Физическая химия
Физи́ческая хи́мия, наука об общих законах и закономерностях, определяющих строение и физико-химические свойства веществ, механизм и динамику их химических превращений при различных внешних условиях. Исследует химические явления с помощью теоретических и экспериментальных методов физики. Как самостоятельная наука физическая химия оформилась к середине 18 в. Термин «физическая химия» принадлежит М. В. Ломоносову, который в 1752–1753 гг. прочитал студентам Академического университета курс «Введение в истинную физическую химию». Первый научный журнал, предназначенный для публикации статей по физической химии (Zeitschrift für Physikalische Chemie), основан в 1887 г. В. Оствальдом и Я. Х. Вант-Гоффом.
Феноменологические основы физической химии получили своё обоснование с появлением и развитием таких важнейших разделов физики, как термодинамика и статистическая физика, квантовая механика, теория поля и др. Физическая химия является основным теоретическим фундаментом химии. Физическая химия включает учение о строении вещества (в том числе о строении молекул), химическую термодинамику, химическую кинетику и катализ. В качестве отдельных разделов физической химии выделяют электрохимию, химию поверхности (в том числе адсорбцию и хроматографию), нанохимию, фотохимию, химию высоких энергий, химию высоких давлений и радиационную химию, учение о коррозии и др. Весьма близко примыкают к физической химии такие разделы химии, как коллоидная химия, квантовая химия и физико-химический анализ.
Квантовая химия
Важным источником информации о строении молекул, об их различных характеристиках и особенностях возможных превращений служат результаты квантовохимических расчётов. Помимо количественных данных квантовая химия даёт систему понятий и представлений, активно используемых в физической химии для установления корреляций между свойствами отдельных молекул и молекул в рядах родственных соединений, а также при объяснении особенностей химических и биологических свойств соединений. Эти корреляции широко используются, в частности, и для решения обратной задачи – прогнозирования строения соединений с заданными свойствами. Благодаря развитию экспериментальных методов и возможностей методов квантовохимических расчётов физическая химия на современном этапе подошла к всестороннему изучению свойств соединений в возбуждённых состояниях и соединений нестабильных (короткоживущих), а также к изучению свойств соединений в экстремальных условиях.
Химическая физика
Развитие квантовых представлений об атомных и молекулярных системах и их применение к объяснению химии явлений привело в начале 1930-х гг. к выделению отдельного направления – химической физики. За физической химией предполагалось сохранить её классические разделы и направления, тогда как направление, опирающееся на квантовые представления, предполагалось отнести к химической физике. Такое деление оказалось в итоге условным, определённую границу между этими двумя направлениями сегодня провести уже невозможно, что чётко проявляется и при рассмотрении строения молекул, и при разработке представлений и аппарата современной химической кинетики.
Химическая термодинамика
Йоханнес Ван дер Ваальс. Библиотека и архив Нильса Бора, Американский институт физики, Колледж-Парк (штат Мэриленд, США).Важную часть физической химии составляет химическая термодинамика – раздел физической химии, посвящённый изучению макроскопических химических систем в различных фазовых состояниях и происходящих в них процессов (реакции, фазовые превращения и др.) на основе общих законов взаимопревращения теплоты, различных видов работы и энергии.
В разработке основных принципов феноменологической термодинамики и решении её прикладных задач, в частности задач химической термодинамики, участвовали многие выдающиеся учёные 19–20 вв. Й. Д. Ван дер Ваальс, С. Карно, P. Клаузиус, Г. И. Гесс, Д. П. Коновалов, Г. Гельмгольц, Я. Х. Вант-Гофф, Ф.-М. Рауль, Дж. У. Гиббс, А. Ле Шателье, 
Якоб Вант-Гофф. 1904.В. Оствальд, В. Нернст сформулировали основные законы и принципы термодинамики, разработали её математический аппарат. Дальнейшее развитие было определено таким разделом науки, как статистическая термодинамика, которая не только дала обоснование положениям феноменологической теории на молекулярно-статистическом уровне, но и привела к новым возможностям расчёта термодинамических величин на основании экспериментальных и расчётных данных о строении и системе энергетических уровней молекул исследуемого вещества.
Рабочим инструментом химической термодинамики являются характеристические функции (внутренняя энергия, энтропия, энтальпия, энергия Гиббса, энергия Гельмгольца) и уравнения, связывающие их друг с другом и с параметрами, задающими внешние условия, в которых находится система. Для определения характеристических функций используются, в частности, такие экспериментальные методы, как калориметрия и метод электродвижущих сил.
Портрет Германа Гельмгольца. С помощью характеристических функций формулируются условия равновесия и устойчивости систем, определяются количественные характеристики равновесных состояний и направления осуществления тех или иных обратимых химических процессов.
Хотя химическая термодинамика позволяет сформулировать точные количественные соотношения для характеристических функций только для веществ в равновесных состояниях, тем не менее она может указать направление осуществления тех или иных обратимых процессов либо предсказать возможность их осуществления при заданных внешних условиях. Важное направление химической термодинамики – количественные расчёты равновесного состава сложных многокомпонентных систем, расчёты диаграмм фазового равновесия и поиск на основе термодинамических соотношений оптимальных по тем или иным свойствам составов.
Химия поверхности, адсорбция и хроматография
Отдельный раздел физической химии, базирующийся на химической термодинамике, – учение о поверхностных явлениях и адсорбции, обобщающее данные о свойствах межфазных границ и равновесных процессах в гетерогенных системах. Информация о структуре и термодинамических свойствах поверхности играет важную роль для гетерогенного катализа и для хроматографических методов разделения и очистки веществ. Особое внимание привлекает развитие представлений о системах наноразмерных частиц, свойства которых определяются их размерами и морфологией, особенностями их поверхности.
Термодинамика неравновесных процессов
Ограничение обычной термодинамики описанием равновесных состояний и обратимых процессов отчасти было снято при переходе к термодинамике неравновесных процессов, возникшей в 1930-х гг. Этот раздел физической химии изучает неравновесные процессы, в которых скорость возникновения энтропии локально сохраняется постоянной (такие системы локально близки к равновесным). Термодинамика неравновесных процессов позволяет рассматривать системы с химическими реакциями, диффузией, термодиффузией, переносом теплоты, электрических зарядов и др.
Химическая кинетика
Превращения химических веществ во времени (в частности, скорость химической реакции и механизм химической реакции, их зависимость от соотношения и концентраций реагентов, от внешних условий) изучает химическая кинетика. В химической кинетике выделяют такие крупные разделы, как формальная кинетика, кинетика реакций в растворах, кинетика цепных реакций, кинетика гетерогенных реакций.
Большинство химических реакций представляет собой сложные многостадийные химические реакции, в которых с большей или меньшей определённостью можно выделить отдельные элементарные акты химического превращения, переноса вещества и энергии. Теоретическая химическая кинетика анализирует механизмы элементарных реакций и возможные модели сложных химических превращений с последующим расчётом констант скоростей изучаемых процессов на основе представлений и математического аппарата классической механики и квантовой теории. Теоретическая химическая кинетика устанавливает связь между строением реагирующих веществ и их реакционной способностью, зависимость скорости химического превращения от фазового состояния реагентов, их внешнего теплового и электромагнитного возбуждения. Наиболее важную роль в теоретическом описании реакций играют теория активных столкновений и теория активированного комплекса.
Современные экспериментальные методы позволяют исследовать быстрые (вплоть до фемтосекундных) химические превращения, автоматизировать регистрацию и обработку кинетических данных, проводить параллельные измерения несколькими методами и др. При этом математическое моделирование (в том числе компьютерное моделирование) химических процессов позволяет осуществлять детальную проверку гипотез о механизмах реакций.
В теоретической химической кинетике, наряду с квантовым подходом, широко представлены качественные модели осуществления той или иной реакции при следовании вдоль т. н. пути реакции, отвечающего минимальной кривой на поверхности потенциальной энергии при переходе от исходных реагентов к продуктам реакции. Такой анализ, хотя и выполняется, как правило, не для всей поверхности, а лишь для некоторых её сечений, часто способствует правильным заключениям о механизме реакции и возможностях его изменения при изменении состава реакционной смеси и внешних условий.
Катализ
Весьма важный раздел физической химии, тесно связанный с химической кинетикой, – учение о катализе, т. е. об изменении скорости и направления химической реакции при воздействии веществ (катализаторов), участвующих в реакции, но остающихся химически неизменными после каждого цикла превращений и поэтому не входящих в состав конечных продуктов. Изменяя скорость химической реакции, катализатор не меняет равновесный состав её продуктов.
При гомогенном катализе катализатор и реагирующие вещества находятся в одной фазе в молекулярно-дисперсном состоянии, тогда как при гетерогенном катализе катализатор образует самостоятельную, как правило твёрдую, фазу, отделённую границей раздела от фазы, в которой находятся реагирующие вещества. Катализ проходит на границе раздела фаз и поэтому зависит от состояния поверхности катализатора и её изменений в ходе каталитического процесса.
В зависимости от типа используемых катализаторов и специфики соответствующих каталитических процессов выделяют ферментативный катализ и мембранный катализ, играющие весьма важную роль в биологических процессах, металлокомплексный катализ, отличающийся высокой селективностью осуществления реакций, мицеллярный катализ и др.
Большинство химических процессов, осуществляемых в промышленности, являются каталитическими (промышленный катализ). Многие реакции биологически важных соединений, если их рассматривать на молекулярном уровне, также относятся к каталитическим. Существенной особенностью таких реакций является их высокая селективность, позволяющая получать с высоким выходом целевые продукты высокой чистоты.
Катализ активно используется и в областях, связанных с повышенным антропогенным воздействием на окружающую среду, когда необходимо удалять токсичные и вредные вещества из атмосферы и гидросферы Земли (например, при выбросах токсичных промышленных и парниковых газов).
Роль и развитие
Физическая химия – активно развивающаяся наука, что определяется не только необходимостью решения большого числа прикладных задач по получению количественных данных о физико-химических свойствах соединений, но и развитием новых направлений, в частности связанных с пониманием свойств наноразмерных объектов, выяснением влияния на свойства соединений биологически активных сред, осуществлением низкоэнергетических ядерно-химических реакций, ведущих к превращениям ядер (в том числе к ядерному синтезу), и рядом других направлений. Роль физической химии в понимании фундаментальных основ химической науки на современном этапе является определяющей, что позволяет к тому же и формулировать чёткие прогностические выводы о возможностях и оптимальных условиях осуществления новых химических реакций.