Cemeg ffisegol

Oddi ar Wicipedia
Jump to navigation Jump to search
Lomonosov Chymiae Physicae 1752.jpg
Darn o lawysgrif M. Lomonosov 'Cemeg Ffisegol' (1752)
Data cyffredinol
Enghraifft o'r canlynolcangen o fewn cemeg, disgyblaeth academaidd, pwnc gradd Edit this on Wikidata
Mathcemeg Edit this on Wikidata
Tudalen Comin Ffeiliau perthnasol ar Gomin Wicimedia
Rhwng y fflam a'r blodyn mae aerogel, defnyddiwyd cemeg ffisegol er mwyn ei greu

Cemeg ffisegol yw'r astudiaeth o ffenomenau macrosgopig a gronynnol mewn systemau cemegol o ran egwyddorion, arferion, a chysyniadau o fewn ffiseg, megis mudiant, egni, grym, amser, thermodynameg, cemeg cwantwm, mecaneg ystadegol, deinameg ddadansoddol ac ecwilibria cemegol.

Mae cemeg ffisegol, yn wahanol i ffiseg gemegol, yn wyddor facrosgopig neu uwch-folecwlaidd yn bennaf (ond nid bob amser), gan fod y mwyafrif o’r egwyddorion y’i seiliwyd arnynt yn ymwneud â’r swmp yn hytrach na’r strwythur moleciwlaidd/atomig yn unig (er enghraifft, ecwilibriwm cemegol a choloidau).

Ymhlith yr hyn y mae cemeg ffisegol yn ceisio'u datrys mae effeithiau:

  1. Grymoedd rhyngfoleciwlaidd sy'n gweithredu ar briodweddau ffisegol defnyddiau (plastigrwydd, cryfder tynnol a thensiwn arwyneb mewn hylifau).
  2. Cineteg adwaith ar gyfradd adwaith.
  3. Adnabyddiaeth ïonau a dargludedd trydanol deunyddiau.
  4. Gwyddoniaeth arwyneb ac electrocemeg cellbilenni. [1]
  5. Rhyngweithio un corff ag un arall o ran meintiau gwres a gwaith, a elwir yn thermodynameg .
  6. Trosglwyddo gwres rhwng system gemegol a'r ardal o'u cwmpas yn ystod newid cyfnod neu adwaith cemegol sy'n digwydd, ac a elwir yn thermocemeg
  7. Astudiaeth o briodweddau cydglymu nifer y rhywogaethau sy'n bresennol mewn hydoddiant.
  8. Gellir cydberthyn nifer y cyfnodau, nifer y cydrannau a graddau rhyddid (neu amrywiant) â'i gilydd gyda chymorth y rheol cyfnod.
  9. Adweithiau celloedd electrocemegol .
  10. Ymddygiad systemau microsgopig gan ddefnyddio mecaneg cwantwm a systemau macrosgopig gan ddefnyddio thermodynameg ystadegol.

Cysyniadau allweddol[golygu | golygu cod y dudalen]

Cysyniadau allweddol cemeg ffisegol yw'r ffyrdd y mae ffiseg bur yn cael ei gymhwyso i broblemau cemegol.

Un o'r cysyniadau allweddol mewn cemeg glasurol yw y gellir disgrifio pob cyfansoddyn cemegol "fel grwpiau o atomau wedi'u bondio â'i gilydd" a gellir disgrifio adweithiau cemegol fel "gwneud a thorri'r bondiau hynny". Mae rhagweld priodweddau cyfansoddion cemegol o ddisgrifiad o atomau a sut maen nhw'n bondio'n un o brif nodau cemeg ffisegol. Er mwyn disgrifio'r atomau a'r bondiau'n fanwl gywir, mae angen gwybod ble mae niwclysau'r atomau, a sut mae electronau'n cael eu dosbarthu o'u cwmpas.[2]Mae cemeg cwantwm, is-faes o gemeg ffisegol sy'n ymwneud yn arbennig â chymhwyso mecaneg cwantwm i broblemau cemegol, yn darparu offer i benderfynu pa mor gryf a pha siâp yw bondiau,[2] sut mae niwclysau'n symud, a sut y gall golau gael ei amsugno neu ei allyrru gan gemegyn cyfansawdd.[3] Sbectrosgopeg yw'r is-ddisgyblaeth gysylltiedig o gemeg ffisegol sy'n ymwneud yn benodol â rhyngweithiad ymbelydredd electromagnetig â mater.

Set arall o gwestiynau pwysig o fewn cemeg sy'n ymwneud â pha fath o adweithiau all ddigwydd yn ddigymell a pha briodweddau sy'n bosibl ar gyfer cymysgedd o gemegau penodol. Astudir hyn mewn thermodynameg cemegol, sy'n gosod terfynau ar feintiau megis pa mor bell y gall adwaith fynd rhagddo, neu faint o egni y gellir ei drawsnewid yn waith mewn peiriant tanio mewnol, ac sy'n darparu cysylltiadau rhwng priodweddau megis y cyfernod ehangu thermol (thermal expansion coefficient) a chyfradd y newid o entropi gyda gwasgedd nwy neu hylif.[4] Gellir ei ddefnyddio'n aml i asesu a yw cynllun adweithydd neu beiriant yn ymarferol, neu i wirio dilysrwydd data arbrofol. I raddau cyfyngedig, gall thermodynameg lled-ecwilibriwm a di-ecwilibriwm ddisgrifio newidiadau anghildroadwyi [5] Fodd bynnag, mae thermodynameg clasurol yn ymwneud yn bennaf â systemau mewn cydbwysedd a newidiadau cildroadwy ac nid yr hyn sy'n digwydd mewn gwirionedd, na pha mor gyflym, i ffwrdd o gydbwysedd (ecwilibriwm).

Pa adweithiau sy'n digwydd a pha mor gyflym mae nhw'n digwydd yw pwnc cineteg cemegol, cangen arall o gemeg ffisegol. Syniad allweddol mewn cineteg cemegol yw, er mwyn i adweithyddion adweithio a ffurfio cynhyrchion, rhaid i'r rhan fwyaf o rywogaethau cemegol fynd trwy gyflyrau trawsnewid sy'n uwch mewn egni na'r adweithyddion neu'r cynhyrchion ac yn rhwystr i adwaith.[6] Yn gyffredinol, po uchaf yw'r rhwystr, yr arafaf yw'r adwaith. Ail syniad allweddol yw bod y rhan fwyaf o adweithiau cemegol yn digwydd fel dilyniant o adweithiau elfennol,[7] pob un â'i gyflwr trosiannol ei hun. Mae cwestiynau allweddol mewn cineteg yn cynnwys sut mae cyfradd yr adwaith yn dibynnu ar dymheredd ac ar grynodiadau'r adweithyddion a'r catalyddion yng nghymysgedd yr adwaith, yn ogystal â sut y gellir peiriannu catalyddion ac amodau adwaith i optimeiddio'r gyfradd adwaith.

Mae'r ffaith y gellir nodi pa mor gyflym y mae adweithiau'n digwydd yn aml gyda dim ond ychydig o grynodiadau a thymheredd, yn lle bod angen gwybod holl leoliadau a chyflymder pob moleciwl mewn cymysgedd, yn gysyniad allweddol arall mewn cemeg ffisegol: sef y cwestiwn o - i ba raddau y mae angen i beiriannydd wybod? Gall popeth sy'n digwydd mewn cymysgedd o niferoedd mawr iawn (efallai yn nhrefn y cysonyn Avogadro, 6 x 1023) o ronynnau gael ei ddisgrifio gan ychydig o newidynnau'n unig, fel gwasgedd, tymheredd, a chrynodiad. Disgrifir yr union resymau am hyn mewn mecaneg ystadegol,[8] arbenigedd mewn cemeg ffisegol sydd hefyd yn cael ei rannu â ffiseg. Mae mecaneg ystadegol hefyd yn darparu ffyrdd o ragfynegi'r priodweddau a welwn mewn bywyd bob dydd - o briodweddau moleciwlaidd heb ddibynnu ar gydberthynas empirig yn seiliedig ar debygrwydd cemegol.[5]

Hanes[golygu | golygu cod y dudalen]

Bathwyd y term "cemeg gorfforol" gan Mikhail Lomonosov ym 1752, pan gyflwynodd gwrs o ddarlithoedd o'r enw "Cwrs mewn Cemeg Ffisegol Gwir" (Rwseg: «Курс истинной физической химии»; cyf Saesneg: "A Course in True Physical Chemistry") i fyfyrwyr Prifysgol Petersburg yn ninas St Petersburg, Rwsia[9]. Yn y rhagymadrodd i'r darlithoedd hyn mae'n rhoi'r diffiniad: "Cemeg ffisegol yw'r wyddoniaeth y mae'n rhaid iddi esbonio o dan ddarpariaethau arbrofion go-iawn (neu 'ffisegol') y rheswm dros yr hyn sy'n digwydd mewn cyrff cymhleth trwy weithrediadau cemegol".

Dechreuodd cemeg ffisegol modern rhwng y 1860au a'r 1880au gyda gwaith ar thermodynameg cemegol, electrolytau mewn hydoddiannau, cineteg gemegol a phynciau eraill. Un garreg filltir oedd cyhoeddi'r papur, On the Equilibrium of Heterogeneous Substances, yn 1876 gan yr Americanwr Josiah Willard Gibbs. Cyflwynodd y papur hwn nifer o gonglfeini cemeg ffisegol, megis egni Gibbs, potensial cemegol, a rheol cyfnod Gibbs.[10]

Y cyfnodolyn gwyddonol cyntaf yn benodol ym maes cemeg ffisegol oedd y cyfnodolyn Almaeneg, Zeitschrift für Physikalische Chemie, a sefydlwyd ym 1887 gan Wilhelm Ostwald a Jacobus Henricus van 't Hoff. Ynghyd â Svante August Arrhenius,[11] y rhain oedd y cymeriadau mwyaf blaenllaw mewn cemeg ffisegol ar ddiwedd y 19g a dechrau'r 20g. Enillodd y tri wobr Nobel mewn Cemeg rhwng 1901 a 909.

Mae datblygiadau yn y degawdau dilynol yn cynnwys cymhwyso mecaneg ystadegol i systemau cemegol a gwaith ar goloidau a chemeg arwyneb, lle cyfranodd Irving Langmuir yn helaeth. Cam pwysig arall oedd datblygiad mecaneg cwantwm i gemeg cwantwm o'r 1930au, lle'r oedd Linus Pauling yn un o'r enwau mwyaf blaenllaw. Mae datblygiadau damcaniaethol wedi mynd law yn llaw â datblygiadau mewn dulliau arbrofol, lle mae'n debyg mai'r defnydd o wahanol fathau o sbectrosgopeg, megis sbectrosgopeg isgoch, sbectrosgopeg microdon, cyseiniant paramagnetig electron a sbectrosgopeg cyseiniant magnetig niwclear, yw'r datblygiad pwysicaf yn yr 20g.

Gellir priodoli datblygiad pellach mewn cemeg ffisegol i ddarganfyddiadau mewn cemeg niwclear, yn enwedig mewn gwahanu isotopau (cyn ac yn ystod yr Ail Ryfel Byd), darganfyddiadau mwy diweddar mewn astrocemeg,[12] yn ogystal â datblygiad algorithmau cyfrifo ym maes "additive physicochemical properties". Gellir cyfrifo bron yr holl briodweddau ffiseg-gemegol o strwythur cemegol yn unig, hyd yn oed os yw'r moleciwl cemegol yn parhau i fod heb ei syntheseiddio,  ac yma gorwedd pwysigrwydd ymarferol cemeg ffisegol cyfoes.

Cyfnodolion[golygu | golygu cod y dudalen]

Ymhlith y cyfnodolion sy'n ymdrin â chemeg ffisegol y mae: Zeitschrift für Physikalische Chemie (1887); Journal of Physical Chemistry A (o 1896 fel Journal of Physical Chemistry, a ailenwyd ym 1997); Cemeg Ffisegol Ffiseg Gemegol (o 1999, Faraday Transactions gynt gyda hanes yn dyddio'n ôl i 1905); Cemeg a Ffiseg Macromoleciwlaidd (1947); Adolygiad Blynyddol o Gemeg Ffisegol (1950); Ffiseg Foleciwlaidd (1957); Journal of Physical Organic Chemistry (1988); Journal of Physical Chemistry B (1997); ChemPhysChem (2000); Journal of Physical Chemistry C (2007); a Journal of Physical Chemistry Letters (o 2010, llythyrau cyfun a gyhoeddwyd yn flaenorol mewn cyfnodolion ar wahân)

Mae cyfnodolion hanesyddol a oedd yn ymdrin â chemeg a ffiseg yn cynnwys Annales de chimie et de physique (a ddechreuwyd ym 1789, ac a gyhoeddwyd dan yr enw a roddir yma o 1815-1914).

Cyfeiriadau[golygu | golygu cod y dudalen]

  1. Torben Smith Sørensen (1999). Surface chemistry and electrochemistry of membranes. CRC Press. t. 134. ISBN 0-8247-1922-0.
  2. 2.0 2.1 Atkins, Peter and Friedman, Ronald (2005). Molecular Quantum Mechanics, p. 249. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-927498-3.
  3. Atkins, Peter and Friedman, Ronald (2005). Molecular Quantum Mechanics, p. 342. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-927498-3.
  4. Landau, L.D. and Lifshitz, E.M. (1980). Statistical Physics, 3rd Ed. p. 52. Elsevier Butterworth Heinemann, New York. ISBN 0-7506-3372-7.
  5. 5.0 5.1 Hill, Terrell L. (1986). Introduction to Statistical Thermodynamics, p. 1. Dover Publications, New York. ISBN 0-486-65242-4ISBN 0-486-65242-4.
  6. Schmidt, Lanny D. (2005). The Engineering of Chemical Reactions, 2nd Ed. p. 30. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-516925-5.
  7. Schmidt, Lanny D. (2005). The Engineering of Chemical Reactions, 2nd Ed. pp. 25, 32. Oxford University Press, New York. ISBN 0-19-516925-5.
  8. Chandler, David (1987). Introduction to Modern Statistical Mechanics, p. 54. Oxford University Press, New York. ISBN 978-0-19-504277-1.
  9. Alexander Vucinich (1963). Science in Russian culture. Stanford University Press. t. 388. ISBN 0-8047-0738-3.
  10. Josiah Willard Gibbs, 1876, "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances", Transactions of the Connecticut Academy of Sciences
  11. Laidler, Keith (1993). The World of Physical Chemistry. Oxford: Oxford University Press. tt. 48. ISBN 0-19-855919-4.
  12. Herbst, Eric (May 12, 2005). "Chemistry of Star-Forming Regions". Journal of Physical Chemistry A 109: 4017–4029. Bibcode 2005JPCA..109.4017H. doi:10.1021/jp050461c. PMID 16833724.