భౌతిక రసాయన శాస్త్రం
భౌతిక రసాయన శాస్త్రం (Physical chemistry) అనేది రసాయన శాస్త్రం (Chemistry) లో ఒక ముఖ్యమైన విభాగం. పదార్థం (Matter), శక్తి (Energy) రెండూ కలిసి ఎలా పనిచేస్తాయో అర్థం చేసుకోవడానికి ఇది భౌతిక శాస్త్రం (Physics) నియమాలను ఉపయోగిస్తుంది. ఈ రంగంలో పనిచేసే శాస్త్రవేత్తలు రసాయన చర్యలు (Chemical reactions) ఎలా జరుగుతాయి, వివిధ పదార్థాలకు కొన్ని ప్రత్యేక లక్షణాలు ఎందుకు ఉంటాయి అనే విషయాలను పరిశోధిస్తారు. వీరు గణితాన్ని, భౌతిక శాస్త్ర పరికరాలను ఉపయోగించి కంటికి కనిపించే పెద్ద స్థాయి (Macroscopic) మార్పులను, అణువుల స్థాయిలో జరిగే అతి చిన్న (Microscopic) మార్పులను వివరిస్తారు.
భౌతిక రసాయన శాస్త్రం అనేది రసాయన భౌతిక శాస్త్రం (Chemical physics) కంటే భిన్నంగా ఉంటుంది. సాధారణంగా భౌతిక రసాయన శాస్త్రం అనేది అణువుల (Molecules) సమూహాన్ని లేదా మొత్తం పదార్థాన్ని కలిపి అధ్యయనం చేస్తుంది. పీడనం (Pressure), ఉష్ణోగ్రత (Temperature) వంటి అంశాలు ఒక పదార్థంపై ఎలాంటి ప్రభావం చూపుతాయో ఇది వివరిస్తుంది. అలాగే పదార్థాలు ఒక సమతుల్య స్థితికి ఎలా చేరుకుంటాయో కూడా ఇది చెబుతుంది, దీనినే రసాయన సమతుల్యత (Chemical equilibrium) అని పిలుస్తారు.
భౌతిక రసాయన శాస్త్రం - ఒక అవలోకనం
[మార్చు]ఈ ప్రపంచం ఎలా పనిచేస్తుంది అనే పెద్ద ప్రశ్నలకు భౌతిక రసాయన శాస్త్రం సమాధానాలు వెతుకుతుంది. అణువులు ఒకదానిని ఒకటి ఎలా ఆకర్షించుకుంటాయో ఇది పరిశీలిస్తుంది. ఈ ఆకర్షణ బలాలు అంతర అణుబలాలు (Intermolecular forces) అని అంటారు. ఒక పదార్థం బలంగా ఉందా, సాగే గుణం కలిగి ఉందా లేదా ద్రవంలా ప్రవహిస్తుందా అనేది ఈ బలాలే నిర్ణయిస్తాయి.
పదార్థాలలో మార్పులు ఎంత వేగంగా జరుగుతాయో కూడా ఈ విభాగం అధ్యయనం చేస్తుంది. దీనిని రసాయన గతిశాస్త్రం (Chemical kinetics) అంటారు. ఉదాహరణకు, కొన్ని మంటలు చాలా వేగంగా ఎందుకు మండుతాయి, అదే ఇనుముకు తుప్పు పట్టడం వంటివి చాలా నెమ్మదిగా ఎందుకు జరుగుతాయో ఇది వివరిస్తుంది. విద్యుత్తు (Electricity) వివిధ పదార్థాల గుండా ఎలా ప్రయాణిస్తుందో కూడా ఇది వివరిస్తుంది. బ్యాటరీలు (Battery), ఎలక్ట్రానిక్ విడిభాగాలు తయారు చేయడానికి ఈ జ్ఞానం ఎంతో అవసరం.
భౌతిక రసాయన శాస్త్రంలో మరో ముఖ్యమైన భాగం ఉష్ణగతిక శాస్త్రం (Thermodynamics). ఇది ఉష్ణం (Heat), పని (work) గురించి వివరిస్తుంది. ఒక రసాయన చర్య తనంతట తానుగా జరుగుతుందా లేదా దానికి అదనపు శక్తి అవసరమా అని తెలుసుకోవడానికి ఇది శాస్త్రవేత్తలకు సహాయపడుతుంది. అలాగే ఉష్ణ రసాయన శాస్త్రం (Thermochemistry) ద్వారా ఒక రసాయన మార్పు జరిగినప్పుడు ఎంత వేడి విడుదలవుతుంది లేదా ఎంత వేడి గ్రహించబడుతుంది అనే విషయాలను కొలుస్తారు.
| విభాగం | అధ్యయనం చేసే అంశం |
|---|---|
| ఉష్ణగతిక శాస్త్రం (Thermodynamics) | రసాయన వ్యవస్థలలో ఉష్ణం, శక్తి, పని గురించి వివరిస్తుంది. |
| రసాయన గతిశాస్త్రం (Chemical kinetics) | రసాయన చర్యలు ఎంత వేగంగా జరుగుతాయో పరిశీలిస్తుంది. |
| క్వాంటం రసాయన శాస్త్రం (Quantum chemistry) | పరమాణువులు (Atom), ఎలక్ట్రాన్లు (Electron) క్వాంటం నియమాల ప్రకారం ఎలా ప్రవర్తిస్తాయో చెబుతుంది. |
| విద్యుత్ రసాయన శాస్త్రం (Electrochemistry) | విద్యుత్తుకు, రసాయన మార్పులకు మధ్య ఉన్న సంబంధాన్ని వివరిస్తుంది. |
| స్పెక్ట్రోస్కోపీ (Spectroscopy) | కాంతి పదార్థంతో ఎలా సంకర్షణ చెందుతుందో వివరిస్తుంది. |
ప్రధాన భావనలు
[మార్చు]భౌతిక రసాయన శాస్త్రంలో శాస్త్రవేత్తలు రసాయన సమస్యలకు భౌతిక శాస్త్ర సూత్రాలను వర్తింపజేస్తారు. రసాయన సమ్మేళనాలు (Chemical compound) అణువులతో తయారవుతాయనేది కెమిస్ట్రీలో ప్రధానమైన ఆలోచన. ఈ అణువులు రసాయన బంధాల (Chemical bonds) ద్వారా కలిసి ఉంటాయి. ఏదైనా రసాయన చర్య జరిగినప్పుడు, పాత బంధాలు విడిపోయి కొత్త బంధాలు ఏర్పడతాయి.
ఒక సమ్మేళనం ఎలా ప్రవర్తిస్తుందో ముందుగానే అంచనా వేయడం భౌతిక రసాయన శాస్త్రవేత్తల లక్ష్యం. దీని కోసం, అణువుల కేంద్రకాలు (nuclei) ఎక్కడ ఉన్నాయి, ఎలక్ట్రాన్లు (Electron) వాటి చుట్టూ ఎలా తిరుగుతున్నాయి అనే విషయాలు తెలుసుకోవాలి. ఈ చిన్న భాగాల గురించి అర్థం చేసుకోవడం వల్ల వజ్రం ఎందుకు గట్టిగా ఉంటుంది, లేదా నీరు ఒక నిర్దిష్ట ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఎందుకు మరుగుతుంది అనే విషయాలను వివరించవచ్చు.[1]
ప్రధాన విభాగాలు
[మార్చు]భౌతిక రసాయన శాస్త్రం చాలా విస్తృతమైన విషయం. దీనిని కొన్ని చిన్న విభాగాలుగా విభజించారు. ప్రతి విభాగం భౌతిక శాస్త్రం, రసాయన శాస్త్రం కలిసే ఒక ప్రత్యేక అంశంపై దృష్టి పెడుతుంది.
క్వాంటం రసాయన శాస్త్రం
[మార్చు]క్వాంటం రసాయన శాస్త్రం (Quantum chemistry) క్వాంటం మెకానిక్స్ (Quantum mechanics) నియమాలను ఉపయోగిస్తుంది. ఎలక్ట్రాన్ల వంటి అతి చిన్న కణాలు ఎలా ప్రవర్తిస్తాయో ఈ నియమాలు వివరిస్తాయి. అణువుల ఆకారాన్ని తెలుసుకోవడానికి, వాటి మధ్య ఉండే బంధాలు ఎంత బలంగా ఉన్నాయో తెలుసుకోవడానికి ఇది శాస్త్రవేత్తలకు సహాయపడుతుంది.[1] పరమాణువులు కాంతిని ఎలా విడుదల చేస్తాయో లేదా ఎలా గ్రహిస్తాయో కూడా ఇది వివరిస్తుంది.[2] దీని వల్ల స్పెక్ట్రోస్కోపీ (Spectroscopy) అనే సాంకేతికత పుట్టింది. దీనిని ఉపయోగించి ఒక రసాయన నమూనా లోపల ఏముందో కాంతి ద్వారా చూడవచ్చు.
రసాయన ఉష్ణగతిక శాస్త్రం
[మార్చు]రసాయన ఉష్ణగతిక శాస్త్రం (Chemical thermodynamics) ఏ రకమైన చర్యలు సాధ్యమవుతాయని ప్రశ్నిస్తుంది. ఇది ఒక వ్యవస్థలోని శక్తిని పరిశీలిస్తుంది. ఒక కొత్త ఇంజన్ డిజైన్ పని చేస్తుందా లేదా అది ఎక్కువ శక్తిని వృధా చేస్తుందా అని ఇది ఇంజనీర్లకు చెప్పగలదు. ఇందులో ఎంట్రోపీ (Entropy), ఎంథాల్పీ (Enthalpy) వంటి భావనలను ఉపయోగిస్తారు. నిలకడగా ఉన్న వ్యవస్థలను వివరించడంలో ఇది చాలా బాగా పనిచేస్తుంది, కానీ చాలా వేగంగా మారుతున్న విషయాలను వివరించడంలో ఇది కొంత కష్టంగా ఉంటుంది.
రసాయన గతిశాస్త్రం
[మార్చు]రసాయన గతిశాస్త్రం (Chemical kinetics) వేగం గురించి వివరిస్తుంది. ఒక రసాయన చర్య జరిగే మార్గాన్ని ఇది అధ్యయనం చేస్తుంది. చాలా రసాయన చర్యలు జరగాలంటే ఒక "శక్తి కొండ"ను దాటాల్సి ఉంటుంది. ఈ స్థితిని సంక్రాంతి స్థితి (Transition state) అని పిలుస్తారు.[3] ఈ కొండ ఎత్తుగా ఉంటే, ఆ చర్య చాలా నెమ్మదిగా జరుగుతుంది. ఉత్ప్రేరకాలను (catalysts) ఉపయోగించి చర్యలు వేగంగా జరిగేలా శాస్త్రవేత్తలు చేస్తారు. ఉత్ప్రేరకం అనేది తాను ఖర్చు అయిపోకుండా, శక్తి కొండ ఎత్తును తగ్గించి చర్య వేగంగా జరగడానికి సహాయపడే పదార్థం.[4]
స్టాటిస్టికల్ మెకానిక్స్
[మార్చు]మనం ఒక గ్లాసు నీటిని చూసినప్పుడు, అందులో కొన్ని కోట్ల కోట్ల అణువులు ఉంటాయి. ప్రతి ఒక్క అణువును మనం విడివిడిగా గమనించలేము. స్టాటిస్టికల్ మెకానిక్స్ (Statistical mechanics) గణితాన్ని ఉపయోగించి, ఆ చిన్న అణువుల ప్రవర్తనను మనం కొలవగలిగే పీడనం (Pressure), ఉష్ణోగ్రత వంటి సాధారణ సంఖ్యలుగా మారుస్తుంది. అణువుల చిన్న ప్రపంచానికి, మనం చూసే పెద్ద ప్రపంచానికి మధ్య ఇది ఒక వారధిలా పనిచేస్తుంది.[5]
చరిత్ర
[మార్చు]
"భౌతిక రసాయన శాస్త్రం" అనే పేరును మొదట 1752లో మిఖాయిల్ లోమోనోసోవ్ (Mikhail Lomonosov) ఉపయోగించారు. ఆయన ఒక రష్యన్ శాస్త్రవేత్త. ఆయన "నిజమైన భౌతిక రసాయన శాస్త్రంపై ఒక కోర్సు" అనే పేరుతో ఒక ప్రసిద్ధ ఉపన్యాసం ఇచ్చారు. రసాయన శాస్త్రాన్ని భౌతిక శాస్త్ర ప్రయోగాల ద్వారా వివరించాలని ఆయన బలంగా నమ్మేవారు.
అయితే, ఆధునిక భౌతిక రసాయన శాస్త్రం నిజానికి 1860 నుండి 1880 మధ్య కాలంలో ప్రారంభమైంది. ఆ సమయంలో చాలా మంది ప్రసిద్ధ శాస్త్రవేత్తలు పెద్ద ఆవిష్కరణలు చేశారు.
వ్యవస్థాపకులు
[మార్చు]అత్యంత ముఖ్యమైన వ్యక్తులలో ఒకరు జోసియా విల్లార్డ్ గిబ్స్ (Josiah Willard Gibbs). 1876లో ఆయన On the Equilibrium of Heterogeneous Substances అనే పరిశోధనా పత్రాన్ని రాశారు. ఇందులో ఆయన గిబ్స్ ఉచిత శక్తి (Gibbs free energy), ఫేజ్ రూల్ (Phase rule) వంటి అంశాలను పరిచయం చేశారు. వీటిని నేటికీ ప్రతి కెమిస్ట్రీ విద్యార్థి చదువుకుంటారు.
1887లో విల్హెల్మ్ ఆస్ట్వాల్డ్ (Wilhelm Ostwald), జాకోబస్ హెన్రికస్ వాంట్ హాఫ్ (Jacobus Henricus van 't Hoff) కలిసి భౌతిక రసాయన శాస్త్రం కోసం మొదటి సైన్స్ జర్నల్ను ప్రారంభించారు. దీని పేరు Zeitschrift für Physikalische Chemie. వీరు స్వాంటే ఆగస్ట్ అర్హీనియస్ (Svante August Arrhenius) తో కలిసి ఈ రంగానికి పునాదులు వేశారు. ఈ ముగ్గురూ తర్వాతి కాలంలో రసాయన శాస్త్రంలో నోబెల్ బహుమతి పొందారు.
20వ శతాబ్దపు అభివృద్ధి
[మార్చు]1900లలో భౌతిక రసాయన శాస్త్రం మరింతగా వృద్ధి చెందింది. ఇర్వింగ్ లాంగ్ముయిర్ (Irving Langmuir) వంటి శాస్త్రవేత్తలు వాయువులు ఉపరితలాలకు ఎలా అతుక్కుంటాయో అధ్యయనం చేశారు. దీనిని ఉపరితల రసాయన శాస్త్రం (Surface chemistry) అని పిలుస్తారు. ఆ తర్వాత, లినస్ పాలింగ్ (Linus Pauling) క్వాంటం మెకానిక్స్ను ఉపయోగించి రసాయన బంధాలను వివరించారు.
రెండవ ప్రపంచ యుద్ధ సమయంలో కేంద్రక రసాయన శాస్త్రం (Nuclear chemistry) ప్రాముఖ్యత సంతరించుకుంది. ఐసోటోపులు (Isotope) అని పిలిచే వివిధ రకాల పరమాణువులను ఎలా వేరు చేయాలో శాస్త్రవేత్తలు నేర్చుకున్నారు. నేడు, భౌతిక రసాయన శాస్త్రం నక్షత్రాలను అధ్యయనం చేయడానికి ఖగోళ రసాయన శాస్త్రం (Astrochemistry) లో, కొత్త కంప్యూటర్లు, మందులు తయారు చేయడానికి పదార్థ విజ్ఞాన శాస్త్రం (Materials science) లో ఉపయోగించబడుతోంది.
భౌతిక రసాయన శాస్త్రం ఎందుకు ముఖ్యం?
[మార్చు]భౌతిక రసాయన శాస్త్రం అనేది చాలా ఉపయోగకరమైన రంగం. ప్రస్తుతం శాస్త్రవేత్తలు కంప్యూటర్లను ఉపయోగించి, ఒక కొత్త రసాయనాన్ని ప్రయోగశాలలో తయారు చేయకముందే అది ఎలా ప్రవర్తిస్తుందో అంచనా వేయగలరు. దీనిని కంప్యూటేషనల్ కెమిస్ట్రీ (Computational chemistry) అని పిలుస్తారు. ఇది సమయాన్ని, డబ్బును ఆదా చేస్తుంది. పర్యావరణానికి సురక్షితమైన రసాయనాలను తయారు చేయడానికి కూడా ఇది సహాయపడుతుంది.
భౌతిక రసాయన శాస్త్రం ఇంకా ఈ క్రింది వాటిలో ఉపయోగపడుతుంది:
ఎలక్ట్రిక్ కార్ల కోసం మెరుగైన బ్యాటరీలు (Battery) తయారు చేయడం.
కణంలోని నిర్దిష్ట భాగాలను లక్ష్యంగా చేసుకునే కొత్త మందులను సృష్టించడం.
గాలిలోని వాయువులు వేడిని ఎలా పట్టి ఉంచుతాయో అధ్యయనం చేయడం ద్వారా వాతావరణ మార్పులను (Climate change) అర్థం చేసుకోవడం.
ప్రకృతిలో సహజంగా కలిసిపోయే కొత్త ప్లాస్టిక్లను అభివృద్ధి చేయడం.
ఇవి కూడా చూడండి
[మార్చు]మూలాలు
[మార్చు]- ↑ 1.0 1.1 Atkins 2005, p. 245.
- ↑ Atkins 2005, p. 324.
- ↑ Schmidt 2005, p. 30.
- ↑ Schmidt 2005, pp. 25, 32.
- ↑ Chandler, David (1987). Introduction to Modern Statistical Mechanics, p. 54. Oxford University Press, New York. ISBN 978-0-19-504277-1.
వనరులు
[మార్చు]Atkins, Peter; Friedman, Ronald (2005). Molecular Quantum Mechanics. Oxford University Press. ISBN 0-19-927498-3.
Schmidt, Lanny D. (2005). The Engineering of Chemical Reactions (2nd ed.). New York: Oxford University Press. ISBN 0-19-516925-5.{{cite book}}: CS1 maint: ref duplicates default (link)
Torben Smith Sørensen (1999). Surface chemistry and electrochemistry of membranes. CRC Press. ISBN 0-8247-1922-0.
బయటి లింకులు
[మార్చు]
కీత్ జె. లైడ్లర్ రాసిన 'ది వరల్డ్ ఆఫ్ ఫిజికల్ కెమిస్ట్రీ'
జాన్ డబ్ల్యు. సెర్వోస్ రాసిన 'ఫిజికల్ కెమిస్ట్రీ ఫ్రమ్ ఆస్ట్వాల్డ్ టు పాలింగ్'