【中華百科全書●科學●物理化學】

楊籍富

【中華百科全書●科學●物理化學】

 

物理化學，簡稱物化，為介於物理與化學間的一門科學。

 

建立化學所需理論甚礎，解釋及預言無機、有機，分析生物化學等各類化學現象。

 

並且又為化學工程的基石。

 

當其討論內容強調物理時，則稱物理化學。

 

物理化學利用不同方式，涵蓋各項主題。

 

其內容包含化學平衡、反應速率、溶液、分子量、分子結構，以及氣態、液態、固態，與膠體等的研究。

 

此等研究常牽涉溫度、壓力、電、光、濃度等物理因素對化學系統的影響。

 

物理化學治學的步驟為：實驗室內化學系統的測量、數學描述，及理論的解釋。

 

儀器不斷發展和改進，實驗室測量的精確度大為提高。

 

電子技術的猛進，使物化實驗裝置不斷更新。

 

近代發明的電子計算機大幅度拓展了理論計算的範圍，此種計算結果有助於解釋及預言物理和化學現象。

 

物理化學的研究和應用分三途徑：一、熱力學以能量為基礎，且為平衡狀態下巨大數目分子統計行為的函數；

 

二、動力學討論化學變化與時間的關係；

 

三、分子結構探討原子及電子在分子內的空間佈置，並找出其與化學性、物理性，及化學變化間關係。

 

在述及預測化學活動方面，物化廣泛使用曲線圖及數學式。

 

數學式大多運用微積分，微分方程，根據量子力學及統計力學而建立。

 

茲將物理化學內容分類簡述如下：能量關係：化學熱力學針對化學或物理變化與能量間關係著手，以較易測量的能量變動結果作為變化的定量尺度。

 

熱、功、壓力、溫度，及體積均能直接測量，其測量結果可用以計算熱力學各量。

 

熱力學量包括焓、內能、熵、自由能、功含量等。

 

熱化學涉及化學反應及溫度變化所吸放的熱。

 

熱變動可以量熱計法處理。

 

反應熱不僅用於物化計算，且可藉以估計燃料熱含量值。

 

氣態、固態及液態：物化對氣體探討包括狀態方程式。

 

狀態方程式為表示壓力、體積、絕對溫度，及氣體量間函數關係的數學式。

 

狀態方程式可根據實測氣體密度以計算分子量，並具有其他用途。

 

固體內原子或離子規則地重複排列構成晶體。

 

X光繞射法調查晶體內粒子佈置及決定粒子間距離。

 

晶體性質常取決於晶體結構。

 

物質液態的研究尤為複雜。

 

物化對液體性質探討包含凝固、蒸發、蒸氣壓、密度、表面張力、粘滯性及介電常數等。

 

溶液：固體或液體溶於液體的溶液，構成物化重要的一支。

 

分離液體有賴於對液態混合物蒸氣壓及分餾的認識。

 

溶質使溶劑凝固點降低，沸點升高，蒸氣壓降低的效果，與溶質分子量及濃度的關係，可以熱力學公式定量表示。

 

滲透壓之發生則為溶液的另一物化現象。

 

平衡：化學平衡的重要性乃在估計反應進行程度及生成物產率。

 

平衡常數可由平衡時各反應物及生成物濃度決定，亦可藉熱力學計算而得。

 

動力學：化學動力學可預估反應速率及了解反應機構。

 

反應速率可能與反應物濃度的一次方或二次方成正比，但大部分實際反應為數反應並列進行的結果，速率與濃度的關係複雜而不易決定。

 

溫度對反應速率影響頗大，不少反應在室溫下增加攝氏十度，其速率約加倍。

 

電化學：大部分鹽類及無機酸鹼溶於水分解成離子。

 

通電可使陽離子移向陰極獲得電子，而陰離子移向陽極失去電子，分別發生還原及氧化的化學反應。

 

物質變化量與電量間有明確定量關係，即電解一克當量物質需電量九萬六千四百八十七庫倫。

 

當氧化電極與還原電極成對構成電池時，兩電極間產生一定電位差。

 

此電位差可用以計算電池內部化學反應的自由能變化及平衡常數。

 

膠體：膠體為一定量物質具有非常大總表面積的微小粒子，可吸附離子而帶電，具有與真溶液或懸濁液相異的特殊性質。

 

物化常尋求其在生物及工業方面的應用。

 

分子結構：分子內原子及電子的空間佈置及其相互間引力，可根據多種物理量測定的結果推求。

 

此等物理量如折射率、偏極光旋轉、電磁波的吸收、電子束繞射，及介電常數等。

 

化學性可從鍵的形式預料，結合原子的電子對（共價鍵）在有機化學中重要；

 

而靜電結合（離子鍵）在無機化學中占先。

 

定量計算則以量子力學為基礎。

 

某些化學反應由吸收光子引起，物化研究光活化與化學反應間關係的一支稱光化學；

 

而研究高能輻射（X射線及放射性）激發化學活化的一支則稱放射化學。

 

物理化學領域中新的學問迅速開展，包括高達攝氏數千至數萬度的反應，以震波及爆炸引發；

 

利用原子能產生高度活化分子的反應；

 

發生在千分之幾秒，百萬分之幾秒，或更短時間內的極快速反應，可藉新式電子儀器加以探討；

 

核磁共振的發明促使研究顯著進步；

 

同位素法有助於確定化學反應機構；

 

雷射的化學應用使原本困難甚至不能發生的反應或分離得以順利完成。

 

（林心）

 

引用：http://ap6.pccu.edu.tw/Encyclopedia/data.asp?id=2653