شيمي فيزيک

شيمي فيزيک
شيمي فيزيک (Physical chemistry) بخشي از علم شيمي است که در آن ، از اصول و قوانين فيزيکي ، براي حل مسائل شيميايي استفاده می‌شود. به عبارت ديگر ، هدف از شيمي فيزيک ، فراگيري اصول نظري فيزيک در توجيه پديده‌هاي شيميايي است. براي آشنايي بيشتر با علم شيمي فيزيک ، بايد با زير مجموعه‌هاي اين علم آشنا شويم و اهداف اين علم را در دل اين زير مجموعه‌ها بيابيم.

◄ ترموديناميک شيميايي:
تعيين سمت و سوي واکنش
ترموديناميک شيميايي در عمل ، برقراري چهارچوبي براي تعيين امکان پذيربودن يا خود به خود انجام شدن تحولي فيزيکي يا شيميايي معين است. به عنوان مثال ، ممکن است به حصول معياري جهت تعيين امکان پذير بودن تغييري از يک فاز به فاز ديگر بطور خود به خود مانند تبديل گرافيت به الماس يا با تعيين سمت و سوي خود به خود انجام شدن واکنشي زيستي که در سلول اتفاق می‌افتد، نظر داشته باشيم.
در حلاجي اين نوع مسائل ، چند مفهوم نظري و چند تابع رياضي ديگر بر مبناي قوانين اول و دوم ترموديناميک و برحسب توابع انرژي گيبس ابداع شده‌اند که شيوه‌هاي توانمندي براي دستيابي به پاسخ آن مسائل ، در اختيار قرار داده‌اند.
تعادل
پس از تعيين شدن سمت و سوي تحولي طبيعي ، ممکن است علم بر ميزبان پيشرفت آن تا رسيدن به تعادل نيز مورد توجه باشد. به عنوان نمونه ، ممکن است حداکثر راندمان تحولي صنعتي يا قابليت انحلال دی‌اکسيد کربن موجود در هوا ، در آبهاي طبيعي يا تعيين غلظت تعادلي گروهي از متابوليتها ( Metabolites ) در يک سلول مورد نظر باشد. روشهاي ترموديناميکي ، روابط رياضي لازم براي محاسبه و تخمين چنين کميت‌هايي را بدست می‌دهد.
گرچه هدف اصلي در ترموديناميک شيميايي ، تجزيه و تحليل در بررسي امکان خود به خود انجام شدن يک تحول و تعادل می‌باشد، ولي علاوه بر آن ، روشهاي ترموديناميکي به بسياري از مسائل ديگر نيز قابل تعميم هستند. مطالعه تعادلهاي فاز ، چه در سيستم‌هاي ايده آل و چه در غير آن ، پايه و اساس کار براي کاربرد هوشمندانه روشهاي استخراج ، تقطير و تبلور به عمليات متالوژي و درک گونه‌هاي کانی‌ها در سيستم‌هاي زمين‌ شناسي می‌باشد.

تغييرات انرژي
همين طور ، تغييرات انرژي ، همراه با تحولي فيزيکي يا شيميايي ، چه به صورت کار و چه به صورت گرما مورد توجه جدي قرار دارند؛ اين تحول ممکن است احتراق يک سوخت ، شکافت هسته اورانيوم يا انتقال يک متابوليت در بستر گراديان غلظت باشد.
مفاهيم و روشهاي ترموديناميکي ، نگرشي قوي براي درک چنان مسائلي را فراهم مي آورد که در شيمي فيزيک مورد بررسي قرار می‌گيرند.

◄ الکتروشيمي:
تمام واکنش‌هاي شيميايي ، اساسا ماهيت الکتريکي دارند؛ زيرا الکترونها ، در تمام انواع پيوندهاي شيميايي (به راههاي گوناگون) دخالت دارد. اما الکتروشيمي ، بيش ار هر چيز بررسي پديده هاي اکسايش- کاهش (Oxidation - Reduction) است. روابط بين تغيير شيميايي و انرژي الکتريکي ، هم از لحاظ نظري و هم از لحاظ عملي حائز اهميت است.
از واکنش‌هاي شيميايي می‌توان براي توليد انرژي الکتريکي استفاده کرد، (در سلولهايي که “سلولها يا پيلهاي ولتايي” يا “سلولهاي گالواني” ناميده می‌شوند) و انرژي الکتريکي را می‌توان براي تبادلات شيميايي بکار برد (در سلولهاي الکتروليتي). علاوه بر اين، مطالعه فرايندهاي الکتروشيميايي منجر به فهم و تنظيم قواعد آن گوني از پديده هاي اکسايش- کاهش که خارج از اين گونه سلولها يا پيلها روي مي دهد نيز می‌شود.

◄ سينتيک شيميايي (Chemical Kinetic) :
سينتيک شيميايي عبارت از بررسي سرعت واکنش‌هاي شيميايي است. سرعت يک واکنش شيميايي را عوامل معدودي کنترل می‌کنند. بررسي اين عوامل ، راههايي را نشان می‌دهد که در طي آنها ، مواد واکنش‌دهنده به محصول واکنش تبديل می‌شوند. توضيح تفضيلي مسير انجام واکنش بر مبناي رفتار اتم‌ها ، مولکول‌ها و يون‌ها را “مکانيسم واکنش” می‌ناميم.
در ترموديناميک و الکتروشيمي ، کارها پيش‌بيني انجام واکنش بود؛ اما مشاهدات صنعتي ، نتايج ترموديناميک شيميايي را به نظر تاييد نمی‌کند. در اين حالت نبايستي فکر کنيم که پيش بيني ترموديناميک اشتباه بوده است؛ چون ترموديناميک کاري با ميزان پيشرفت واکنش و نحوه انجام فرايندها ندارد. نظر به اهميت انجام فرايندها از نظر بهره زماني ، لازم است که عامل زمان در بررسي فرايندها وارد شود.
به عنوان مثال ، کاتاليزورهاي بخصوصي به نام “آنزيم‌ها” در تعيين اين که کدام واکنش در سيستمهاي زيستي با سرعت قابل ملاحظه به راه بيافتد، عواملي مهم هستند. مثلا مولکول “تري فسفات آدنوزين” (Adnosine triphosphate) از لحاظ ترموديناميکي در محلولهاي آبي ناپايدار بوده و بايد هيدروليز گرديده و به “دي فسفات آدنوزين” و يک فسفات معدني تجزيه شود. در صورتي که اين واکنش در غياب آنزيمي ويژه ، “آدنوزين تري فسفاتاز” ، بسيار کند می‌باشد.
در واقع همين کنترل ترموديناميکي سمت و سوي واکنش‌ها به همراه کنترل سرعت آنها توسط آنزيمهاست که موجوديت سيستمي با تعادل بسيار ظريف ، يعني سلول زنده را مقدور می‌سازد. بيشتر واکنش‌هاي شيميايي طي مکانيسمهاي چند مرحله‌اي صورت می‌گيرند. هرگز نمی‌توان اطمينان داشت که يک مکانيسم پيشنهاد شده ، بيانگر واقعيت باشد. مکانيسم واکنشها تنها حدس و گمانهايي بر اساس بررسيهاي سينتيکی‌اند.

◄ ارتباط شيمي فيزيک با ساير علوم:
همانطور که عنوان شد و از نام شيمي فيزيک پيداست، اين علم ، مسائل و پديده‌هاي شيميايي را با اصول و قوانين فيزيک توجيه می‌کند و ارتباط تنگاتنگي ميان شيمي و فيزيک برقرار می‌کند. علاوه بر آن ، روابط بسيار پيچيده شيميايي با زبان رياضي ، مرتب و طبقه‌بندي شده و قابل فهم می‌گردد. بسياري از پديده‌هاي زيستي مانند سوخت و ساز مواد غذايي در سلولهاي بدن با علم شيمي فيزيک توجيه می‌شود و اين ، ارتباط شيمي فيزيک را با زيست شناسي و به تبع آن پزشکي بيان می‌کند.
بسياري از پديده هاي طبيعي که به صورت خود به خودي انجام می‌گيرد، همانند تبديل خود به خودي الماس به گرافيت ، با علم شيمي فيزيک توجيه می‌شود.

◄ کاربردهاي شيمي فيزيک:
ارتباط شيمي فيزيک با ساير علوم ، کاربردهاي اقتصادي و اجتماعي اين علم را بيان می‌کند. به عنوان مثال ، با مطالعه الکتروشيمي ، به پايه و اساس پديده‌هاي طبيعي مانند خوردگي فلزات پي برده و می‌توان از ضررهاي اقتصادي و اجتماعي چنين پديده‌هايي جلوگيري کرده و يا اين پديده‌ها را به مسيري مفيد براي جامعه سوق داد. علاوه بر آن ، کاربرد قوانين ترموديناميک مانند “نقطه اتکيتک” در جلوگيري از ضررهاي جاني و مالي پديده‌هاي طبيعي مانند يخ بندان بعد از بارش برف ، بسيار مفيد می‌باشد (مخلوط کردن برف و نمک بر اساس نقطه اتکيتک).