Чудеса Физической химии

Этот пост является архивной копией одноименного поста с блога isChemist от 13 февраля 2018 года.

Хоп-Хэй, а вот и уже третья запись из моего цикла «чудес химии».

• День 1. Чудеса органической химии
• День 2. Чудеса аналитической химии
• День 4. Чудеса квантовой химии
• День 5. Чудеса химии комплексных соединений

Сегодня я расскажу тебе о таком прекрасном разделе как физическая химия. На самом деле, физхимия привлекательно своим математическим аппаратом, поэтому сегодня будет много примеров, связанных с расчетами.

Что изучает физическая химия?

Физическая химия — это громадный раздел, который изучает химические явления с точки зрения теоретической физики. Я бы сказал, что этот раздел для меня привлекателен тем, что он позволяет описывать нашу реальную жизнь математическими законами.

Скорость протекания химических реакций

С помощью физхимии мы можем посчитать какому закону подчиняется скорость реакции, мы можем набрать определенное количество экспериментальных данных, а потом составить механизмы протекания этих реакций. При этом, нам нужно будет придумать такие реакции, чтобы потом, дифференциальные уравнения, которые будут составляться на основе этих механизмов совпадали с реальными наблюдениями.

Степень протекания химических реакций

Вот ты берешь спичку и поджигаешь её. А с помощью физхимии, ты можешь посчитать сколько теплоты выделяется, каково изменение внутренней энергии, насколько меняется энтропия системы (а значит и вселенной). Воу-воу, а что такое энтропия? Энтропия — мера упорядоченности системы. Иными словами, у нашей Вселенной есть такая веселая особенность, которая заключается в том, что беспорядок должен всегда увеличиваться. Именно поэтому ты мог видеть, как падает стакан со стола и разбивается вдребезги, но никогда не видел как осколки собираются обратно в стакан.

Кстати, позволь привести пример, который наглядно показывает насколько наша Вселенная любит беспорядок. Человеческий организм состоит из 10,000,000,000,000 клеток (10 триллионов). Если бы нам дали 10 триллионов клеток и сказали бы собрать в строго-правильном порядке, чтобы получить человека, нам бы понадобилась огромная инструкция (в которой просто огромное количество информации). Так вот, если бы кто-то написал такую инструкцию, уменьшение беспорядка за счет появления такой упорядоченной информации было бы настолько мало, что как только другой человек бы съел 2.8 нанограмма глюкозы (нано — в миллиард раз меньше грамма), то во Вселенной вернулся бы баланс. Энергия, которая выделяется в результате окисления такого маленького количества глюкозы нивелирует то увеличение информации.

Так вот, зная сколько энергии тратится/выделяется в ходе каких-либо реакций, мы можем в точности посчитать насколько процентов будет протекать реакция. А если учитывать, что в основе всех биологических процессов лежат химические реакции, то можно сказать, что мы можем математически описать жизнь.

Фазовые переходы

Физхимия также затрагивает и фазовые переходы. Ты наверняка видел, как правительственные машины посыпают лед на дорогах солью и он сразу же начинает таять. Ты возможно задумывался вопросом: а почему так происходит? Так вот физхимия может не только ответить на этот вопрос, она еще может сказать тебе какие именно соли лучше добавлять и в каких пропорциях, чтобы и эффект усилить, и в кармане бюджета сильно большую дырку не делать. Кстати, плавление льда связано с тем, что при растворении каких-либо веществ в воде температура плавления понижается (а кипения повышается). Именно поэтому, будущий студент, когда ты будешь варить себе пельмени, сначала вскипяти воду, а потом добавляй соль и приправы. Так будет быстрей и меньше затрат электричества/газа.

Атомные процессы

Ну и само собой, куда же без этого! Физхимия рассматривает процессы ядерных распадов, что находит применение в энергетике и медицине.

Вот ты сидишь и пользуешься электричеством, которое получают сжиганием углеводородов и угля, а придет один день, когда атомная энергетика будет способна обеспечить целые страны одной лишь АЭС при очень низких рисках. И все благодаря физхимии. Кстати, знал ли ты, что для обнаружения некоторых видов рака, используют молекулу глюкозы, которая помечена радиоактивным изотопом фтора? В тканях, содержащих раковые опухоли, происходят реакции продуктов распада фтора с клетками  и происходят мини-вспышки, которые регистрируются датчиками.

А на этом все! Завтра будет запись про квантовую химию.