Fisicoquimica

Introducción:

Química física es el campo de la ciencia que relaciona la estructura química de las sustancias con sus propiedades físicas. El término química física se aplica normalmente al estudio de propiedades como la presión de vapor, la tensión superficial, la viscosidad, el índice de refracción y la densidad, así como al estudio de los llamados aspectos clásicos del comportamiento de los sistemas químicos, como son las propiedades térmicas, el equilibrio, la velocidad de reacción, los mecanismos de las reacciones y el fenómeno de ionización. En sus aspectos más teóricos, la química física intenta explicar las propiedades espectrales de las sustancias en términos de la teoría cuántica fundamental; la interacción de la energía con la materia; la naturaleza de los enlaces químicos; las relaciones entre el número y estado energético de los electrones en los átomos y moléculas, y las propiedades observables en esos sistemas, y los efectos eléctricos, térmicos y mecánicos individuales de los electrones y protones sobre los sólidos y líquidos.

Desarrollo Histórico

En la fase inicial del desarrollo de la química física como campo de estudio especializado, se investigó el problema de las afinidades químicas, es decir, la amplia gama de intensidades con las que reaccionan las distintas sustancias. Por ejemplo, el hecho de que el oxígeno favorezca la combustión y el nitrógeno no, y la facilidad de corrosión del hierro comparada con la del oro.

Siglo XIX

En un principio se supuso que las reacciones rápidas eran las reacciones completas. Sin embargo, pronto se comprobó que ambas cuestiones eran independientes; el grado en que se completa una reacción está determinado por su constante de equilibrio (un concepto introducido en 1864 por los químicos noruegos Cato Maximilian Guldberg y Peter Waage), mientras que la velocidad de reacción está determinada por el grado de contacto entre los reactivos, la presencia o ausencia de catalizador y otras variables.

El químico británico John Dalton propuso su teoría atómica en 1803, también en esa misma época los conceptos de calor, energía, trabajo y temperatura empezaron a hacerse más precisos. El primer principio de la termodinámica, que afirma que el calor y el trabajo son interconvertibles, fue establecido claramente por vez primera por el físico alemán Julius Von Mayer en 1842. El segundo principio de la termodinámica, según el cual se producen procesos espontáneos cuando aumenta el grado de desorden del sistema, fue enunciado por el físico matemático alemán Rudolf Clausius y su colega inglés lord Kelvin en 1850-1851.

El químico físico holandés Jacobus H. van’t Hoff, considerado generalmente como el padre de la cinética química, inició los fundamentos de la estereoquímica en 1874 con su trabajo sobre los compuestos de carbono ópticamente activos y las estructuras moleculares tridimensionales y asimétricas.

Siglo XX

La cinética química ha seguido desarrollándose en el siglo XX con las contribuciones al estudio de las estructuras moleculares, velocidades de reacción y reacciones en cadena por parte de algunos químicos como Irving Langmuir, de Estados Unidos, Jens Anton Christiansen, de Dinamarca, Michael Polanyi, de Gran Bretaña, y Nikolay Semenov, de la Unión Soviética, y actualmente siguen realizándose importantes investigaciones.

En 1923, el químico estadounidense Gilbert Newton Lewis clarificó los principios de la termodinámica química enunciados por Gibbs.

El periodo clave para el desarrollo de la química física fue 1900-1930, con la elucidación gradual de la teoría cuántica. En 1897, el físico alemán Max Planck había propuesto que la energía de ciertos sistemas se ‘cuantiza’ en unidades discontinuas, igual que la materia aparece en unidades discontinuas, los átomos. En 1913, el físico danés Niels Bohr demostró que el concepto de cuantización sirve perfectamente para explicar el espectro del hidrógeno atómico. En 1926-1929, el físico austriaco Erwin Schrödinger y el físico alemán Werner Heisenberg desarrollaron la imagen de la función de onda, una expresión matemática que incorpora la dualidad electrónica onda-partícula, e indicaron cómo calcular propiedades útiles a partir de esa función.

Subdivisiones de la Química Física:

Las principales subdivisiones de la química física son: la termodinámica química, la cinética química, el estado gaseoso, el estado líquido, las disoluciones, el estado sólido, la electroquímica, la química de los coloides, la fotoquímica y la termodinámica estadística.

• Termodinámica Química:

Esta rama estudia la energía en sus diferentes formas tal como se relaciona con la materia. Examina las formas en que se relacionan la energía interna, el grado de organización u orden y la capacidad para realizar un trabajo útil con la temperatura, el calor absorbido o emitido, el cambio de estado (de líquido a gas, de gas a líquido o de sólido a líquido), el trabajo realizado por o en el sistema en forma de flujo de corrientes eléctricas, la formación de superficies y cambios en la tensión superficial de las mismas, los cambios de volumen o presión, y la formación o desaparición de las especies químicas.

• Cinética Química:

Este campo estudia las velocidades de los procesos químicos en función de la concentración de las especies que reaccionan, de los productos de reacción, de los catalizadores e inhibidores, de los diferentes medios disolventes, de la temperatura, y de todas las demás variables que pueden afectar a la velocidad de una reacción. La cinética química busca la relación entre la forma precisa en que varía la velocidad de reacción con el tiempo, y la naturaleza de las colisiones intermoleculares (que controlan la velocidad) implicadas en la generación de los productos de reacción. La mayoría de las reacciones implican una serie de procesos etapa a etapa, cuya suma corresponde a las proporciones (o estequiometría) en que se combinan los reactivos y se forman los productos.

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