これまでの化学の分野を見て楽しんでいただけたでしょうか。次は物理化学です！もう少しありますが、名前が示すように、物理学と化学の融合と考えることができます。では、それは実際にはどういう意味ですか？ここにいくつかの物理化学の例と、この分野自体のより広い目標を見ていきます。
物理化学とは?
物理化学では、化学物質 (すべての物質) の物理的特性と、原子および分子レベルでの化学反応を研究します。
今日、マッチとジッポー ライターがあるのは、火を確実に発生させる化学プロセスを観察し、再現できるようになったからです。私たちは「火をマスターした」と言いたいのですが、物理化学の科学 (およびいくつかの火傷した指) が私たちをそこに導きました.
化学変化（化学反応）は、物理変化や物理反応とは異なります。物理化学は前者に関係していますが、後者にも意味があります。つまり、私たちが毎日見たり触れたりしている現実の世界で「物事がどのように振る舞うか」です。
化学反応には、木材の燃焼、金属の酸化、消化プロセスなどが含まれます。これらすべてにおいて、化学結合が壊れ、新しい結合が形成されます。
物理的変化を観察することは、たとえば、物質が状態を変える理由と時期、金属や合金が曲がる代わりに壊れるポイントなどを理解し、活用するのに役立ちます。物理的な変化があっても、それは同じ「もの」です。化学的に変化していません。しかし、物理化学やその他の科学分野を通じて、「より良いもの」を作ることができます。これはほんの一部です。
物理化学の実践では、化学変化と材料特性を活用する方法を学ぶ際に、次の観点から観察を行います。
- マクロ :大量の物質はさまざまな状況下でどのように振る舞うか?それらの融点と沸点は何ですか?それらはどのくらい熱を伝導しますか?必要なレベルのストレス テストに耐えられる素材はどれですか?
- 微視的 :光学顕微鏡、走査型プローブ顕微鏡、電子顕微鏡は、材料を直接観察する能力を超えて、材料が「行う」ことを観察するのに役立ちます。結晶はどのように形成されるのですか?この溶剤がそのように機能するのはなぜですか?
- アトミック :この観点から、物理化学は元素自体の特性と、それらが化合物を形成する方法と時期を観察します。
- 亜原子と核 :素粒子および原子核レベルでの物理化学は、陽子、中性子、電子がどのように機能し、エネルギー自体がどのように振る舞うかに関係しています。
物理化学が役立つ理由
これらのスケールで観察を行うことで、物理世界がどのように「機能」するか、単純構造と複雑構造がどのように機能し、形成されるか、そして人類が化学反応を利用して新しい反応と独自の材料を作成する方法をよりよく理解するのに役立ちます。
物理化学者は、化学物質または材料の組み合わせが特定の条件下でどのように動作するかを予測することから始める場合があります。その後、洗練された機器を使用して実験室またはシミュレーションで目的の反応または現象を観察し、その仮説をテストして、さらなるテストの目標と期待を絞り込みます。
これらの観察は、物理化学者が見ているものを数学的に説明し、後で異なる一連の状況で同じ挙動を予測するために必要な多くのデータ ポイントをもたらします。データは、これらの新しい発見を、物理的物質の他の観察された特性と並べて文脈に配置するのに役立ち、他の科学分野や専門分野のメンバーに役立ちます.
画期的な発明や発見が、新しい素材や改良された素材の開発に依存していた歴史の中で何度も考えてみてください。例:「ウィジェット X が材料 B から作られている場合、引張強度が 5% 向上します」または「このタイプの燃料を使用すると、地球の重力と大気から 10% 効率的に逃れることができます。」
これらは、人類を月に到達させたタイプの仮説であり、より優れたバッテリーを構築し、地球の海の隠された範囲を探索し、長い間予言されていた宇宙エレベーターに取り組むのにさえ役立つ.物理化学は単独ではできませんが、大きな役割を果たします。
物理化学の例は?
このような幅広い分野がどのように組織化されているのか疑問に思われるかもしれません。ありがたいことに、物理化学は、探求している物理世界の部分に基づいて、いくつかの特定の分野に分類できます。これらのフィールドには以下が含まれます:
- 熱化学 :化学反応で熱を発するものと発しないものがあるのはなぜですか?この反応を繰り返して制御するにはどうすればよいでしょうか?
- 電気化学 :電流が印加されると、これらの陽子と電子は何をしますか?
- 光化学 :特定の化学反応に対する光の影響は何ですか?
- 分光 :反応に対する放射線の影響とは何ですか?また、ある物質が放射線を放出するのはなぜですか?
- 動態 :ある化学反応が、ある速度で進行し、別の速度で進行するのはなぜですか?
まだ理論的すぎる？以下は、物理化学分野の具体例と、物理化学者と密接に連携している、または物理化学を通じて発見された原理に依存している関連する専門分野の例です。
- 材料科学者
- 分子モデラーと分析化学者
- 有機および無機化学者
- 薬剤師
- 化粧品化学者
- 冷暖房エンジニア
- 毒物学者
- 法医学者
- 有害廃棄物の化学者
- 素粒子科学者
- 生化学者と生物工学者
真に学際的な科学分野
物理化学者は、研究室の環境で自宅にいなければならず、質量分析計、レーザー、電子顕微鏡、核磁気共鳴装置など、さまざまな高度な機器を巧みに使用できなければなりません。
物理化学者はまた、観察力があり、細部にまで気を配り、数学とデータ サイエンスの高度なスキルを備えている必要があります。物理化学者が、より安定した有給の職を見つける前に、研究ラボのフェローシップで 1 年以上のキャリアを開始することは珍しくありません。
物理化学について最もエキサイティングなことは、物理化学がいかに学際的であるかということです。ここで行われた発見は、金属や繊維、家庭用品、医薬品、さらには量子力学にまで及び、これを化学の分野の 1 つにして、私たちの尊敬と注目に値します。
