Existen literalmente millones de compuestos químicos. La forma en que estos compuestos y sus constituyentes reaccionan e interactúan entre sí se rigen por ciertos principios físicos que explican su comportamiento. La química física es, por tanto, la base sobre la que descansan todos los demás campos de la química, y esta ciencia también es relevante para prácticamente todos los demás campos científicos. La química física está compuesta por cuatro áreas temáticas, que incluyen termodinámica, química cuántica, cinética química y termodinámica estadística.
La termodinámica es el estudio de la conversión de energía en calor y trabajo. En este contexto, el trabajo se define como la energía transferida por una fuerza; por ejemplo, patear una pelota es una forma de trabajo en la que la persona que patea la pelota transfiere la fuerza de su pie a la pelota, lo que hace que la pelota se mueva. La termodinámica también estudia las formas en que se puede alterar el proceso de conversión cambiando variables como la presión y la temperatura dentro de un sistema.
La química cuántica es una ciencia teórica que describe cómo las moléculas se unen entre sí aplicando los principios de la teoría cuántica de campos y la mecánica cuántica. Estos principios describen cómo se comportan los átomos y las partículas subatómicas en varios sistemas y, a su vez, gobiernan cómo se comportan las moléculas. En teoría, todos los sistemas químicos pueden describirse utilizando la química cuántica, pero en la práctica solo se pueden investigar con precisión los sistemas muy simples.
La cinética química estudia la velocidad de los procesos químicos. La velocidad de un proceso químico dado es simplemente la velocidad a la que ocurre una reacción química. Por ejemplo, compare la velocidad de oxidación del hierro, que es un proceso muy lento, con la velocidad de combustión del combustible, que es un proceso de una fracción de segundo. La cinética química también estudia cómo las variables cambiantes, como la presión y la temperatura, cambian la velocidad a la que ocurren las reacciones.
Estos tres aspectos de la química física están vinculados por un cuarto, llamado termodinámica estadística. Este campo se ocupa de la distribución de energía en los sistemas químicos y también vincula los mundos microscópico y macroscópico. El objetivo principal de la termodinámica estadística es interpretar las propiedades macroscópicas de varios tipos de materia en relación con las interacciones entre sus moléculas y partículas microscópicas constituyentes.
Mediante el estudio de estos cuatro conceptos, la química física moderna busca comprender problemas químicos complejos en el contexto de las ciencias biológicas, ambientales y de los materiales. Aunque se trata de campos muy dispares, los principios de la química física son relevantes para todos, incluidas las ciencias biológicas, físicas y químicas. De hecho, esta es una ciencia altamente multidisciplinaria, precisamente porque los principios químicos que estudia son relevantes para todos los sistemas biológicos y químicos.