Fisicoquímica

De acuerdo con el gran científico holandés Jacobus Henricus van’t Hoff, la fisicoquímica es una ciencia que se encarga de conferir conocimiento físico a la química. Uno de los primeros pasos fundamentales para comprender la materia y sus propiedades fue el estudio de la propiedad física del peso y la introducción del instrumento balanza para medirlo. Antoine Lavoisier fue uno de los primeros en hacer uso de este conocimiento físico y ligarlo al descubrimiento de la Ley de la Conservación de la Materia. Lo anterior motivó a John Dalton a concebir, como lo hicieron los antiguos griegos, entre ellos Demócrito, la materia como constituida por átomos (unidades indivisibles de naturaleza propia). Asimismo, los conceptos de densidad y volumen llevaron a Joseph-Louis Gay Lussac y Amadeus Avogadro a concebir la idea de moléculas (estructuras formadas por átomos). Avogadro llegó a la conclusión de que un mismo número de moléculas de diferentes gases ocupan, sin embargo, el mismo volumen bajo las mismas condiciones de temperatura y presión (Ley de Avogadro). Esto condujo a poder establecer los pesos relativos (masas moleculares) de diferentes moléculas. Pierre Dulong y Alexis Petit lograron relacionar que una propiedad física conocida como el calor específico, es casi el mismo para compuestos formados por diferentes átomos; es decir, se requiere una cantidad aproximadamente igual de calor para elevar la temperatura en una unidad tanto para siete partes de litio como para 240 de uranio. Michael Faraday, al estudiar otra propiedad física, la conductividad eléctrica de soluciones de sales en agua, encontró que la cantidad de electricidad que transportan las sales de zinc corresponde al doble de la que transportan las sales de potasio, bajo condiciones molares idénticas. Hermann von Helmholtz explicó que no sólo la materia, sino también la electricidad existen en cantidades discretas (las cargas de los iones que se producen al disolver sales son múltiplos de la carga del electrón). Otra propiedad física, la luz emitida por gases tratados a alta temperatura, inspiró a Robert Bunsen y Gustav Kirchhoff la idea de los espectros de emisión de los átomos al ser excitados por energía térmica. La idea de la existencia del átomo fue reforzada una vez más. Alexander Newlands, Dimitri Mendeleev y Lothar Meyer pudieron correlacionar propiedades físicas, como el volumen molar o atómico con las masas relativas de los elementos químicos, lo cual dio lugar a la construcción de la Tabla Periódica de los Elementos. La termoquímica, una de las principales ramas de la fisicoquímica, ha sido definida por Frederick D. Rossini como aquella que trata de los cambios de energía interna o entalpía asociados con reacciones químicas. La termoquímica proporciona datos experimentales que son compilados en tablas, las cuales permiten la evaluación de los calores de reacción de muchas reacciones. El fin último de la termodinámica química es la evaluación de la energía libre de formación de los compuestos químicos en todos sus posibles estados físicos. La termodinámica, según el profesor Gilbert N. Lewis, es una de las tres ramas principales de las ciencias naturales debido a la variedad de deducciones que se pueden realizar a partir de un pequeño número de postulados fundamentales. Esta ciencia es un monumento al poder de la mente humana, y su estudio intensivo es ampliamente recompensado por la satisfacción estética e intelectual derivada del reconocimiento de que el orden y simplicidad han sido descubiertos a pesar de la enorme complejidad de la mayoría de los fenómenos naturales. Los métodos de la termodinámica han conseguido una precisión cuantitativamente alta, en comparación con las ideas vagas de la afinidad química utilizadas desde tiempos de los alquimistas como Paracelso. Irving Langmuir, considerado el padre de la fisicoquímica de superficies en Estados Unidos, desarrolló el concepto de adsorción (cuando moléculas de un gas se adhieren a la superficie de un sólido) y de reacciones químicas en superficies (moléculas adsorbidas sobre una superficie pueden reaccionar entre sí cuando se les ubica muy cerca una de otra), noción muy útil en catálisis heterogénea.

Albert Einstein expresó alguna vez lo siguiente sobre la termodinámica, una de las ramas más importantes de la fisicoquímica:

Una teoría es más impresionante mientras las premisas sobre las que se apoya sean las más sencillas, relacione la más amplia variedad de cosas y más extensa sea su área de aplicación. Por lo anterior la termodinámica clásica ha dejado en mí la más honda impresión ya que es la única teoría física de contenido universal que jamás será depuesta.

Visión general de la termodinámica como una rama importante de la fisicoquímica

La termodinámica es una ciencia física relacionada con la transferencia de calor y la aparición o desaparición de trabajo durante la ocurrencia de procesos químicos y físicos. Los procesos sujetos a consideraciones termodinámicas incluyen no sólo los fenómenos naturales que ocurren cotidianamente, sino también reacciones químicas controladas, funcionamiento de maquinaria, y aun procesos hipotéticos, como reacciones químicas que no ocurren, pero que se pueden imaginar. La termodinámica tiene una amplia aplicabilidad, lo que la hace poderosa para atacar muchas clases de problemas importantes; al mismo tiempo, sin embargo, esta generalidad la hace incapaz de responder a muchas de las preguntas específicas que resultan en conexión con tales problemas. La termodinámica, por ejemplo, nos puede informar que un proceso ocurrirá, pero no qué tan rápido lo hará, y puede describir con frecuencia cuantitativamente un cambio global de estado sin darnos ninguna indicación del carácter del proceso por medio del cual el cambio ocurre.

Históricamente, la ciencia de la termodinámica se desarrolló para llegar a tener una mejor comprensión del funcionamiento de las máquinas térmicas, con particular énfasis en la conversión de calor en trabajo útil. Para el funcionamiento de dichas máquinas se encontraron principios básicos que las gobiernan, y a partir de ellos se dedujeron aplicaciones básicas para la química. Por esta razón se puede hablar de la “termodinámica química” como una disciplina, con las mismas consideraciones básicas que cualquier otra rama de la termodinámica, pero con una profusión inigualada de ejemplos y aplicaciones.

Aunque una reacción química típica, tal como la oxidación del hierro o la hidrólisis de un éster, puede parecer tener un comportamiento muy alejado del de una máquina térmica, aplican los mismos principios fundamentales de calor y trabajo. Sin embargo, para facilitar el desarrollo

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