شیمی‌فیزیک مطالعه‌ی ماکروسکوپی، اتمی، زیر اتمی و پدیده‌های ریز ذرات در سیستم‌های شیمیایی با استفاده از قوانین و مفاهیم فیزیکی می‌باشد. این علم از قوانین، روش‌ها و مفاهیم علم فیزیک مانند حرکت، انرژی، نیرو، زمان، ترمودینامیک، شیمی کوانتوم، مکانیک ایستایی و دینامیک استفاده می‌کند.

  شیمی‌فیزیک در مقایسه با فیزیک شیمیایی، به طور برجسته (ولی نه همیشه) یک علم ماکروسکوپی یا فوق مولکولی می‌باشد، به همین دلیل عمده‌ی قوانینی که در شیمی‌فیزیک وجود دارند مفاهیمی هستند که بیشتر به جرم وابسته‌اند تا به ساختار مولکولی/اتمی تنها. برای مثال، تعادل شیمیایی یا کلوییدها.

  بعضی از روابط که شیمی‌فیزیک تلاش می‌کند تا آن‌ها را تعیین کند شامل اثرات زیر می‌شود:

  1. نیروهای درون مولکولی بر روی خواص فیزیکی مواد (خصلت پلاستیکی، مقاومت کششی، کشش سطحی در مایعات)

  2. سینتیک واکنش بر روی سرعت واکنش

  3. خصوصیات یون‌ها بر روی رسانایی الکتریکی مواد

  4. شیمی سطح و الکتروشیمی در مورد غشاء‌ها

  مفاهیم کلیدی

  مفاهیم کلیدی شیمی‌فیزیک روش‌هایی هستند که فیزیک خالص را در مشکلات شیمیایی به کار می‌برند.

یک مفهوم کلیدی این هست که تمام ترکیبات شیمیایی می‌توانند به عنوان گروه‌هایی از اتم‌های متصل به هم تعریف تعریف شوند و واکنش‌های شیمیایی می‌توانند به عنوان تشکیل و شکستن این اتصال‌ها تعریف شوند. پیش‌بینی ترکیبات شیمیایی از روی تشریح اتم‌ها و طریقه‌ی پیوند آن‌ها یکی از اهداف اصلی شیمی‌فیزیک است. برای تشریح دقیق اتم‌ها، دانستن مکان هسته‌ی اتم و چگونگی پخش الکترون‌ها در اطراف آن‌ها ضروری است. شیمی کوانتوم یکی از شاخه‌های فرعی شیمی‌فیزیک به طور ویژه در ارتباط با استفاده از مکانیک کوانتومی برای حل مسایل شیمیایی، تهیه‌ی ابزار برای تعیین قدرت و شکل پیوندها، چگونگی حرکت هسته و چگونگی جذب و نشر نور توسط یک ترکیب شیمیایی است. طیف‌سنجی یکی از زمینه‌های فرعی شیمی‌فیزیک است که به طور ویژه در ارتباط با برهم‌کنش تابش الکترومغناطیسی با ماده می‌باشد.

  سری دیگر سوالات مهم در شیمی‌فیزیک در این مورد است که کدام واکنش‌ها می‌توانند به طور خود‌به‌خودی انجام شوند و کدام ویژگی‌ها را ممکن است یک مخلوط شیمیایی داشته باشند. این مطالب در ترمودینامیک شیمیایی مطالعه می‌شود، که مقادیر را دارای محدودیت می‌کند مانند میزان پیشرفت یک واکنش یا مقدار انرژی که می‌تواند در یک موتور احتراق به کار تبدیل شود و همچنین میان خصوصیات ارتباط برقرار می‌کند مانند ضریب انبساط گرمایی و میزان تغییر انتروپی توسط فشار برای یک گاز یا یک مایع. این شاخه خیلی اوقات می‌تواند برای تشخیص امکان کارکرد یک راکتور یا یک موتور یا برای آزمایش صحت یک داده‌ی تجربی مورد استفاده قرار ‌گیرد. به مقدار محدود، ترمودینامیک نیمه تعادلی و غیر تعادلی می‌تواند تغییرات غیر برگشت پذیر را توضیح دهد. البته، ترمودینامیک کلاسیک اکثرا در ارتباط با سیستم‌های تعادلی و تغییرات برگشت پذیر می‌باشد و اهمیتی به حقیقت اتفاقی که روی می‌دهد یا سرعت آن در خارج از تعادل ندارد.

سرعت و امکان انجام یک واکنش موضوعات سینتیک شیمیایی محسوب می‌شوند که یکی دیگر از شاخه‌های شیمی‌فیزیک می‌باشد. ایده‌ی کلیدی در سینتیک شیمیایی در مورد این است که برای واکنش دادن واکنش‌دهنده‌ها و تبدیل آن‌ها به محصولات، اکثر نمونه‌های شیمیایی باید وارد حالت گذار شوند که در انرژی‌های بالاتر نسبت به واکنش‌دهنده‌ها و محصولات هستند و مانند یک سد برای واکنش عمل می‌کنند. در حالت کلی هرچه این سد بلندتر باشد، واکنش آهسته‌تر روی می‌دهد. نکته‌ی دوم این است که اکثر واکنش‌های شیمیایی به صورت یک سلسله واکنش‌های ابتدایی روی می‌دهند که هر کدام از این واکنش‌ها یک حالت گذار برای خود دارند. سوالات کلیدی در سینتیک شامل چگونگی وابستگی سرعت واکنش به دما و غلضت واکنش‌دهنده‌ها و کاتالیست‌ها در مخلوط واکنش و همچنین چگونگی تاثیر اداره کردن کاتالیست‌ها و موقعیت‌های شیمیایی برای بهبود سرعت واکنش می‌شود.

  این حقیقت که سرعت واکنش‌ها معمولا می‌تواند توسط فقط چند غلظت و یک دما به جای نیاز به دانستن موقعیت‌ها و سرعت‌های هر مولکول در یک مخلوط، مشخص شود یک موقعیت ویژه از دیگر مفهوم کلیدی در شیمی‌فیزیک است که یک مهندس به جای دانستن هر چیزی که در یک مخلوط از میلیاردها میلیارد از ذرات جریان دارد فقط باید چند مقدار متغیر فشار، دما و غلظت را که تمامی آن ذرات را توصیف می‌کنند بداند. دلایل جامع برای این امر در مکانیک ایستایی که یک تخصص همراه با شیمی‌فیزیک و مشترک با علم فیزیک است توضیح داده شده است. مکانیک ایستایی همچنین روش‌های پیش‌بینی ویژگی‌هایی که ما در زندگی روزمره از خصوصیات مولکولی می‌بینیم را ایجاد می‌کند بدون اتکا بر روابط متقابل تجربی که بر پایه‌ی تشابه شیمیایی می‌باشد.

  تاریخچه

  عبارت شیمی‌فیزیک (Physical Chemistry) توسط میخاییل لومونوسوف (Mikhail Lom0nosov) در سال 1752 ابداع شد، زمانی که او یک تحقیق با عنوان "A Course in True Physical Chemistry" (تحولی در شیمی‌فیزیک واقعی) را در حضور دانشجویان دانشگاه پترزبورگ ارائه کرد.

شیمی‌فیزیک نوین در دهه‌های 1860 تا 1880 توسط کار بر روی ترمودینامیک شیمیایی، الکترولیت‌ها در محلول‌ها، سینتیک شیمیایی و دیگر موضوعات به وجود آمد. یک اقدام برجسته انتشار تحقیق گیبس (Josiah Willard Gibbs) در سال 1876 بر روی تعادل ناهمگن بود. این تحقیق چندین بنیان شیمی‌فیزیک، مانند انرژی گیبس، پتانسیل شیمیایی، قانون فازی گیبس را معرفی کرد. دیگر بنیان‌ها شامل پسوند گزاری و اعتبار بخشی آنتالپی به فرایندهای هایک کامرلینک اونس (Heik Kamerlink Onnes) و فرایندهای ماکرومولکولی بود.

  اولین مجله‌ی علمی تخصصی مربوط به شیمی‌فیزیک مجله‌ی آلمانی Zeitschrift für Physikalische Chemie، در سال 1877 توسط ویلهلم استوالد (Wilhelm Ostwald) و جاکوبز هنریکس وانت هوف (Jacobus Henricus van't Hoff) ایجاد شد. با همدیگر و همراه با سوانته آگوست آرنیوس (Svante August Arrhenius)، این‌ها پیکره‌ی شیمی‌فیزیک در اواخر قرن 19 و اوایل قرن 20 بودند. هر سه برنده‌ی جایزه‌ی نوبل شیمی بین سال‌های 1901 تا 1909 بودند.

  پیشرفت در دهه‌ی بعدی شامل استفاده از مکانیک ایستایی برای سیستم‌های شیمیایی و کار بر روی کلوئیدها و شیمی سطح بود، جایی که ایرونیک لانگمور (Irving Langmuir) سهم زیادی در آن داشت. قدم مهم دیگر گسترش مکانیک کوانتومی به شیمی کوانتوم در دهه‌ی 1930 بود جایی که لینوس پولینگ (Linus Pauling) یکی از اسم‌های شاخص است. پیشرفت‌های نظری همراه با روش‌های تجربی (شامل استفاده از شکل‌های مختلف طیف‌سنجی مانند طیف‌سنجی مادون قرمز، طیف‌سنجی مایکروویو، طیف‌سنجی EPR و طیف‌سنجی NMR بود) که دست به دست ادامه یافتند احتمالا مهمترین پیشرفت قرن 20 بوده است.

  پیشرفت‌های بیشتر در شیمی‌فیزیک می‌تواند منسوب به اکتشافات در شیمی هسته‌ای، به خصوص در جداسازی ایزوتوپ (قبل و در زمان جنگ جهانی دوم)، اکتشافات اخیر در اخترشیمی، به همان اندازه، پیشرفت الگوریتم‌های محاسباتی در زمینه‌ی "خواص جمع‌پذیر شیمیایی و فیزیکی" (در واقع تمام خواص فیزیکی و شیمیایی مانند نقطه جوش، نقطه‌ی بحرانی، کشش سطحی، فشار بخار و ... می‌تواند از طریق ساختارهای شیمیایی، حتی اگر چنین مولکول شیمیایی هنوز موجود نباشد محاسبه شود) و در این محدوده اهمیت علمی متمرکز بر شیمی‌فیزیک معاصر باشد.