Química física

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Introducción

Química física, campo de la ciencia que relaciona la estructura química de las sustancias con sus propiedades físicas. El término química física se aplica normalmente al estudio de propiedades como la presión de vapor, la tensión superficial, la viscosidad, el índice de refracción y la densidad, así como al estudio de los llamados aspectos clásicos del comportamiento de los sistemas químicos, como son las propiedades térmicas, el equilibrio, la velocidad de reacción, los mecanismos de las reacciones y el fenómeno de ionización. En sus aspectos más teóricos, la química física intenta explicar las propiedades espectrales de las sustancias en términos de la teoría cuántica fundamental; la interacción de la energía con la materia; la naturaleza de los enlaces químicos; las relaciones entre el número y estado energético de los electrones en los átomos y moléculas, y las propiedades observables en esos sistemas, y los efectos eléctricos, térmicos y mecánicos individuales de los electrones y protones sobre los sólidos y líquidos.

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Desarrollo histórico

En la fase inicial del desarrollo de la química física como campo de estudio especializado, se investigó el problema de las afinidades químicas, es decir, la amplia gama de intensidades con las que reaccionan las distintas sustancias. Por ejemplo, el hecho de que el oxígeno favorezca la combustión y el nitrógeno no, y la facilidad de corrosión del hierro comparada con la del oro.

2.1

Siglo XIX

En un principio se supuso que las reacciones rápidas eran las reacciones completas. Sin embargo, pronto se comprobó que ambas cuestiones eran independientes; el grado en que se completa una reacción está determinado por su constante de equilibrio (un concepto introducido en 1864 por los químicos noruegos Cato Maximilian Guldberg y Peter Waage), mientras que la velocidad de reacción está determinada por el grado de contacto entre los reactivos, la presencia o ausencia de catalizador y otras variables.

El químico británico John Dalton propuso su teoría atómica en 1803, aunque ésta no se estableció firmemente hasta 1811, cuando el físico italiano Amedeo Avogadro dejó clara la distinción entre átomos y moléculas en las sustancias elementales. En esa misma época los conceptos de calor, energía, trabajo y temperatura empezaron a hacerse más precisos. El primer principio de la termodinámica, que afirma que el calor y el trabajo son interconvertibles, fue establecido claramente por vez primera por el físico alemán Julius von Mayer en 1842. El segundo principio de la termodinámica, según el cual se producen procesos espontáneos cuando aumenta el grado de desorden del sistema, fue enunciado por el físico matemático alemán Rudolf Clausius y su colega inglés lord Kelvin en 1850-1851.

Esos desarrollos facilitaron la interpretación de las propiedades de los gases, que representan el estado más simple de la materia, en lo que se refiere al comportamiento de sus moléculas individuales. Durante el periodo de 1860-1875, Clausius, el físico austriaco Ludwig Boltzmann y el físico británico James Clerk Maxwell indicaron cómo explicar la ley de los gases ideales en términos de una teoría cinética de la materia. De este principio emergieron las posteriores aportaciones a la cinética de las reacciones y las leyes del equilibrio químico.

Hacia finales del siglo XVIII hubo importantes contribuciones al campo de la química física por parte del químico francés Claude Louis Berthollet, que estudió la velocidad y reversibilidad de las reacciones, y del físico estadounidense Benjamin Thompson, que intentó deducir el equivalente mecánico del calor. En 1824, el físico francés Sadi Carnot publicó sus estudios sobre la relación entre calor y trabajo, que lo consolidaron como fundador de la termodinámica moderna, y en 1836 el químico sueco Jöns Jakob Berzelius determinó el papel desempeñado por los catalizadores en la aceleración de las reacciones químicas. La aplicación, en 1875, del primer y segundo principios de la termodinámica a las sustancias heterogéneas por parte del físico matemático estadounidense Josiah Willard Gibbs, y su descubrimiento de la regla de las fases, dictaron las bases teóricas de la química física. El químico físico alemán Walther Nernst, que enunció en 1906 el tercer principio de la termodinámica, aportó una última contribución al estudio de las propiedades físicas, de las estructuras moleculares y de las velocidades de reacción.

El químico físico holandés Jacobus H. van’t Hoff, considerado generalmente como el padre de la cinética química, inició los fundamentos de la estereoquímica en 1874 con su trabajo sobre los compuestos de carbono ópticamente activos y las estructuras moleculares tridimensionales y asimétricas. Tres años más tarde relacionó la termodinámica con las reacciones químicas y desarrolló un método para establecer el orden de las reacciones. En 1889, el químico sueco Svante Arrhenius investigó la aceleración de las reacciones químicas al aumentar la temperatura y enunció la teoría de disociación electrolítica, conocida como teoría de Arrhenius.

2.2

Siglo XX

La cinética química ha seguido desarrollándose en el siglo XX con las contribuciones al estudio de las estructuras moleculares, velocidades de reacción y reacciones en cadena por parte de algunos químicos como Irving Langmuir, de Estados Unidos, Jens Anton Christiansen, de Dinamarca, Michael Polanyi, de Gran Bretaña, y Nikolái N. Semenov, de la Unión Soviética, y actualmente siguen realizándose importantes investigaciones.

En 1923, el químico estadounidense Gilbert Newton Lewis clarificó los principios de la termodinámica química enunciados por Gibbs.

El periodo clave para el desarrollo de la química física fue 1900-1930, con la elucidación gradual de la teoría cuántica. En 1897, el físico alemán Max Planck había propuesto que la energía de ciertos sistemas se ‘cuantiza’ en unidades discontinuas, igual que la materia aparece en unidades discontinuas, los átomos. En 1913, el físico danés Niels Bohr demostró que el concepto de cuantización sirve perfectamente para explicar el espectro del hidrógeno atómico. En 1926-1929, el físico austriaco Erwin Schrödinger y el físico alemán Werner Heisenberg desarrollaron la imagen de la función de onda, una expresión matemática que incorpora la dualidad electrónica onda-partícula, e indicaron cómo calcular propiedades útiles a partir de esa función.