Chimica fisica

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Rami della chimica fisica

Le principali sezioni della chimica fisica sono la termodinamica chimica, la cinetica chimica, la chimica dello stato gassoso, liquido, solido e delle soluzioni, l’elettrochimica, la chimica dei colloidi, la fotochimica e la termodinamica statistica. Diamo qui di seguito una breve descrizione del contenuto delle singole discipline.

3.1

Termodinamica chimica

La termodinamica chimica studia l’energia nelle varie forme che questa può assumere nella materia. Vuole perciò determinare in che modo l’energia interna di una sostanza, il suo grado di ordine, la capacità di fornire lavoro siano in relazione alle proprietà macroscopiche della materia quali temperatura, pressione, volume, composizione, cambiamento di stato; essa indaga inoltre le trasformazioni chimiche e fisiche di un sistema indotte dal flusso di correnti elettriche, dalla variazione delle forze superficiali, dalla formazione o dissoluzione delle specie chimiche.

3.2

Cinetica chimica

La cinetica chimica studia la velocità delle reazioni chimiche in funzione della concentrazione dei reagenti e dei prodotti, analizzando gli effetti che catalizzatori e inibitori, solventi o altri parametri – ad esempio la temperatura – possono avere sullo sviluppo di una reazione. In particolare, la cinetica chimica vuole collegare le variazioni della velocità di reazione con la struttura molecolare degli stati intermedi che conducono ai prodotti finali. Molte reazioni avvengono per passaggi successivi, che globalmente determinano la proporzione finale dei prodotti, o stechiometria della reazione. Tuttavia, solo uno di questi passaggi limita la velocità di reazione, il cosiddetto Rate-Determining Step (RDS), mentre gli altri sono in genere molto rapidi. L’analisi cinetica, utilizzando metodi matematici, permette dunque di identificare questo passaggio, di determinare come le condizioni della reazione modifichino questo parametro, e di stabilire il meccanismo della reazione.

3.3

Chimica dello stato gassoso

Questa disciplina studia le proprietà dei gas, in particolare le relazioni che intercorrono fra pressione, temperatura, massa e volume (a questo proposito va ricordato che un gas assume il volume del recipiente in cui si trova, non avendo, per definizione, volume proprio, ma occupando sempre tutto lo spazio a disposizione). La legge che esprime il legame fra queste variabili prende il nome di equazione di stato. Per un gas ideale – ossia un gas formato da molecole tutte della medesima dimensione, trascurabile rispetto a quella dell’intero sistema, e che non esercitano forze di attrazione o repulsione le une sulle altre – l’equazione di stato è molto semplice, e si scrive PV = n RT, dove P è la pressione, V il volume, n il numero di moli della sostanza, R una costante e T la temperatura assoluta, misurata in gradi Kelvin. Per i gas reali, l’equazione di stato assume una forma più complessa, poichè contiene variabili addizionali che rendono conto delle dimensioni finite delle molecole e delle forze interne al sistema. L’analisi matematica dell’equazione di stato di un gas reale permette di dedurre informazioni sulle dimensioni relative delle molecole e sulle forze reciproche.

3.4

Chimica dello stato liquido

In questo ramo della chimica fisica si studiano le proprietà dei liquidi, ovvero la tensione di vapore, il punto di ebollizione, il calore di vaporizzazione, la capacità termica, il volume molare, la viscosità, la compressibilità, e soprattutto il modo in cui queste proprietà variano in funzione della temperatura, della pressione e della natura chimica della sostanza in esame.