ฟิสิกส์เคมีแตกต่างจากเคมีฟิสิกส์อย่างไร? ความแตกต่างระหว่างเคมีเชิงฟิสิกส์และฟิสิกส์เคมี ฟิสิกส์เคมีแตกต่างจากเคมีเชิงฟิสิกส์อย่างไร
ประวัติความเป็นมาของเคมีเชิงฟิสิกส์
เอ็มวี โลโมโนซอฟซึ่งใน 1752
เอ็น.เอ็น. เบเคตอฟ 1865
และ เนิร์สต์.
ม.ส. วเรฟสกี้
โมเลกุล ไอออน อนุมูลอิสระ
อะตอมของธาตุสามารถก่อตัวเป็นอนุภาคสามประเภทที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการทางเคมี ได้แก่ โมเลกุล ไอออน และอนุมูลอิสระ
โมเลกุลเป็นอนุภาคที่เป็นกลางที่เล็กที่สุดของสารที่มีคุณสมบัติทางเคมีและสามารถดำรงอยู่ได้โดยอิสระ มีโมเลกุลเดี่ยวและโพลีอะตอมมิก (ไดอะตอมมิก, ไตรอะตอมมิก ฯลฯ ) ภายใต้สภาวะปกติ ก๊าซมีตระกูลประกอบด้วยโมเลกุลเชิงเดี่ยว โมเลกุลของสารประกอบโมเลกุลสูงกลับมีอะตอมหลายพันอะตอม
ไอออน- อนุภาคที่มีประจุซึ่งเป็นอะตอมหรือกลุ่มของอะตอมที่มีพันธะเคมีซึ่งมีอิเล็กตรอนมากเกินไป (แอนไอออน) หรือขาดอิออน (ไอออนบวก) ในสารหนึ่ง ไอออนบวกจะอยู่ร่วมกับไอออนลบเสมอ เนื่องจากแรงไฟฟ้าสถิตที่ทำระหว่างไอออนมีขนาดใหญ่ จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างไอออนที่มีสัญลักษณ์เดียวกันมากเกินไปในสาร
อนุมูลอิสระเรียกว่าอนุภาคที่มีค่าเวเลนซีไม่อิ่มตัว กล่าวคือ อนุภาคที่มีอิเล็กตรอนไม่จับคู่ อนุภาคดังกล่าวได้แก่ ·CH 3 และ ·NH 2 ภายใต้สภาวะปกติ ตามกฎแล้วอนุมูลอิสระจะไม่สามารถดำรงอยู่ได้เป็นเวลานาน เนื่องจากมีปฏิกิริยาสูงและทำปฏิกิริยากับอนุภาคเฉื่อยได้ง่าย ดังนั้นอนุมูลเมทิล CH3 สองตัวรวมกันเป็นโมเลกุล C 2 H 6 (อีเทน) ปฏิกิริยาหลายอย่างเป็นไปไม่ได้หากปราศจากการมีส่วนร่วมของอนุมูลอิสระ ที่อุณหภูมิสูงมาก (เช่น ในชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์) อนุภาคไดอะตอมมิกชนิดเดียวที่สามารถดำรงอยู่ได้คืออนุมูลอิสระ (·CN, ·OH, ·CH และอื่นๆ) มีอนุมูลอิสระจำนวนมากอยู่ในเปลวไฟ
เป็นที่ทราบกันว่าอนุมูลอิสระของโครงสร้างที่ซับซ้อนกว่าซึ่งค่อนข้างเสถียรและสามารถดำรงอยู่ได้ภายใต้สภาวะปกติเช่นอนุมูลอิสระไตรฟีนิลเมทิล (C 6 H 5) 3 C (ด้วยการค้นพบการศึกษาอนุมูลอิสระจึงเริ่มต้นขึ้น) สาเหตุหนึ่งที่ทำให้เสถียรภาพคือปัจจัยเชิงพื้นที่ - กลุ่มฟีนิลขนาดใหญ่ซึ่งป้องกันการรวมตัวของอนุมูลลงในโมเลกุลเฮกซาฟีนิลเอเทน
พันธะโควาเลนต์
พันธะเคมีแต่ละพันธะในสูตรโครงสร้างจะแสดงแทน เส้นวาเลนซ์ , ตัวอย่างเช่น:
H−H (พันธะระหว่างอะตอมไฮโดรเจนสองอะตอม)
H 3 N−H + (พันธะระหว่างอะตอมไนโตรเจนของโมเลกุลแอมโมเนียและไฮโดรเจนไอออนบวก)
(K +)−(I−) (พันธะระหว่างโพแทสเซียมไอออนบวกกับไอออนไอโอไดด์)
พันธะเคมีเกิดขึ้นเนื่องจาก แรงดึงดูดของนิวเคลียสของอะตอมต่อคู่อิเล็กตรอน(ระบุด้วยจุด ··) ซึ่งแสดงอยู่ในสูตรอิเล็กทรอนิกส์ของอนุภาคเชิงซ้อน (โมเลกุล ไอออนเชิงซ้อน) เส้นวาเลนซ์- ไม่เหมือนของพวกเขาเอง อิเล็กตรอนคู่เดียวแต่ละอะตอม เช่น
:::F−F::: | (ฉ2); | H−Cl::: | (HCl); | .. H−N−H | ชม | (NH3) |
พันธะเคมีเรียกว่า โควาเลนต์ถ้ามันถูกสร้างขึ้นโดย ใช้คู่อิเล็กตรอนร่วมกันทั้งสองอะตอม
ขั้วโมเลกุล
โมเลกุลที่เกิดจากอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันโดยทั่วไปจะเป็น ไม่ใช่ขั้ว พันธะนั้นไม่มีขั้วเพียงใด ดังนั้นโมเลกุล H 2, F 2, N 2 จึงไม่มีขั้ว
โมเลกุลที่เกิดจากอะตอมของธาตุต่าง ๆ ก็สามารถเกิดขึ้นได้ ขั้วโลก
และ ไม่ใช่ขั้ว
- มันขึ้นอยู่กับ รูปทรงเรขาคณิต.
ถ้ารูปร่างสมมาตรแสดงว่าเป็นโมเลกุล ไม่ใช่ขั้ว(BF 3, CH 4, CO 2, SO 3) หากไม่สมมาตร (เนื่องจากมีคู่โดดเดี่ยวหรืออิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่) แสดงว่าโมเลกุล ขั้วโลก(NH 3, H 2 O, SO 2, NO 2)
เมื่ออะตอมด้านข้างตัวใดตัวหนึ่งในโมเลกุลสมมาตรถูกแทนที่ด้วยอะตอมขององค์ประกอบอื่น รูปทรงเรขาคณิตก็จะบิดเบี้ยวและขั้วก็ปรากฏขึ้นเช่นในอนุพันธ์มีเทนที่มีคลอรีน CH 3 Cl, CH 2 Cl 2 และ CHCl 3 (CH มีเทน 4 โมเลกุลไม่มีขั้ว)
ขั้วรูปร่างไม่สมมาตรของโมเลกุลตามมาจาก ขั้วของพันธะโควาเลนต์
ระหว่างอะตอมของธาตุ ที่มีความอิเล็กโตรเนกาติวีตี้ต่างกัน
.
ตามที่ระบุไว้ข้างต้น ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนจะเคลื่อนไปตามแกนพันธะไปทางอะตอมขององค์ประกอบที่มีอิเล็กโตรเนกาติตีมากกว่า ตัวอย่างเช่น:
H δ+ → Cl δ− | B δ+ → F δ− |
C δ− ← H δ+ | N δ− ← H δ+ |
(ในที่นี้ δ คือประจุไฟฟ้าบางส่วนของอะตอม)
ยิ่งมาก. ความแตกต่างของอิเลคโตรเนกาติวีตี้ องค์ประกอบยิ่งค่าสัมบูรณ์ของประจุ δ สูงขึ้นเท่าใดก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ขั้วโลก ก็จะมีพันธะโคเวเลนต์
ในโมเลกุลที่มีรูปร่างสมมาตร (เช่น BF 3) “จุดศูนย์ถ่วง” ของประจุลบ (δ−) และประจุบวก (δ+) เกิดขึ้นพร้อมกัน แต่ในโมเลกุลที่ไม่สมมาตร (เช่น NH 3) ประจุเหล่านั้นไม่ ตรงกัน
ด้วยเหตุนี้ ในโมเลกุลที่ไม่สมมาตร ไดโพลไฟฟ้า
- ต่างจากประจุที่แยกจากกันด้วยระยะห่างในอวกาศ เช่น ในโมเลกุลของน้ำ
พันธะไฮโดรเจน
เมื่อศึกษาสารหลายชนิดจึงเรียกว่า พันธะไฮโดรเจน . ตัวอย่างเช่น โมเลกุล HF ในของเหลว ไฮโดรเจนฟลูออไรด์เชื่อมต่อกันด้วยพันธะไฮโดรเจน ในทำนองเดียวกัน โมเลกุล H 2 O ในน้ำของเหลวหรือในผลึกน้ำแข็ง เช่นเดียวกับโมเลกุล NH 3 และ H 2 O เชื่อมต่อกันในการเชื่อมต่อระหว่างโมเลกุล - แอมโมเนียไฮเดรต NH 3 H 2 โอ
พันธะไฮโดรเจน ไม่เสถียร และถูกทำลายค่อนข้างง่าย (เช่น เมื่อน้ำแข็งละลายน้ำจะเดือด) อย่างไรก็ตาม พลังงานเพิ่มเติมบางส่วนถูกใช้ไปเพื่อทำลายพันธะเหล่านี้ ดังนั้นจุดหลอมเหลวและจุดเดือดของสารที่มีพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลจึงสูงกว่าของสารที่คล้ายคลึงกันอย่างมาก แต่ไม่มีพันธะไฮโดรเจน:
วาเลนซ์. พันธบัตรผู้บริจาค-ผู้รับตามทฤษฎีโครงสร้างโมเลกุล อะตอมสามารถสร้างพันธะโควาเลนต์ได้มากเท่ากับวงโคจรของพวกมันที่ถูกครอบครองโดยอิเล็กตรอน 1 ตัว แต่ก็ไม่ได้เป็นเช่นนั้นเสมอไป [ในรูปแบบที่ได้รับการยอมรับสำหรับการเติม AO จำนวนของเปลือกจะถูกระบุก่อน จากนั้นจึงระบุประเภทของออร์บิทัล และหากมีอิเล็กตรอนมากกว่าหนึ่งตัวในออร์บิทัล จำนวนของพวกมัน (ตัวยก) ดังนั้นบันทึก (2 ส) 2 หมายความว่าเปิดอยู่ ส-ออร์บิทัลของเปลือกชั้นที่ 2 มีอิเล็กตรอน 2 ตัว] อะตอมของคาร์บอนในสถานะพื้น (3 ร) มีการกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์ (1 ส) 2 (2ส) 2 (2พีเอ็กซ์)(2 พี y) ในขณะที่สองวงโคจรยังไม่เต็ม นั่นคือ มีอิเล็กตรอนอย่างละ 1 ตัว อย่างไรก็ตาม สารประกอบคาร์บอนไดเวเลนต์นั้นหายากมากและมีปฏิกิริยาสูง โดยปกติแล้วคาร์บอนจะมี tetravalent และนี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าเมื่อเปลี่ยนไปเป็น 5 ที่ตื่นเต้น ส-รัฐ (1 ส) 2 (2ส) (2พีเอ็กซ์)(2 พีญ)(2 พี z) เมื่อมีวงโคจรที่ยังไม่ได้บรรจุสี่วง จำเป็นต้องใช้พลังงานเพียงเล็กน้อย ต้นทุนพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลง 2 ส-อิเล็กตรอนสู่อิสระ 2 ร- ออร์บิทัลได้รับการชดเชยมากกว่าพลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างการก่อตัวของพันธะเพิ่มเติมอีกสองตัว สำหรับการก่อตัวของ AO ที่ไม่สำเร็จ จำเป็นที่กระบวนการนี้จะเอื้ออำนวยอย่างกระตือรือร้น อะตอมไนโตรเจนที่มีโครงแบบอิเล็กทรอนิกส์ (1 ส) 2 (2ส) 2 (2พีเอ็กซ์)(2 พีญ)(2 พี z) ไม่ก่อให้เกิดสารประกอบเพนตะวาเลนต์ เนื่องจากพลังงานที่จำเป็นสำหรับการถ่ายโอน 2 ส-อิเล็กตรอนสำหรับ 3 ง- วงโคจรเพื่อสร้างโครงแบบเพนตะวาเลนต์ (1 ส) 2 (2ส)(2พีเอ็กซ์)(2 พีญ)(2 พีซ)(3 ง) ใหญ่เกินไป ในทำนองเดียวกัน อะตอมของโบรอนที่มีโครงสร้างปกติ (1 ส) 2 (2ส) 2 (2พี) สามารถสร้างสารประกอบไตรวาเลนท์ได้เมื่ออยู่ในสภาวะตื่นเต้น (1 ส) 2 (2ส)(2พีเอ็กซ์)(2 พี y) ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างช่วงการเปลี่ยนภาพ 2 ส-อิเล็กตรอน 2 ร-AO แต่ไม่ก่อให้เกิดสารประกอบเพนตะวาเลนต์ เนื่องจากการเปลี่ยนไปสู่สถานะตื่นเต้น (1 ส)(2ส)(2พีเอ็กซ์)(2 พีญ)(2 พี z) เนื่องจากการโอนหนึ่งใน 1 ส-อิเล็กตรอนในระดับที่สูงขึ้นต้องใช้พลังงานมากเกินไป ปฏิสัมพันธ์ของอะตอมกับการก่อตัวของพันธะระหว่างพวกมันเกิดขึ้นเฉพาะเมื่อมีวงโคจรที่มีพลังงานใกล้เคียงเท่านั้นเช่น ออร์บิทัลที่มีเลขควอนตัมหลักเท่ากัน ข้อมูลที่เกี่ยวข้องสำหรับ 10 องค์ประกอบแรกของตารางธาตุสรุปได้ด้านล่างนี้ สถานะวาเลนซ์ของอะตอมคือสถานะที่อะตอมเกิดพันธะเคมี เช่น สถานะที่ 5 สสำหรับคาร์บอนเตตระวาเลนต์
สถานะวาเลนซ์และวาเลนซ์ของสิบองค์ประกอบแรกของตารางธาตุ | |||
องค์ประกอบ | สถานะภาคพื้นดิน | สถานะเวเลนซ์ปกติ | ความจุปกติ |
ชม | (1ส) | (1ส) | |
เขา | (1ส) 2 | (1ส) 2 | |
หลี่ | (1ส) 2 (2ส) | (1ส) 2 (2ส) | |
เป็น | (1ส) 2 (2ส) 2 | (1ส) 2 (2ส)(2พี) | |
บี | (1ส) 2 (2ส) 2 (2พี) | (1ส) 2 (2ส)(2พีเอ็กซ์)(2 พีญ) | |
ค | (1ส) 2 (2ส) 2 (2พีเอ็กซ์)(2 พีญ) | (1ส) 2 (2ส)(2พีเอ็กซ์)(2 พีญ)(2 พีซ) | |
เอ็น | (1ส) 2 (2ส) 2 (2พีเอ็กซ์)(2 พีญ)(2 พีซ) | (1ส) 2 (2ส) 2 (2พีเอ็กซ์)(2 พีญ)(2 พีซ) | |
โอ | (1ส) 2 (2ส) 2 (2พี x) 2 (2 พีญ)(2 พีซ) | (1ส) 2 (2ส) 2 (2พี x) 2 (2 พีญ)(2 พีซ) | |
เอฟ | (1ส) 2 (2ส) 2 (2พี x) 2 (2 พีญ) 2 (2 พีซ) | (1ส) 2 (2ส) 2 (2พี x) 2 (2 พีญ) 2 (2 พีซ) | |
เน | (1ส) 2 (2ส) 2 (2พี x) 2 (2 พีญ) 2 (2 พีซ) 2 | (1ส) 2 (2ส) 2 (2พี x) 2 (2 พีญ) 2 (2 พีซ) 2 |
รูปแบบเหล่านี้แสดงอยู่ในตัวอย่างต่อไปนี้:
ประวัติความเป็นมาของเคมีเชิงฟิสิกส์
เคมีเชิงฟิสิกส์เริ่มขึ้นในกลางศตวรรษที่ 18 คำว่า "เคมีเชิงฟิสิกส์" เป็นของ เอ็มวี โลโมโนซอฟซึ่งใน 1752 เป็นครั้งแรกที่ฉันอ่าน “หลักสูตรเคมีเชิงฟิสิกส์ที่แท้จริง” ให้นักศึกษาที่มหาวิทยาลัยเซนต์ปีเตอร์สเบิร์กฟังเป็นครั้งแรก ในรายวิชานี้ พระองค์เองทรงให้คำจำกัดความของวิทยาศาสตร์นี้ไว้ดังนี้ “เคมีฟิสิกส์เป็นวิทยาศาสตร์ที่ต้องอธิบายเหตุผลของสิ่งที่เกิดขึ้นจากการดำเนินการทางเคมีในร่างกายที่ซับซ้อนบนพื้นฐานของหลักการและการทดลองทางกายภาพ”
จากนั้น ก็ได้หยุดพักไปนานกว่าหนึ่งศตวรรษ และนักวิชาการก็สอนหลักสูตรวิชาเคมีเชิงฟิสิกส์ครั้งต่อไป เอ็น.เอ็น. เบเคตอฟที่มหาวิทยาลัยคาร์คอฟใน 1865 ปี. ติดตาม N.N. เบเคตอฟเริ่มสอนเคมีเชิงฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยอื่นๆ ในรัสเซีย Flavitsky (Kazan 1874), V. Ostwald (มหาวิทยาลัยใน Tartu 18807), I.A. Kablukov (มหาวิทยาลัยมอสโก 2429)
การยอมรับเคมีฟิสิกส์ในฐานะวิทยาศาสตร์อิสระและระเบียบวินัยทางวิชาการเกิดขึ้นที่มหาวิทยาลัยไลพ์ซิก (เยอรมนี) ในปี พ.ศ. 2430 ภาควิชาเคมีฟิสิกส์แผนกแรก นำโดย V. Ostwald และการก่อตั้งวารสารวิทยาศาสตร์สาขาเคมีฟิสิกส์แผนกแรกที่นั่น ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 มหาวิทยาลัยไลพ์ซิกเป็นศูนย์กลางของการพัฒนาเคมีเชิงฟิสิกส์ และนักเคมีเชิงฟิสิกส์ชั้นนำ ได้แก่: ดับเบิลยู. ออสต์วาลด์, เจ. แวนท์ ฮอฟฟ์, อาร์เรเนียสและ เนิร์สต์.
ภาควิชาเคมีเชิงฟิสิกส์แห่งแรกในรัสเซียเปิดทำการในปี พ.ศ. 2457 ที่คณะฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ของมหาวิทยาลัยเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก ซึ่งในฤดูใบไม้ร่วงเขาเริ่มสอนหลักสูตรบังคับและชั้นเรียนภาคปฏิบัติในวิชาเคมีเชิงฟิสิกส์ ม.ส. วเรฟสกี้
ความแตกต่างระหว่างเคมีเชิงฟิสิกส์และฟิสิกส์เคมี
วิทยาศาสตร์ทั้งสองนี้เป็นจุดตัดระหว่างเคมีและฟิสิกส์ บางครั้งฟิสิกส์เคมีก็รวมอยู่ในเคมีเชิงฟิสิกส์ด้วย ไม่สามารถกำหนดขอบเขตที่ชัดเจนระหว่างวิทยาศาสตร์เหล่านี้ได้เสมอไป อย่างไรก็ตาม ด้วยระดับความแม่นยำที่สมเหตุสมผล ความแตกต่างนี้สามารถกำหนดได้ดังนี้:
เคมีเชิงฟิสิกส์พิจารณากระบวนการทั้งหมดที่เกิดขึ้นพร้อมกับการมีส่วนร่วมพร้อมกัน ชุดอนุภาค;
· บทวิจารณ์ฟิสิกส์เคมี แยกอนุภาคและปฏิสัมพันธ์ระหว่างพวกมันนั่นคืออะตอมและโมเลกุลจำเพาะ (ดังนั้นจึงไม่มีที่สำหรับแนวคิดของ "ก๊าซในอุดมคติ" ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในเคมีเชิงฟิสิกส์)
การบรรยายครั้งที่ 2 โครงสร้างของโมเลกุลและธรรมชาติของพันธะเคมี ประเภทของพันธะเคมี แนวคิดเรื่องอิเลคโตรเนกาติวีตี้ขององค์ประกอบ โพลาไรซ์ โมเมนต์ไดโพล พลังงานปรมาณูของการก่อตัวของโมเลกุล วิธีการศึกษาเชิงทดลองเกี่ยวกับโครงสร้างของโมเลกุล
โครงสร้างโมเลกุล(โครงสร้างโมเลกุล) การจัดเรียงสัมพัทธ์ของอะตอมในโมเลกุล ในระหว่างปฏิกิริยาเคมี อะตอมในโมเลกุลของสารตั้งต้นจะถูกจัดเรียงใหม่และสารประกอบใหม่จะเกิดขึ้น ดังนั้นปัญหาทางเคมีพื้นฐานประการหนึ่งคือการชี้แจงการจัดเรียงอะตอมในสารประกอบดั้งเดิมและลักษณะของการเปลี่ยนแปลงระหว่างการก่อตัวของสารประกอบอื่นจากพวกมัน
แนวคิดแรกเกี่ยวกับโครงสร้างของโมเลกุลมีพื้นฐานมาจากการวิเคราะห์พฤติกรรมทางเคมีของสาร ความคิดเหล่านี้มีความซับซ้อนมากขึ้นเมื่อความรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติทางเคมีของสารที่สะสมมา การใช้กฎพื้นฐานของเคมีทำให้สามารถกำหนดจำนวนและชนิดของอะตอมที่ประกอบเป็นโมเลกุลของสารประกอบที่กำหนดได้ ข้อมูลนี้มีอยู่ในสูตรทางเคมี เมื่อเวลาผ่านไป นักเคมีตระหนักว่าสูตรทางเคมีสูตรเดียวไม่เพียงพอที่จะระบุลักษณะโมเลกุลได้อย่างแม่นยำ เนื่องจากมีโมเลกุลไอโซเมอร์ที่มีสูตรทางเคมีเหมือนกันแต่มีคุณสมบัติต่างกัน ข้อเท็จจริงนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าอะตอมในโมเลกุลจะต้องมีโครงสร้างที่แน่นอนและเสถียรด้วยพันธะระหว่างพวกมัน แนวคิดนี้แสดงออกครั้งแรกในปี พ.ศ. 2401 โดยนักเคมีชาวเยอรมัน F. Kekule ตามความคิดของเขา สามารถพรรณนาโมเลกุลได้โดยใช้สูตรโครงสร้าง ซึ่งไม่เพียงบ่งชี้ถึงตัวอะตอมเท่านั้น แต่ยังรวมถึงความเชื่อมโยงระหว่างพวกมันด้วย พันธะระหว่างอะตอมจะต้องสอดคล้องกับการจัดเรียงเชิงพื้นที่ของอะตอมด้วย ขั้นตอนของการพัฒนาแนวคิดเกี่ยวกับโครงสร้างของโมเลกุลมีเทนแสดงไว้ในรูปที่ 1 1. โครงสร้างสอดคล้องกับข้อมูลสมัยใหม่ ช : โมเลกุลมีรูปร่างคล้ายจัตุรมุขปกติ โดยมีอะตอมของคาร์บอนอยู่ตรงกลาง และมีอะตอมของไฮโดรเจนอยู่ที่จุดยอด
อย่างไรก็ตาม การศึกษาดังกล่าวไม่ได้ระบุอะไรเกี่ยวกับขนาดของโมเลกุล ข้อมูลนี้มีให้เฉพาะเมื่อมีการพัฒนาวิธีการทางกายภาพที่เหมาะสมเท่านั้น สิ่งที่สำคัญที่สุดคือการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ จากรูปแบบการกระเจิงของรังสีเอกซ์บนคริสตัล ทำให้สามารถระบุตำแหน่งที่แน่นอนของอะตอมในคริสตัลได้ และสำหรับผลึกโมเลกุล ก็เป็นไปได้ที่จะระบุตำแหน่งของอะตอมในแต่ละโมเลกุล วิธีการอื่นๆ ได้แก่ การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนขณะผ่านก๊าซหรือไอ และการวิเคราะห์สเปกตรัมการหมุนของโมเลกุล
ข้อมูลทั้งหมดนี้ให้เพียงแนวคิดทั่วไปเกี่ยวกับโครงสร้างของโมเลกุลเท่านั้น ธรรมชาติของพันธะเคมีช่วยให้เราสามารถศึกษาทฤษฎีควอนตัมสมัยใหม่ได้ และถึงแม้ว่าโครงสร้างโมเลกุลจะยังไม่สามารถคำนวณได้อย่างแม่นยำสูงเพียงพอ แต่ก็สามารถอธิบายข้อมูลที่ทราบทั้งหมดเกี่ยวกับพันธะเคมีได้ มีการทำนายการมีอยู่ของพันธะเคมีชนิดใหม่ด้วยซ้ำ
ฟิสิกส์และเคมีเป็นวิทยาศาสตร์ที่มีส่วนโดยตรงต่อความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในศตวรรษที่ 21 ทั้งสองสาขาวิชาศึกษากฎการทำงานของโลกโดยรอบ การเปลี่ยนแปลงในอนุภาคที่เล็กที่สุดที่ประกอบด้วย ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติทั้งหมดมีพื้นฐานทางเคมีหรือกายภาพ ซึ่งใช้ได้กับทุกสิ่ง ไม่ว่าจะเป็นแสง การเผาไหม้ การเดือด การละลาย ปฏิสัมพันธ์ใดๆ ของบางสิ่งกับบางสิ่ง
ทุกคนที่โรงเรียนศึกษาพื้นฐานของเคมีและฟิสิกส์ ชีววิทยา และวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ แต่ไม่ใช่ทุกคนที่เชื่อมโยงชีวิตกับวิทยาศาสตร์เหล่านี้ ไม่ใช่ทุกคนที่จะกำหนดเส้นแบ่งระหว่างสิ่งเหล่านี้ได้ในตอนนี้
เพื่อทำความเข้าใจว่าความแตกต่างที่สำคัญระหว่างวิทยาศาสตร์กายภาพและวิทยาศาสตร์เคมีคืออะไร คุณต้องพิจารณาให้ละเอียดยิ่งขึ้นก่อนและทำความคุ้นเคยกับหลักการพื้นฐานของสาขาวิชาเหล่านี้
เกี่ยวกับฟิสิกส์: การเคลื่อนที่และกฎของมัน
ข้อเสนอฟิสิกส์ ศึกษาคุณสมบัติทั่วไปของโลกรอบข้างโดยตรงรูปแบบการเคลื่อนที่ของสสารที่เรียบง่ายและซับซ้อน ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่เป็นรากฐานของกระบวนการทั้งหมดนี้ วิทยาศาสตร์ศึกษาคุณสมบัติของวัตถุทางวัตถุต่าง ๆ และการปรากฏของปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุเหล่านั้น นักฟิสิกส์ยังพิจารณารูปแบบทั่วไปของสสารประเภทต่างๆ หลักการที่รวมกันเหล่านี้เรียกว่ากฎทางกายภาพ
ฟิสิกส์ถือเป็นวินัยพื้นฐานในหลายๆ ด้าน เนื่องจากฟิสิกส์จะพิจารณาระบบวัสดุในระดับต่างๆ ในวงกว้างที่สุด มีการติดต่อกันอย่างใกล้ชิดกับวิทยาศาสตร์ธรรมชาติทั้งหมด กฎของฟิสิกส์กำหนดทั้งปรากฏการณ์ทางชีววิทยาและธรณีวิทยาในระดับเดียวกัน มีความเชื่อมโยงอย่างมากกับคณิตศาสตร์ เนื่องจากทฤษฎีฟิสิกส์ทั้งหมดได้รับการจัดทำขึ้นในรูปของตัวเลขและนิพจน์ทางคณิตศาสตร์ กล่าวโดยคร่าวๆ วินัยนี้จะศึกษาปรากฏการณ์ทั้งหมดของโลกโดยรอบอย่างกว้างๆ และรูปแบบการเกิดขึ้นตามกฎของฟิสิกส์
เคมี: ทุกอย่างประกอบด้วยอะไร?
เคมีส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการศึกษาคุณสมบัติและสารร่วมกับการเปลี่ยนแปลงต่างๆ ปฏิกิริยาเคมีเป็นผลจากการผสมสารบริสุทธิ์และสร้างองค์ประกอบใหม่
วิทยาศาสตร์มีปฏิสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับสาขาวิชาธรรมชาติอื่นๆ เช่น ชีววิทยาและดาราศาสตร์ เคมีศึกษาองค์ประกอบภายในของสสารประเภทต่างๆ ลักษณะของปฏิสัมพันธ์และการเปลี่ยนแปลงขององค์ประกอบของสสาร เคมียังใช้กฎและทฤษฎี ความสม่ำเสมอ และสมมติฐานทางวิทยาศาสตร์ในตัวเองด้วย
อะไรคือความแตกต่างที่สำคัญระหว่างฟิสิกส์และเคมี?
วิทยาศาสตร์ธรรมชาติเป็นของรวมวิทยาศาสตร์เหล่านี้เข้าด้วยกันในหลาย ๆ ด้าน แต่มีความแตกต่างระหว่างวิทยาศาสตร์เหล่านี้มากกว่าที่เหมือนกัน:
- ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างวิทยาศาสตร์ธรรมชาติทั้งสองคือ ฟิสิกส์ศึกษาอนุภาคมูลฐาน (โลกขนาดเล็ก ซึ่งรวมถึงระดับอะตอมและนิวคลีออน) และคุณสมบัติต่างๆ ของสารในสถานะการรวมตัวที่แน่นอน เคมีมีส่วนร่วมในการศึกษากระบวนการ "ประกอบ" ของโมเลกุลจากอะตอมความสามารถของสารในการทำปฏิกิริยาบางอย่างกับสารประเภทอื่น
- เช่นเดียวกับชีววิทยาและดาราศาสตร์ ฟิสิกส์สมัยใหม่เปิดโอกาสให้มีแนวคิดที่ไม่สมเหตุสมผลหลายประการในเครื่องมือระเบียบวิธี ซึ่งส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับทฤษฎีการกำเนิดของชีวิตบนโลก ต้นกำเนิดของจักรวาล และความเชื่อมโยงกับปรัชญาในการพิจารณาแนวคิดเกี่ยวกับสาเหตุหลักของ “อุดมคติ” และ “วัสดุ” เคมียังคงใกล้เคียงกับรากฐานที่มีเหตุผลของวิทยาศาสตร์ที่แน่นอนมากขึ้น โดยห่างจากทั้งการเล่นแร่แปรธาตุและปรัชญาโบราณโดยทั่วไป
- องค์ประกอบทางเคมีของร่างกายในปรากฏการณ์ทางกายภาพยังคงไม่เปลี่ยนแปลง เช่นเดียวกับคุณสมบัติของพวกมัน ปรากฏการณ์ทางเคมีเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของสารไปเป็นสารอื่นโดยมีคุณสมบัติใหม่เกิดขึ้น นี่คือความแตกต่างระหว่างวิชาที่ศึกษาโดยสาขาวิชาเหล่านี้
- ปรากฏการณ์ประเภทต่างๆ มากมายที่อธิบายโดยฟิสิกส์ เคมีมีมากกว่านั้นมาก มีวินัยเฉพาะทางสูงมุ่งเน้นไปที่การศึกษาเฉพาะโลกใบเล็ก (ระดับโมเลกุล) ซึ่งตรงข้ามกับฟิสิกส์ (มาโครเวิลด์และไมโครเวิลด์)
- ฟิสิกส์เกี่ยวข้องกับการศึกษาวัตถุวัตถุด้วยคุณสมบัติและคุณสมบัติของวัตถุ และเคมีทำงานร่วมกับองค์ประกอบของวัตถุเหล่านี้ ซึ่งเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดที่พวกมันประกอบขึ้นและมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างกัน
บ่อยครั้งจากหลายๆ คนที่พูดคุยเกี่ยวกับกระบวนการเฉพาะ คุณจะได้ยินคำว่า "นี่คือฟิสิกส์!" หรือ "มันคือเคมี!" อันที่จริงปรากฏการณ์เกือบทั้งหมดในธรรมชาติในชีวิตประจำวันและในอวกาศที่บุคคลพบในช่วงชีวิตของเขาสามารถนำมาประกอบกับหนึ่งในวิทยาศาสตร์เหล่านี้ได้ เป็นเรื่องที่น่าสนใจที่จะเข้าใจว่าปรากฏการณ์ทางกายภาพแตกต่างจากปรากฏการณ์ทางเคมีอย่างไร
วิทยาศาสตร์ฟิสิกส์
ก่อนที่จะตอบคำถามว่าปรากฏการณ์ทางกายภาพแตกต่างจากปรากฏการณ์ทางเคมีอย่างไรจำเป็นต้องเข้าใจว่าวิทยาศาสตร์แต่ละอย่างศึกษาวัตถุและกระบวนการใดบ้าง เริ่มจากฟิสิกส์กันก่อน
คุณอาจสนใจ:
จากภาษากรีกโบราณคำว่า "fisis" แปลว่า "ธรรมชาติ" นั่นคือฟิสิกส์เป็นศาสตร์แห่งธรรมชาติที่ศึกษาคุณสมบัติของวัตถุ พฤติกรรมของวัตถุในสภาวะต่าง ๆ การเปลี่ยนแปลงระหว่างสถานะของวัตถุ จุดประสงค์ของฟิสิกส์คือการกำหนดกฎที่ควบคุมกระบวนการทางธรรมชาติ สำหรับวิทยาศาสตร์นี้ ไม่สำคัญว่าวัตถุที่กำลังศึกษาประกอบด้วยอะไร และองค์ประกอบทางเคมีของวัตถุนั้นคืออะไร สำหรับวัตถุนั้น สิ่งสำคัญคือว่าวัตถุจะมีพฤติกรรมอย่างไรหากสัมผัสกับความร้อน แรงทางกล ความดัน และอื่นๆ .
ฟิสิกส์แบ่งออกเป็นหลายส่วนเพื่อศึกษาปรากฏการณ์ในช่วงที่แคบกว่า เช่น ทัศนศาสตร์ กลศาสตร์ อุณหพลศาสตร์ ฟิสิกส์อะตอม และอื่นๆ นอกจากนี้ วิทยาศาสตร์อิสระจำนวนมากยังขึ้นอยู่กับฟิสิกส์ทั้งหมด เช่น ดาราศาสตร์หรือธรณีวิทยา
วิทยาศาสตร์เคมี
เคมีเป็นวิทยาศาสตร์ที่แตกต่างจากฟิสิกส์ตรงที่ศึกษาโครงสร้าง องค์ประกอบ และคุณสมบัติของสสาร รวมถึงการเปลี่ยนแปลงอันเป็นผลจากปฏิกิริยาเคมี นั่นคือเป้าหมายของการศึกษาเคมีคือองค์ประกอบทางเคมีและการเปลี่ยนแปลงในระหว่างกระบวนการบางอย่าง
เคมีก็เหมือนกับฟิสิกส์ มีหลายหัวข้อ โดยแต่ละส่วนจะศึกษาสารเคมีประเภทหนึ่งโดยเฉพาะ เช่น เคมีอินทรีย์และอนินทรีย์ ชีวเคมีและไฟฟ้าเคมี การวิจัยด้านการแพทย์ ชีววิทยา ธรณีวิทยา และแม้แต่ดาราศาสตร์มีพื้นฐานอยู่บนความสำเร็จของวิทยาศาสตร์นี้
เป็นที่น่าสนใจที่จะสังเกตว่าเคมีในฐานะวิทยาศาสตร์ไม่ได้รับการยอมรับจากนักปรัชญาชาวกรีกโบราณเนื่องจากการมุ่งเน้นในการทดลอง เช่นเดียวกับความรู้เชิงวิทยาศาสตร์เทียมที่ล้อมรอบมัน (จำได้ว่าเคมีสมัยใหม่ "เกิด" จากการเล่นแร่แปรธาตุ) ตั้งแต่ยุคฟื้นฟูศิลปวิทยาและต้องขอบคุณผลงานของนักเคมีนักฟิสิกส์และนักปรัชญาชาวอังกฤษ Robert Boyle เคมีจึงเริ่มถูกมองว่าเป็นวิทยาศาสตร์ที่เต็มเปี่ยม
ตัวอย่างของปรากฏการณ์ทางกายภาพ
คุณสามารถยกตัวอย่างจำนวนมากที่ปฏิบัติตามกฎทางกายภาพได้ ตัวอย่างเช่นเด็กนักเรียนทุกคนรู้อยู่แล้วในชั้นประถมศึกษาปีที่ 5 ถึงปรากฏการณ์ทางกายภาพ - การเคลื่อนไหวของรถบนท้องถนน ในกรณีนี้ไม่สำคัญว่ารถคันนี้ประกอบด้วยอะไร รับพลังงานจากการเคลื่อนที่จากที่ใด สิ่งสำคัญเพียงอย่างเดียวคือมันเคลื่อนที่ไปในอวกาศ (ตามถนน) ไปตามวิถีที่แน่นอนด้วยความเร็วที่แน่นอน นอกจากนี้ กระบวนการเร่งความเร็วและเบรกรถยังเป็นเรื่องทางกายภาพอีกด้วย การเคลื่อนที่ของรถยนต์และวัตถุแข็งอื่นๆ จะจัดการโดยหมวดฟิสิกส์ "กลศาสตร์"
I. ...และโดยทั่วไป II. เกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ III เกี่ยวกับเคมี เคมีแย่ไหม? เป็นไปได้ไหมที่จะอยู่โดยปราศจากความเร่ง? จลนพลศาสตร์เคมีและการเร่งปฏิกิริยา
ขนาดตัวอักษร: - +
ฟิสิกส์เคมีแตกต่างจากเคมีฟิสิกส์อย่างไร?
ฟิสิกส์เคมีศึกษาโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ของโมเลกุลและของแข็ง สเปกตรัมของโมเลกุล การกระทำเบื้องต้นของปฏิกิริยาเคมี กระบวนการเผาไหม้และการระเบิด ซึ่งก็คือลักษณะทางกายภาพของปรากฏการณ์ทางเคมี คำนี้ถูกนำมาใช้โดยนักเคมีชาวเยอรมัน A. Eiken ในปี 1930
ก่อตั้งในปี ค.ศ. 1920 เกี่ยวข้องกับการพัฒนากลศาสตร์ควอนตัมและการใช้แนวคิดในวิชาเคมี ขอบเขตระหว่างฟิสิกส์เคมีและเคมีเชิงฟิสิกส์นั้นขึ้นอยู่กับอำเภอใจ รายการ เคมีกายภาพในทางตรงกันข้าม: ผลทางเคมีของอิทธิพลทางกายภาพ (เช่นการเสียชีวิตของบุคคลอันเป็นผลมาจากการตีเขาด้วยอิฐที่ศีรษะ) ความสำเร็จอย่างหนึ่งของฟิสิกส์เคมีควรได้รับการพิจารณาว่าเป็นทฤษฎี ปฏิกิริยาลูกโซ่แบบแยกแขนง.
ผู้ก่อตั้งสถาบันฟิสิกส์เคมี RAS N.N. Semyonov ดำเนินการวิจัยเชิงลึก ปฏิกิริยาลูกโซ่- เป็นชุดของขั้นตอนที่เริ่มต้นด้วยตนเองในปฏิกิริยาเคมีที่เมื่อเริ่มต้นแล้ว ให้ดำเนินต่อไปจนกว่าขั้นตอนสุดท้ายจะเสร็จสิ้น แม้ว่านักเคมีชาวเยอรมัน M. Bodenstein จะแนะนำความเป็นไปได้ของปฏิกิริยาดังกล่าวเป็นครั้งแรกในปี 1913 แต่ก็ไม่มีทฤษฎีใดที่อธิบายขั้นตอนของปฏิกิริยาลูกโซ่และแสดงความเร็วของมัน หัวใจสำคัญของปฏิกิริยาลูกโซ่คือระยะเริ่มแรกของการก่อตัว อนุมูลอิสระ- อะตอมหรือกลุ่มของอะตอมที่มีอิเล็กตรอนไม่เท่ากันและมีฤทธิ์ทางเคมีอย่างมาก เมื่อก่อตัวขึ้น มันจะทำปฏิกิริยากับโมเลกุลในลักษณะที่อนุมูลอิสระใหม่ก่อตัวขึ้นเป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์ที่ทำปฏิกิริยา อนุมูลอิสระที่ก่อตัวใหม่จะสามารถโต้ตอบกับโมเลกุลอื่นได้ และปฏิกิริยาจะดำเนินต่อไปจนกระทั่งมีบางสิ่งขัดขวางไม่ให้อนุมูลอิสระก่อตัวเป็นโมเลกุลที่คล้ายกัน กล่าวคือ จนกว่าวงจรจะขาด
ปฏิกิริยาลูกโซ่ที่สำคัญอย่างยิ่งคือปฏิกิริยาลูกโซ่แบบแยกแขนง ซึ่งค้นพบในปี 1923 โดยนักฟิสิกส์ G.A. เครเมอร์สและไอ.เอ. คริสเตียนเซ่น. ในปฏิกิริยานี้ อนุมูลอิสระไม่เพียงแต่สร้างบริเวณที่ทำงานเท่านั้น แต่ยังเพิ่มจำนวน สร้างสายโซ่ใหม่และเร่งปฏิกิริยาให้เร็วขึ้นอีกด้วย ความคืบหน้าที่แท้จริงของปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับข้อจำกัดภายนอกหลายประการ เช่น ขนาดของถังที่ปฏิกิริยาเกิดขึ้น หากจำนวนอนุมูลอิสระเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ปฏิกิริยาอาจทำให้เกิดการระเบิดได้ ในปี พ.ศ. 2469 นักเรียนสองคนเอ็น.เอ็น. Semenov สังเกตปรากฏการณ์นี้เป็นครั้งแรกในขณะที่ศึกษาการเกิดออกซิเดชันของไอฟอสฟอรัสด้วยไอน้ำ ปฏิกิริยานี้ไม่ได้ดำเนินไปอย่างที่ควรจะเป็นตามกฎจลนศาสตร์เคมีในขณะนั้น Semenov เห็นสาเหตุของความแตกต่างนี้ในความจริงที่ว่าพวกเขากำลังเผชิญกับผลลัพธ์ของปฏิกิริยาลูกโซ่ที่แตกแขนง แต่คำอธิบายดังกล่าวถูกปฏิเสธโดย M. Bodenstein ซึ่งในเวลานั้นเป็นผู้มีอำนาจที่ได้รับการยอมรับ จลนพลศาสตร์เคมี- เอ็น.เอ็น.ยังคงศึกษาปรากฏการณ์นี้อย่างเข้มข้นต่อไปอีกสองปี Semenov และ S.N. Hinshelwood ซึ่งทำงานวิจัยในอังกฤษอย่างอิสระ และหลังจากช่วงเวลานี้เห็นได้ชัดว่า Semenov พูดถูก
เอ็น.เอ็น. Semenov ตีพิมพ์เอกสาร (ปฏิกิริยาลูกโซ่. Leningrad, ONTI., 1934) ซึ่งเขาพิสูจน์ว่าปฏิกิริยาเคมีหลายอย่างรวมถึงปฏิกิริยาโพลีเมอไรเซชันนั้นดำเนินการโดยใช้กลไกของปฏิกิริยาลูกโซ่หรือปฏิกิริยาลูกโซ่กิ่ง ต่อมาก็พบว่า ปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียม-235 โดยนิวตรอนก็มีลักษณะของปฏิกิริยาลูกโซ่แบบกิ่งก้านเช่นกัน
ในปี 1956 Semenov ร่วมกับ Hinshelwood ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี "สำหรับการวิจัยในสาขากลไกของปฏิกิริยาเคมี" ในการบรรยายโนเบลของเขา Semenov กล่าวว่า "ทฤษฎีปฏิกิริยาลูกโซ่เปิดโอกาสให้เข้าใกล้วิธีแก้ปัญหาหลักของเคมีเชิงทฤษฎีมากขึ้น - การเชื่อมโยงระหว่างปฏิกิริยาและโครงสร้างของอนุภาคที่เข้าสู่ปฏิกิริยา .. แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะยกระดับเทคโนโลยีเคมีในทุกขอบเขตหรือแม้กระทั่งประสบความสำเร็จอย่างเด็ดขาดในด้านชีววิทยาหากไม่มีความรู้นี้..."
สถาบันฟิสิกส์เคมีของ Russian Academy of Sciences (มอสโก) และสถาบันปัญหาฟิสิกส์เคมีของ Russian Academy of Sciences (Chernogolovka) เปิดดำเนินการ มีวารสาร “ฟิสิกส์เคมี”. คุณสามารถอ่าน: Buchachenko A.L. ฟิสิกส์เคมีสมัยใหม่: เป้าหมายและเส้นทางแห่งความก้าวหน้า // ความก้าวหน้าทางเคมี - 2530. - ต.56. - ลำดับที่ 11.