Physikalische Chemie

Bei der Physikalischen Chemie (kurz: PC) handelt es sich um den Grenzbereich zwischen Physik und Chemie, insbesondere um die Anwendung von Methoden der Physik auf Objekte der Chemie. Eine klare Abgrenzung zur Chemischen Physik ist nicht immer möglich.

Während in der Präparativen Chemie Fragestellungen der Methodik der chemischen Synthese bekannter und neuer Substanzen im Vordergrund stehen, versucht die Physikalische Chemie mit Hilfe theoretischer und experimenteller Methoden der Physik Ordnung in experimentelles Erfahrungsmaterial zu bringen, indem sie qualitative und quantitative Zusammenhänge ermittelt.

Teilgebiete

Die Quantenmechanik liefert die Grundlagen zum Verständnis des Aufbaus der Materie und der chemischen Bindung. Die darauf aufbauende, an Bedeutung gewinnende theoretische Chemie, Quantenchemie oder Molekularphysik versucht, Eigenschaften von Stoffen, chemischer Reaktionen und Reaktionsmechanismen anhand von physikalischen Modellen, wie z. B. der Quantentheorie oder Quantenelektrodynamik und numerischen Berechnungen zu ergründen. Eng verwandt dazu sind die Gebiete Cheminformatik, Computerchemie, Molecular Modelling.
Thermodynamik
- Die klassische Thermodynamik (phänomenologische Thermodynamik) ist die Lehre der Energie, ihrer Erscheinungsform und Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Mit ihrer Hilfe kann man zum Beispiel erklären, warum bestimmte chemische Reaktionen spontan ablaufen und andere nicht. Die klassische Thermodynamik ist eine rein makroskopische Theorie, die davon ausgeht, dass sich die physikalischen Eigenschaften eines Systems hinreichend gut mit makroskopischen Zustandsgrößen beschreiben lassen.
- Die statistische Thermodynamik betrachtet Systeme vieler Teilchen (i.A. Atome, Moleküle, Elementarteilchen) und gewinnt aus den mikroskopischen Eigenschaften und Wechselwirkungen dieser Teilchen Aussagen über das makroskopische Verhalten des Systems unter Benutzung statistischer Methoden. Sie verknüpft die Quantenmechanik mit der klassischen Thermodynamik.
Die Kinetik beschäftigt sich mit dem zeitlichen Ablauf chemischer Reaktionen (Reaktionskinetik) oder von Transportvorgängen (z.B. Diffusion, Stoffabscheidung an Oberflächen).
Die Elektrochemie befasst sich mit dem Zusammenhang zwischen elektrischen und chemischen Vorgängen.
Die Grenzflächenchemie ist ein wissenschaftliches Grenzgebiet aus Festkörperphysik und Chemie, bei dem die chemischen und strukturellen Vorgänge untersucht werden, die sich an Grenzflächen, meist fest-flüssig oder fest-gasförmig, abspielen.
Spektroskopie ist ein Sammelbegriff für eine Klasse experimenteller Verfahren, die untersuchen, wie eine Probe Energie in Form von Lichtquanten aufnehmen oder abgeben kann. Ziel der Spektroskopie ist es, aus dem erzielten Spektrum Rückschlüsse auf die Probe zu ziehen, zum Beispiel auf deren innere Struktur, stoffliche Zusammensetzung oder Dynamik.

Einige Anwendungsgebiete der physikalischen Chemie:

Atmosphärenchemie, z. B. Ozonloch;
Biophysikalische Chemie;
Chemische Analytik;
Chemische Sensorik, z. B. Abgasanalyse mit der Lambda-Sonde;
Elektrochemie (Elektrolyse, Batterien, Akkus, Brennstoffzellen, Galvanotechnik);
Energietechnik;
Festkörperchemie;
Fotochemie;
Kolloidchemie;
Kernchemie;
Magnetochemie;
Makromolekulare Chemie;
Materialwissenschaften;
Nanotechnologie;
Phasenlehre: LCD-Flachbildschirme;
Physikalische Organische Chemie;
Prozessanalytik: Beobachten und Regeln von Produktionsanlagen;
Sicherheitstechnik;
Solarchemie;
Spektroskopie, z. B. zum Entwickeln neuer analytischer Verfahren;
Untersuchung von Verbrennungsprozessen;
Technische Chemie;
Verfahrenstechnik.

GeschichteG. Wedler: Lehrbuch der Physikalischen Chemie, Wiley-VCH, 2004, ISBN 3527310665, S. 977ff.

Die Physikalische Chemie wurde um 1890 vor allem von Svante Arrhenius, Jacobus Henricus van 't Hoff und Wilhelm Ostwald begründet. Im angelsächsischen Raum gilt Josiah Willard Gibbs als Begründer der Physikalischen Chemie mit seinem 1867 veröffentlichten Artikel "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances" , in dem er die grundlegenden Konzepte Freie Energie, chemisches Potential und Phasenregel entwickelte.

Wilhelm Ostwald war auch erster Herausgeber der 1887 gemeinsam mit van 't Hoff gegründeten Zeitschrift für physikalische Chemie und hatte in Leipzig den ersten deutschen Lehrstuhl für Physikalische Chemie inne. Das erste eigenständige Institut für Physikalische Chemie wurde 1895 von Walther Nernst, der sich bei Ostwald habilitiert hatte, in Göttingen gegründet. Weitere spezifisch der Physikalischen Chemie gewidmete Institute folgten dann in rascher Folge in Leipzig (1897), Dresden (1900), Karlsruhe (1903), Breslau, Berlin (1905) und andernorts.

Wilhelm Ostwald gründete 1894 die Deutsche Elektrochemische Gesellschaft, die 1902 in Deutsche Bunsen-Gesellschaft für Physikalische Chemie umbenannt wurde.

In England wurde 1903 die Faraday Society (heute: Faraday Division der Royal Society of Chemistry) gegründet.

Weitere Details finden sich unter Geschichte der Chemie.

BerufsbildDas Berufsbild des Physikochemikers, Deutsche Bunsen-Gesellschaft für Physikalische Chemie, 2004

Naturwissenschaftler, insbesondere Chemiker oder Physiker, die vorwiegend im Bereich der Physikalischen Chemie tätig sind, werden auch als Physikochemiker bezeichnet. Ein Physikochemiker untersucht meist nur wenige Stoffe oder Reaktionen, diese dafür um so gründlicher. Die Physikalische Chemie ist eines der Hauptfächer der Chemie und gehört zum Pflichtprogramm im Chemiestudium.

Bedeutende Physikochemiker

Forschungsinstitute im deutschsprachigen Raum

Links zu Instituten für Physikalische und Theoretische Chemie in Deutschland

Max-Planck-Institute

Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin
Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie (Karl-Friedrich-Bonhoeffer-Institut), Göttingen
Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart

Forschungsinstitute außerhalb des deutschsprachigen Raums

Literatur

G. Wedler: Lehrbuch der Physikalischen Chemie, Wiley-VCH, 2004, ISBN 3527310665
P.W. Atkins: Physical Chemistry, Oxford University Press, 2002, ISBN 0198792859
R.G. Mortimer: Physical Chemistry, Academic Press, 2000, ISBN 0125083459
R. Stephen Berry, Stuart A. Rice, John Ross: Physical Chemistry, Oxford University Press, 2000 (2nd Edition), ISBN 0195105893
D. A. McQuarrie, J. D. Simon, J. Choi, Physical Chemistry: A Molecular Approach, University Science Books, 1997, ISBN 0935702997

Physikalisch-chemische Fachzeitschriften

Chemical Physics / Chemical Physics Letters (engl.)
ChemPhysChem (engl.) - A European Journal of Chemical Physics and Physical Chemistry
Journal of Chemical Physics (JCP) (engl.)
Journal of Physical Chemistry A (JPC A) (engl.) - Molecules, Spectroscopy, Kinetics, Environment & General Theory
Journal of Physical Chemistry B (JPC B) (engl.) - Condensed Matter, Materials, Surfaces, Interfaces & Biophysical Chemistry
Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) (engl.)
Zeitschrift für Physikalische Chemie (ZPC)
weitere Zeitschriften

Organisationen

Quellen

Siehe auch

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