Зарегистрироваться

Химическая физика

Категории Химическая физика | Под редакцией сообщества: Физика

Химическая физика - научная дисциплина, в которой теоретические и экспериментальные методы физики используются для решения проблем химии, связанных в первую очередь с установлением строения и механизмов превращения веществ. Химическая физика является областью науки, занимающей промежуточное положение между химией и физикой. Привлечение в химическую науку новейших достижений физики оказалось чрезвычайно плодотворным для глубокого осмысления накопленного химической наукой эмпирического материала, разработки новых экспериментальных и теоретических методов решения актуальных проблем химии. Да и для самой физической науки появление новой сферы приложения, уже апробированных в физике теоретических подходов и экспериментальных методик было весьма полезным, поскольку оказало на неё значительное стимулирующее воздействие. Роль химической физики как научной дисциплины непрерывно возрастает, постоянно расширяется круг проблем, решение которых невозможно вне рамок химической физики. В частности, многие актуальные проблемы биологической науки в настоящее время решаются с использованием методов химической физики. Поэтому можно считать, что химическая физика в настоящее время затрагивает коренные интересы сразу трех наук - химии, физики и биологии.

Исторический обзор

Принято считать, что химическая физика как отдельная наука сформировалась в первой трети 20-го века в результате развития квантовой механики и проникновения ее достижений в химию (законы квантовой механики стали основой теории химической связи, межмолекулярных взаимодействий и реакционной способности молекул). Однако представления о тесной взаимосвязи физики и химии возникли значительно раньше – в частности, еще в середине 19-го века М.В. Ломоносов прочитал студентам Петербургского университета курс физической химии. Ему же принадлежит такое определение: «Физическая химия есть наука, объясняющая на основе положений и опытов физики то, что происходит в смешанных телах при химических операциях». Термин «Химическая физика» впервые был введен немецким ученым А. Эйкеном (так был озаглавлен его учебник, изданный в 1930 году). Заметим, что ранее – в 1927 году - в Советском Союзе вышла близкая по проблематике книга В.Н. Кондратьева, Н.Н. Семенова и Ю.Б. Харитона «Электронная химия», однако этот термин в дальнейшем не нашел сторонников. Впоследствии химическая физика и физическая химия стали считаться отдельными разделами химической науки, хотя граница между ними в значительной мере условна: обычно полагают, что физическая химия изучает процессы, протекающие с одновременным участием множества частиц, химическая же физика рассматривает отдельные частицы и взаимодействие между ними. Однако по мере развития химической науки происходит дальнейшее «расплывание» и без того нечеткой границы между этими областями знаний.

Основные области исследования

Основные направления исследований в современной химической физике – это определение электронной и атомно-молекулярной структуры молекул и химических соединений, а также решение проблем химической динамики – изучение кинетики изменений структурных и энергетических параметров химических частиц со временем.

Среди проблем, которыми занимается химическая физика, следует отметить теоретический расчет скоростей реакции в гомогенных фазах и на границах раздела фаз. Уже в 30-х годах 20-го века русским ученым Н.Н. Семеновым был сделан выдающийся вклад в теорию химических реакций – разработана теория цепных реакций, за что в 1956 году он был удостоен Нобелевской премии (совместно с английским ученым С. Хиншелвудом). Особое место в химической физике занимают исследования механизмов каталитических реакций, понимание которых чрезвычайно важно для решения прикладных задач химической технологии. Как известно, процессы, использующиеся в химической промышленности, в основном являются каталитическими. В области гетерогенного катализа исследуются свойства частиц, адсорбированных на поверхности катализатора, устанавливаются структура активных центров на поверхности твёрдых тел и их расположение на поверхности, разрабатываются представления о механизмах элементарного акта гетерогенного катализа. Перспективным объектом химико-физического изучения является металлокомплексный катализ, приближающийся по эффективности к ферментативному и характеризующийся весьма высокой селективностью, низкими энергозатратами и малым загрязнением окружающей среды.

Актуальная область химико-физических исследований - изучение природы фотохимических процессов, играющих определяющую роль в процессах фотосинтеза, фоторецепции, фотографии, фотостабилизации полимерных материалов. С помощью современных импульсных методов исследуются быстрые фотохимические превращения, что важно для установления механизмов фотохимических реакций. Изучается также природа фотохромизма в различных веществах, на основе органических и неорганических фотохромных веществ разрабатываются новые фотохромные материалы, необходимые в оптоэлектронике, для систем записи и обработки оптической информации.

Возрастает значение работ по радиационной и ядерной химии, в которых исследуются химические последствия ионизирующих воздействий, в частности, радиоактивного распада и ядерных реакций. Существенно, что ионизирующие излучения могут применяться целенаправленно, для стимулирования нужных химических реакций. Проводятся систематические исследования влияния ионизирующих излучений на различные радиационно-химические процессы, выясняются закономерности и особенности таких процессов. Ведутся научные изыскания в области химии новых трансурановых элементов, а также частиц, возникающих при воздействии на вещество позитронов и мезонов (в частности, мезоатомов – атомов, в которых один или несколько электронов атомной оболочки замещены отрицательно заряженными мюонами или адронами).

Важным разделом химической физики стало изучение влияния внешних электрических и магнитных полей на химические превращения, а также реакций, протекающих в экстремальных условиях - при сверхнизких и сверхвысоких температурах, в плазме, в условиях глубокого вакуума или под большим давлением, под влиянием мощного лазерного излучения. Напряжённость электрического поля в луче мощного лазера может достигать величин, сопоставимых с напряжённостью внутренних полей в молекулах, поэтому воздействие лазерного излучения на химические процессы может быть огромным. Высокая монохроматичность лазерного излучения позволяет селективно возбуждать молекулы одного типа, при этом другие молекулы остаются невозбужденными. При воздействии сфокусированного лазерного излучения нагрев реагирующих веществ происходит локально, причем температура реагентов может достигать тысяч градусов, что крайне трудно достичь другими способами.

Бурное развитие лазерной техники обеспечило также появление новой области химии – «фемтохимии». Методами «фемтохимии» химические реакции можно детально отслеживать в масштабе ультракоротких времён (1-100 фемтосекунд) и с высоким пространственным разрешением (на уровне атомного). Это позволяет изучать сверхбыстрые химические реакции, фиксируя при этом промежуточные стадии химических процессов. Обычно в таких экспериментах используются два лазерных импульса: импульс накачки возбуждает исследуемую систему до необходимого уровня, а зондирующий импульс используется для регистрации состояния системы через определенное время после накачки (например, с помощью зондирующего импульса снимается спектр поглощения исследуемой системы).

Новым научным направлением стало изучение влияния магнитных полей на механизм реакций с участием парамагнитных частиц. Развивается «спиновая» химия, базирующаяся на фундаментальном законе сохранения спина в химических реакциях: в адиабатических условиях разрешены только такие реакции, в которых полный спин продуктов равен спину реагентов. В спиновой химии магнитные взаимодействия часто играют определяющую роль. Будучи пренебрежимо малыми по энергетике, такие взаимодействия, тем не менее, могут направлять химическую реакцию в нужном направлении. Это используется в спиновом катализе, когда чисто «физическое» воздействие со стороны парамагнитной частицы – спинового катализатора – приводит к ускорению определенных химических реакций.

Актуальный раздел химической физики - физика горения и взрыва. В этой области науки теоретически и экспериментально исследуются быстропротекающие химические и физико-химические превращения в процессах термического разложения, горения, взрыва, детонации и последующего распространения ударных волн в веществе. Объектами исследований процессов горения и взрыва являются все виды пиротехнических и взрывчатых веществ, ракетных топлив, горючие газы, жидкости, синтетические и природные горючие материалы. Выясняется связь химической и физической природы веществ с их термохимическими параметрами, характеристиками термического разложения, горения, взрывчатого превращения; термодинамика, термохимия и кинетика процессов горения и взрывчатого превращения, закономерности и механизмы распространения, структура, параметры и устойчивость волн горения, детонации, взрывных и ударных волн. Сравнительно новое направление химической физики — изучение химических превращений конденсированных веществ в результате их сжатия под действием ударных волн. Изучается кинетика быстрых неизотермических реакций в условиях адиабатического расширения и сжатия газов.

В последние годы в связи с бурным развитием нанотехнологий возникло новое перспективное научное направление – физическая химия наноматериалов как раздел нанохимии. Непрерывно возрастает роль исследований в такой актуальной области науки, как физическая химия поверхности твердого тела, поскольку с уменьшением размеров отдельных наночастиц роль поверхностных эффектов в формировании физико-химических свойств наноматериала становится определяющей. Особый интерес представляет установление корреляций между физико-химическими параметрами наноматериалов, размерами и структурой составляющих эти материалы наночастиц. Яркий пример плодотворного взаимодействия физики и химии – разработка и исследование физико-химических свойств углеродных нанотрубок и графена. В частности, легирование углеродных нанотрубок церием позволяет кардинально изменять их электронные свойства от полупроводниковых до металлических, что очень важно с точки зрения перспектив использования углеродных трубок в наноэлектронике. С другой стороны, из-за высокой электронной чувствительности легированных нанотрубок становится возможной регистрация протекающих в них «нанохимических» реакций между двумя индивидуальными молекулами.

Методы химической физики успешно применяются при изучении биологических объектов и процессов, происходящих в живой природе. Исследуются элементарные процессы и молекулярные механизмы функционирования биосистем различного уровня организации (белков, ферментов, мембран, генетического аппарата клетки и др.). Большое внимание уделяется процессам переноса электрических зарядов в биологических наноструктурах. Изучаются физико-химические механизмы действия биологически-активных соединений на биологические структуры, в том числе: ферменты, биологические мембраны и генетический аппарат клетки. Эти исследования позволяют находить оптимальные решения при разработке новых лекарственных препаратов. Развивается новое прикладное направление химической физики и биологии – нанобиотехнология, которая занимается изучением воздействия различных наночастиц на биологические объекты и их использованием для создания нанолекарств, разработкой медицинских нанороботов и созданием медицинских наноматериалов.

Экспериментальные методы

Выдающиеся достижения химической физики в значительной мере базируются на широком использовании многочисленных весьма информативных физических методов исследования, предоставляющих ценную количественную информацию о структуре атомов и молекул, о механизмах химических реакций, о природе активных центров на поверхности твердых тел и наночастиц. Это спектроскопические методы (колебательная и электронная спектроскопии, спектроскопия комбинационного рассеяния, методы рентгеновской электронной спектроскопии и фотоэлектронной спектроскопии, Оже - спектроскопии); резонансные методики (электронный парамагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс, ядерный квадрупольный резонанс, двойные резонансы, гамма-резонансная спектроскопия); дифракционные методы (рентгеноструктурный анализ, электронография, нейтронография); оптические методы ( измерение коэффициентов поглощения и экстинкции, дисперсии оптического вращения, кругового дихроизма, поляризационная спектроскопия, исследования методами эффекта Керра и Фарадея, рефрактометрия); масс-спектрометрия, электронная микроскопия, электромагнитные методы определения поляризуемости, магнитной восприимчивости; метод молекулярных пучков; методы установления структурных и динамических свойств молекул с помощью мезонов и позитронов; импульсные методы изучения быстрых процессов (импульсный радиолиз, импульсный, в том числе лазерный, фотолиз).

В последние годы все более широкое применение для исследования поверхностных процессов находит методика сканирующей туннельной спектроскопии, позволяющая наблюдать отдельные адсорбированные на поверхности твердого тела молекулы. Более того, с помощью сканирующего туннельного микроскопа можно из отдельных атомов или молекул собирать на поверхности твердого тела различные нано- и субнаномасштабные поверхностные кластеры с уникальными физическими и химическими свойствами. Разрабатываются методы локальной «диагностики» адсорбированных на поверхности твердого тела молекул. В частности, зависимость электрического тока, протекающего между иглой туннельного микроскопа и поверхностью, на которой адсорбирована молекула, содержит уникальную информацию об электронно-колебательном спектре этой молекулы. Туннельная спектроскопия открывает новые границы в химии одиночных молекул, ионов, кластеров; она предоставляет также возможность детектирования одиночных парамагнитных частиц (туннельная спектроскопия одиночных электронных спинов). Реальной становится перспектива спектроскопии электронного парамагнитного резонанса индивидуальных парамагнитных молекул или радикалов.

Вычислительные методы в химической физике

В настоящее время для решения ряда задач физической химии успешно используются методы компьютерного моделирования (квантово-химические методы, методы молекулярной динамики, Монте-Карло и др.). Стремительный прогресс в области вычислительной техники обусловил успешное применение численных методов для решения задач химической кинетики, выяснения механизма химических реакций, определения путей транспорта ионов через мембраны, установления структуры поверхности раздела фаз и макромолекул, сорбции и транспорта молекул в пористых структурах, микроструктуры поверхностных слоев жидкостей, динамики сетки водородных связей, микродинамики процессов гидратации ионов и др. Можно выделить основные направления моделирования свойств и динамики молекул, результаты которого достигают высокого уровня точности, достаточного для количественного сопоставления с экспериментальными данными, полученными с помощью современной аппаратуры. Прежде всего, это расчеты строения и спектров отдельных молекул и межмолекулярных комплексов методами квантовой химии и теоретической молекулярной спектроскопии. Разработанные методики расчета позволяют делать достаточно надежные вычисления для молекулярных систем с числом атомов до 100 и даже больше. В квантовой химии компьютерное моделирование в значительной мере заменило традиционные аналитические расчеты, а в ряде ситуаций и сложный эксперимент. Вычислительные методы химической физики обеспечивают не только надежную интерпретацию экспериментальных результатов, но в некоторых случаях даже позволяют предсказать пути протекания химических процессов.

Рекомендуемая литература

А.Л. Бучаченко. Химия на рубеже веков: свершения и прогнозы. Успехи химии, 1999, т.68, с.99.

А.Л .Бучаченко. Новые горизонты химии: одиночные молекулы. Успехи химии, 2006, т.75, с.1.

Н.Ф. Степанов. Квантовая механика и квантовая химия. М.: Мир, 2007.

П.Ю. Бутягин. Химическая физика твердого тела. М.: Изд. МГУ, 2006.

Д.Г. Кнорре, Н.М. Эммануэль. Курс химической кинетики. М.: Высшая школа, 1984.

Г. Эйринг, С.Г. Лин, С.М.Лин. Основы химической кинетики. М.: Мир, 1983.

Ф. Даниэльс, Р. Олберти. Физическая химия. М.: Мир, 1978.

Л.С. Полак, М.Я. Гольденберг, А.А. Левицкий. Вычислительные методы в химической кинетике. М.: Наука, 1984.

М.Г. Веселов. Элементарная квантовая теория атомов и молекул. М.: Физматгиз, 1962.

Г.К. Боресков. Гетерогенный катализ. М.: Наука, 1986.

Эта статья еще не написана, но вы можете сделать это.