Химическая физика

Хими́ческая фи́зика

Научная область, пограничная между химией и новыми разделами физики. Возникновение Х. ф. было подготовлено многими выдающимися открытиями в физике начала 20 в. (см. Атомная физика, Квантовая механика). Как следствие быстрого прогресса физики появились новые возможности теоретического и экспериментального решения химических проблем, а это, в свою очередь, привело к расширению исследований с применением физически методов. Складывались современные представления о строении и электрических свойствах атомов и молекул, природе межмолекулярных сил и элементарного акта химического взаимодействия. После открытия нем. учёным М. Боденштейном неразветвлённых цепных реакций (1913) и установления В. Нернстом принципиального химического механизма таких реакций начался новый этап развития кинетики химической (См. Кинетика химическая). Механизм химических реакций рассматривается как сложная совокупность элементарных химических процессов с участием молекул, атомов, свободных радикалов, ионов, возбуждённых частиц. Открыты и изучены ранее неизвестные типы химических реакций, например цепные разветвленные реакции (Н. Н. Семенов (См. Семёнов), С. Хиншелвуд), и явления, свойственные этому типу реакций; создана теория процессов горения и взрывов, базирующаяся на химической кинетике (Семенов).

Впервые термин «Х. ф.» в понимании, близком к современному, ввёл немецкий учёный А. Эйкен, опубликовав «Курс химической физики» (1930). До этого (1927) вышла книга В. Н. Кондратьева, Н. Н. Семенова и Ю. Б. Харитона «Электронная химия», название которой в известной мере раскрывает смысл термина «Х. ф.». В 1931 был организован институт химической физики АН СССР; с 1933 в США издаётся «Журнал химической физики» (Journal of Chemical Physics).

Уже с 20—30-х гг. к Х. ф. стали относить работы по изучению строения электронной оболочки атома; квантово-механической природы химических сил; строения и свойств молекул, кристаллов и жидкостей; проблем химической кинетики — природы элементарных актов химического взаимодействия, свойств свободных радикалов, квантовомеханической теории реакционной способности соединений, фотохимических реакций и реакций в разрядах, теории горения и взрывов.

Современный этап в развитии Х. ф. характеризуется широким применением многочисленных весьма эффективных физических методов, дающих большой объём информации о структуре атомов и молекул и механизмах химических реакций. Это спектрально-оптические методы, масс-спектрометрия, метод молекулярных пучков, рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, электромагнитные методы определения поляризуемости, магнитной восприимчивости, электронография и ионография, нейтронография и нейтроно-спектроскопические методы, электронный парамагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс, ядерный квадрупольный резонанс, двойные резонансы, метод спинового эха, химическая поляризация электронов и ядер, гамма-резонансная спектроскопия, методы установления структурных и динамических свойств молекул с помощью мезонов и позитронов, методы определения импульсов электронов в молекулах, импульсные методы изучения быстрых процессов (импульсный радиолиз, импульсный, в том числе лазерный, фотолиз), ударно-волновые и др. методы.

Растет значение квантовой химии (См. Квантовая химия), применение ЭВМ для расчёта электронного строения и свойств химических соединений и выполнения др. расчётов, необходимых для развития теории химических реакций.

Большое внимание уделяется изучению механизмов элементарных актов химических превращения в газовой и конденсированной фазах. Применительно к газофазным реакциям интенсивно исследуется кинетика неравновесных процессов, важных в условиях высоких температур и глубокого вакуума, выясняется роль колебательного возбуждения молекул. Разрабатывается теория туннельных переходов в кинетике химических реакций, устанавливаются критерии, характеризующие температуры, ниже которых туннельные переходы преобладают над барьерными. Изучаются особенности процессов при температурах, близких к абсолютному нулю. Развивается химия низких температур (низкотемпературные реакции протекают направленно, с весьма высоким выходом целевых продуктов, с большими, иногда взрывными, скоростями).

Интенсивно ведутся работы по химии высоких энергий — области Х. ф., связанной с исследованиями кинетики, механизма и практических приложений процессов, в которых энергии отдельных атомов, молекул, радикалов превышают энергию теплового движения, а зачастую и энергию химических связей.

Важным разделом химико-физических исследований является Фотохимия, имеющая большое значение для теории химических процессов, решения проблем фотосинтеза, фоторецепции, фотографии, светостабилизации полимерных материалов. С помощью современных импульсных методов исследуются весьма быстрые фотопроцессы, что важно для установления механизма элементарных реакций. Изучается механизм Фотохромизма, знание которого необходимо в связи с широким применением фотохромных материалов (См. Фотохромные материалы) в технике.

Ведутся теоретические и прикладные исследования в области низкотемпературной плазмы, разрабатываются общие принципы неравновесной кинетики химических реакций в плазме и научные основы плазмо-химической технологии (см. Плазмохимия).

Сравнительно новое направление Х. ф. — изучение химических превращений конденсированных веществ в результате их сжатия под действием ударных волн. Изучается кинетика быстрых неизотермических реакций в условиях адиабатического расширения и сжатия газов.

Возрастает роль и значение работ по ядерной химии, которая занимается изучением химических последствий ядерных процессов (ядерные реакции, радиоактивный распад), исследованиями в области химии новых трансурановых элементов, а также своеобразных систем (в частности, мезоатомов), возникающих при воздействии на вещество позитронов и мезонов. Развиваются методы радиационной химии (См. Радиационная химия).

Одним из фундаментальных следствий теории цепных процессов является вывод об образовании высоких концентраций свободных атомов и радикалов в ходе цепных разветвленных реакций. Этот вывод лежит в основе многочисленных теоретических и экспериментальных работ, имеющих большое практическое значение. Развиваются исследования цепных процессов с энергетическими разветвлениями цепи. На основе таких процессов создаются химические лазеры. Новым научным направлением становится изучение влияния магнитных полей на механизм реакций с участием свободных радикалов. Сохраняет своё большое теоретическое и практическое значение изучение теплового взрыва, горения и детонации.

Большое внимание уделяется изучению кинетики и механизма химических реакций в твёрдом теле (см. также Топохимические реакции) и химико-физическим аспектам Катализа. В области гетерогенного катализа Х. ф. сосредоточивает внимание на изучении свойств частиц, адсорбированных на поверхности катализатора, установлении структуры и распределения активных центров на поверхности твёрдых тел, разработке элементарного акта гетерогенного катализа. Перспективным объектом химико-физического изучения становится металлокомплексный катализ, приближающийся по эффективности к ферментативному.

В области электрохимии (См. Электрохимия) Х. ф. разрабатывает квантовохимическое обоснование особенностей электрохимических реакций, занимается экспериментальным изучением механизма элементарного акта электродных реакций, а также процессов в объёме раствора, сопровождающихся переносом электронов, исследованием сольватированных электронов, теоретическим анализом темновой и фотоэмиссии электронов из металла в раствор.

Химико-физические методы и подходы становятся эффективным инструментом научных исследований во всех разделах химической науки. Современная Физическая химия также во всё возрастающей степени использует при решении химических проблем новейшие достижения физики и физические методы исследования.

Лит.: Кондратьев В. Н., Семенов Н. Н., Харитон Ю. Б., Электронная химия, М. — Л., 1927; Эйкен А,, Курс химической физики, пер. с нем., вып. 1—3, М. — Л., 1933—1935; Семенов Н. Н., Кондратьев В. Н., Эмануэль Н. М., Химическая физика в Академии наук СССР, «Вестник Академии наук СССР», 1974, № 2, с. 49; Семенов Н. Н., Химическая физика. (Физические основы химической кинетики), Черноголовка, 1975.

Н. М. Эмануэль.