물리화학

2. 분야

물리화학은 물질의 물리적 원리와 화학적 현상을 연결하는 학문으로, 매우 광범위한 연구 분야를 포괄한다. 주요 연구 분야는 다음과 같다.

• 계면화학 (표면화학): 물질 표면 및 계면 현상 연구^[27]
• 고체화학: 고체 물질의 구조, 성질, 반응 연구
• 화학 반응 속도론 (반응속도론): 화학 반응 속도 및 메커니즘 연구^[7]
• 복사화학: 고에너지 방사선과 물질의 상호작용 연구
• 양자화학: 양자역학 원리의 화학적 적용^{[2][14][23][24]}
• 화학 열역학 (열역학, 열화학): 화학 반응에서의 에너지 변화 연구^[4][28]
• 입체화학: 분자의 3차원 구조와 성질 연구
• 핵화학: 원자핵 반응 관련 화학 현상 연구
• 분광학 (분광법): 물질과 빛의 상호작용 분석^[25][26]
• 통계 역학: 미시적 상태로부터 거시적 성질 예측^[8][5][16]
• 전기화학: 화학 반응과 전기 에너지 변환 연구^[22]
• 광화학: 빛에 의한 화학 반응 연구
• 생물물리화학: 생명 현상의 물리화학적 이해
• 재료과학: 물질의 구조-성질-공정-성능 관계 연구
• 물리유기화학: 유기 반응의 물리화학적 해석
• 미립자학: 미세 입자의 물리화학적 특성 연구
• 계산화학: 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 화학 문제 해결^[29][30]

2. 1. 주요 분야

• 양자화학: 양자역학을 화학 문제에 적용하여 분자 내 전자의 분포를 분석하고, 이를 통해 분자의 구조, 결합의 강도와 모양, 화학적 성질을 설명한다.^{[2][3][14][23][24]} 또한 물질이 빛을 흡수하거나 방출하는 원리를 밝히며, 분광학과 밀접한 관련이 있다.^[3]
• 화학 열역학 (열화학): 화학 반응에서 발생하는 에너지 변화를 다루며, 어떤 반응이 자발적으로 일어날 수 있는지, 온도와 압력이 반응 평형에 미치는 영향 등을 연구한다.^[4][28] 이를 통해 반응의 진행 가능 범위나 에너지 변환 효율의 한계를 설정하고, 여러 열역학적 특성 간의 관계를 규명한다.^[4][5]
• 화학 반응 속도론: 화학 반응이 얼마나 빠르게 일어나는지를 연구한다. 반응이 일어나기 위해 거쳐야 하는 전이 상태의 에너지 장벽, 반응 메커니즘, 온도, 농도, 촉매 등이 반응 속도에 미치는 영향을 분석하고 반응 속도를 최적화하는 방법을 탐구한다.^[6][7]
• 통계 역학: 매우 많은 수의 입자(원자, 분자 등)로 이루어진 계의 거시적 특성(압력, 온도 등)을 개별 입자의 미시적 상태와 분자적 특성으로부터 설명하고 예측한다.^[8][5]
• 계면화학 (표면화학): 물질의 표면이나 서로 다른 상(phase) 사이의 경계면에서 일어나는 화학 현상과 그 특성을 연구한다.^[27]
• 고체화학: 고체 물질의 조성, 구조뿐 아니라 고체 내부 및 고체 사이에서 일어나는 변화를 연구한다.
• 전기화학: 화학 반응과 전기 에너지 사이의 상호 변환 및 관련 현상을 연구한다.^[22]
• 광화학: 빛 에너지가 관여하는 화학 반응, 즉 빛을 흡수하여 일어나는 화학적 변화를 연구한다.
• 분광학: 물질과 전자기 복사(빛)의 상호 작용을 측정하고 분석하여 분자의 구조, 에너지 준위, 농도 등을 알아내는 방법을 연구한다.^[3][25][26]
• 입체화학: 분자 내 원자들의 3차원적 배열 상태(입체 구조)와 그 구조가 분자의 물리적, 화학적 성질에 미치는 영향을 연구한다.
• 핵화학: 원자핵의 변환(핵반응, 방사성 붕괴 등)과 관련된 화학적 현상을 연구하며, 화학적 기술을 핵 연구에 응용한다.
• 복사화학: 고에너지 방사선(엑스선, 감마선, 전자선 등)이 물질과 상호작용하여 일으키는 화학적 변화를 연구한다.
• 생물물리화학: 생명 현상을 분자 수준에서 이해하기 위해 물리화학적 원리와 방법을 생체 분자 및 생물 시스템에 적용하여 연구한다.
• 재료과학: 물질의 구조, 성질, 가공 공정, 성능 사이의 관계를 탐구하여 새로운 기능성 재료를 설계하고 개발하는 학문 분야와 밀접한 관련이 있다.
• 물리유기화학: 유기 화합물의 구조와 반응성을 물리화학적인 원리와 방법론을 통해 해석하고 이해하려는 분야이다.
• 미립자학: 나노미터에서 마이크로미터 크기의 미세 입자들의 물리화학적 특성과 거동을 연구한다.
• 계산화학: 컴퓨터 시뮬레이션과 계산 기법을 이용하여 분자의 구조, 성질, 반응 등을 이론적으로 예측하고 분석한다.^[29][30] 주요 방법론은 다음과 같다.
• 분자동역학법: 원자 및 분자들의 시간에 따른 움직임을 컴퓨터로 시뮬레이션하여 거시적인 물리량을 계산한다.^[31][32]
• 분자궤도법: 양자화학의 근사법 중 하나로, 분자 내 전자가 특정 원자에 속박되지 않고 분자 전체에 걸쳐 형성된 분자 궤도에 분포한다고 보고 분자의 전자 상태와 성질을 기술한다.^[14][33]

2. 2. 기타 분야

• 계면화학 또는 표면화학: 화학물질의 표면이나 계면(서로 다른 상이 만나는 경계)의 물리화학적 특성을 연구한다.^[27]
• 고체화학: 고체 물질의 구조, 성질, 합성과 반응 등을 다룬다. 고체 내부 및 고체 간의 상호작용도 연구 대상이다.
• 반응속도론 또는 화학 반응 속도론: 화학 반응이 얼마나 빠르게 일어나는지를 연구한다.^[7] 반응 속도에 영향을 미치는 요인(온도, 농도, 촉매 등)을 분석하고, 반응 경로와 메커니즘을 밝히며, 반응 속도를 조절하고 최적화하는 방법을 탐구한다. 반응은 대부분 전이 상태라는 에너지 장벽을 넘어야 진행되는데, 이 장벽의 높이가 반응 속도를 결정하는 중요한 요소이다.^[6]
• 복사화학: 높은 에너지를 가진 방사선이 물질과 상호작용하여 일으키는 화학적 변화를 연구한다.
• 양자화학: 양자역학의 원리를 화학 문제에 적용하여 원자와 분자의 구조, 결합, 반응성을 설명하고 예측한다.^{[2][14][23][24]} 분자 내 전자의 분포와 에너지 상태를 계산하여 분자의 성질(결합 강도, 분자 구조, 분광학적 특성 등)을 이해하는 데 중점을 둔다.^[3] 계산화학의 중요한 부분을 차지한다.
• 열역학 또는 화학 열역학, 열화학: 화학 반응 및 물리적 변화 과정에서 에너지(열, 일)의 출입과 변환을 다룬다.^[4][28] 반응의 자발성, 평형 상태, 상 변화 등을 에너지 개념으로 설명하고, 온도나 압력 같은 조건 변화가 화학계에 미치는 영향을 예측한다. 엔트로피, 엔탈피, 자유 에너지 등이 주요 개념이다.
• 입체화학: 분자를 구성하는 원자들의 3차원적인 공간 배열과 그 배열이 분자의 물리화학적 성질에 미치는 영향을 연구한다.
• 핵화학: 원자핵의 구조, 핵반응, 방사성 붕괴 등 원자핵과 관련된 현상을 화학적 관점에서 연구하고 응용한다.
• 분광학 또는 분광법: 물질과 전자기 복사(빛)의 상호작용을 연구하여 물질의 구조, 조성, 성질을 분석하는 학문이다.^[25][26] 흡수, 방출, 산란되는 빛의 스펙트럼을 분석하여 분자 수준의 정보를 얻는다.
• 전기화학: 화학 반응과 전기 에너지 사이의 상호 변환을 다룬다.^[22] 전지, 연료전지, 전기분해, 부식 등 전자가 이동하는 산화-환원 반응을 중심으로 연구한다.
• 광화학: 빛 에너지를 흡수한 분자가 일으키는 화학 반응을 연구한다. 광합성, 사진 기술, 광촉매 등이 관련 분야이다.
• 통계역학: 미시적인 분자들의 행동으로부터 거시적인 물질의 열역학적 성질(압력, 온도, 엔트로피 등)을 설명하고 예측하는 이론적 틀을 제공한다.^[8][5][16] 많은 수의 입자로 이루어진 계의 평균적인 행동을 통계적인 방법을 이용하여 다룬다.
• 생물물리화학: 생명 현상을 물리화학적인 원리와 방법으로 이해하려는 분야이다. 단백질 구조, 효소 반응, 생체막 기능 등을 연구한다.
• 재료과학: 물질의 구조, 성질, 가공 과정, 성능 사이의 관계를 연구하여 새로운 기능성 재료를 개발하고 응용하는 학문이다. 물리화학은 재료의 특성을 이해하고 설계하는 데 기초를 제공한다.
• 물리유기화학: 유기화학 반응의 메커니즘과 유기 분자의 구조-성질 관계를 물리화학적인 원리와 기법을 이용하여 연구한다.
• 미립자학: 미세한 입자(콜로이드, 에어로졸 등)의 물리화학적 성질과 거동을 연구한다.
• 계산화학: 컴퓨터를 이용하여 화학 문제를 이론적으로 계산하고 시뮬레이션하는 분야이다.^[29][30] 양자화학 계산을 통해 분자의 전자 구조와 성질을 예측하거나(^[14][33] 분자궤도법), 분자들의 움직임을 시뮬레이션하여 반응 동역학이나 물질의 거시적 성질을 예측한다(분자동역학법^[31][32]).

3. 역사

"물리화학"이라는 용어는 1752년 미하일 로모노소프(Mikhail Lomonosov)가 상트페테르부르크 대학교 학생들에게 Курс истинной физической химии|쿠르스 이스찐노이 피지체스코이 히미이^ru("진정한 물리화학 강의")라는 제목의 강의를 하면서 처음 사용했다.^[9] 이 강의 서문에서 그는 다음과 같이 정의했다. "물리화학은 물리적 실험의 조건 하에서 화학적 조작을 통해 복잡한 물질에서 일어나는 현상의 원인을 설명해야 하는 과학이다."

현대 물리화학은 1860년대부터 1880년대에 걸쳐 화학열역학, 용액 속의 전해질, 화학반응속도론 등을 연구하면서 시작되었다. 중요한 이정표 중 하나는 1876년 조시아 윌러드 기브스(Josiah Willard Gibbs)가 발표한 논문 "이종 물질의 평형에 관하여"이다. 이 논문은 깁스 에너지, 화학퍼텐셜, 깁스의 상규칙 등 물리화학의 여러 기초 개념을 소개했다.^[10]

물리화학 분야의 최초의 과학 저널은 1887년 빌헬름 오스트발트(Wilhelm Ostwald)와 야코뷔스 헨리쿠스 반트 호프(Jacobus Henricus van 't Hoff)가 창간한 독일어 저널인 ''Zeitschrift für Physikalische Chemie''였다. 스반테 아우구스트 아레니우스(Svante August Arrhenius)^[11]와 함께 이들은 19세기 후반과 20세기 초 물리화학 분야를 이끈 선구자들이었다. 이 세 사람 모두 1901년부터 1909년 사이에 노벨 화학상을 수상했다.

그 후 수십 년 동안의 발전에는 통계역학을 화학계에 적용하고, 콜로이드와 표면화학에 대한 연구(여기서 어빙 랭뮤어(Irving Langmuir)가 많은 공헌을 했다)가 포함된다. 또 다른 중요한 발전은 1930년대부터 양자역학이 양자화학으로 발전한 것이며, 여기서 라이너스 폴링(Linus Pauling)이 선도적인 인물 중 한 명이었다. 이론적 발전은 분광법의 다양한 형태(예: 적외선 분광법, 마이크로파 분광법, 전자상자성 공명, 핵자기 공명 분광법)의 사용이 아마도 20세기 가장 중요한 발전일 실험 방법의 발전과 함께 이루어졌다.

물리화학의 추가적인 발전은 특히 동위원소 분리(제2차 세계 대전 전후)에서의 핵화학의 발견, 최근의 우주화학^[12]의 발견, 그리고 "첨가적 물리화학적 특성" 분야의 계산 알고리즘의 개발(끓는점, 임계점, 표면 장력, 증기압 등 20가지 이상의 거의 모든 물리화학적 특성은 화학 분자의 합성 여부와 상관없이 화학 구조만으로 정확하게 계산할 수 있다)에 기인할 수 있으며, 여기에 현대 물리화학의 실용적 중요성이 있다.

관련된 방법론으로는 군 기여 방법, 리더센 방법, 조백 방법, 벤슨 군 증분 이론, 정량적 구조-활성 상관 관계 등이 있다.