Fysische chemie bestudeert macroscopische en microscopische aspecten in chemische systemen. De sleutel tot het begrijpen van deze wetenschap ligt in de beschrijving ‘fysica’. Dat houdt in dat deze wetenschap de krachten onderzoekt die inwerken op de fysische eigenschappen van materialen. Maar dat is slechts het topje van de ijsberg van fysische chemie; er is veel meer te weten over deze boeiende tak van de scheikunde.
Fysische chemie is de tak van de scheikunde die natuurkundige principes toepast om chemische systemen te begrijpen. Ze onderzoekt onder meer energie, warmte, reactiesnelheden, chemisch evenwicht, moleculaire beweging en bindingen op atomair niveau.
Fysische Chemie Samenvatting: de Geschiedenis
Als kind was Wilhelm Ostwald geïnteresseerd in wetenschap, maar aan de universiteit studeerde hij filosofie, kunst en geesteswetenschappen. Hij voltooide zijn studie in 1875. Na zijn afstuderen nam hij een onbetaalde positie aan als laboratoriumassistent, onder de chemicus Carl Schmidt. Daar bracht hij zijn tijd door met het leren over anorganische chemie en reactiesnelheden.
We kunnen zeggen dat de wetenschap hem gevangen hield. Nog steeds in zijn onbetaalde functie verdiepte hij zich steeds verder, waarbij hij de affiniteit en reactiviteit van chemicaliën in vraag stelde. Hij ontwikkelde driedimensionale modellen om deze en andere verschijnselen te verklaren. Hij onderzocht ook elektrochemie, chemische dynamiek en massa-actie.
Wilhelm Ostwald publiceerde de eerste editie van het tijdschrift in 1877.
Svante August Arrhenius en Jacobus Henricus van ’t Hoff werkten samen.
Wilhelm Ostwald wordt vaak beschouwd als een vader van de fysische chemie. Hijzelf zou zich echter eerder als een terughoudende zien, afgeleid van zijn oorspronkelijke bezigheden.
Opmerkelijk is dat hij na zijn academische loopbaan terugkeerde naar kunst en filosofie en zich ook in de politiek liet gelden. Toch hield de wetenschap hem zo’n 30 jaar stevig vast, waarin hij vele primeurs vestigde op het gebied van de fysische chemie.
Het pad van de fysische chemie naar een wetenschap
De Russische alleskunner Mikhail Lomonosov introduceerde in 1752 het concept van fysische chemie, tijdens een lezing. De theorie bleef meer dan een eeuw onaangeroerd. Maar in die tijd was de scheikunde nog niet verenigd, noch had zij een duidelijke koers. Die kwam pas toen Dmitri Mendelejev in 1871 het periodiek systeem opstelde.
Tegen die tijd groeide de belangstelling voor de fysische eigenschappen van chemische werking. Tegen 1880 was men begonnen met onderzoek naar chemische thermodynamica en kinetiek, naast andere verschijnselen.
Het werk van Ostwald over deze concepten in die tijd droeg veel bij aan de vooruitgang van deze wetenschap. Gedurende zijn ongeveer 30-jarige academische loopbaan schreef hij meer dan 500 onderzoeksartikelen en 45 of meer boeken.
De tijdige publicatie van Het Tijdschrift voor Fysische Chemie opende de sluizen, en vestigde de fysische chemie als een aparte subdiscipline van de scheikunde.
Al snel bevatte dit tijdschrift artikelen over aanverwante ontdekkingen in de scheikunde, waaronder theorieën in de analytische chemie. Het tijdschrift wordt vandaag nog steeds uitgegeven, als forum en informatiebron voor studenten en onderzoekers in de fysische chemie.
Concepten in de fysische chemie
De zogenoemde ‘natte’ chemie, de soort die vloeistoffen gebruikt om reacties uit te lokken, is het type scheikunde waar we het meest bekend mee zijn. We kunnen die reacties kwantificeren: oplossingen veranderen bijvoorbeeld van kleur en van toestand.
Daartegenover staat dat fysische chemie zich bezighoudt met wat we niet kunnen zien – en vaak ook moeilijk kunnen meten. Wat gebeurt er bijvoorbeeld met chemische bindingen wanneer ze worden blootgesteld aan warmte? Hoe bewegen atomen wanneer een katalysator – een element dat een reactie op gang brengt – wordt toegevoegd?
Dat zijn de concepten van de fysische chemie. Hoewel men moeilijk kan zeggen dat deze wetenschap ‘hoofdgebieden’ heeft, zijn dit de vijf belangrijkste concepten.
Thermodynamica
Zoals de naam aangeeft houdt thermodynamica zich bezig met warmte, temperatuur en arbeid. Vooral in hun relatie tot entropie en energie, evenals de fysische eigenschappen van materie. De studie van thermodynamica kent brede toepassingen, van fysische chemie en werktuigbouwkunde tot meteorologie.
De relatie van energie met chemische reacties of een fysische verandering van toestand.
Eenvoudig gezegd: wanneer een chemische reactie plaatsvindt, genereert die een bepaalde hoeveelheid energie (en warmte). Hetzelfde geldt wanneer warmte wordt toegepast. Denk bijvoorbeeld aan kokend water, dat van vloeistof naar damp overgaat. Onderzoekers bestuderen de spontaniteit van zulke transformaties onder verschillende omstandigheden.
Chemische kinetiek
Thermodynamica houdt zich bezig met de richting waarin reacties verlopen, maar niet met de snelheid van reacties. Dat valt onder chemische kinetiek. Dit concept onderzoekt hoe experimentele omstandigheden chemische reacties beïnvloeden.
Deze studies leiden tot inzicht in overgangstoestanden en reactiesmechanismen. Met die gegevens kunnen wetenschappers wiskundige modellen bouwen om reacties en hun eigenschappen te beschrijven.
Chemisch evenwicht
Chemisch evenwicht bereiken betekent een toestand bereiken waarin de concentratie van een reactant gelijk is aan die van een product. In die toestand zal er geen verdere verandering optreden, zelfs niet na verloop van tijd. We bewijzen chemisch evenwicht wanneer de voorwaartse reactie plaatsvindt met dezelfde snelheid als de terugwaartse reactie.
1. De omzetting van reactanten naar producten.
2. De omzetting van producten naar reactanten.
Chemisch evenwicht is wanneer deze reacties tegelijkertijd plaatsvinden. De formule is:
aA + bB ⇌ cC + dD
Statistische mechanica
Dit wiskundige raamwerk past statistiek en waarschijnlijkheidsleer toe op verzamelde microscopische deeltjes. Dit concept heeft een directe link met thermodynamica, aangezien het voortkomt uit klassieke thermodynamische studies.
Thermodynamica richt zich op evenwicht; statistische mechanica draait om het modelleren van de snelheid van onomkeerbare processen die door onevenwichten worden veroorzaakt.
Het instrument om te voorspellen hoe systemen zich gedragen terwijl ze het principe van gedetailleerde balans volgen.
Gedetailleerde balans gaat terug op kinetische en thermodynamische concepten. Het begrijpen van deze verweven verbanden is de sleutel tot het verklaren van algemene scheikundige concepten, ook die in biochemische studies.
Kwantummechanica
Deze theorie beschrijft natuurverschijnselen op subatomair niveau. Ze vormt de basis van kwantumfysisch onderzoek en verklaart wat de klassieke fysica niet kan. Dat is al voldoende om het verband met fysisch-chemische studies te zien.
Hoe verhoudt fysische chemie zich tot andere takken van de scheikunde?
Scheikunde studeren lijkt op het pellen van een ui. Elke subdiscipline sluit aan bij, of leunt op, de bovenliggende en onderliggende. We kunnen zeggen dat fysische chemie helpt om alle andere scheikundestudies te verklaren.
Bestudeert de structuren, eigenschappen en reacties van organische verbindingen.
Verklaart moleculaire stabiliteit, reactiesmechanismen, reactiefactoren
We kunnen ook de relatie definiëren tussen fysische chemie en andere soorten scheikunde.
Richt zich op identificatie, scheiding en kwantificering van chemicaliën.
Levert de technieken en apparatuur om analytische focus te bepalen.
Ook in de anorganische chemie speelt de fysische chemie een grote rol. Deze tak van de wetenschap streeft ernaar het gedrag en de eigenschappen van anorganische verbindingen te begrijpen. Dat zou onmogelijk zijn zonder eerst fysisch-chemische concepten te begrijpen.
Evenzo is biochemie de studie van chemische processen in levende organismen. Concepten uit de fysische chemie, zoals kinetiek en thermodynamica, helpen biochemische processen en reacties te definiëren en te verduidelijken.
Laten we even stilstaan bij de relatief late intrede van de fysische chemie in het spectrum van de scheikunde. Omdat zoveel aspecten van deze tak al in ‘klassieke’ scheikunde aanwezig waren, kunnen we zeggen dat fysische chemie er altijd al was. Ze kreeg alleen veel later een eigen definitie.
Wat zijn voorbeelden van fysische chemie?
Wetenschap uitleggen is leuk voor wie daar aanleg voor heeft. Maar wat betekent dit allemaal in de praktijk? Dit zijn enkele van de meest voor de hand liggende resultaten van het toepassen van deze principes:
Nieuwe materialen en stoffen
Geneesmiddelen en farmacologie
Nanotechnologie
Koolstofvezel is een uitstekend voorbeeld van fysische chemie in actie. Voor het eerst geproduceerd in 1860 voor gebruik in gloeilampen, maar toen nog te onbetrouwbaar voor praktisch gebruik.
Lichtgewicht koolstofvezelmaterialen worden gebruikt in de luchtvaart en andere toepassingen bij hoge temperaturen. Van racewagens tot beschermende kleding, overal worden koolstofvezels in verwerkt.
Als je ooit een paracetamol hebt genomen, of een ander medicijn, bedank dan de fysische chemie voor de veiligheid ervan. Hun onderzoek bestrijkt alles, van de biologische beschikbaarheid (hoeveel het lichaam ervan opneemt), tot de stabiliteit en de snelheid waarmee het oplost.
De laatste tijd besteedt de media veel aandacht aan nanotechnologie, vooral bij halfgeleiders. Ook hier staat de fysische chemie vooraan bij ontdekkingen. Zonder ons begrip van nanodeeltjes en hun eigenschappen zouden we hun gedrag onder verschillende omstandigheden niet kunnen voorspellen.
Dat zou het einde betekenen van de mogelijkheden van kunstmatige intelligentie, supercomputers en eigenlijk elke verdere elektronische vooruitgang.
Wat doen fysisch chemici?
Veel van het werk van fysisch chemici draait om onderzoek. Of ze nu in een industriële omgeving of in academische instellingen werken, hun focus ligt op het ontdekken en begrijpen van chemische processen. Ze kunnen werken aan het verbeteren van producten of het creëren van nieuwe materialen en stoffen.
Tenzij je leraar wordt, is fysische chemie geen vakgebied met veel publieke zichtbaarheid. Dat geldt ook voor iedereen die organische chemie onderzoekt.
Toch hebben zelfs die professionals iets meer kans om met het publiek in contact te komen.
Tenzij je je loopbaan volledig aan academisch onderzoek wijdt, ben je waarschijnlijk meer een generalist in de scheikunde dan een specialist.
Toch, als je graag wilt werken in milieukundig onderzoek, energieproductie of het ontwikkelen van nieuwe materialen, helpen studies in fysische chemie je om je doelen te bereiken.
Dat geldt ook voor een Superprof-natuurkundedocent. Fysische chemie is een van de moeilijkste subspecialisaties om te doorgronden. Een paar sessies met een privédocent geven je een beter begrip van deze en andere scheikundige concepten.
Vond je dit artikel leuk? Laat een beoordeling achter!
Laden...
