เคมีกายภาพ การศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างฟิสิกส์และเคมี

เคมีกายภาพ คือการศึกษาปรากฏการณ์ในระบบเคมีทั้งในระดับมหภาค (Macroscopic) และจุลภาค (Microscopic) โดยใช้หลักการ แนวทาง และแนวคิดทางฟิสิกส์ เช่น การเคลื่อนที่ พลังงาน แรง เวลา เทอร์โมไดนามิกส์ ควอนตัมเคมี กลศาสตร์สถิติ และสมดุลเคมี

สิ่งที่ทำให้เคมีกายภาพแตกต่างจากฟิสิกส์เคมี (Chemical Physics) คือการที่เคมีกายภาพมักจะเป็นวิทยาศาสตร์ระดับเหนือโมเลกุล (Supra-molecular science) โดยหลักการส่วนใหญ่จะเกี่ยวข้องกับสารในปริมาณมาก (Bulk) มากกว่าที่จะเน้นเพียงโครงสร้างระดับอะตอมหรือโมเลกุลเพียงอย่างเดียว

ความสัมพันธ์ที่เคมีกายภาพมุ่งเน้นศึกษา

• แรงระหว่างโมเลกุล: ศึกษาผลกระทบต่อสมบัติทางกายภาพของวัสดุ เช่น ความยืดหยุ่น ความแข็งแรงในการดึง และแรงตึงผิวในของเหลว
• จลนศาสตร์ของปฏิกิริยา: ศึกษาอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี
• ไอออนและการนำไฟฟ้า: ศึกษาเอกลักษณ์ของไอออนและการนำไฟฟ้าของวัสดุ
• วิทยาศาสตร์พื้นผิวและเคมีไฟฟ้า: ศึกษาพื้นผิวและเคมีไฟฟ้าของเยื่อหุ้มเซลล์
• เทอร์โมไดนามิกส์: การปฏิสัมพันธ์ของวัตถุในรูปของปริมาณความร้อนและงาน
• เทอร์โมเคมี: การถ่ายโอนความร้อนระหว่างระบบเคมีและสิ่งแวดล้อมระหว่างการเปลี่ยนสถานะหรือการเกิดปฏิกิริยาเคมี
• สมบัติคอลลิเกทีฟ: การศึกษาจำนวนชนิดของสารที่อยู่ในสารละลาย
• กฎของเฟส: ความสัมพันธ์ระหว่างจำนวนเฟส จำนวนองค์ประกอบ และระดับความเป็นอิสระ
• เซลล์เคมีไฟฟ้า: การศึกษาปฏิกิริยาในเซลล์เคมีไฟฟ้า
• ควอนตัมและกลศาสตร์สถิติ: การใช้ควอนตัมเมคานิกส์สำหรับระบบจุลภาค และเทอร์โมไดนามิกส์เชิงสถิติสำหรับระบบมหภาค

แนวคิดหลักและสาขาวิชา

ควอนตัมเคมี (Quantum Chemistry)

เป็นสาขาย่อยของเคมีกายภาพที่ประยุกต์ใช้กลศาสตร์ควอนตัมเพื่อแก้ปัญหาทางเคมี ช่วยให้เราสามารถระบุความแข็งแรงและรูปร่างของพันธะ วิธีที่นิวเคลียสเคลื่อนที่ และการดูดกลืนหรือการปลดปล่อยแสงของสารประกอบเคมี นอกจากนี้ยังมี สเปกโทรสโกปี (Spectroscopy) ซึ่งศึกษาการปฏิสัมพันธ์ระหว่างรังสีแม่เหล็กไฟฟ้ากับสสาร

เทอร์โมไดนามิกส์เคมี (Chemical Thermodynamics)

ศึกษาว่าปฏิกิริยาใดสามารถเกิดขึ้นได้เอง และสมบัติใดที่เป็นไปได้สำหรับของผสมทางเคมี โดยกำหนดขีดจำกัดของปริมาณต่างๆ เช่น ปฏิกิริยาจะดำเนินไปได้ไกลแค่ไหน หรือพลังงานจะถูกเปลี่ยนเป็นงานได้มากเพียงใดในเครื่องยนต์สันดาปภายใน

จลนศาสตร์เคมี (Chemical Kinetics)

ศึกษาว่าปฏิกิริยาใดเกิดขึ้นจริงและเกิดขึ้นเร็วเพียงใด โดยมีแนวคิดสำคัญคือ สารตั้งต้นต้องผ่าน สถานะทรานซิชัน (Transition States) ซึ่งมีพลังงานสูงกว่าทั้งสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นสิ่งกีดขวางของปฏิกิริยา ยิ่งสิ่งกีดขวางสูง ปฏิกิริยายิ่งช้า

กลศาสตร์สถิติ (Statistical Mechanics)

เป็นสาขาที่เชื่อมโยงสมบัติระดับโมเลกุลเข้ากับสมบัติที่เราเห็นในชีวิตประจำวัน โดยอธิบายว่าทำไมระบบที่มีอนุภาคจำนวนมหาศาล (เช่น ระดับค่าคงที่ของอาโวกาโดร) สามารถอธิบายได้ด้วยตัวแปรเพียงไม่กี่ตัว เช่น ความดัน อุณหภูมิ และความเข้มข้น