیق اتم ها و پیوندها، باید هم دانست که هسته اتم ها کجا هستند و هم الکترون ها در اطراف آنها توزیع شده اند.

رشته‌های شیمی فیزیک

شیمی کوانتومی ، زیرشاخه‌ای از شیمی فیزیک که به ویژه با کاربرد مکانیک کوانتومی در مسائل شیمیایی مرتبط است ، ابزارهایی را برای تعیین اینکه پیوندها چقدر قوی و چه شکلی هستند ، چگونه هسته‌ها حرکت می‌کنند و چگونه نور می‌تواند توسط یک ماده شیمیایی جذب یا منتشر شود ، فراهم می‌کند.

طیف سنجی زیر شاخه مرتبط شیمی فیزیک است که به طور خاص با برهمکنش پرتوهای الکترومغناطیسی با ماده مرتبط است.

مجموعه دیگری از سؤالات مهم در شیمی مربوط به این است که چه نوع واکنش هایی می تواند خود به خود اتفاق بیفتد و چه ویژگی هایی برای یک مخلوط شیمیایی مشخص ممکن است.
کاربرد شیمی فیزیک در ترمودینامیک شیمیایی شامل مواردی از قبیل اینکه محدودیت‌هایی را برای کمیت‌ها تعیین می‌کند، مانند اینکه یک واکنش چقدر می‌تواند ادامه یابد ، یا اینکه چقدر انرژی می‌تواند به کار در یک موتور احتراق داخلی تبدیل شود.
و بین خواصی مانند ضریب انبساط حرارتی و سرعت تغییر ارتباط ایجاد می‌کند.
آنتروپی با فشار برای گاز یا مایع .
اغلب می‌توان از آن برای ارزیابی امکان‌پذیر بودن طراحی راکتور یا موتور یا بررسی اعتبار داده‌های تجربی استفاده کرد.
تا حدودی ، ترمودینامیک شبه تعادلی و غیرتعادلی می تواند تغییرات برگشت ناپذیر را توصیف کند.
با این حال، ترمودینامیک کلاسیک بیشتر به سیستم‌هایی در تعادل و تغییرات برگشت‌پذیر مربوط می‌شود و نه اینکه واقعاً چه اتفاقی می‌افتد یا با چه سرعتی دور از تعادل است.

موضوع سینتیک شیمیایی ، شاخه دیگری از شیمی فیزیک ، چه واکنش هایی رخ می دهد و چه سرعتی دارد. یک ایده کلیدی در سینتیک شیمیایی این است که برای واکنش‌دهنده‌ها و تشکیل محصولات ، بیشتر گونه‌های شیمیایی باید از حالت‌های انتقالی عبور کنند که انرژی بیشتری نسبت به واکنش‌دهنده‌ها یا محصولات دارند و به عنوان مانعی برای واکنش عمل می‌کنند.
به طور کلی ، هر چه مانع بالاتر باشد، واکنش کندتر است.
مورد دوم این است که بیشتر واکنش های شیمیایی به صورت دنباله ای از واکنش های ابتدایی رخ می دهند ، که هر کدام حالت گذار خاص خود را دارند.
سوالات کلیدی در سینتیک عبارتند از اینکه :
چگونه سرعت واکنش به دما و غلظت واکنش‌دهنده‌ها و کاتالیزورها در مخلوط واکنش بستگی دارد؟
همچنین اینکه چگونه کاتالیزورها و شرایط واکنش را می‌توان برای بهینه‌سازی سرعت واکنش مهندسی کرد؟
این واقعیت که سرعت واکنش‌ها را اغلب می‌توان تنها با چند غلظت و یک دما مشخص کرد ، به جای نیاز به دانستن تمام موقعیت‌ها و سرعت‌های هر مولکول در یک مخلوط ، مورد خاص دیگری از مفهوم کلیدی در شیمی فیزیک است که این است که تا آنجایی که یک مهندس باید بداند ، هر چیزی که در مخلوطی از اعداد بسیار بزرگ (شاید به ترتیب عدد ثابت آووگادرو(10²³×6) از ذرات اتفاق می‌افتد ، اغلب می‌تواند با چند متغیر مانند فشار توصیف شود.
دما و غلظت دلایل دقیق این امر در مکانیک آماری ، یک تخصص در شیمی فیزیک که با فیزیک نیز مشترک است ، توضیح داده شده است.
مکانیک آماری همچنین روش هایی را برای پیش بینی خواصی که در زندگی روزمره می بینیم از روی خواص مولکولی بدون تکیه بر همبستگی های تجربی بر اساس شباهت های شیمیایی ارائه می دهد.

شاخه ها و موضوعات مرتبط با فیزیک و شیمی :

•    ترمودینامیک شیمیایی Chemical) thermodynamics)

•    ترمودینامیک آماری(Statistical thermodynamics)
•    سینتیک شیمیایی(Chemical kinetics)
•    مکانیک آماری(Statistical mechanics)
•    شیمی کوانتومی(Quantum chemistry)
•    الکتروشیمی(Electrochemistry)
•    فتوشیمی(Photochemistry)
•    شیمی سطح(Surface chemistry)
•    شیمی حالت جامد(Solid-state chemistry)
•    طیف سنجی(Spectroscopy)
•    طیف‌سنجی مولکولی(Molecular Spectroscopy)
•    شیمی بیوفیزیکی(Biophysical chemistry)
•    علم مواد(Materials science)
•    شیمی آلی فیزیکی(Physical organic chemistry)
•    میکرو مریتیس(Micromeritics)
•    شیمی فیزیک محاسباتی(Computational physical chemistry)
•    شیمی محلول‌ها(Chemistry of Solutions)
•    شیمی کلوئیدها(Chemistry of colloids)
•    شیمی هسته‌ای(Nuclear of Chemistry)
•    ترموشیمی(Thermo Chemistry)
•    نانوشیمی(Nano Chemistry)
•    خوردگی فلزات(Corrosion metals)