Esistono letteralmente milioni di composti chimici. Il modo in cui questi composti e i loro costituenti reagiscono e interagiscono tra loro è governato da alcuni principi fisici che ne spiegano il comportamento. La chimica fisica è quindi il fondamento su cui poggiano tutti gli altri campi della chimica, e questa scienza è rilevante anche per quasi tutti gli altri campi scientifici. La chimica fisica comprende quattro aree tematiche, tra cui termodinamica, chimica quantistica, cinetica chimica e termodinamica statistica.
La termodinamica è lo studio della conversione dell’energia in calore e lavoro. In questo contesto, il lavoro è definito come l’energia trasferita da una forza; ad esempio, calciare un pallone è una forma di lavoro in cui la persona che calcia il pallone trasferisce la forza dal proprio piede al pallone, facendolo muovere. La termodinamica studia anche i modi in cui il processo di conversione può essere alterato modificando variabili come la pressione e la temperatura all’interno di un sistema.
La chimica quantistica è una scienza teorica che descrive come le molecole si legano tra loro applicando i principi della teoria quantistica dei campi e della meccanica quantistica. Questi principi descrivono come si comportano gli atomi e le particelle subatomiche in vari sistemi e, a loro volta, governano il comportamento delle molecole. Teoricamente tutti i sistemi chimici possono essere descritti usando la chimica quantistica, ma in pratica solo i sistemi molto semplici possono essere accuratamente studiati.
La cinetica chimica studia le velocità dei processi chimici. La velocità di un dato processo chimico è semplicemente la velocità con cui si verifica una reazione chimica. Ad esempio, confronta la velocità di ossidazione del ferro, che è un processo molto lento, con la velocità di combustione del carburante, che è un processo in una frazione di secondo. La cinetica chimica studia anche come variabili variabili come la pressione e la temperatura modificano la velocità con cui si verificano le reazioni.
Questi tre aspetti della chimica fisica sono collegati da un quarto, chiamato termodinamica statistica. Questo campo riguarda la distribuzione dell’energia nei sistemi chimici e collega anche il mondo microscopico e quello macroscopico. L’obiettivo principale della termodinamica statistica è interpretare le proprietà macroscopiche di vari tipi di materia in relazione alle interazioni tra le molecole e le particelle microscopiche che le costituiscono.
Attraverso lo studio di questi quattro concetti, la chimica fisica moderna cerca di comprendere problemi chimici complessi nel contesto delle scienze biologiche, ambientali e dei materiali. Anche se questi sono campi ampiamente disparati, i principi della chimica fisica sono rilevanti per tutti, comprese le scienze biologiche, fisiche e chimiche. Si tratta infatti di una scienza altamente multidisciplinare, proprio perché i principi chimici che studia sono rilevanti per tutti i sistemi biologici e chimici.