Allt du behöver veta om fysikalisk kemi – begrepp, tillämpningar och studier 🧪

De bästa tillgängliga lärarna i kemi

Nu kör vi!

⚗️ Vad är fysikalisk kemi?

Definition och omfattning

Fysikalisk kemi är en av kemins huvudgrenar som använder fysik – framför allt termodynamik och kvantmekanik – för att förklara och studera kemiska fenomen på molekylnivå och kinetik. Till skillnad från den klassiska "våta" kemin, som studerar synliga reaktioner i lösningar, intresserar sig fysikalisk kemi för det vi inte kan se med blotta ögat: vad som händer med kemiska bindningar när de utsätts för värme, hur atomer rör sig när en katalysator tillsätts, och varför vissa reaktioner spontant äger rum medan andra inte gör det.

Förändringar i temperatur, tryck och volym hos ett system – samt det arbete och den värmeöverföring som utförs av eller på systemet – är alla kopplade till växelverkan på atom- och molekylnivå. Det är just dessa kopplingar som fysikalisk kemi studerar och förklarar.

Molekylär struktur illustrerad i blått. — Bild från Getty Images via Unspalsh+

Viktiga forskningsområden inom modern fysikalisk kemi är bland annat kemisk termodynamik, reaktionskinetik, kvantkemi, elektrokemi, analytisk kemi, ytkemi, kolloidkemi och spektroskopi. Fysikalisk kemi utgör dessutom en av grundvalarna för materialvetenskap och delar av biokemin och molekylärbiologin.

Historisk bakgrund – hur fysikalisk kemi blev ett eget ämne 📜

Konceptet fysikalisk kemi etablerades redan 1752 av den ryske polyhistorn Mikhail Lomonosov under en föreläsning. Teorin förblev dock outvecklad i över ett sekel. Det var inte förrän Dmitri Mendelejev presenterade det periodiska systemet 1871 som kemin fick en enhetlig riktning – och intresset för kemiska processers fysikaliska egenskaper tog fart.

Det periodiska systemet, först skapat av Dmitrij Mendelejev. Bild från Shutterstock

Under 1800-talets andra hälft gjordes avgörande framsteg av flera forskare. Cato Guldberg och Peter Waage formulerade lagen om kemisk jämvikt. Josiah Willard Gibbs publicerade 1876 sitt banbrytande verk om kemisk termodynamik, där han introducerade begrepp som fri energi och kemisk potential. Svante Arrhenius – en av Sveriges mest berömda kemister – formulerade 1884 den elektrolytiska dissociationsteorin, ett genombrott som senare gav honom Nobelpriset i kemi.

År 1887 grundade Wilhelm Ostwald och Jacobus Henricus van 't Hoff tidskriften Zeitschrift für physikalische Chemie – världens första forskningstidskrift helt inriktad på fysikalisk kemi. Det var i och med detta som disciplinen slutligen etablerades som ett eget delområde. Tidskriften ges fortfarande ut idag.

Friedrich Wilhelm Ostwald

Född:

2 september 1853 i Livland, Ryska imperiet (dagens Lettland)

Död:

4 april 1932 i Sachsen, Weimarrepubliken (dagens Tyskland)

Känd för:

Ostwalds koefficient, Ostwalds utspädningslag, Ostwaldprocessen, Ostwalds regel, Ostwald–Folin-pipetten, katalys och mycket mer

Utmärkelser:

Faraday Lectureship Prize (1904), Nobelpriset i kemi (1909), William Exner-medaljen (1923)

Som barn var Wilhelm Ostwald intresserad av naturvetenskap, men på universitetet studerade han filosofi, konst och humaniora. Han avslutade sina studier 1875. Efter examen tog han en obetald tjänst som laboratorieassistent hos kemisten Carl Schmidt. Där ägnade han sin tid åt att lära sig om oorganisk kemi och kemiska reaktionshastigheter.

Man kan säga att vetenskapen fascinerade honom. Fortfarande i sin obetalda tjänst fördjupade han sig alltmer och ifrågasatte kemikaliers affinitet och reaktivitet. Han utvecklade tredimensionella modeller för att förklara dessa och andra fenomen. Han undersökte även elektrokemin, kemisk dynamik och massverkan.

Tidskriften för fysikalisk kemi

Wilhelm Ostwald gav ut tidskriftens första nummer 1877.
Svante August Arrhenius och Jacobus Henricus van 't Hoff medverkade.

Wilhelm Ostwald hyllas ofta som fysikalisk kemis fader. Om något skulle han själv betrakta sig som en motvillig sådan, som kommit på avvägar från sina ursprungliga strävanden.

Det är värt att notera att han återvände till konsten och filosofin och gjorde sig ett namn inom politiken efter sin akademiska karriär. Ändå höll vetenskapen ett fast grepp om honom i ungefär 30 år, vilket ledde till att han uppnådde många banbrytande framsteg inom fysikalisk kemi.

Har du koll på skillnaden mellan oorganisk och organisk kemi?

🧪 Fysikalisk kemis väg till att bli en vetenskap

Den ryske universalgeniet Mikhail Lomonosov lade grunden till begreppet fysikalisk kemi år 1752 under en föreläsning. Teorin förblev orörd i över ett sekel. Men på den tiden var kemistudierna varken enhetliga eller hade någon tydlig riktning. Denna riktning uppstod först när Dmitrij Mendelejev skapade det periodiska systemet år 1871.

Vid den tiden växte intresset för de fysikaliska egenskaperna hos kemiska reaktioner. År 1880 hade arbetet med kemisk termodynamik och kinetik, bland andra fenomen, påbörjats.

Wilhelm Oswalds publicerade artiklar

500+

Ostwalds arbete med dessa begrepp under den tiden bidrog i hög grad till att driva denna vetenskap framåt. Under sin ungefär 30-åriga akademiska karriär bidrog han med mer än 500 forskningsartiklar och 45 eller fler böcker.

Den Magazine of Physical Chemistry:s lägliga publicering öppnade slussportarna och befäste fysikalisk kemi som en egen underdisciplin inom kemistudierna.

Snart innehöll denna publikation artiklar om relaterade kemiska upptäckter, inklusive teorier inom analytisk kemi. Tidskriften ges fortfarande ut idag och fungerar som ett forum och en informationskälla för såväl studenter som forskare inom fysikalisk kemi.

🔬 Grundläggande begrepp inom fysikalisk kemi

Fysikalisk kemi är ett brett fält med flera sammanlänkade nyckelbegrepp. Här är de fem mest centrala:

🌡️ Termodynamik

Vatten som kokar i en kastrull på spisen och ger ifrån sig ånga. — Foto av Gaelle Marcel på Unsplash

Termodynamik studerar värme, temperatur och arbete – och deras relation till energi, entropi och materiens fysikaliska egenskaper. Inom kemisk termodynamik undersöker man sambandet mellan energi och kemiska reaktioner eller fasövergångar.

I praktiken innebär det att när en kemisk reaktion sker genereras en viss mängd energi och värme. Detsamma gäller när värme tillförs – exempelvis när vatten kokas och övergår från vätska till ånga. Forskarnas uppgift är att studera spontaniteten hos dessa omvandlingar under olika förhållanden.

⚡ Reaktionskinetik

Reaktionskinetik – eller kemisk kinetik – undersöker hur snabbt kemiska reaktioner sker och vilka faktorer som påverkar reaktionshastigheten. Termodynamiken berättar om riktningen för en reaktion, medan kinetiken berättar om hastigheten.

Dessa studier resulterar i en förståelse för reaktionernas övergångstillstånd och mekanismer, och gör det möjligt att bygga matematiska modeller som beskriver kemiska reaktioner och deras egenskaper. En praktisk konsekvens: tack vare kinetiken vet vi varför vissa kemiska reaktioner är extremt snabba medan andra tar tusentals år. 🕐

⚛️ Kvantmekanik och kvantkemi

Kvantmekanik beskriver naturfenomen på subatomär nivå och lägger grunden för kvantkemi – studiet av atomer och molekylers uppbyggnad och egenskaper med hjälp av kvantmekaniska principer. Det är ett av de svårare men också mest fascinerande delområdena inom fysikalisk kemi.

Linus Pauling – en av historiens mest inflytelserika kemister med två Nobelpris – var en av de första att använda kvantkemi för att förstå kemisk bindning.

📊 Statistisk mekanik

Statistisk mekanik är ett matematiskt ramverk som tillämpar statistik och sannolikhetsteori på stora samlingar av mikroskopiska partiklar. Det finns en direkt koppling till termodynamiken – statistisk mekanik växte fram ur klassiska termodynamikstudier. Medan termodynamiken fokuserar på jämvikt, modellerar statistisk mekanik hastigheten hos irreversibla processer som uppkommer vid obalanser i ett system.

I kursen i fysikalisk kemi vid Göteborgs universitet lär man sig att förstå materiens egenskaper utifrån det enorma antal molekyler och atomer som bygger upp den – just kärnan i statistisk mekanik. 🔭

🌈 Spektroskopi

Spektroskopi studerar hur materia växelverkar med elektromagnetisk strålning – exempelvis infrarött ljus (IR), ultraviolett ljus (UV) och synligt ljus. Genom att analysera hur molekyler absorberar eller emitterar strålning kan kemister identifiera ämnen, bestämma molekylstrukturer och undersöka kemiska bindningar.