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物理化学とは、運動、エネルギー、力、時間、熱力学、量子化学、統計力学、解析動力学、化学平衡などの物理学の原理、実践、概念に基づいて、化学系における巨視的および微視的な現象を研究する学問である。
物理化学は、化学物理学とは対照的に、主に（常にではないが）超分子科学である。なぜなら、その基礎となる原理の大部分は、分子構造や原子構造だけではなく、バルクに関係しているからである（例えば、化学平衡やコロイドなど）。
物理化学が理解しようとする関係性には、以下のような影響が含まれる。
物理化学の重要な概念は、純粋物理学を化学的な問題に応用する方法である。
古典化学の重要な概念の一つは、すべての化合物は原子が結合したグループとして記述でき、化学反応はそれらの結合の生成と切断として記述できるという点です。原子とその結合の記述から化合物の性質を予測することは、物理化学の主要な目標の一つです。原子と結合を正確に記述するには、原子核の位置と、その周囲に電子がどのように分布しているかを知る必要があります。[ 2 ]
量子化学は、物理化学のサブ分野であり、特に量子力学を化学の問題に応用することに重点を置いており、結合の強さや形状、[ 2 ]原子核の動き方、化学化合物による光の吸収や放出の仕方などを決定するためのツールを提供します。[ 3 ]分光法は、物理化学の関連するサブ分野であり、特に電磁放射線と物質との相互作用に関心があります。
化学におけるもう 1 つの重要な問題は、どのような種類の反応が自発的に起こり得るか、また特定の化学混合物に対してどのような性質が可能かということです。これは化学熱力学で研究されており、化学熱力学は、反応がどこまで進むことができるか、内燃機関でどれだけのエネルギーが仕事に変換できるかといった量に制限を設け、気体や液体の熱膨張係数や圧力によるエントロピーの変化率といった性質間の関係を提供します。[ 4 ]これは、反応器やエンジンの設計が実現可能かどうかを評価したり、実験データの妥当性を確認したりするためによく使用されます。準平衡および非平衡熱力学は、限定的な範囲で不可逆変化を記述できます。[ 5 ]しかし、古典熱力学は主に平衡状態にあるシステムと可逆変化に関心があり、実際に何が起こるか、または平衡からどれだけ速く離れるかには関心がありません。
どのような反応が起こり、どのくらいの速さで起こるかは、物理化学の別の分野である化学反応速度論の主題です。化学反応速度論の重要な考え方は、反応物が反応して生成物を形成するには、ほとんどの化学種は、反応物または生成物のどちらよりもエネルギーが高く、反応の障壁となる遷移状態を経由する必要があるということです。 [ 6 ]一般に、障壁が高いほど、反応は遅くなります。2つ目は、ほとんどの化学反応は、それぞれ独自の遷移状態を持つ一連の素反応として起こるということです。 [ 7 ]反応速度論の重要な問題には、反応速度が温度や反応混合物中の反応物と触媒の濃度にどのように依存するか、また、反応速度を最適化するために触媒と反応条件をどのように設計できるかなどが含まれます。
反応の速さは、混合物中のすべての分子の位置と速度を知る必要はなく、濃度と温度だけで指定できることが多いという事実は、物理化学のもう 1 つの重要な概念の特殊なケースです。それは、エンジニアが必要とする範囲では、非常に多くの粒子 (おそらくアボガドロ定数のオーダー、 6 × 10 23 ) の混合物で起こっているすべてのことは、圧力、温度、濃度などの少数の変数だけで記述できることが多いということです。この正確な理由は、物理化学の専門分野であり、物理学とも共通する統計力学[ 8 ]で説明されています。統計力学はまた、化学的類似性に基づく経験的相関に頼ることなく、分子特性から日常生活で見られる特性を予測する方法も提供します。[ 5 ]
「物理化学」という用語は、1752年にミハイル・ロモノーソフがサンクトペテルブルク大学の学生を対象に「真の物理化学講座」（ロシア語: Курс истинной физической химии ）という講義を行った際に造語されました。[ 9 ]この講義の序文で、彼は次のように定義しています。「物理化学とは、物理実験の規定に基づいて、化学操作によって複雑な物体内で何が起こるのかを説明する科学である」。
現代の物理化学は、1860年代から1880年代にかけて、化学熱力学、溶液中の電解質、化学反応速度論などの研究から始まった。その画期的な出来事の一つは、1876年にジョサイア・ウィラード・ギブスが発表した論文「異種物質の平衡について」である。この論文では、ギブスエネルギー、化学ポテンシャル、ギブスの相律など、物理化学の基礎となる概念がいくつか紹介された。[ 10 ]
物理化学の分野に特化した最初の科学雑誌は、ヴィルヘルム・オストヴァルトとヤコブス・ヘンリクス・ファン・ト・ホッフによって1887年に創刊されたドイツの雑誌『 Zeitschrift für Physikalische Chemie 』でした。スヴァンテ・アウグスト・アレニウス[ 11 ]とともに、 彼らは19世紀後半から20世紀初頭にかけての物理化学の指導者でした。3人とも1901年から1909年の間にノーベル化学賞を受賞しました。
その後の数十年間における発展としては、統計力学の化学系への応用や、アーヴィング・ラングミュアが多大な貢献をしたコロイドおよび表面化学の研究などが挙げられる。もう一つの重要なステップは、1930年代からの量子力学から量子化学への発展であり、ライナス・ポーリングはその中心人物の一人であった。理論的な発展は実験手法の発展と密接に結びついており、赤外分光法、マイクロ波分光法、電子常磁性共鳴分光法、核磁気共鳴分光法といった様々な分光法の利用は、おそらく20世紀における最も重要な発展と言えるだろう。
物理化学のさらなる発展は、核化学、特に同位体分離（第二次世界大戦前および戦中）、より最近の宇宙化学の発見[ 12 ]、および「加算的な物理化学的性質」の分野における計算アルゴリズムの開発（沸点、臨界点、表面張力、蒸気圧など、20を超えるほぼすべての物理化学的性質は、化学分子が合成されていなくても、化学構造のみから正確に計算できる）に起因すると考えられ、ここに現代の物理化学の実践的な重要性がある。
物理化学を扱うジャーナルには以下のようなものがある。
化学と物理学の両方を扱った歴史的な学術誌としては、『Annales de chimie et de physique』（1789年創刊、1815年から1914年まではここに記載されている名称で刊行）などが挙げられる。
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