Química física

La química física es un campo científico que examina la relación entre la estructura química de las sustancias y sus propiedades físicas. Se utiliza comúnmente para investigar características como la presión de vapor, la tensión superficial, la viscosidad, el índice de refracción y la densidad. Además, se centra en el estudio de los aspectos clásicos del comportamiento de los sistemas químicos, como las propiedades térmicas, el equilibrio, la velocidad de reacción, los mecanismos de las reacciones y el fenómeno de ionización.

 

Introducción

En su vertiente más teórica, la química física se dedica a explicar las propiedades espectrales de las sustancias en base a la teoría cuántica fundamental. También aborda la interacción de la energía con la materia, la naturaleza de los enlaces químicos y las relaciones entre el número y estado energético de los electrones en átomos y moléculas, así como las propiedades observables en dichos sistemas. Además, estudia los efectos eléctricos, térmicos y mecánicos individuales de los electrones y protones en sólidos y líquidos.

Durante los primeros pasos del desarrollo de la química física como campo de estudio especializado, se puso especial énfasis en investigar el fenómeno de las afinidades químicas, que se refiere a las diferentes intensidades con las que las sustancias reaccionan entre sí. Un ejemplo de esto es el hecho de que el oxígeno promueva la combustión mientras que el nitrógeno no lo haga, así como la diferencia en la facilidad de corrosión entre el hierro y el oro.

Hoy en día, tanto la química física como la física química son campos de investigación muy activos dentro del ámbito de la química. La electroquímica, la química de los coloides y la fotoquímica desempeñan un papel crucial en numerosos sectores de la industria moderna. Por ejemplo, la revolución actual de los ordenadores y las comunicaciones no sería posible sin los avances en productos químicos, cristales y dispositivos especiales desarrollados a través de la investigación en estas ramas de la química física.

En el ámbito de la investigación fundamental, en contraste con la investigación aplicada, se enfatiza en el análisis teórico de espectros de todo tipo, que van desde la región de rayos X del espectro electromagnético hasta la zona de ondas radioeléctricas.

Asimismo, se hace hincapié en la aplicación de la mecánica cuántica y la mecánica de ondas para comprender los principios del enlace y la estructura molecular. Se ha obtenido información valiosa mediante el estudio de las propiedades de las sustancias bajo condiciones extremadamente altas o bajas de temperatura y presión, así como bajo la influencia de campos eléctricos, magnéticos y electromagnéticos intensos.

Divisiones de la química física

Estas subdivisiones representan áreas de estudio importantes dentro de la química física y proporcionan una base sólida para comprender y analizar las propiedades y el comportamiento de las sustancias en diversos estados y condiciones, siendo las siguientes:

Termodinámica química

Esta disciplina se enfoca en el estudio de la energía en sus diversas manifestaciones y su relación con la materia. Analiza cómo se vinculan la energía interna, el nivel de organización o estructura, y la capacidad para llevar a cabo trabajo útil, considerando aspectos como la temperatura, la absorción o emisión de calor, los cambios de estado (liquido a gas, gas a líquido, sólido a líquido), el trabajo realizado por o en el sistema mediante el flujo de corriente eléctrica, la formación de superficies y modificaciones en su tensión superficial, las variaciones de volumen o presión, y la formación o desaparición de especies químicas.

Cinética química

La cinética química se ocupa de estudiar las tasas de los procesos químicos en relación con diversos factores, como la concentración de las especies reactivas y los productos, los catalizadores e inhibidores, los disolventes utilizados, la temperatura y otras variables que puedan afectar la velocidad de una reacción. Su objetivo es establecer la relación entre la variación precisa de la velocidad de reacción en función del tiempo y la naturaleza de las colisiones intermoleculares que controlan dicha velocidad y dan lugar a la formación de los productos de reacción.

En la mayoría de los casos, las reacciones químicas involucran una serie de etapas individuales que ocurren en secuencia y cuya suma se ajusta a las proporciones estequiométricas de los reactivos y productos. Sin embargo, generalmente solo una de estas etapas, conocida como etapa determinante de la velocidad (EDV), es significativa en términos de la velocidad global de la reacción, mientras que las demás etapas son mucho más rápidas. Mediante el análisis matemático de la cinética de la reacción, el químico físico puede deducir el mecanismo de la reacción al determinar la naturaleza de la EDV y examinar cómo las condiciones de reacción afectan esta etapa (por ejemplo, el disolvente, otras especies y la temperatura), así como cómo estas condiciones generan otros procesos en la EDV.

El estado gaseoso

En esta disciplina se investigan las propiedades de los gases, centrándose especialmente en la ley que relaciona la presión, el volumen, la temperatura y la cantidad de gas. Esta ley se expresa matemáticamente mediante la ecuación de estado del gas. Para un gas ideal, que es un modelo hipotético donde las moléculas son infinitesimalmente pequeñas y no interactúan entre sí mediante fuerzas de atracción o repulsión, la ecuación de estado es sencilla: pV = nRT.

En esta ecuación, p representa la presión, V el volumen, n el número de moles de la sustancia, R una constante y T la temperatura absoluta medida en kelvins. Sin embargo, para los gases reales, la ecuación es más compleja y contiene otras variables debido al efecto de los tamaños finitos de las moléculas y las fuerzas intermoleculares. El análisis matemático de las ecuaciones de estado de los gases reales permite a los químicos físicos obtener información sobre los tamaños relativos de las moléculas y la magnitud de las fuerzas que actúan entre ellas.

El estado líquido

Esta disciplina se dedica al estudio de las propiedades de los líquidos, con especial atención a la presión de vapor, el punto de ebullición, el calor de evaporación, la capacidad calorífica, el volumen molar, la viscosidad y la compresibilidad. Además, se investiga cómo estas propiedades se ven afectadas por la temperatura y la presión a las que se miden, así como por la naturaleza química de la sustancia en cuestión.

Disoluciones

Esta disciplina se enfoca en el estudio de las propiedades especiales que surgen cuando una sustancia se disuelve en otra. En particular, investiga la solubilidad de las sustancias y cómo esta se ve afectada por la naturaleza química tanto del soluto como del disolvente. Además, se examina la conductividad eléctrica y las propiedades coligativas, como el punto de ebullición, el punto de solidificación, la presión de vapor y la presión osmótica, en disoluciones que contienen electrólitos. Estos últimos son sustancias que se disocian en iones cuando se disuelven en un disolvente polar, como el agua.

El estado sólido

En este campo se realiza el estudio de la estructura interna de los sólidos a nivel molecular y atómico, y se busca explicar las propiedades físicas de los sólidos en función de su estructura. Esta disciplina también abarca el análisis matemático de los patrones de difracción que se generan al exponer un cristal a radiación de rayos X. Mediante este método, los químicos físicos han obtenido información invaluable sobre la disposición de los distintos tipos de iones y átomos en los sólidos. Asimismo, han logrado determinar las simetrías y cristalografías de la mayoría de las sustancias sólidas, así como sus fuerzas de cohesión, capacidades caloríficas, puntos de fusión y propiedades ópticas.

Electroquímica

Esta rama se enfoca en el estudio de los efectos químicos que ocurren cuando una corriente eléctrica atraviesa interfaces, como el límite entre un electrodo y una disolución, y también investiga los efectos eléctricos que se producen cuando los iones se desplazan o se transportan a través de las zonas límite entre gases, líquidos o sólidos. La medición de la conductividad eléctrica de los líquidos proporciona información sobre el equilibrio de ionización y las propiedades de los iones presentes.

En el caso de los sólidos, estas mediciones indican los estados de los electrones en las redes cristalinas y en materiales aislantes, semiconductores y conductores metálicos. La medición del voltaje (diferencia de potencial eléctrico) brinda información sobre las concentraciones de las especies iónicas y sobre las fuerzas impulsoras de las reacciones que involucran la ganancia o pérdida de electrones.

Química de los coloides

En esta rama se investiga la naturaleza de las superficies y las zonas de interfase, y se analiza cómo afectan a las propiedades macroscópicas de las sustancias. Estos estudios se centran en fenómenos como la tensión superficial, que es la fuerza que actúa en la superficie de un líquido y determina su capacidad de resistir deformaciones; la tensión interfase, que es la tensión en el plano de contacto entre un líquido y un sólido o entre dos líquidos; la propagación de líquidos sobre superficies sólidas; la adsorción de gases o iones en disolución en las superficies sólidas; el movimiento browniano de partículas en suspensión; la formación de emulsiones; la coagulación y otras propiedades de sistemas donde partículas diminutas se encuentran inmersas en un medio fluido. Estos estudios permiten comprender mejor los procesos que ocurren en las interfaces y su influencia en el comportamiento de los materiales a nivel macroscópico.

Fotoquímica

En este campo se investigan los efectos que resultan de la interacción de las sustancias con la radiación electromagnética, así como la capacidad de las sustancias para emitir radiación cuando son excitadas de diversas formas. Cuando los rayos X interactúan con la materia, los electrones pueden ser expulsados de los átomos, iones o moléculas, y al medir las energías de estos electrones se puede obtener información sobre la distribución electrónica en el interior de los átomos, iones o moléculas.

Además, al estudiar la absorción de radiación ultravioleta y luz visible, se pueden descubrir detalles sobre la estructura de los electrones de enlace en las sustancias. La absorción de rayos infrarrojos proporciona información sobre los movimientos vibratorios y las fuerzas de unión dentro de las moléculas, mientras que la absorción de microondas permite deducir la naturaleza de los movimientos giratorios de las moléculas y, a partir de eso, obtener información precisa sobre la geometría molecular, incluyendo las distancias internucleares.

El estudio de la interacción de la radiación electromagnética con la materia, cuando no produce cambios químicos, se denomina espectroquímica, y el término fotoquímica se utiliza específicamente para aquellas interacciones que sí generan cambios químicos. Ejemplos de reacciones fotoquímicas son la decoloración de los tintes expuestos a la luz solar, la generación de vitamina D en la piel humana debido a la acción de la luz solar y la formación de ozono en la capa superior de la atmósfera debido a la radiación ultravioleta del Sol.

Termodinámica estadística

Esta rama se ocupa del cálculo de la energía interna, la entropía (grado de orden o desorden), la energía libre y otras propiedades relacionadas. Se investiga la ecuación de estado de los gases, la presión de vapor de los líquidos, las estructuras moleculares asumidas por las cadenas poliméricas y la conductividad eléctrica de las disoluciones iónicas. Estos cálculos se basan en modelos de moléculas o iones individuales y emplean técnicas analíticas estadísticas que permiten considerar la interacción entre un gran número de partículas dispuestas al azar.