Fisicoquímica para niños
La fisicoquímica, también conocida como química física, es una parte de la química que estudia la materia usando ideas y herramientas tanto de la física como de la química. Imagina que es como un puente entre estas dos ciencias, ayudándonos a entender por qué las cosas se comportan de cierta manera a nivel muy pequeño, como las moléculas y los átomos.
Un científico llamado Gilbert N. Lewis dijo una vez que "la fisicoquímica es cualquier cosa interesante". Esto significa que muchos de los fenómenos que vemos en la naturaleza sobre la materia son muy importantes para la fisicoquímica.
Esta área de estudio combina conocimientos de varias ciencias, como la química, la física, la termodinámica (que estudia el calor y la energía), la electroquímica (que estudia la electricidad y las reacciones químicas) y la mecánica cuántica (que estudia el comportamiento de la materia a escalas muy pequeñas). Gracias a la fisicoquímica, podemos entender cómo los cambios en la temperatura, la presión, el volumen, el calor y el trabajo afectan a los sistemas en estado sólido, líquido o gaseoso, y cómo interactúan las moléculas.
Al físico estadounidense del siglo XIX Willard Gibbs se le considera uno de los fundadores de la fisicoquímica. En 1876, publicó un trabajo muy importante donde introdujo términos como energía libre y potencial químico. Estos conceptos se volvieron fundamentales para entender cómo las sustancias alcanzan el equilibrio.
La fisicoquímica moderna se basa mucho en la física pura. Algunas de sus áreas de estudio más importantes son la termoquímica (que estudia el calor en las reacciones químicas), la cinética (que estudia la velocidad de las reacciones), la química cuántica (que aplica la mecánica cuántica a la química), la electroquímica y la espectroscopia (que usa la luz para estudiar la materia). La fisicoquímica es clave para entender la ciencia de materiales.
Contenido
¿Cómo surgió la fisicoquímica?
El término "fisicoquímica" se usó por primera vez en enero de 1752 por Mijaíl Lomonósov. Sin embargo, no se convirtió en una rama independiente de la química hasta principios del siglo XX. Un buen punto de partida para esta nueva especialidad es la creación de dos de las primeras revistas que llevaron este nombre: la alemana Zeitschrift für physikalische Chemie, que empezó a publicarse en 1887, y la estadounidense Journal of Physical Chemistry A, desde 1896.
Aun así, durante todo el siglo XIX se hicieron muchas contribuciones importantes a campos que hoy forman parte de la fisicoquímica, como la electroquímica, la termoquímica y la cinética química. Varios institutos y universidades en Alemania, como en Gotinga (1891) y Berlín (1905), comenzaron a dedicar recursos específicos a la química física.
Descubrimientos clave en electroquímica
El trabajo de Alessandro Volta, especialmente su pila eléctrica, fue el inicio de muchos estudios sobre cómo la electricidad afecta a los compuestos químicos. A principios del siglo XIX, Humphry Davy usó la corriente eléctrica para separar sustancias como la sosa cáustica y la potasa fundida, lo que le permitió descubrir dos nuevos metales: el sodio y el potasio.
Su alumno más importante, Michael Faraday, continuó sus investigaciones. En 1834, Faraday publicó sus dos famosas leyes sobre la electrólisis. La primera dice que la cantidad de sustancia que se forma en un electrodo es proporcional a la cantidad de electricidad que pasa por el circuito. La segunda ley de Faraday explica que una cantidad específica de electricidad que libera un gramo de hidrógeno, también libera una cantidad equivalente de otras sustancias.
Avances en termoquímica
Los trabajos de Antoine Lavoisier y Pierre-Simon Laplace son considerados el inicio de la termoquímica. Ellos crearon un nuevo instrumento, el calorímetro, para medir la cantidad de calor que se libera o absorbe durante las reacciones químicas. Al principio, pensaban que el calor era un elemento, pero en la primera mitad del siglo XIX, esta idea cambió y se establecieron las leyes de la termodinámica. La aplicación de estas leyes a los procesos químicos dio origen a la termoquímica, gracias a científicos como Marcelin Berthelot y Henry Le Châtelier.
El estudio de la velocidad de las reacciones
Uno de los primeros estudios sobre la cinética química (la velocidad de las reacciones) fue realizado por Ludwig Ferdinand Wilhelmy. Él investigó cómo ciertos azúcares cambiaban en presencia de un ácido. A mediados del siglo XIX, Wilhelmy descubrió que la velocidad de este cambio dependía de la concentración del azúcar y del ácido, y también de la temperatura.
La colaboración entre el químico George Vernon Harcourt y el matemático William Esson llevó a la introducción de ecuaciones diferenciales para estudiar la cinética química. Esson introdujo los conceptos de reacciones de "primer orden" (velocidad proporcional a la concentración de un solo reactivo) y de "segundo orden" (velocidad proporcional al producto de dos concentraciones). A finales del siglo XIX, los trabajos de Jacobus Henricus van't Hoff fueron muy influyentes, incluyendo su famosa ecuación que relaciona la velocidad y la temperatura de una reacción.
La química cuántica
El desarrollo de la mecánica cuántica y su aplicación a la química fue uno de los cambios más importantes del siglo XX. Entre los científicos que más contribuyeron está Linus Pauling, autor de libros clave como The Nature of the Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals (1939). Pauling también introdujo el concepto moderno de electronegatividad, que describe la capacidad de un átomo para atraer electrones en un enlace.
Conceptos fundamentales de la fisicoquímica
Los conceptos clave de la química física son las maneras en que la física se aplica para resolver problemas químicos.
Entendiendo los enlaces químicos
Un concepto fundamental es que todos los compuestos químicos están formados por grupos de átomos unidos entre sí. Las reacciones químicas son simplemente la formación y ruptura de estos enlaces. Uno de los principales objetivos de la química física es predecir las propiedades de los compuestos químicos basándose en cómo están unidos sus átomos. Para esto, necesitamos saber dónde están los núcleos de los átomos y cómo se distribuyen los electrones a su alrededor.
La química cuántica es una parte de la fisicoquímica que usa la mecánica cuántica para entender los problemas químicos. Nos da herramientas para saber qué tan fuertes son los enlaces, cómo se mueven los núcleos y cómo un compuesto químico puede absorber o emitir luz. La espectroscopia es otra área relacionada que estudia cómo la radiación electromagnética (como la luz) interactúa con la materia.
La energía y las reacciones espontáneas
Otro grupo de preguntas importantes en química es qué tipo de reacciones pueden ocurrir por sí solas y qué propiedades son posibles para una mezcla química. Esto se estudia en la termodinámica química, que nos dice los límites de una reacción, por ejemplo, cuánta energía se puede convertir en trabajo en un motor. También conecta propiedades como la expansión térmica con el cambio de entropía (desorden) en un gas o líquido. La termodinámica clásica se enfoca en sistemas en equilibrio, pero también hay una termodinámica que describe cambios irreversibles.
La velocidad de las reacciones
La cinética química, otra rama de la fisicoquímica, estudia qué reacciones ocurren y a qué velocidad. Una idea clave es que para que los reactantes se conviertan en productos, la mayoría de las sustancias deben pasar por "estados de transición" que tienen más energía que los reactivos o productos. Cuanto más alta sea esta barrera de energía, más lenta será la reacción.
Además, muchas reacciones químicas ocurren en una secuencia de pasos pequeños, cada uno con su propio estado de transición. Las preguntas clave en cinética incluyen cómo la velocidad de reacción depende de la temperatura y de las concentraciones de los reactivos y catalizadores (sustancias que aceleran las reacciones), y cómo se pueden diseñar los catalizadores para optimizar la velocidad de una reacción.
El comportamiento de muchas partículas
El hecho de que la velocidad de las reacciones se pueda describir con solo unas pocas variables (como la concentración y la temperatura), en lugar de necesitar saber la posición y velocidad de cada molécula, es un ejemplo de otro concepto clave en fisicoquímica. Esto se explica en la mecánica estadística, que es una especialidad que la fisicoquímica comparte con la física. La mecánica estadística nos ayuda a predecir las propiedades que vemos en la vida diaria a partir de las propiedades de las moléculas.
Ramas de la fisicoquímica
La química física aplica la termodinámica para estudiar los gases, las soluciones y las reacciones químicas. Nos ayuda a entender la energía de estas reacciones y a prever si ocurrirán de forma espontánea. La termodinámica también nos permite estudiar el equilibrio químico y el equilibrio entre las fases de la materia.
El uso de la mecánica cuántica no solo nos ayuda a entender los espectros atómicos y moleculares, sino que también describe el enlace químico y predice propiedades importantes de las moléculas, como su estabilidad. La espectroscopia nos permite determinar experimentalmente la estructura y composición de las moléculas. La cinética química estudia la velocidad de las reacciones y los pasos que ocurren cuando los reactivos se transforman en productos. La electroquímica es otra área importante que se ocupa de cómo los fenómenos eléctricos influyen en la química.
Química coloidal
La química coloidal estudia los sistemas dispersos (como la leche o la niebla) y los fenómenos que ocurren en las superficies. Se ocupa de temas como la adhesión (cómo se pegan las cosas), la adsorción (cómo las sustancias se adhieren a una superficie), la humectación (cómo un líquido se extiende sobre una superficie) y la coagulación (cuando las partículas se agrupan). Es una ciencia que une la química, la física y la biología.
Algunas de las áreas principales de la química coloidal moderna son:
- El estudio de la energía en las superficies.
- La investigación de cómo se forman y se mantienen estables los sistemas dispersos.
- El desarrollo de teorías sobre los procesos que ocurren en estos sistemas.
Química del cristal
Esta ciencia estudia las estructuras cristalinas y cómo se relacionan con la naturaleza de la materia. Está muy ligada a la cristalografía, que analiza la forma en que los átomos y los enlaces químicos se organizan en los cristales. También estudia cómo las propiedades físicas y químicas de las sustancias cristalinas dependen de su estructura. Con técnicas como la difracción de rayos X, podemos determinar las distancias entre átomos y los ángulos de los enlaces químicos.
Los objetivos de la química del cristal son:
- Clasificar y describir las estructuras cristalinas.
- Entender por qué las estructuras cristalinas son como son y predecir nuevas.
- Estudiar cómo las propiedades de los cristales se relacionan con su estructura y el tipo de enlace químico.
Radioquímica
La radioquímica es la parte de la química física que trabaja con cantidades muy pequeñas de sustancias que emiten radiación ionizante. Debido a la naturaleza de estas sustancias, se necesitan métodos muy sensibles y específicos para medir sus cantidades minúsculas.
Termoquímica
Esta sección de la química se encarga de:
- Identificar y estudiar los efectos de calor en las reacciones.
- Encontrar las relaciones entre estos efectos térmicos y otros factores fisicoquímicos.
- Medir el calor de las sustancias y el calor de sus cambios de fase (por ejemplo, de sólido a líquido).
Estudio de la estructura del átomo
Esta disciplina estudia las partículas más pequeñas de la materia, el átomo, que es la unidad más pequeña de un elemento químico y conserva sus propiedades. Un átomo tiene un núcleo y electrones que giran a su alrededor. Si el número de protones en el núcleo es igual al número de electrones, el átomo es eléctricamente neutro. Si no, tiene una carga positiva o negativa.
Estudio de la corrosión de metales
En esta parte de la química física se estudia cómo los metales se dañan (se corroen) debido a su interacción química o fisicoquímica con el ambiente. La corrosión ocurre porque los materiales de construcción no son estables frente a las sustancias con las que están en contacto. En la vida diaria, la corrosión en aleaciones de hierro (como el acero) se conoce como "óxido". También existe un concepto similar llamado "envejecimiento" para los polímeros. La velocidad de la corrosión, como cualquier reacción química, depende mucho de la temperatura; un aumento de temperatura puede acelerarla enormemente.
Estudio de las soluciones
Esta disciplina estudia las soluciones, que son mezclas homogéneas (donde no se distinguen sus partes) formadas por un soluto (lo que se disuelve), un disolvente (lo que disuelve) y la interacción entre ellos. La forma en que se crea una solución depende de la fuerza de las interacciones entre las partículas de las diferentes sustancias.
Las soluciones pueden ser gases, líquidos o sólidos.
Cinética química
La cinética de las reacciones químicas es la parte de la química física que estudia cómo las reacciones químicas cambian con el tiempo, cómo dependen del ambiente externo y cuáles son los pasos que siguen las reacciones.
Fotoquímica
La fotoquímica es una rama de la química física que estudia las reacciones químicas que ocurren bajo la influencia de la luz, desde la luz ultravioleta hasta la infrarroja. Muchos procesos importantes en el medio ambiente y en nosotros mismos son fotoquímicos. Por ejemplo, la fotosíntesis en las plantas, cómo funcionan nuestros ojos y la formación del ozono en la atmósfera.
Leyes de la fotoquímica:
- Los cambios fotoquímicos solo ocurren cuando el sistema absorbe luz.
- Cada partícula de luz (fotón) absorbida puede activar una sola molécula.
- La absorción de un fotón por cada molécula tiene una cierta probabilidad de llevarla a un estado excitado.
- La mayoría de los procesos fotoquímicos orgánicos en solución involucran el primer estado excitado.
¿Qué otras áreas abarca la fisicoquímica?
En resumen, las principales áreas de interés de la química física son:
- Mecánica cuántica y química cuántica
- Química computacional
- Termodinámica y termoquímica
- Mecánica estadística
- Cinética química
- Dinámica molecular
- Electroquímica
- Espectroscopia molecular
- Fenómenos de transporte
- Química del estado sólido y superficies
- Química de la interfase
- Química coloide
- Fotoquímica
- Femtoquímica
- Química supramolecular
- Química nuclear
- Sonoquímica
- Astroquímica
- Química estructural
- Transiciones de fase
- Magnetoquímica
¿Qué problemas resuelve la fisicoquímica?
La química física busca resolver relaciones como:
- Cómo las fuerzas entre moléculas afectan las propiedades físicas de los materiales (como la plasticidad, la resistencia y la tensión superficial en líquidos).
- Cómo la velocidad de reacción afecta la rapidez de una reacción.
- La relación entre la identidad de los iones y la conductividad eléctrica de los materiales.
- El estudio de las superficies y la electroquímica de las membranas celulares.
- La interacción entre cuerpos en términos de calor y trabajo, lo que se llama termodinámica.
- La transferencia de calor entre un sistema químico y su entorno durante un cambio de fase o una reacción química, lo que se llama termoquímica.
- El estudio de las propiedades coligativas (propiedades que dependen del número de partículas de soluto en una solución).
- Cómo el número de fases, componentes y grados de libertad se relacionan entre sí, usando la regla de las fases.
- Las reacciones que ocurren en una célula electroquímica.
Fisicoquímicos importantes
Algunos científicos destacados en el campo de la fisicoquímica son:
- Svante Arrhenius
- Peter Debye
- Paul John Flory
- Jonathan Flower
- Rosalind Franklin
- Josiah Willard Gibbs
- Erich Hückel
- Jacobus Henricus van't Hoff
- Lars Onsager
- Wilhelm Ostwald
- Linus Pauling
- Joachim Sauer
Revistas especializadas
Algunas revistas donde se publican investigaciones de fisicoquímica incluyen:
- Zeitschrift für Physikalische Chemie (desde 1887)
- Journal of Physical Chemistry A (desde 1896)
- Physical Chemistry Chemical Physics (desde 1999)
- Macromolecular Chemistry and Physics (desde 1947)
- Annual Review of Physical Chemistry (desde 1950)
- Molecular Physics (desde 1957)
- Journal of Physical Organic Chemistry (desde 1988)
- Journal of Physical Chemistry B (desde 1997)
- ChemPhysChem (desde 2000)
- Journal of Physical Chemistry C (desde 2007)
- Journal of Physical Chemistry Letters (desde 2010)
Una revista histórica que cubría química y física fue Annales de Chimie et de physique (iniciada en 1789).
Véase también
En inglés: Physical chemistry Facts for Kids
- Ciencia de superficies
- Ciencia de los materiales
- Fisicoquímica orgánica
