Γρήγορη και εύκολη εξήγηση της Φυσικοχημείας

Ελπίζουμε να σας άρεσε να κοιτάτε τους κλάδους της χημείας μέχρι στιγμής. Ακολουθεί η φυσική χημεία! Υπάρχουν λίγο περισσότερα σε αυτό, αλλά όπως υποδηλώνει το όνομα, μπορείτε να το σκεφτείτε ως ένα μείγμα φυσικής και χημείας. Τι σημαίνει αυτό στην πραγματικότητα; Ακολουθούν μερικά παραδείγματα φυσικής χημείας και μια ματιά στους ευρύτερους στόχους του ίδιου του κλάδου.

Τι είναι η Φυσικοχημεία;

Η φυσική χημεία μελετά τις φυσικές ιδιότητες των χημικών ουσιών — όλης της ύλης — καθώς και τις χημικές αντιδράσεις σε ατομικό και μοριακό επίπεδο.

Έχουμε σπίρτα και αναπτήρες Zippo σήμερα γιατί έχουμε παρατηρήσει και τώρα μπορούμε να αναπαράγουμε τις χημικές διεργασίες που δίνουν αξιόπιστα φωτιά. Μας αρέσει να λέμε ότι έχουμε «κατακτήσει τη φωτιά» — και η επιστήμη της φυσικής χημείας (και μερικά καμένα δάχτυλα) μας οδήγησε εκεί.

Οι χημικές αλλαγές (χημικές αντιδράσεις) διαφέρουν από τις φυσικές αλλαγές ή τις φυσικές αντιδράσεις. Η φυσική χημεία ασχολείται με το πρώτο, αλλά έχει επιπτώσεις στο δεύτερο — δηλαδή στο πώς «συμπεριφέρονται τα πράγματα» στον πραγματικό κόσμο που βλέπουμε και αγγίζουμε καθημερινά.

Οι χημικές αντιδράσεις περιλαμβάνουν πράγματα όπως η καύση ξύλου, η οξείδωση των μετάλλων και οι πεπτικές διεργασίες. Σε όλα αυτά σπάνε χημικοί δεσμοί και σχηματίζονται νέοι.

Η παρατήρηση των φυσικών αλλαγών μας βοηθά να κατανοήσουμε και να εκμεταλλευτούμε, για παράδειγμα, γιατί και πότε η ύλη αλλάζει καταστάσεις και το σημείο στο οποίο τα μέταλλα και τα κράματα σπάνε αντί να κάμπτονται. Με τις φυσικές αλλαγές, είναι το ίδιο «πράγμα». Δεν έχει αλλάξει χημικά. Αλλά μέσω της φυσικής χημείας και άλλων κλάδων της επιστήμης, μπορούμε να κάνουμε «καλύτερα πράγματα». Και αυτό είναι μόνο μέρος του.

Η εξάσκηση στη φυσική χημεία χρησιμοποιεί τα ακόλουθα πλεονεκτήματα για να κάνει παρατηρήσεις καθώς μαθαίνουμε πώς να εκμεταλλευόμαστε τις χημικές αλλαγές και τις ιδιότητες των υλικών:

• Μακροσκοπικό :Πώς συμπεριφέρονται μεγαλύτερες ποσότητες ύλης υπό διαφορετικές συνθήκες; Ποια είναι τα σημεία τήξης και βρασμού τους; Πόσο καλά μεταφέρουν τη θερμότητα; Ποια υλικά μπορούν να αντέξουν τα επιθυμητά επίπεδα στρες;
• Μικροσκοπικό :Τα μικροσκόπια φωτός, τα μικροσκόπια ανιχνευτή σάρωσης και τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια μας βοηθούν να παρατηρήσουμε τι «κάνουν» τα υλικά πέρα ​​από την ικανότητά μας να τα παρατηρούμε άμεσα. Πώς σχηματίζονται οι κρύσταλλοι με τον τρόπο που σχηματίζονται; Γιατί αυτός ο διαλύτης λειτουργεί με τον τρόπο που λειτουργεί;
• Ατομική :Από αυτό το πλεονέκτημα, η φυσική χημεία παρατηρεί τις ιδιότητες των ίδιων των στοιχείων και πώς και πότε σχηματίζουν ενώσεις.
• Υποατομικά και πυρηνικά :Η φυσική χημεία σε υποατομικό και πυρηνικό επίπεδο ασχολείται με το πώς λειτουργούν τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα ηλεκτρόνια και πώς συμπεριφέρεται η ίδια η ενέργεια.

Γιατί είναι χρήσιμη η Φυσικοχημεία;

Η πραγματοποίηση παρατηρήσεων σε αυτές τις κλίμακες μας βοηθά να κατανοήσουμε καλύτερα πώς «λειτουργεί» ο φυσικός κόσμος, πώς λειτουργούν και σχηματίζονται απλές και πολύπλοκες δομές και πώς η ανθρωπότητα μπορεί να εκμεταλλευτεί τις χημικές αντιδράσεις για να δημιουργήσει νέες αντιδράσεις και δικά μας υλικά.

Ένας φυσικοχημικός μπορεί να ξεκινήσει με μια πρόβλεψη για το πώς μια χημική ουσία ή ένας συνδυασμός υλικών μπορεί να συμπεριφέρεται υπό ορισμένες συνθήκες. Στη συνέχεια, θα χρησιμοποιούσαν εξελιγμένο εξοπλισμό για να παρατηρήσουν την επιθυμητή αντίδραση ή φαινόμενο σε ένα εργαστήριο ή μια προσομοίωση για να ελέγξουν αυτή την υπόθεση και να βελτιώσουν τους στόχους και τις προσδοκίες τους για περαιτέρω δοκιμές.

Αυτές οι παρατηρήσεις αποδίδουν τα πολλά σημεία δεδομένων που απαιτούνται από τους φυσικούς χημικούς για να εξηγήσουν τι βλέπουν με μαθηματικούς όρους και να προβλέψουν την ίδια συμπεριφορά αργότερα σε διαφορετικό σύνολο περιστάσεων. Τα δεδομένα βοηθούν να τοποθετηθούν αυτά τα νέα ευρήματα στο πλαίσιο μαζί με τις άλλες παρατηρούμενες ιδιότητες της φυσικής ύλης και τα καθιστούν χρήσιμα σε μέλη άλλων επιστημονικών πεδίων και επαγγελματικών κλάδων.

Σκεφτείτε πολλές φορές στην ιστορία που μια εφεύρεση ή ανακάλυψη που αλλάζει το παιχνίδι βασίστηκε στην ανάπτυξη ενός νέου ή βελτιωμένου υλικού. Για παράδειγμα:"Εάν το Widget X είναι κατασκευασμένο από υλικό Β, θα έχει 5% βελτίωση στην αντοχή σε εφελκυσμό" ή "Με αυτόν τον τύπο καυσίμου, μπορούμε να ξεφύγουμε από τη βαρύτητα και την ατμόσφαιρα της γης 10% πιο αποτελεσματικά."

Αυτοί είναι οι τύποι υποθέσεων που οδήγησαν την ανθρωπότητα στο φεγγάρι και που θα μας βοηθήσουν να κατασκευάσουμε καλύτερες μπαταρίες, να εξερευνήσουμε τις κρυφές περιοχές των ωκεανών της γης και ίσως ακόμη και να αντιμετωπίσουμε αυτόν τον προαναγγελθέντα διαστημικό ανελκυστήρα. Η φυσική χημεία δεν το κάνει μόνη της, αλλά παίζει τεράστιο ρόλο.

Ποια είναι μερικά παραδείγματα φυσικής χημείας;

Πιθανότατα αναρωτιέστε πώς ένα τόσο ευρύ πεδίο διατηρείται οργανωμένο. Ευτυχώς, η φυσική χημεία μπορεί να αναλυθεί σε πολλά συγκεκριμένα πεδία με βάση το τμήμα του φυσικού κόσμου που εξερευνούν. Αυτά τα πεδία περιλαμβάνουν:

• Θερμοχημεία :Γιατί ορισμένες χημικές αντιδράσεις εκπέμπουν θερμότητα ενώ άλλες όχι; Πώς μπορούμε να επαναλάβουμε και να ελέγξουμε αυτήν την αντίδραση;
• Ηλεκτροχημεία :Τι κάνουν αυτά τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό ρεύμα;
• Φωτοχημεία :Ποια είναι η επίδραση του φωτός σε μια συγκεκριμένη χημική αντίδραση;
• Φασματοσκοπία :Ποια είναι η επίδραση της ακτινοβολίας στις αντιδράσεις και γιατί κάποια ύλη εκπέμπει ακτινοβολία;
• Κινητική :Γιατί ορισμένες χημικές αντιδράσεις προχωρούν με μια ταχύτητα και άλλες με άλλη;

Ακόμα πολύ θεωρητικό; Ακολουθούν ορισμένα συγκεκριμένα παραδείγματα κλάδων φυσικής χημείας καθώς και σχετικών ειδικοτήτων που συνεργάζονται στενά με φυσικούς χημικούς ή βασίζονται στις αρχές που ανακαλύφθηκαν μέσω της φυσικής χημείας:

• Επιστήμονες υλικών
• Μοριακοί μοντελιστές και αναλυτικοί χημικοί
• Οργανικοί και ανόργανοι χημικοί
• Φαρμακοποιοί
• Χημικοί καλλυντικών
• Μηχανικοί θέρμανσης και ψύξης
• Τοξικολόγοι
• Ιατροχημικοί
• Χημικοί επικίνδυνων αποβλήτων
• Επιστήμονες σωματιδίων
• Βιοχημικοί και βιοτεχνολόγοι

Ένας πραγματικά διεπιστημονικός κλάδος της επιστήμης

Οι φυσικοί χημικοί πρέπει να βρίσκονται στο σπίτι σε εργαστηριακό περιβάλλον και να μπορούν να χρησιμοποιούν μια ποικιλία εξελιγμένων οργάνων με δεξιοτεχνία, όπως φασματόμετρα μάζας, λέιζερ, ηλεκτρονικά μικροσκόπια και εξοπλισμό πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού.

Οι φυσικοί χημικοί πρέπει επίσης να είναι παρατηρητικοί, προσανατολισμένοι στη λεπτομέρεια και υψηλές δεξιότητες στα μαθηματικά και την επιστήμη των δεδομένων. Δεν είναι ασυνήθιστο για τους φυσικούς χημικούς να ξεκινούν τη σταδιοδρομία τους με υποτροφίες στο ερευνητικό εργαστήριο για ένα έτος ή περισσότερο πριν βρουν μια πιο σταθερή, μισθωτή θέση.

Το πιο συναρπαστικό στοιχείο για τη φυσική χημεία είναι το πόσο διεπιστημονική είναι. Οι ανακαλύψεις που έγιναν εδώ έχουν απήχηση μέσω μετάλλων και υφασμάτων, προϊόντων οικιακής χρήσης, φαρμακευτικών προϊόντων, ακόμη και κβαντομηχανικής, καθιστώντας αυτόν έναν από τους κλάδους της χημείας που αξίζει τον σεβασμό και την προσοχή μας.