i química física | enciclopèdia.cat

OBRES

OBRES

Divulgació científica
Estadístiques
Gran enciclopèdia catalana

química física

físicoquímica
substantiu femeníf
Química
físicoquímica
química quím
Ciència de natura interdisciplinària que pot ésser formalment considerada com una branca de la química i que estudia, des d’una perspectiva física, els fenòmens químics o d’interès per a la química.

L’objectiu fonamental de la química física és d’arribar a conèixer els fonaments teòrics dels fenòmens químics i les lleis que els regeixen. La química física pot abordar els seus problemes tant des del nivell macroscòpic o fenomenològic com des del microscòpic o molecular. L’eina de treball emprada en l’estudi fenomenològic és la termodinàmica, mentre que la mecànica i principalment la mecànica quàntica proporcionen el mètode per a abordar els problemes microscòpics. El buit existent entre aquests dos nivells pot ésser omplert mitjançant l’ús de la termodinàmica estadística, la qual permet, partint del nivell molecular, la predicció de propietats macroscòpiques. Modernament existeix la tendència a denominar química quàntica la part de la química física que comprèn l’estudi de problemes microscòpics mitjançant l’ús de la mecànica quàntica. Dins aquest camp, cal esmentar l’estudi de l’estructura atòmica, que hom pot efectuar d’una manera exacta per a l’hidrogen i àtoms hidrogenoides (ions més pesants que l’hidrogen que hom considera que han perdut tots els electrons menys un) mitjançant l’equació de Schrödinger; hom ha desenvolupat també mètodes aproximats per a la solució d’aquesta equació per a àtoms polielectrònics, els més importants dels quals són el mètode del camp autocoherent de Hartree i l’ús dels orbitals aproximats de Slater. El coneixement de l’estructura molecular, que es concreta en l’estudi de l’enllaç químic, és abordat mitjançant el tractament de la teoria dels orbitals moleculars de Mulliken i Hund ( orbital) i la teoria dels enllaços de valència de Heitler i London, les quals són d’abast molt ampli. Hi ha, però, problemes concrets de l’enllaç químic que reben un tractament singular; així, els complexos de coordinació poden ésser estudiats fent ús de la teoria del camp cristal·lí, de la teoria dels enllaços de valència de Pauling i de la teoria del camp dels lligands. Finalment, l’aproximació microscòpica a l’estructura molecular aborda també l’estudi de l’enllaç iònic, de l’enllaç metàl·lic i de l’enllaç per pont d’hidrogen, com també el problema de les interaccions de Van der Waals. Els mètodes experimentals per a l’estudi de l’estructura molecular poden ésser classificats en mètodes elèctrics i magnètics, els quals donen informació sobre la geometria molecular, moments dipolars, moments magnètics, distribució de càrrega i presència d’electrons desaparellats; mètodes de difracció, tant de raigs X com d’electrons i de neutrons, els quals han subministrat en molts casos una informació exhaustiva sobre l’estructura cristal·lina i la geometria molecular, i mètodes espectroscòpics, tant d’absorció com d’emissió, que aporten dades sobre els distints estats energètics, sobre la simetria i sobre paràmetres geomètrics (espectres de microones, d’infraroig, electrònics, Raman, de ressonància magnètica nuclear, de ressonància paramagnètica electrònica, fotoelectrònics, etc). L’estudi quimicofísic dels fenòmens químics a nivell macroscòpic és abordat des de la perspectiva del primer i del segon principis de la termodinàmica i, en particular, des de les funcions que se'n deriven, com la del potencial químic i la de l’energia lliure de Gibbs, especialment pel que fa a l’estudi de les condicions d’equilibri i a la predicció de l’espontaneïtat dels processos. Quant a la termodinàmica estadística, la química física ha fet ús tant del mètode clàssic de Maxwell-Boltzmann com dels mecanoquàntics de Bose-Einstein i de Fermi-Dirac. Són molt nombroses les àrees en les quals la química física troba aplicació. L’estudi dels estats físics de la matèria comprèn el coneixement del comportament dels gasos; en particular, i a nivell microscòpic, la teoria cinètica i els fenòmens relacionats amb ella, com l’efusió, la viscositat, la conductivitat calorífica i la difusió, i a nivell macroscòpic, l’estudi dels gasos reals i de les equacions d’estat que els descriuen, com també el del coeficient de Joule-Thomson. Pel que fa als sòlids, l’aproximació microscòpica comprèn l’estudi dels cristalls moleculars, covalents i iònics, i les aplicacions derivades de l’estudi de les calors molars cv i c p , i en el cas dels metalls, les propietats de tipus elèctric derivades de la deslocalització electrònica; dins aquest camp, la teoria de bandes de conducció ( banda) ha permès d’establir una aproximació vàlida per a l’estudi tant dels semiconductors com de determinats aspectes de la quimioadsorció i de la catàlisi heterogènia. Quant als líquids, l’aproximació macroscòpica pot tenir lloc mitjançant l’equació del virial, mentre que l’aproximació microscòpica es basa en funcions estadístiques de distribució molecular a partir de les quals hom pot obtenir les funcions termodinàmiques corresponents. D’altra banda, modernament ha adquirit un gran interès l’estudi dels líquids cristal·lins. Els fenòmens químics on l’aproximació quimicofísica és feta preferentment des del punt de vista termodinàmic són molt diversos i les conseqüències que es deriven de llur estudi tenen una importància fonamental. A més de la reacció química, analitzable tant des del punt de vista de l’entalpia ( llei de Hess), com de l’entropia o de la combinació d’ambdues ( funció de Gibbs), amb l’aplicació al cas concret dels processos d’equilibri químic, l’aproximació termodinàmica és aplicada també a l’estudi dels canvis de fase i de l’equilibri entre fases i a l’estudi de les solucions, tant les ideals com les reals i les electrolítiques. Les solucions ideals tenen un interès particular pel que fa a l’estudi de llurs propietats col·ligatives, mentre que les solucions reals el tenen des de la perspectiva del coeficient d’activitat. D’altra banda, l’estudi de les solucions electrolítiques se centra en el fenomen de la dissociació electrolítica i en el seu tractament mitjançant la teoria de Debye-Hückel, i comprèn aspectes tan importants, especialment pel que fa a la química analítica, com ara la teoria d’àcids i bases, els conceptes d’hidròlisi, de pH i de producte de solubilitat, i l’estudi de les solucions amortidores i de l’efecte d’ió comú. La química física també es preocupa dels fenòmens superficials, els quals han estat tractats fonamentalment des d’un punt de vista termodinàmic i se centren en l’estudi de la tensió superficial i de les propietats que en deriven (capil·laritat, detergent), com també de l’adsorció, tant de natura física com química, amb una atenció especial al problema de la catàlisi heterogènia. El tema de la velocitat de reacció és tractat des del punt de vista quimicofísic a través de la cinètica química. L’aproximació macroscòpica origina la cinètica formal, la qual es basa en mesures experimentals per a deduir les constants de velocitat de reacció i l’ordre de reacció, a fi de postular els mecanismes de reacció. Per contra, l’aproximació microscòpica dóna lloc a la cinètica molecular, que es concreta en la teoria de l’estat de transició, la qual, partint d’un tractament mecanicoquàntic, i mitjançant la termodinàmica estadística, permet la deducció teòrica de paràmetres absoluts de reacció. Finalment, temes importants relacionats amb la cinètica química, i que per les peculiaritats que presenten han rebut un tractament particular, són els de les reaccions fotoquímiques ( fotoquímica) i el de la catàlisi. Històricament, l’electroquímica ha constituït una de les bases inicials inicials sobre les quals s’establí la transformació de la química en una vertadera ciència, sobretot arran de l’establiment de les lleis de Faraday i del concepte d’equivalent. Actualment, els fenòmens electroquímics estudiats per la química física són, fonamentalment, la conductivitat iònica ( índex de transport), la qual pot ésser explicada per les modificacions d’Onsager de la teoria de Debye-Hückel i que troba una gran aplicació en anàlisi química, l’estudi dels equilibris electroquímics, fonament de les cel·les electroquímiques (pila, elèctrode), de gran aplicació igualment per a les determinacions analítiques ( potenciometria), l’estudi del potencial d’interfase i el dels fenòmens electrocinètics. D’altra banda, la cinètica electroquímica tracta dels processos electrolítics i dels fenòmens relacionats amb ells, com la sobretensió, la corrosió i la passivació, i també de la tècnica analítica de la polarografia. Finalment, l’estudi dels col·loides i de les macromolècules, conegut sovint com a química macromolecular, ha esdevingut una àrea quimicofísica de gran transcendència, ateses les innombrables aplicacions dels polímers sintètics i l’interès teòric de les macromolècules biològiques. La incorporació de la informàtica al laboratori ha significat un gran suport, com també ho han estat altres elements tecnològics, com el microscopi d’efecte túnel. Aquest darrer, per exemple, ha permès visualitzar els àtoms d’alguns compostos. El làser ha ajudat a estudiar millor mecanismes de reacció i, sobretot, les reaccions ultraràpides. D’aquesta manera, s’han adquirit nous coneixements sobre els diversos passos que componen una reacció química, en què hi ha ruptura d’enllaços, formació de noves unions, etc. D’altra banda, s’han proposat noves magnituds o noves maneres de calcular-ne algunes. Així, L. C. Allen, de la Universitat de Princeton, proposà el 1989 l’anomenada energia de capa de valència, que, basant-se en càlculs quàntics, contempla la consideració de l’energia d’ionització com a base de l’electronegativitat. Aquest valor s’obtindria fent la mitjana dels potencials d’ionització de tots els electrons de les capes s. i p. Això porta a una representació en tres dimensions de la taula periòdica dels elements. El mateix Allen ha insistit en el tema, proposant l’energia de configuració, que seria la relació entre l’energia d’un electró de valència de l’estat bàsic d’un àtom lliure

Col·laboració: 
MPB / AMeP / PSM
Llegir més...