ФІЗИЧНА ХІМІЯ

ФІЗИЧНА ХІМІЯ — наука про загальні закони, які визначають будову та хімічні перетворення речовин за різних зовнішніх умов. Досліджує хімічні явища за допомогою теоретичних і експериментальних методів фізики.

Основоположником Ф.х. є М.В. Ломоносов, який увів термін Ф.х., дав визначення цієї науки і вперше у світі в 1752 р. прочитав курс Ф.х. студентам Академії наук. Паралельно проводилися практичні заняття й виконувалися дипломні роботи. Аналогічний практикум у Лібіха запровадили лише в 1825 р. М.В. Ломоносов виконав численні дослідження з Ф.х., відкрив закон збереження й перетворення енергії, закон збереження матерії, розробив кінетичну теорію теплоти, вивчав властивості газів і розчинів. На жаль, дослідження М.В. Ломоносова були маловідомі й не змогли відіграти належної ролі у розвитку науки, можливо, саме тому протягом цілого століття Ф.х. не перетворилася на самостійну науку. Тільки наприкінці ХVІІІ — на початку ХІХ ст. у ряді країн були проведені важливі дослідження, які мали велике значення для розвитку Ф.х. Було відкрито явище адсорбції (К.В. Шееле, Т.Є. Ловіц, 1785), досліджені теплові ефекти реакцій (А.Л. Лавуаз’є, П.С. Лаплас, 1779–1784), каталітичні процеси (Г. Деві, Й.Я. Берцеліус, 1835), сформульовані закони електролізу (М. Фарадей, 1830). Російський учений Р. Гесс відкрив основний закон термохімії (1840). У середині ХІХ ст. для розвитку Ф.х. велику роль відіграло обґрунтування основних законів термодинаміки (H.Л.С. Карно, Г. Гельмгольц, P. Клаузіус, У. Томсон), законів рівноваги (М.М. Бекетов, К. Гульдберг і П. Вааге, Дж. Гіббс). Після М.В. Ломоносова читання лекцій з Ф.х. було вперше відновлено М.М. Бекетовим, який з 1860 р. почав читати курс Ф.х. у Харківському університеті, а згодом (1864) відкрив у цьому університеті фізико-хімічне відділення.

Для розвитку Ф.х. надзвичайне значення мали роботи Д.І. Менделєєва і, перш за все, відкриття періодичного закону (1869), який став основою для вивчення будови атома, атомних спектрів, систематизації властивостей хімічних елементів та їх сполук. Д.І. Менделєєв створив гідратну теорію розчинів, увів універсальну газову сталу, встановив існування критичної температури (абсолютної Ткип рідини). Наприкінці ХІХ ст. Ф.х. бурхливо розвивається й остаточно формується в самостійну дисципліну. Цьому сприяли видатні роботи Дж. Гіббса (термодинаміка рівноваги), Я.Х. Вант-Гоффа (фізична теорія розчинів), С.А. Арреніуса (теорія електролітичної дисоціації), В.Г. Нернста (електрохімія). У 1887 р. в Лейпцизькому університеті була створена перша кафедра Ф.х. на чолі з Оствальдом, на якій працювали Я.Х. Вант-Гофф, С.А. Арреніус, В.Г. Нернст. У ХХ ст. Ф.х. швидко розвивається завдяки створенню нових експериментальних методів, одержанню глибокого вакууму, високих тисків і низьких температур, застосуванню електроніки, радіотехніки і автоматики. На початку ХХ ст. створені ядерна модель атома (Е. Резерфорд, 1911), кількісна теорія атома водню (Н.Х.Д. Бор, 1913), сформульована теплова теорема (В.Г. Нернст, 1906). До великих досягнень ХХ ст. належать теорія розчинів сильних електролітів (П.Й.В. Дебай і В. Гюккель, 1923) і теорія ланцюгових реацій (М.М. Семенов, 1934).

Ф.х. є основним теоретичним фундаментом сучасної хімії, що спирається на такі важливі розділи фізики, як квантова механіка, статична фізика і термодинаміка, нелінійна динаміка, теорія поля тощо. Сучасному етапу розвитку Ф.х. притаманні поглиблений аналіз загальних закономірностей хімічних перетворень на молекулярному рівні, широке використання математичного моделювання, вивчення надшвидких процесів, способів накопичення енергії в хімічних речовинах та ін. Закони, методи Ф.х. мають велике значення для багатьох галузей науки і техніки, зокрема, медицини, біології, фармації, геології, металургії, сільського господарства, харчової й текстильної промисловості та ін.

Ф.х. підрозділяють на декілька основних розділів.

Будова речовини. У цьому розділі узагальнюють експериментальний матеріал, одержаний при використанні таких фізичних методів, як молекулярна спектроскопія, електронографія, нейтронографія, методи на основі магнітооптичних ефектів тощо. Ці методи дозволяють одержати дані про структуру сполук. Структура сполуки визначає її біологічну активність. Тому встановлення структури БАР зазначеними методами має важливе значення для фармації. Важливим джерелом інформації про будову молекул є квантовохімічні розрахунки. Вони дозволяють не тільки встановити кореляцію між характеристиками молекул, які утворюють речовину, і властивостями цієї речовини, але й прогнозувати будову сполук з певними властивостями, що має велике значення для пошуку БАР.

Хімічна термодинаміка. На основі законів загальної термодинаміки вивчається взаємоперетворення різних видів енергії в хімічних та фізико-хімічних процесах, а також вплив зовнішніх умов на напрямок і межу перебігу самодовільних процесів. Хімічна термодинаміка має важливе значення для теорії та практики фармації. Закони термохімії можна використовувати при дослідженні енергетичних змін, що відбуваються в організмі під дією різних лікарських речовин. Оскільки зміна енергії не залежить від самого процесу, немає необхідності знати дійсний механізм реакції, яка відбувається в живих клітинах. Цю реакцію можна моделювати. Моделювання фізіологічних процесів здійснюється при температурі, що відрізняється від температури організму людини. Виявлені при цьому зміни енергії за допомогою термодинамічних рівнянь легко перерахувати щодо реальних умов. Другий закон термодинаміки дозволяє передбачити напрямок перебігу реакції в організмі за участю лікарської речовини. Цей же закон лежить в основі таких явищ, як адсорбція, екстракція, змочування, важливих для життєдіяльності людського організму, тісно пов’язаних з механізмом дії лікарських речовин. Теорія хімічної рівноваги дозволяє прогнозувати шляхи максимального виходу синтезованих лікарських речовин.

Фазові рівноваги. Це вчення про рівноваги в гетерогенних системах. Побудова фазових діаграм використовується у фармації для ідентифікації та визначення ступеня чистоти лікарських речовин, для підбору основ супозиторіїв, вирішення питання про сумісність лікарських речовин.

Розчини. Метою теорії розчинів є пояснення й передбачення властивостей розчинів на основі властивостей речовин, які входять до їх складу. Для цього вивчають молекулярну структуру розчинів і різні їх властивості залежно від складу. Розчини належать до найбільш поширених лікарських форм. Тому вивчення розчинів важливе для засвоєння правил їх приготування, зберігання, стандартизації та застосування.

Електрохімія. Вивчає властивості розчинів електролітів, електричну провідність, хімічного джерела струму, електроліз. У фармацевтичному аналізі широко використовуються електрохімічні методи: кондуктометричний, потенціометричний, полярографічний, амперометричний. Одним із перспективних напрямків електрохімії є біоелектрохімія, предметом дослідження якої є основні біологічні процеси, такі, як іонний транспорт, біологічна трансформація енергії та ін. Вивчення таких явищ має велике значення для розуміння механізмів перетворення енергії, перенесення електронів, іонів у живих організмах, що, у свою чергу, відіграє важливу роль у дослідженнях механізму дії лікарських речовин.

Хімічна кінетика і каталіз. Розділ Ф.х., в якому вивчають швидкості й механізми хімічних перетворень, а також фактори, які на них впливають. Велике значення має кінетика для фармації. Дослідження залежності швидкості реакції від різних факторів дає можливість інтенсифікувати технологічні процеси фармацевтичних виробництв. Експериментальне вивчення впливу температури та інших параметрів на швидкість розкладу БАР дозволяє науково обґрунтовувати і визначати терміни придатності ЛП, знаходити фактори, які сприяють їх стійкості, обирати раціональну технологію виготовлення. Знання кінетичних законів хімічних процесів лежить в основі оптимізації пошуку БАР, тому що дає можливість вивчати реакційну здатність, установлювати механізми хімічної взаємодії і, таким чином, обирати оптимальні умови синтезу й аналізу. Фармакокінетичні дослідження, пов’язані з вивченням швидкості засвоєння й виведення ліків з організму, дозволяють інтерпретувати механізми їх фізіологічної дії. Учення про каталіз дуже важливе для біології й фармації. Швидкість усіх біохімічних процесів регулюється біологічними каталізаторами — ферментами. Каталізатори застосовують у виробництві лікарських речовин. Широко використовують у фармацевтичній практиці ферменти. Вчення про каталіз має важливе значення для розуміння більшості біологічних процесів на молекулярному рівні.

Поверхневі явища. Поверхневими називають явища, які відбуваються на межі поділу фаз. Найважливішим з них є адсорбція. Поверхневі явища мають важливе значення для технології ліків (виробництва, очищення, вибору умов зберігання), для встановлення механізму дії лікарської речовини.

Евстратова К.И., Купина Н.А., Малахова Е.Е. Физическая и коллоидная химия. — М., 1990; Фізична і колоїдна хімія / В.І. Кабачний, Л.К. Осіпенко, Л.Д. Грицан та ін. — Х., 1999; Химическая энциклопедия: В 5 т. — М., 1990. — Т. 5.