Buchstäblich Millionen von chemischen Verbindungen existieren. Die Art und Weise, wie diese Verbindungen und ihre Bestandteile miteinander reagieren und interagieren, wird durch bestimmte physikalische Prinzipien bestimmt, die ihr Verhalten erklären. Die physikalische Chemie ist daher die Grundlage, auf der alle anderen Gebiete der Chemie ruhen, und diese Wissenschaft ist auch für praktisch alle anderen wissenschaftlichen Gebiete relevant. Die Physikalische Chemie umfasst vier Fachgebiete, darunter Thermodynamik, Quantenchemie, chemische Kinetik und statistische Thermodynamik.
Thermodynamik ist die Lehre von der Umwandlung von Energie in Wärme und Arbeit. Arbeit wird in diesem Zusammenhang als die von einer Kraft übertragene Energie definiert; Das Kicken eines Balls ist beispielsweise eine Arbeitsform, bei der die Person, die den Ball tritt, Kraft von ihrem Fuß auf den Ball überträgt, wodurch sich der Ball bewegt. Die Thermodynamik untersucht auch Möglichkeiten, wie der Umwandlungsprozess durch Ändern von Variablen wie Druck und Temperatur innerhalb eines Systems verändert werden kann.
Die Quantenchemie ist eine theoretische Wissenschaft, die beschreibt, wie sich Moleküle aneinander binden, indem sie Prinzipien der Quantenfeldtheorie und der Quantenmechanik anwendet. Diese Prinzipien beschreiben das Verhalten von Atomen und subatomaren Teilchen in verschiedenen Systemen und bestimmen wiederum das Verhalten von Molekülen. Theoretisch lassen sich alle chemischen Systeme mit der Quantenchemie beschreiben, in der Praxis können jedoch nur sehr einfache Systeme genau untersucht werden.
Die chemische Kinetik untersucht die Geschwindigkeiten chemischer Prozesse. Die Geschwindigkeit eines bestimmten chemischen Prozesses ist einfach die Geschwindigkeit, mit der eine chemische Reaktion abläuft. Vergleichen Sie zum Beispiel die Geschwindigkeit der Eisenoxidation, die ein sehr langsamer Prozess ist, mit der Geschwindigkeit der Brennstoffverbrennung, die ein Sekundenbruchteil ist. Die chemische Kinetik untersucht auch, wie sich ändernde Variablen wie Druck und Temperatur die Geschwindigkeit ändern, mit der Reaktionen ablaufen.
Diese drei Aspekte der physikalischen Chemie werden durch einen vierten, die sogenannte statistische Thermodynamik, verbunden. Dieses Feld beschäftigt sich mit der Energieverteilung in chemischen Systemen und verbindet auch die mikroskopische und die makroskopische Welt. Das Hauptziel der statistischen Thermodynamik besteht darin, makroskopische Eigenschaften verschiedener Arten von Materie in Bezug auf die Wechselwirkungen zwischen ihren mikroskopischen Molekülen und Partikeln zu interpretieren.
Durch das Studium dieser vier Konzepte versucht die moderne physikalische Chemie, komplexe chemische Probleme im Kontext der Bio-, Umwelt- und Materialwissenschaften zu verstehen. Obwohl dies sehr unterschiedliche Gebiete sind, sind die Prinzipien der physikalischen Chemie für alle relevant, einschließlich der biologischen sowie der physikalischen und chemischen Wissenschaften. Dies ist in der Tat eine hochgradig multidisziplinäre Wissenschaft, gerade weil die von ihr untersuchten chemischen Prinzipien für alle biologischen und chemischen Systeme relevant sind.