شیمی فیزیک

شیمی فیزیک (Physical chemistry) بخشی از علم شیمی است که در آن ، از اصول و قوانین فیزیکی ، برای حل مسائل شیمیایی استفاده می شود.












http://www.aftabir.com/articles/scie...0d51eacb53.jpg











شیمی فیزیک (Physical chemistry) بخشی از علم شیمی است که در آن ، از اصول و قوانین فیزیکی ، برای حل مسائل شیمیایی استفاده می شود. به عبارت دیگر ، هدف از شیمی فیزیک ، فراگیری اصول نظری فیزیک در توجیه پدیده های شیمیایی است. برای آشنایی بیشتر با علم شیمی فیزیک ، باید با زیر مجموعه های این علم آشنا شویم و اهداف این علم را در دل این زیر مجموعه ها بیابیم.


● ترمودینامیک شیمیایی
▪ تعیین سمت و سوی واکنش
ترمودینامیک شیمیایی در عمل ، برقراری چهارچوبی برای تعیین امکان پذیربودن یا خود به خود انجام شدن تحولی فیزیکی یا شیمیایی معین است. به عنوان مثال ، ممکن است به حصول معیاری جهت تعیین امکان پذیر بودن تغییری از یک فاز به فاز دیگر بطور خود به خود مانند تبدیل گرافیت به الماس یا با تعیین سمت و سوی خود به خود انجام شدن واکنشی زیستی که در سلول اتفاق می افتد، نظر داشته باشیم.
در حلاجی این نوع مسائل ، چند مفهوم نظری و چند تابع ریاضی دیگر بر مبنای قوانین اول و دوم ترمودینامیک و برحسب توابع انرژی گیبس ابداع شده اند که شیوه های توانمندی برای دستیابی به پاسخ آن مسائل ، در اختیار قرار داده اند.


● تعادل
پس از تعیین شدن سمت و سوی تحولی طبیعی ، ممکن است علم بر میزبان پیشرفت آن تا رسیدن به تعادل نیز مورد توجه باشد. به عنوان نمونه ، ممکن است حداکثر راندمان تحولی صنعتی یا قابلیت انحلال دی اکسید کربن موجود در هوا ، در آبهای طبیعی یا تعیین غلظت تعادلی گروهی از متابولیتها ( Metabolites ) در یک سلول مورد نظر باشد. روشهای ترمودینامیکی ، روابط ریاضی لازم برای محاسبه و تخمین چنین کمیت هایی را بدست می دهد.
گرچه هدف اصلی در ترمودینامیک شیمیایی ، تجزیه و تحلیل در بررسی امکان خود به خود انجام شدن یک تحول و تعادل می باشد، ولی علاوه بر آن ، روشهای ترمودینامیکی به بسیاری از مسائل دیگر نیز قابل تعمیم هستند. مطالعه تعادلهای فاز ، چه در سیستم های ایده آل و چه در غیر آن ، پایه و اساس کار برای کاربرد هوشمندانه روشهای استخراج ، تقطیر و تبلور به عملیات متالوژی و درک گونه های کانی ها در سیستم های زمین شناسی می باشد.


● تغییرات انرژی
همین طور ، تغییرات انرژی ، همراه با تحولی فیزیکی یا شیمیایی ، چه به صورت کار و چه به صورت گرما مورد توجه جدی قرار دارند؛ این تحول ممکن است احتراق یک سوخت ، شکافت هسته اورانیوم یا انتقال یک متابولیت در بستر گرادیان غلظت باشد.
مفاهیم و روشهای ترمودینامیکی ، نگرشی قوی برای درک چنان مسائلی را فراهم می آورد که در شیمی فیزیک مورد بررسی قرار می گیرند.


● الکتروشیمی
تمام واکنش های شیمیایی ، اساسا ماهیت الکتریکی دارند؛ زیرا الکترونها ، در تمام انواع پیوندهای شیمیایی (به راههای گوناگون) دخالت دارد. اما الکتروشیمی ، بیش ار هر چیز بررسی پدیده های اکسایش کاهش (Oxidation Reduction) است. روابط بین تغییر شیمیایی و انرژی الکتریکی ، هم از لحاظ نظری و هم از لحاظ عملی حائز اهمیت است.
از واکنش های شیمیایی می توان برای تولید انرژی الکتریکی استفاده کرد، (در سلولهایی که “سلولها یا پیلهای ولتایی” یا “سلولهای گالوانی” نامیده می شوند) و انرژی الکتریکی را می توان برای تبادلات شیمیایی بکار برد (در سلولهای الکترولیتی). علاوه بر این، مطالعه فرایندهای الکتروشیمیایی منجر به فهم و تنظیم قواعد آن گونی از پدیده های اکسایش کاهش که خارج از این گونه سلولها یا پیلها روی می دهد نیز می شود.


● سینتیک شیمیایی (Chemical Kinetic)
سینتیک شیمیایی عبارت از بررسی سرعت واکنش های شیمیایی است. سرعت یک واکنش شیمیایی را عوامل معدودی کنترل می کنند. بررسی این عوامل ، راههایی را نشان می دهد که در طی آنها ، مواد واکنش دهنده به محصول واکنش تبدیل می شوند. توضیح تفضیلی مسیر انجام واکنش بر مبنای رفتار اتم ها ، مولکول ها و یون ها را “مکانیسم واکنش” می نامیم.
در ترمودینامیک و الکتروشیمی ، کارها پیش بینی انجام واکنش بود؛ اما مشاهدات صنعتی ، نتایج ترمودینامیک شیمیایی را به نظر تایید نمی کند. در این حالت نبایستی فکر کنیم که پیش بینی ترمودینامیک اشتباه بوده است؛ چون ترمودینامیک کاری با میزان پیشرفت واکنش و نحوه انجام فرایندها ندارد. نظر به اهمیت انجام فرایندها از نظر بهره زمانی ، لازم است که عامل زمان در بررسی فرایندها وارد شود.
کاتالیزورهای بخصوصی به نام “آنزیم ها” در تعیین این که کدام واکنش در سیستمهای زیستی با سرعت قابل ملاحظه به راه بیافتد، عواملی مهم هستند. مثلا مولکول “تری فسفات آدنوزین” (Adnosine triphosphate) از لحاظ ترمودینامیکی در محلولهای آبی ناپایدار بوده و باید هیدرولیز گردیده و به “دی فسفات آدنوزین” و یک فسفات معدنی تجزیه شود. در صورتی که این واکنش در غیاب آنزیمی ویژه ، “آدنوزین تری فسفاتاز” ، بسیار کند می باشد.
در واقع همین کنترل ترمودینامیکی سمت و سوی واکنش ها به همراه کنترل سرعت آنها توسط آنزیمهاست که موجودیت سیستمی با تعادل بسیار ظریف ، یعنی سلول زنده را مقدور می سازد. بیشتر واکنش های شیمیایی طی مکانیسمهای چند مرحله ای صورت می گیرند. هرگز نمی توان اطمینان داشت که یک مکانیسم پیشنهاد شده ، بیانگر واقعیت باشد. مکانیسم واکنشها تنها حدس و گمانهایی بر اساس بررسیهای سینتیکی اند.


● ارتباط شیمی فیزیک با سایر علوم
همانطور که عنوان شد و از نام شیمی فیزیک پیداست، این علم ، مسائل و پدیده های شیمیایی را با اصول و قوانین فیزیک توجیه می کند و ارتباط تنگاتنگی میان شیمی و فیزیک برقرار می کند. علاوه بر آن ، روابط بسیار پیچیده شیمیایی با زبان ریاضی ، مرتب و طبقه بندی شده و قابل فهم می گردد. بسیاری از پدیده های زیستی مانند سوخت و ساز مواد غذایی در سلولهای بدن با علم شیمی فیزیک توجیه می شود و این ، ارتباط شیمی فیزیک را با زیست شناسی و به تبع آن پزشکی بیان می کند.
بسیاری از پدیده های طبیعی که به صورت خود به خودی انجام می گیرد، همانند تبدیل خود به خودی الماس به گرافیت ، با علم شیمی فیزیک توجیه می شود.


● کاربردهای شیمی فیزیک
ارتباط شیمی فیزیک با سایر علوم ، کاربردهای اقتصادی و اجتماعی این علم را بیان می کند. به عنوان مثال ، با مطالعه الکتروشیمی ، به پایه و اساس پدیده های طبیعی مانند خوردگی فلزات پی برده و می توان از ضررهای اقتصادی و اجتماعی چنین پدیده هایی جلوگیری کرده و یا این پدیده ها را به مسیری مفید برای جامعه سوق داد. علاوه بر آن ، کاربرد قوانین ترمودینامیک مانند “نقطه اتکیتک” در جلوگیری از ضررهای جانی و مالی پدیده های طبیعی مانند یخ بندان بعد از بارش برف ، بسیار مفید می باشد (مخلوط کردن برف و نمک بر اساس نقطه اتکیتک).
فراموش نکنیم که تمامی باطری ها و پیلهایی که وسایل زندگی ما با نیروی آنها بکار گرفته می شوند، براساس قوانین شیمی فیزیک ساخته شده اند.
http://www.aftabir.com/images/article/break.gif