Es el campo de la ciencia que relaciona la estructura química de las sustancias con sus propiedades físicas. El término química física se aplica normalmente al estudio de propiedades como la presión de vapor, la tensión superficial, la viscosidad, el índice de refracción y la densidad, así como al estudio de los llamados aspectos clásicos del comportamiento de los sistemas químicos, como son las propiedades térmicas, el equilibrio, la velocidad de reacción, los mecanismos de las reacciones y el fenómeno de ionización. En sus aspectos más teóricos, la química física intenta explicar las propiedades espectrales de las sustancias en términos de la teoría cuántica fundamental; la interacción de la energía con la materia; la naturaleza de los enlaces químicos; las relaciones entre el número y estado energético de los electrones en los átomos y moléculas, y las propiedades observables en esos sistemas, y los efectos eléctricos, térmicos y mecánicos individuales de los electrones y protones sobre los sólidos y líquidos.

2.
DESARROLLO HISTÓRICO

En la fase inicial del desarrollo de la química física como campo de estudio especializado, se investigó el problema de las afinidades químicas, es decir, la amplia gama de intensidades con las que reaccionan las distintas sustancias. Por ejemplo, el hecho de que el oxígeno favorezca la combustión y el nitrógeno no, y la facilidad de corrosión del hierro comparada con la del oro.

1.
Siglo XIX

En un principio se supuso que las reacciones rápidas eran las reacciones completas. Sin embargo, pronto se comprobó que ambas cuestiones eran independientes; el grado en que se completa una reacción está determinado por su constante de equilibrio (un concepto introducido en 1864 por los químicos noruegos Cato Maximilian Guldberg y Peter Waage), mientras que la velocidad de reacción está determinada por el grado de contacto entre los reactivos, la presencia o ausencia de catalizador y otras variables.

El químico británico John Dalton propuso su teoría atómica en 1803, aunque ésta no se estableció firmemente hasta 1811, cuando el físico italiano Amedeo Avogadro dejó clara la distinción entre átomos y moléculas en las sustancias elementales. En esa misma época los conceptos de calor, energía, trabajo y temperatura empezaron a hacerse más precisos. El primer principio de la termodinámica, que afirma que el calor y el trabajo son interconvertibles, fue establecido claramente por vez primera por el físico alemán Julius von Mayer en 1842. El segundo principio de la termodinámica, según el cual se producen procesos espontáneos cuando aumenta el grado de desorden del sistema, fue enunciado por el físico matemático alemán Rudolf Clausius y su colega inglés lord Kelvin en 1850-1851.

Esos desarrollos facilitaron la interpretación de las propiedades de los gases, que representan el estado más simple de la materia, en lo que se refiere al comportamiento de sus moléculas individuales. Durante el periodo de 1860-1875, Clausius, el físico austriaco Ludwig Boltzmann y el físico británico James Clerk Maxwell indicaron cómo explicar la ley de los gases ideales en términos de una teoría cinética de la materia. De este principio emergieron las posteriores aportaciones a la cinética de las reacciones y las leyes del equilibrio químico.

Hacia finales del siglo XVIII hubo importantes contribuciones al campo de la química física por parte del químico francés Claude Louis Berthollet, que estudió la velocidad y reversibilidad de las reacciones, y del físico estadounidense Benjamin Thompson, que intentó deducir el equivalente mecánico del calor. En 1824, el físico francés Sadi Carnot publicó sus estudios sobre la relación entre calor y trabajo, que lo consolidaron como fundador de la termodinámica moderna, y en 1836 el químico sueco Jöns Jakob Berzelius determinó el papel desempeñado por los catalizadores en la aceleración de las reacciones químicas. La aplicación, en 1875, del primer y segundo principios de la termodinámica a las sustancias heterogéneas por parte del físico matemático estadounidense Josiah Willard Gibbs, y su descubrimiento de la regla de las fases, dictaron las bases teóricas de la química física. El químico físico alemán Walther Nernst, que enunció en 1906 el tercer principio de la termodinámica, aportó una última contribución al estudio de las propiedades físicas, de las estructuras moleculares y de las velocidades de reacción.

El químico físico holandés Jacobus H. van’t Hoff, considerado generalmente como el padre de la cinética química, inició los fundamentos de la estereoquímica en 1874 con su trabajo sobre los compuestos de carbono ópticamente activos y las estructuras moleculares tridimensionales y asimétricas. Tres años más tarde relacionó la termodinámica con las reacciones químicas y desarrolló un método para establecer el orden de las reacciones. En 1889, el químico sueco Svante Arrhenius investigó la aceleración de las reacciones químicas al aumentar la temperatura y enunció la teoría de disociación electrolítica, conocida como teoría de Arrhenius.

2.
Siglo XX

La cinética química ha seguido desarrollándose en el siglo XX con las contribuciones al estudio de las estructuras moleculares, velocidades de reacción y reacciones en cadena por parte de algunos químicos como Irving Langmuir, de Estados Unidos, Jens Anton Christiansen, de Dinamarca, Michael Polanyi, de Gran Bretaña, y Nikolái N. Semenov, de la Unión Soviética, y actualmente siguen realizándose importantes investigaciones.

En 1923, el químico estadounidense Gilbert Newton Lewis clarificó los principios de la termodinámica química enunciados por Gibbs.

El periodo clave para el desarrollo de la química física fue 1900-1930, con la elucidación gradual de la teoría cuántica. En 1897, el físico alemán Max Planck había propuesto que la energía de ciertos sistemas se ‘cuantiza’ en unidades discontinuas, igual que la materia aparece en unidades discontinuas, los átomos. En 1913, el físico danés Niels Bohr demostró que el concepto de cuantización sirve perfectamente para explicar el espectro del hidrógeno atómico. En 1926-1929, el físico austriaco Erwin Schrödinger y el físico alemán Werner Heisenberg desarrollaron la imagen de la función de onda, una expresión matemática que incorpora la dualidad electrónica onda-partícula, e indicaron cómo calcular propiedades útiles a partir de esa función.

3.
SUBDIVISIONES DE LA QUÍMICA FÍSICA

Las principales subdivisiones de la química física son: la termodinámica química, la cinética química, el estado gaseoso, el estado líquido, las disoluciones, el estado sólido, la electroquímica, la química de los coloides, la fotoquímica y la termodinámica estadística.

1.
Termodinámica química

Esta rama estudia la energía en sus diferentes formas tal como se relaciona con la materia. Examina las formas en que se relacionan la energía interna, el grado de organización u orden y la capacidad para realizar un trabajo útil con la temperatura, el calor absorbido o emitido, el cambio de estado (de líquido a gas, de gas a líquido o de sólido a líquido), el trabajo realizado por o en el sistema en forma de flujo de corrientes eléctricas, la formación de superficies y cambios en la tensión superficial de las mismas, los cambios de volumen o presión, y la formación o desaparición de las especies químicas.

2.
Cinética química

Este campo estudia las velocidades de los procesos químicos en función de la concentración de las especies que reaccionan, de los productos de reacción, de los catalizadores e inhibidores, de los diferentes medios disolventes, de la temperatura, y de todas las demás variables que pueden afectar a la velocidad de una reacción. La cinética química busca la relación entre la forma precisa en que varía la velocidad de reacción con el tiempo, y la naturaleza de las colisiones intermoleculares (que controlan la velocidad) implicadas en la generación de los productos de reacción. La mayoría de las reacciones implican una serie de procesos etapa a etapa, cuya suma corresponde a las proporciones (o estequiometría) en que se combinan los reactivos y se forman los productos. Sin embargo, sólo una de ellas es generalmente la etapa determinante de la velocidad (EDV), siendo las otras mucho más rápidas. El químico físico puede deducir el mecanismo de una reacción determinando la naturaleza de la EDV a partir del análisis matemático de la cinética de la reacción, e investigando cómo afectan las condiciones de la reacción a esta etapa (por ejemplo, el disolvente, otras especies y la temperatura), o cómo esas condiciones generan otros procesos en la EDV.

3.
El estado gaseoso

Esta rama estudia las propiedades de los gases, en particular la ley que interrelaciona la presión, el volumen, la temperatura y la cantidad de un gas. Esta ley se expresa en forma matemática como ecuación de estado del gas. Para un gas ideal (o sea, un gas hipotético cuyas moléculas son infinitamente pequeñas y no ejercen fuerzas de atracción o repulsión entre ellas), la ecuación de estado tiene la fórmula simple: pV = nRT, donde p es la presión, V es el volumen, n es el número de moles de la sustancia, R es una constante y T es la temperatura absoluta (medida en kelvins). Para los gases reales, la ecuación es más complicada, y contiene otras variables, debido al efecto de los tamaños finitos y de los campos de fuerza de las moléculas. El análisis matemático de las ecuaciones de estado de los gases reales permite al químico físico obtener información sobre los tamaños relativos de las moléculas y sobre la magnitud de las fuerzas que se ejercen entre ellas.

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4.
El estado líquido

Este campo estudia las propiedades de los líquidos, en particular la presión de vapor, el punto de ebullición, el calor de evaporación, la capacidad calorífica, el volumen por mol, la viscosidad y la compresibilidad. También estudia cómo se ven afectadas esas propiedades por la temperatura y la presión a las que son medidas, y por la naturaleza química de la sustancia en sí.

5.
Disoluciones

Esta rama estudia las propiedades especiales que surgen cuando una sustancia se disuelve en otra. En particular, investiga la solubilidad de las sustancias y cómo se ve afectada por la naturaleza química del soluto y del disolvente. También estudia la conductividad eléctrica y las propiedades coligativas (punto de ebullición, punto de solidificación, presión de vapor y presión osmótica) de las disoluciones de electrólitos, que son sustancias que se disocian en iones cuando se disuelven en un disolvente polar, como el agua.

6.
El estado sólido

En este campo se estudia la estructura interna, a escala molecular y atómica, de los sólidos, y se explican sus propiedades físicas en función de su estructura. Esta rama también incluye el análisis matemático de los modelos de difracción que se producen al exponer un cristal a una radiación de rayos X. Utilizando este método, los químicos físicos han conseguido información muy valiosa sobre la ordenación adoptada por los distintos tipos de iones y átomos. También han dilucidado 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.

7.
Electroquímica

El objeto de estudio de esta rama son los efectos químicos producidos por el paso de una corriente eléctrica a través de zonas de interfase (como el límite entre un electrodo y una disolución), y viceversa: los efectos eléctricos producidos por el desplazamiento o transporte de iones a través de zonas limítrofes entre gases, líquido o sólidos. La medida de la conductividad eléctrica de los líquidos proporciona información sobre el equilibrio de ionización y las propiedades de los iones. En los sólidos, estas medidas indican los estados de los electrones en las redes cristalinas y en los aislantes, semiconductores y conductores metálicos. La medida del voltaje (diferencia de potencial eléctrico) proporciona información sobre las concentraciones de las especies iónicas y sobre las fuerzas impulsoras de las reacciones que implican la ganancia o pérdida de electrones. Véase Electricidad.

8.
Química de los coloides

Esta rama estudia la naturaleza de las superficies y de las zonas de interfase, y su efecto sobre las propiedades macroscópicas de las sustancias. Estos estudios investigan la tensión superficial, la tensión interfase (tensión existente en el plano de contacto entre un líquido y un sólido o entre dos líquidos), la propagación de líquidos en sólidos, la adsorción de gases o iones en disolución sobre las superficies sólidas, el movimiento browniano de las partículas en suspensión, la emulsión, la coagulación y otras propiedades de los sistemas en los que se sumergen partículas diminutas en un medio fluido.

9.
Fotoquímica

Este campo investiga los efectos que resultan de la absorción de radiación electromagnética por parte de las sustancias, así como la capacidad de las sustancias de emitir radiación electromagnética cuando son excitadas en distintas formas. Cuando los rayos X interaccionan con la materia, los electrones pueden ser expulsados del lugar que ocupan dentro de los átomos, iones o moléculas; medir las energías de esos electrones revela mucho sobre la naturaleza de la distribución electrónica dentro del átomo, ion o molécula. Asimismo, la investigación de la absorción de radiación ultravioleta y luz visible descubre la estructura de los electrones de enlace; la absorción de rayos infrarrojos proporciona información sobre los movimientos vibratorios y las fuerzas de unión dentro de las moléculas, y la absorción de microondas permite a los científicos deducir la naturaleza de los movimientos giratorios de las moléculas, y a partir de esto, la geometría (distancias internucleares) exacta de las moléculas. El estudio de la interacción de la radiación electromagnética con la materia, cuando esa interacción no produce cambios químicos, se denomina a veces espectroquímica, y en ese caso, el término fotoquímica sólo se usa para aquellas interacciones que producen cambios químicos. Ejemplos de reacciones fotoquímicas son la decoloración de los tintes cuando están expuestos a la luz solar, la generación de vitamina D en la piel humana por acción de la luz solar y la formación de ozono en la capa superior de la atmósfera por la radiación ultravioleta del Sol.

10.
Termodinámica estadística

Esta rama trata del cálculo de la energía interna, el grado de orden o desorden (entropía), la capacidad para realizar trabajo útil (energía libre) y otras propiedades, como la ecuación de estado de los gases, la presión de vapor de los líquidos, las formas moleculares adoptadas por las cadenas poliméricas y la conductividad eléctrica de las disoluciones iónicas. Estos cálculos se basan en un modelo de molécula o ion individual y utilizan técnicas analíticas estadísticas, que permiten la interacción mutua del gran número de partículas dispuestas al azar.

4.
ESTADO ACTUAL

En la actualidad, la química física y la física química son campos de investigación muy activos dentro de la química. La electroquímica, la química de los coloides y la fotoquímica son importantes en muchas fases de la industria moderna. Por ejemplo, la revolución actual de los ordenadores o computadoras y de las comunicaciones no podría haber existido sin los productos químicos, cristales y aparatos especiales desarrollados durante la investigación de esas ramas de la química física.

El área de investigación fundamental, a diferencia de la investigación aplicada, subraya hoy el análisis teórico de los espectros de todo tipo, desde la región de rayos X del espectro electromagnético hasta la zona de ondas radioeléctricas. También hace hincapié en la aplicación de la mecánica cuántica y la mecánica de ondas para dilucidar los principios del enlace y la estructura molecular. Se ha conseguido información importante estudiando las propiedades de las sustancias bajo condiciones de temperatura y presión extremamente altas y extremamente bajas, así como bajo la influencia de campos eléctricos, magnéticos y electromagnéticos fuertes.

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