Il existe littéralement des millions de composés chimiques. La manière dont ces composés et leurs constituants réagissent et interagissent les uns avec les autres est régie par certains principes physiques qui expliquent leur comportement. La chimie physique est donc le fondement sur lequel reposent tous les autres domaines de la chimie, et cette science est également pertinente pour pratiquement tous les autres domaines scientifiques. La chimie physique est englobée dans quatre domaines, dont la thermodynamique, la chimie quantique, la cinétique chimique et la thermodynamique statistique.
La thermodynamique est l’étude de la conversion de l’énergie en chaleur et en travail. Dans ce contexte, le travail est défini comme l’énergie transférée par une force ; par exemple, taper dans un ballon est une forme de travail dans laquelle la personne qui frappe le ballon transfère la force de son pied au ballon, provoquant le déplacement du ballon. La thermodynamique étudie également les façons dont le processus de conversion peut être modifié en changeant des variables telles que la pression et la température au sein d’un système.
La chimie quantique est une science théorique qui décrit comment les molécules se lient les unes aux autres en appliquant les principes de la théorie quantique des champs et de la mécanique quantique. Ces principes décrivent le comportement des atomes et des particules subatomiques dans divers systèmes et, à leur tour, régissent le comportement des molécules. Théoriquement, tous les systèmes chimiques peuvent être décrits en utilisant la chimie quantique, mais en pratique, seuls des systèmes très simples peuvent être étudiés avec précision.
La cinétique chimique étudie les vitesses des processus chimiques. La vitesse d’un processus chimique donné est simplement la vitesse à laquelle une réaction chimique se produit. Par exemple, comparez le taux d’oxydation du fer, qui est un processus très lent, avec le taux de combustion du carburant, qui est un processus d’une fraction de seconde. La cinétique chimique étudie également comment des variables changeantes telles que la pression et la température modifient la vitesse à laquelle les réactions se produisent.
Ces trois aspects de la chimie physique sont liés par un quatrième, appelé thermodynamique statistique. Ce domaine concerne la distribution de l’énergie dans les systèmes chimiques, et relie également les mondes microscopique et macroscopique. L’objectif principal de la thermodynamique statistique est d’interpréter les propriétés macroscopiques de divers types de matière en relation avec les interactions entre leurs molécules et particules microscopiques constitutives.
Grâce à l’étude de ces quatre concepts, la chimie physique moderne cherche à comprendre des problèmes chimiques complexes dans le contexte des sciences biologiques, environnementales et des matériaux. Même s’il s’agit de domaines très disparates, les principes de la chimie physique sont pertinents pour tous, y compris les sciences biologiques ainsi que les sciences physiques et chimiques. Il s’agit en fait d’une science hautement multidisciplinaire, précisément parce que les principes chimiques qu’elle étudie sont pertinents pour tous les systèmes biologiques et chimiques.