物理化学

物理化学は、運動、エネルギー、力、時間、熱力学、量子化学、統計力学、解析力学、化学平衡などの物理学の原理、実践、概念の観点から、化学システムにおける巨視的および微視的現象を研究する分野です。

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）超分子科学であり、その基礎となる原理の大部分は、分子や原子の構造だけでなくバルクに関係している（たとえば、化学平衡やコロイド）。

物理化学が理解しようとしている関係には、次のような影響が含まれます。

物質の物理的特性（可塑性、引張強度、液体の表面張力）に作用する分子間力。
反応速度に関する反応速度論。
イオンの正体と物質の電気伝導性。
細胞膜の表面科学と電気化学^[1 ]
熱量と仕事量の観点から見た、ある物体と別の物体との相互作用を熱力学と呼びます。
熱化学と呼ばれる、相変化または化学反応が起こっている間に化学システムとその周囲との間で熱が伝達される。
溶液中に存在する種の数の集合的性質の研究。
フェーズの数、コンポーネントの数、自由度 (または分散) は、フェーズルールを使用して相互に相関させることができます。
電気化学セルの反応。
量子力学を用いたミクロシステムの挙動と統計熱力学を用いたマクロシステムの挙動。
分子および金属錯体における電子移動のエネルギーの計算。

重要な概念

古典化学の重要な概念の 1 つは、すべての化合物は結合した原子のグループとして記述でき、化学反応はそれらの結合の形成と切断として記述できるということです。原子とその結合方法の説明から化合物の特性を予測することは、物理化学の主な目標の 1 つです。原子と結合を正確に記述するには、原子の核がどこにあり、電子がそれらの周囲にどのように分布しているかを知る必要があります。^[2]

分野

量子化学は物理化学の分野の一つで、特に量子力学を化学の問題に応用することに関係しており、結合の強さや形状、^[2]原子核の動き、化合物による光の吸収や放出方法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分野であり、特に電磁放射と物質の相互作用に関係しています。

化学におけるもう一つの重要な問題は、どのような反応が自然に起こり得るか、また、与えられた化学混合物に対してどのような特性が可能かということである。これは化学熱力学で研究され、反応がどこまで進行できるか、または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の制限を設定し、気体または液体の熱膨張係数や圧力によるエントロピー変化率といった特性間の関連を提供する。^[4]これは、反応器またはエンジンの設計が実行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頻繁に使用される。準平衡および非平衡熱力学は、限られた範囲で、不可逆的な変化を記述することができる。^{[5]しかし、古典的な熱力学は、}平衡状態にあるシステムと可逆的な変化を主に扱っており、実際に何が起こるか、または平衡状態からどれだけ速く離れるかについては扱っていない。

どのような反応が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対象です。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、ほとんどの化学種が、反応物や生成物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なければならないというものです。 ^[6]一般に、障壁が高いほど、反応は遅くなります。2番目に、ほとんどの化学反応は一連の素反応として起こり、^{[7]それぞれが独自の遷移状態を持ちます。反応速度論における重要な質問には、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、触媒と反応条件をどのように設計して反応速度を最適化するかが含まれます。

反応の起こる速さは、混合物中のすべての分子の位置と速度をすべて知る必要はなく、ほんの数個の濃度と温度で特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。つまり、エンジニアが知る必要のある限り、非常に多数の (おそらくアボガドロ定数、6 x 10 ²³のオーダー) 粒子の混合物で起こっていることはすべて、圧力、温度、濃度などのいくつかの変数だけで説明できることが多いということです。この正確な理由は、統計力学^{[8]で説明されています。}統計力学は、物理化学内の専門分野でもあり、物理学とも共通しています。統計力学は、化学的類似性に基づく経験的相関関係に頼ることなく、分子の特性から日常生活で目にする特性を予測する方法も提供します。^[5]

歴史

「物理化学」という用語は、1752年にミハイル・ロモノーソフがペテルスブルク大学の学生たちを前に「真の物理化学講座」（ロシア語：Курс истинной физической химии ）と題した講義を行った際に造られた。^[9]これらの講義の序文で、彼は次のように定義している。「物理化学は、化学作用を通じて複雑な物体に何が起きているのかを、物理的実験の規定に基づいて説明しなければならない科学である」。

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りました。1876年にジョサイア・ウィラード・ギブスが発表した論文「不均質物質の平衡について」は、一つの画期的な出来事でした。この論文では、ギブスのエネルギー、化学ポテンシャル、ギブスの位相則など、物理化学の基礎となるいくつかの概念が導入されました。^[10]

物理化学の分野に特化した最初の科学雑誌は、 1887年にヴィルヘルム・オストワルドとヤコブス・ヘンリクス・ファントホフによって創刊されたドイツの雑誌『物理化学雑誌』である。スヴァンテ・アウグスト・アレニウス^[11]とともに、この3人は19世紀後半から20世紀初頭にかけての物理化学の第一人者であった。3人とも1901年から1909年にかけてノーベル化学賞を受賞した。

その後の数十年間の発展には、統計力学の化学システムへの応用やコロイドと表面化学に関する研究が含まれ、アーヴィング・ラングミュアが多くの貢献を果たしました。もう 1 つの重要なステップは、1930 年代からの量子力学の量子化学への発展であり、ライナス・ポーリングがその先駆者の 1 人でした。理論的発展は実験方法の発展と並行して行われ、赤外線分光法、マイクロ波分光法、電子常磁性共鳴分光法、核磁気共鳴分光法など、さまざまな形式の分光法の使用は、おそらく 20 世紀の最も重要な発展です。

物理化学のさらなる発展は、原子核化学、特に同位体分離（第二次世界大戦前および戦中）における発見、より最近の天体化学における発見^[12]、および「加法的物理化学的性質」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、合計20を超える物理化学的性質のほとんどすべてが、化学分子が合成されていない場合でも、化学構造のみから正確に計算できる）^[要出典]に起因する可能性があり、ここに現代の物理化学の実際的な重要性があります。

グループ寄与法、リデルセン法、ジョバック法、ベンソングループ増分理論、定量的構造活性相関を参照

ジャーナル

物理化学を扱う雑誌には以下のようなものがある。

物理化学時代 (1887)
Journal of Physical Chemistry A (1896 年からJournal of Physical Chemistryとして発行され、1997 年に改名)
物理化学化学物理学（1999年以降、以前は1905年に遡る歴史を持つFaraday Transactions ）
高分子化学と物理学（1947）
物理化学年次レビュー(1950)
分子物理学（1957）
物理有機化学ジャーナル(1988)
物理化学ジャーナルB (1997)
化学物理化学(2000)
物理化学ジャーナルC (2007)
Journal of Physical Chemistry Letters（2010年以降、以前は別々のジャーナルに掲載されていたレターを統合したもの）

化学と物理学の両方を扱った歴史的な雑誌には、Annales de chimie et de physique（1789 年に創刊、1815 年から 1914 年までここで示した名前で発行）などがあります。

分野と関連トピック

参照

参考文献

^ Torben Smith Sørensen (1999). 膜の表面化学と電気化学. CRC Press. p. 134. ISBN 0-8247-1922-0。
^ ab Atkins, PeterおよびFriedman, Ronald (2005). Molecular Quantum Mechanics、p. 249。Oxford University Press、ニューヨーク。ISBN 0-19-927498-3。
^ Atkins, PeterおよびFriedman, Ronald (2005). Molecular Quantum Mechanics、p.342。オックスフォード大学出版局、ニューヨーク。ISBN 0-19-927498-3。
^ Landau, LDおよびLifshitz, EM (1980).統計物理学、第3版、p. 52。Elsevier Butterworth Heinemann、ニューヨーク。ISBN 0-7506-3372-7。
^ ab Hill, Terrell L. (1986).統計熱力学入門、p. 1. Dover Publications、ニューヨーク。ISBN 0-486-65242-4。
^ Schmidt, Lanny D. (2005).化学反応の工学、第2版、p. 30。オックスフォード大学出版局、ニューヨーク。ISBN 0-19-516925-5。
^ Schmidt, Lanny D. (2005).化学反応の工学、第2版、pp. 25, 32。オックスフォード大学出版局、ニューヨーク。ISBN 0-19-516925-5。
^ チャンドラー、デイビッド（1987年）。現代統計力学入門、p.54。オックスフォード大学出版局、ニューヨーク。ISBN 978-0-19-504277-1。
^ ヴチニッチ、アレクサンダー（1963年）。ロシア文化における科学。スタンフォード大学出版局。388ページ。ISBN 0-8047-0738-3。
^ ジョサイア・ウィラード・ギブス、1876年、「不均質物質の平衡について」、コネチカット科学アカデミー紀要
^ レイドラー、キース（1993年）。物理化学の世界。オックスフォード：オックスフォード大学出版局。pp. 48。ISBN 0-19-855919-4。
^ Herbst, Eric (2005 年 5 月 12 日). 「星形成領域の化学」. Journal of Physical Chemistry A. 109 ( 18): 4017–4029. Bibcode :2005JPCA..109.4017H. doi :10.1021/jp050461c. PMID 16833724.

外部リンク

物理化学の世界（キース・J・レイドラー、1993年）
オストワルドからポーリングまでの物理化学（ジョン W. サーボス、1996 年）
物理化学: 魚でも家禽でもない? (Joachim Schummer、『化学の自律性』、ヴュルツブルク、ケーニヒスハウゼン & ノイマン、1998 年、135 ～ 148 ページ)
ケンブリッジ科学史：現代の物理学と数学（メアリー・ジョー・ナイ、2003年）

[1] Torben Smith Sørensen (1999). 膜の表面化学と電気化学. CRC Press. p. 134. ISBN 0-8247-1922-0。

[Atkins249-2] Atkins, PeterおよびFriedman, Ronald (2005). Molecular Quantum Mechanics、p. 249。Oxford University Press、ニューヨーク。ISBN 0-19-927498-3。

[3] Atkins, PeterおよびFriedman, Ronald (2005). Molecular Quantum Mechanics、p.342。オックスフォード大学出版局、ニューヨーク。ISBN 0-19-927498-3。

[4] Landau, LDおよびLifshitz, EM (1980).統計物理学、第3版、p. 52。Elsevier Butterworth Heinemann、ニューヨーク。ISBN 0-7506-3372-7。

[Hill1-5] Hill, Terrell L. (1986).統計熱力学入門、p. 1. Dover Publications、ニューヨーク。ISBN 0-486-65242-4。

[6] Schmidt, Lanny D. (2005).化学反応の工学、第2版、p. 30。オックスフォード大学出版局、ニューヨーク。ISBN 0-19-516925-5。

[7] Schmidt, Lanny D. (2005).化学反応の工学、第2版、pp. 25, 32。オックスフォード大学出版局、ニューヨーク。ISBN 0-19-516925-5。

[Chandler-8] チャンドラー、デイビッド（1987年）。現代統計力学入門、p.54。オックスフォード大学出版局、ニューヨーク。ISBN 978-0-19-504277-1。

[9] ヴチニッチ、アレクサンダー（1963年）。ロシア文化における科学。スタンフォード大学出版局。388ページ。ISBN 0-8047-0738-3。

[10] ジョサイア・ウィラード・ギブス、1876年、「不均質物質の平衡について」、コネチカット科学アカデミー紀要

[11] レイドラー、キース（1993年）。物理化学の世界。オックスフォード：オックスフォード大学出版局。pp. 48。ISBN 0-19-855919-4。

[12] Herbst, Eric (2005 年 5 月 12 日). 「星形成領域の化学」. Journal of Physical Chemistry A. 109 ( 18): 4017–4029. Bibcode :2005JPCA..109.4017H. doi :10.1021/jp050461c. PMID 16833724.