Chimica fisica
La chimica fisica è una delle branche fondamentali delle scienze chimiche
(le altre sono la chimica analitica, l'inorganica, l'organica e la biologica) ed
ha per argomento la struttura della materia e le variazioni energetiche che si
verificano durante le trasformazioni fisiche e chimiche.
La chimica fisica tende a stabilire delle basi teoriche per le osservazioni
chimiche e a predire il verificarsi delle reazioni. Come indica il suo nome,
questo settore della chimica può essere considerato come scienza di confine tra
la chimica (intesa come studio della natura della materia) e la fisica (per la
parte che riguarda principalmente lo studio dell'energia). I due aspetti hanno
talvolta peso diverso, tanto che, a seconda di quello prevalente, nel mondo
anglosassone si distingue tra "Physical Chemistry "
(prevalentemente chimica) e "Chemical Physics" (prevalentemente
fisica).
Il termine chimica fisica è stato usato fin dal sec. XVIII; tuttavia molti
ritengono che la nascita di questa sottodisciplina della chimica sia formalmente
avvenuta nel 1887, con l'inizio della pubblicazione dello "Zeitschrift
für physicalische Chemie" (Rivista di Chimica Fisica), per merito di
Wilhelm Ostwald (chiamato talvolta "padre della chimica fisica"). Fino
alla fine del sec. XIX la chimica fisica fu dominata dai chimici delle
università tedesche. I primi studi in questa area riguardarono la dissociazione
degli elettroliti nelle soluzioni (Svante Arrhenius), le proprietà delle
soluzioni (Jacobus Van't Hoff e
lo stesso Ostwald) e problemi di elettrochimica
ed elettrodinamica (Walther H.
Nernst). La chimica fisica si affermò più saldamente come ramo a sé stante
quando gli allievi di questi primi ricercatori si trasferirono in altre nazioni
europee e negli USA. Queste prime ricerche chimico-fisiche riguardavano
principalmente osservazioni e misure accurate su sistemi chimici costituiti da
un gran numero di atomi e di molecole. Durante il sec. XX il campo della chimica
fisica si è considerevolmente allargato al punto che attualmente la chimica
fisica abbraccia tutti gli aspetti
dell'equilibrio chimico, della struttura e dei cambiamenti dei sistemi chimici,
con misure sempre più precise delle grandezze relative, nonché la messa a
punto di modelli e di teorie per spiegare adeguatamente queste osservazioni.
Per circa cinquanta anni la chimica fisica ha utilizzato metodi matematici e
statistici sempre più complessi per descrivere i sistemi chimici ed i
cambiamenti che essi subiscono (v. termodinamica statistica). I calcolatori
elettronici sono attualmente strumenti indispensabili per la ricerca in molte
aree della chimica fisica.
La chimica fisica si occupa in modo particolare delle aree di ricerca qui di
seguito elencate:
-
stati di aggregazione della
materia: stato di aggregazione di sostanze pure (solido, cristallo
liquido, liquido, gas), proprietà dei vari stati, forze che intervengono a
mantenere questi particolari stati di aggregazione, studio delle
trasformazioni della materia nel passaggio da uno stato fisico ad un altro
(p. es., una transizione solido-liquido);
-
soluzioni: dispersioni
omogenee di due o più sostanze, le loro proprietà fisiche e chimiche (che
variano con le quantità relative delle sostanze presenti) e le forze di
attrazione e repulsione tra le particelle in soluzione;
-
struttura della materia:
disposizione delle particelle che compongono la materia su scala atomica e
molecolare, forze interatomiche e raggruppamenti caratteristici delle
particelle subatomiche fondamentali, natura del legame chimico che dà
origine alle diverse geometrie delle molecole e degli ioni complessi; questa
area comprende anche lo studio e la forma di macromolecole (come il DNA e l'RNA)
e delle forze che danno origine alle loro geometrie;
-
termodinamica chimica:
trasformazioni dell'energia e applicazioni delle leggi termodinamiche ai
sistemi chimici; di particolare interesse è l'energia liberata durante una
reazione chimica (p. es., la combustione di carbone, benzina, alcool o altri
combustibili) e la conversione di questo calore in energia utilizzabile per
compiere un lavoro;
-
equilibrio: studio del
grado a cui procede una reazione chimica e delle forze che fanno sì che le
reazioni chimiche procedano in misura maggiore o minore;
-
cinetica: studio della
velocità delle reazioni, comprese quelle nucleari, ioniche e molecolari, e
dei fattori che influenzano la velocità di queste trasformazioni (p. es.,
la natura dei reagenti, il loro stato fisico, la loro concentrazione e
temperatura, e la catalisi);
-
elettrochimica: studio
delle specie cariche (ioni) allo stato liquido o in soluzione, relativamente
al fatto che esse reagiscono, in opportune condizioni, liberando energia
elettrica, o al fatto che esse reagiscono per effetto di una forza
elettromotrice esterna;
-
fotochimica: interazioni
della luce e della materia e trasformazioni che si verificano in conseguenza
dell'assorbimento di fotoni di energia variabile da parte di atomi o
molecole (p. es., la conversione della luce solare in forme meglio
sfruttabili di energia);
-
reologia: studio delle
deformazioni e delle proprietà di trasporto della materia; la viscosità
dei liquidi, in particolare quando essi servono come rivestimento protettivo
o lubrificante di materiali solidi, è una parte essenziale di questa branca
della chimica fisica;
-
chimica dei polimeri:
formazione, struttura e proprietà di macromolecole, che sono costituite da
unità piccole che si ripetono, tenute insieme da legami chimici; questa
area comprende lo studio di materiali come la gomma, le materie plastiche e
le fibre sintetiche;
-
chimica fisica delle superfici:
studio delle proprietà e delle reazioni che avvengono vicino o sopra la
superficie di separazione tra due fasi, delle quali una è più
frequentemente allo stato solido; questa area comprende lo studio di
sostanze ricoprenti come smalti, tinture, vernici e lacche, e la chimica
delle proprietà di adesione;
-
chimica teorica: analisi
delle proprietà fondamentali fisiche e chimiche e dei loro cambiamenti, di
solito prendendo in considerazione, mediante una trattazione matematica
accurata, le forze che vi sono implicate.
E' opinione di alcuni scienziati che la chimica fisica non sia semplicemente
una delle branche delle scienze chimiche, ma piuttosto un approccio
di base per tutte le altre aree della chimica, o un metodo per studiarle.
Vedi anche: fase, equilibri di.
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