これは、物理化学である 5 つの化学部門の 4 番目です。このように、物理学の概念と原理に基づいたシステムを通じて、巨視的、微視的、原子、亜原子粒子、および化学プロセスの現象に焦点を当てた物理化学。一方、説明が必要な物理化学のサブブランチがいくつかあります。このように、物理化学は生命のためのより大きなアプリケーションを作成することを意味していました.
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1.熱力学と熱化学
いくつかの研究は、化学反応において熱が最も重要な要素であることを示しています。熱は何らかの反応を引き起こしますが、場合によっては反応を保持します。化学反応における熱伝達を測定する方法を学ぶことに関する研究は、熱の意味を説明し、熱伝達を定量的に測定するための手順を提供する、熱力学と呼ばれる物理科学の分野です。熱は、熱エネルギーとして知られるエネルギーの別の形態です
熱力学には幅広い用途がありますが、この記事では、化学的な特定の側面についての研究を制限します。この時点で、物理的な領域である熱力学と呼ばれる熱の伝達の教訓がわかりました。すると、化学的側面の熱力学を熱化学と呼ぶことができます。
化学反応は通常、一定の圧力で研究されるため、熱伝達と反応は一定の圧力で測定されます。定圧での伝熱量を求めるには、化学反応が必要であり、伝熱量は qp で表されます。
この反応は反応エンタルピーと呼ばれ、定式化として次のようになります:
[タブ]
[タブ タイトル =”エンタルピー式
qp =ΔH =Hf – Hp =H製品 – Hリアクタン =ΔH反応
[/タブ]
[/タブ]
一酸化炭素が酸素中で燃焼して二酸化炭素を生成すると、熱が環境に放出または放散されます。これには負の符号があります。反応によって熱が放出される場合 (ΔH が負の場合)、その反応は発熱反応であると言われます。熱を奪う発熱の逆反応であるΔHの正の反応を吸熱といいます。吸熱の例は、二酸化炭素の反対方向または逆方向に書かれた先行する反応です。
熱力学では、熱量測定実験が実際に行われたことがなくても、分解反応の ΔH を完全な自信を持って予測することはできません.
標準状態のエンタルピー
要素のエンタルピーの絶対値は、内部エネルギーと同じように振る舞い、測定または計算できないことを意味します。エンタルピーの変化のみを測定できます。物質のエンタルピーの基準状態を採用する必要があるため、この問題で化学者は現代化学の原理の標準状態を次のように定義します:
- 固体と液体の場合、標準状態は、1 気圧の圧力と特定の温度での熱力学的に安定した状態です。
- 気体の場合、標準状態は、圧力 1 気圧、指定された温度、および理想的な気体の挙動を示す気相です。
- 溶解種の場合、標準状態は、1 気圧、指定温度、理想的な溶液挙動を示す 1 m 溶液です。
指定温度として選択される最も一般的な温度は 298,15 K (正確には 25 C) です。したがって、温度標準が明記されていない場合、温度は 298.15 K です。標準が定義されると、298.15 K での標準状態の化学元素のエンタルピーはゼロであると結論付けることができます。
条件が標準の場合のデルタ エンタルピーまたはエンタルピーの変化。これは、すべての反応物と生成物が、ΔHf として記号化される標準エンタルピーと呼ばれる特定の温度で標準状態にあることを意味します。 .安定状態にある元素から 1 mol の化合物を生成する反応のエンタルピー変化を標準生成エンタルピーの概念 ΔHf と呼びます。
結合エンタルピー
原子の新しい配置を形成するには、化学反応によって既存の結合を切断する必要があります。化学者は、非常に反応性の高い中間種では、複数の結合が切断されている可能性があることを発見し、特定の結合を切断するのに必要なエネルギー量を見つけました.
そのような重要な測定可能な量は、結合エンタルピーと呼ばれる結合が気相で切断されるときのエンタルピー変化です。結合している原子は、分離している場合よりもエネルギーが低いため、この変化は常に正です。例えば、メタン中の C-H の結合エンタルピーで起こる反応は、標準エンタルピー条件で測定した場合、438kJ mol を必要とします。
熱化学プロセス
システムの 1 つ以上のプロパティが変更されると、プロセスが発生します。プロセスは次の 3 つのカテゴリに分類できます。
- 等圧 システムの圧力が一定のままであるときにプロセスが発生することを意味します
- 等温 システムの温度が一定に保たれているときにプロセスが発生することを意味します
- 断熱 プロセスが熱交換なしで行われることを意味します。
2.電気化学
電気化学は、酸化還元反応による化学エネルギーと電気エネルギーの相互変換に関係する物理化学の一分野です。電子は、外部の電気エネルギーを介して 2 つのホール反応の間を移動します。電気エネルギーは、自然には発生しない化学反応を促進するために使用できます。
電気化学的方法は、医療診断で非常に広く使用されており、臨床的に重要な非常に低い濃度の分子を日常的に測定しています。電気化学の他のアプリケーションは、太陽エネルギー、変換、燃料電池、およびエネルギー貯蔵技術に見られます。
電気化学に関する議論は、レドックス反応、水溶液、電気化学セルの構成要素の紹介、ガルバニ電池と電解セルの区別から始まりましたが、これらの主題のすべてがこの記事で説明されるわけではありません。一部の主題について簡単に説明します。
ガルバニ電池
ガルバニ電池は電気化学電池の 1 つであり、電気化学自体は、半反応が分離された結合還元酸化反応を通じて、電気化学反応が化学エネルギーと電気エネルギーを相互変換する場所です。
ギブス理論によると、ガルバニ電池では、自由エネルギーが自然還元酸化反応で利用可能になり、仕事に役立つ電気エネルギーに変換できます。ガルバニ電池の例は、銅イオンを形成する銅金属の還元酸化反応で起こり、砂銀イオンは銀金属に還元されています。ワイヤが 2 つの金属電極を接続し、電子が電極間を流れるようにします。細胞を接続するイオン伝導体は塩橋と呼ばれます。
知っておくべきもう1つの概念は、アノードとカソードです。アノードは電極が酸化する場所であり、カソードは電極が還元される場所です。これらの用語と概念は、Michael Faraday によって述べられました。
電解セル
ガルバニ電池では、すべての反応が自発的に発生したと記述され、エネルギー変化は負で書かれています。この熱力学的駆動力は、静電駆動力に関連しています。荷電粒子で構成されるシステムは、機械系が自発的に最小の機械的ポテンシャル エネルギーの状態を求めるのと同じように、最小の静電ポテンシャル エネルギーの状態を自発的に求めます。つまり、この電解槽は、還元酸化反応でエネルギーが加わると活性化します。
電解質の三大部分は、導電性の溶液を生成する、または電解質と呼ばれる物質であり、もう1つは陽極や陰極などの電極です。したがって、電解セルは、ガルバニ電池またはバッテリーとは逆の方法で機能していると結論付けることができます.
ファラデーの法則
1833年、マイケル・ファラデーは、その後の電荷量と物質生成物の量または電気化学反応で消費される量との量的関係を発見し、実証しました。したがって、彼が発見した関係は、次のように述べるファラデーの法則として知られています:
- 電気化学反応で生成または消費される特定の物質の質量は、通過した電荷の量に比例します。
- 与えられた量の電荷が通過することにより、電気化学反応で異なる物質の等価質量が生成または消費されます。
これらの法則は、電気化学の化学量論をうまく要約しています。ファラデーは水素イオンの電荷質量比を測定しただけでなく、その値は e/me の約 1000 分の 1 でした。 、そして、「水素イオンと比較して、電子の電荷が非常に大きいか、電子の質量が非常に小さいに違いない」と結論付けます.
1 モルの電子の電荷には、F =96,485.34 C mol の量を持つファラデー定数として特別な名前と記号が付けられています。
3.化学動力学
化学研究の主な主題は反応速度であり、触媒が化学反応の速度をどのように増加させるかを説明します。温度のわずかな変化が、食品の調理速度に大きな影響を与えることが多いのはなぜですか.分子が結合して製品の形になる方法など、この種の質問は、この研究を非常に複雑にしています.
化学反応速度論の主な目標は、反応速度の実験的研究から反応メカニズムを減らすことです。反応メカニズム自体は、反応が最終生成物を生成する速度と速度です。
化学反応の速度
反応速度は多くの要因に依存します。反応化合物の濃度は、重要な影響を与えるものです。影響を与えるもう 1 つの要因は温度です。これは、温度の注意深い制御が化学反応速度論における定量的測定にとって重要であることを意味します。最後に、速度は、反応物の物理的形態に決定的に依存することがよくあります。
動力学実験では、化学反応に関与する物質の変化率を測定します。異なる条件で異なる方法を使用する一連の測定により、濃度の変化率を明らかにすることができます。低速の場合は低温条件を使用でき、非常に高速な反応では、特定の波長での吸収を測定することで速度を追跡するフラッシュ光を使用することがよくあります。
前の説明では、反応から生成物が形成されると、反応して元の反応を返すことができると結論付けています。正味の速度は、次のような特定の式で書かれた差です。
ネット レート =フォワード レート – リバース レート
これは、集中度の測定によって、単純なフォワード レートではなく、ネット レートが得られることを意味します。さらに、多くの反応が完了に至るということは、それらが順方向にのみ測定可能な速度を持つことを意味します。そうでなければ、生成物が形成されたときに除去されるように実験を調整することができます。反応速度と濃度の間の反応は速度法則と呼ばれます。
反応メカニズム
多くの反応は単一のステップで発生するのではなく、生成物に到達するまでのステップを順番に実行します。この各ステップは素反応と呼ばれ、原子、イオン、または分子の衝突によって発生します。単分子素反応には、単一の反応分子のみが含まれます。この反応の例は、エネルギーを与えられた N2 の解離です。 O3 気相の分子。最も一般的なタイプの素反応は、生体分子と呼ばれる原子、イオン、または分子の衝突を伴います。この反応の例は、NO + O3 の衝突です。 N
termoecular という用語は、3 つの分子の同時衝突を含む反応ステップに使用されます。これは、気相中のヨウ素原子がヨウ素分子を形成する場合の再結合など、可能性がはるかに低い反応です。反応メカニズムは、素反応の詳細なシーケンスであり、詳細は、全体的な反応を生成するために結合された分子の速度を提供します。反応中間体は、反応で生成および消費される化学種ですが、全体的なバランスのとれた化学式には現れません。
化学反応メカニズムの基本ステップの速度と全体的な平衡定数 K の間には直接的な関係があります。この原則は詳細なバランスと呼ばれ、平衡状態では各基本プロセスの速度がその逆プロセスの速度によって釣り合っていると述べています。この原理の証明は、3 段階の素反応の速度定数が k1 であることです。 ,k,k3 一方、3段階の素反応の逆はk-1 ,k-2 ,k-3 .
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4.分光法と光化学
分光法
分光法の重要な概念またはバックボーンは、エネルギーの量子化です。エネルギーの量子化は、20 世紀初頭に発見された革命的な概念です。分光法自体は、特定の波の光でのみ吸収または放出されるさまざまな形態の光エネルギーの測定に関する研究をカバーしています。
分光法では、特定のエネルギー レベル間で原子や分子から放出される電磁放射を測定し、波長または周波数によって特徴付けることができます。光エネルギーは Ɛ =hv の周波数に比例し、角運動量も量子化されます (mvr =nh)
光化学
光化学は、分子が光からの光子を吸収すると、基底電子状態よりも反応しやすい励起電子状態になる可能性があるため、光によって生成される化学反応の研究です。光化学反応では、活性化エネルギーは光の吸収によって供給されます。この概念は、活性化エネルギーが分子間衝突によって供給されるという熱反応の反対です。
光子のエネルギーは E の式で決定できます フォトン =hv =hcl λ。つまり、光子 1 モルのエネルギーは N です。 あ hv .光化学のシュタルク-アインシュタインの法則によれば、吸収される光子の数は、励起された電子状態に遷移する分子の数に等しくなります。蛍光という用語は、全電子スピンが存在する電子遷移による放射線の自然放出に変化がないことを意味します。一方、リン光は、光の吸収による電子励起に続く発光を意味します。また、ルミネセンスという用語は、電子的に励起された種による光の放出を指し、蛍光と燐光が含まれます。
植物で通常は特に葉で起こる光化学の例は、植物が紫外線エネルギーを使用して二酸化物と水をグルコースと酸素に変換するプロセスである光合成です。上記のように、光化学の概念は光に関するものであり、光合成は入力時に光を使用し、水を使用してそれぞれ固体または液体の形と気体の形でグルコースと酸素を生成します。
5.量子力学
量子力学は、化学者が理解しようとするいくつかの現象を理解するための確固たる概念的基盤を提供します。分子と拡張固体構造を形成する原子間相互作用、分子間相互作用、化学反応性など。
量子化学
量子化学の多くの発展により、今日の量子化学は、分子のシュレディンガー方程式の非常に優れた近似解を提供します。また、化学結合、分子構造、および化学反応性を表現および説明するための定性的な概念も提供します。
ボルン・オッペンハイマー近似は、量子力学の出発点です。ボルン・オッペンハイマー近似のポイントは、原子核が電子よりもはるかに重いため、電子が原子核の周りを急速に移動する間、固定空間と見なされる可能性があることです。電子が原子核よりもはるかに速く移動するという事実により、核間分離の各値について電子のシュレディンガー方程式を解くことにより、電子の動きを原子核の動きとは独立して扱うことができます。
6.表面化学
物理化学のこの分野では、そのタイトルによると、この研究が表面と界面で起こる化学反応についてであることを意味します。この研究は、分子または原子が表面でどのように相互作用するかに焦点を当てています。分子相互作用を研究する際の重要なポイントは、たとえば不均一系触媒作用などの望ましい化学反応を理解することです。
化学反応を研究する目的は、化学反応を変更して、表面や界面でさまざまな望ましい効果や改善を生み出すことができるようにすることです。触媒作用、電気化学、地球化学など、この研究を好む分野がいくつかあります。
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一方、日常生活で使用される物理化学のサブブランチがあり、産業、実験室、および多くの研究の多くの基礎を組み合わせています.
