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1. 개요
物理化學 / Physical Chemistry물리화학은 물리학 지식을 바탕으로 각종 화학적 현상을 설명하는 화학과 물리학의 하위 학문이다. 양자화학, 화학 통계열역학, 화학반응속도론이 주된 분야이며, 고분자화학, 표면화학, 물리유기화학, 생물리화학, 광화학, 분광학[1] 역시 물리화학의 범주에 들어간다. 즉, 물리화학은 모든 화학 분야의 기반이 되는 학문이다.
2. 물리화학? 화학물리학?
Physical Chemistry 물리화학Chemical Physics 화학물리학
화학자는 물리화학이란 이름을 선호하고 물리학자는 화학물리학이란 이름을 선호한다는 것 정도의 차이다.[2] 물리학 중점의 저널인 AIP에서는 화학물리학이라는 이름을 쓰고, 화학 중점의 저널인 JACS에서는 물리화학이라는 용어를 쓴다. RCS는 절충안인지 뭔지 Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP)라고 부른다.
현대 물리학과 화학의 경계는 점점 소멸하고 있는 추세라 둘을 구분하는 것은 거의 의미가 없다. 다만 물리화학이라는 말이 더 많이 쓰이는 편이긴 하며, 물리학보다는 화학에 더 가까운 학문으로 보는 경우가 더 많다.
3. 특징
화학 현상의 물리적 근원을 다룬다는 것은, 거시적으로 나타나는 물질의 현상을 원자, 전자, 분자, 에너지와 같은 물리학의 용어로서 설명한다는 뜻이다. 따라서 물질의 에너지 준위는 어떠한지(양자화학), 주로 중원소에서 일어나는 상대론적 효과에 의해 원소가 어떤 물리적, 화학적 성질을 갖게 되는지(상대론적 양자화학) 전자, 분자가 그러한 에너지 준위에 어떻게 분포해 있으며(통계역학), 그로 인해 화학 반응은 어떤 방향으로 일어나고(열역학), 또 그 속도와 메커니즘은 어떠한지(반응속도론)와 같은 질문이 물리화학이 근본적으로 답하고자 하는 물음이 되는 것은 자연스럽다. 그러나 물리화학이 단지 다른 화학 분야의 이론적 바탕을 제공하기 위해 존재하는 분야는 아니며, 오늘날 산업에서 쓰이는 수많은 소재와 촉매 개발을 촉진하여 인류 생활을 윤택하게 한 고마운 분야이다.또, 다른 화학 분야가 다루는 대상에 의해 정의된다면 물리화학의 제 분야는 어떤 물리적 원리와 화학 현상을 연결지을 것인지에 의해 정의된다. 예컨대, 광화학은 전자기파와 물질의 상호작용을 연구하고, 열화학은 열과의 상호작용, 전기화학은 전류와의 상호작용, 방사화학은 방사선과 물질과의 상호작용, 기계화학은 역학적 변형이나 진동, 충격과의 상호작용을 연구한다.
4. 교육
고등학교의 경우 화학1의 2단원, 화학2의 2, 3, 4단원이 여기에 해당한다.화학과, 화학공학과의 경우 전공 핵심 과목이므로 실험과 더불어 필수이며 재료공학과에서도 필수 과목이다.
특히 재료공학에서 다루는 재료의 구조 및 성질은 물리화학에 나오는 물질의 물리적 성질과 연계가 꽤 된다.
4.1. 대학교 학부과정에서의 교과목 이름
줄여서 피씨(PC)라고 부르는 학생들도 많지만워낙 수식이나 계산 문제와 씨름할 일이 많다보니 수치해석 프로그램 하나 정도는 꼭 다룰 줄 알아야 한다. 대부분 MS 엑셀이나 오리진만 제대로 쓸 줄 알아도 상당부분 커버가 되지만 그 외에 매스매티카나 MATLAB을 사용할 것을 권장하는 경우도 있다.
그래서인지 왠지 유기화학과는 상극의 속성으로 알고 있으나, 최근 유기화학도 분자 오비탈을 이용하는 경우가 늘고 있어서.
4.1.1. 교재
4.1.1.1. Peter W. Atkins
| Peter W. Atkins 12th edition |
4.1.1.2. McQuarrie physical chemistry[10]
그리고 인지도는 낮지만 흔히 빨간 벽돌책[11]이라고 부르는 McQuarrie & Simon의 Physical Chemistry: A Molecular Approach도 세계적으로 많이 쓰인다. 당장 이 두 책만 비교해봐도 알 수 있지만 물리화학 책들의 내용 배열 순서는 매우 다르고 다루는 범위도 차이가 많이 난다. 처음에 보면 그 어마어마한 두께, 흑백, 영어 때문에 한국에서는 인지도가 높을 수 없지만, 앳킨스는 이 책에 비빌 내공의 책이 아니다[12]예를들어 기체방정식 파트에서 임계점을 구하는 것을 보면 McQurrie의 접근은 가히 예술이라 할 수 있다 그밖에도 통계역학에 대한 설명도 물리적인 아이디어나 접근이 너무 좋다 이런 점에서 보면 Atkins의 서술은 나도 잘 모르지만 소개는 해둘께 하는 형식이라면 McQurrie는 이미 통달한 이의 가르침을 받는 형식이라 평할 수 있다.
연습 문제도 보면 입문자에게 친절하게 풀이과정을 거의 다 써놓고 네가 마무리해봐 하는 식이 대부분이다. 하지만 연습문제의 본질은 따로있다. 특이하게도 연습문제에 물리학적 의미라던가 심화적인 개념을 많이 녹여놨다 그소리는 연습문제를 읽는 것 만으로도 본 챕터의 부족한 설명이나 수학적 배경을 한 층 업그레이드 할 수 있다는 뜻이고 저자의 배려가 돋보인다
그리고 수학 파트는 수학이 부족한 학생에게 꽤 도움이 된다. 이 교재에서 수학 파트만 따로 수업하는 경우도 있을 정도. 아쉽게도 hartree fock method는 이해하기 쉽지 않고 열역학 부분은 Atkins에는 소개되지만 McQuarrie는 없는 내용이 더러 있다는 단점이 있다.[13]
4.1.1.3. 그외
이 외에도 위의 두 책처럼 엄청난 파괴력을 가지고 있지는 않지만 Levine[14], Engel/Reid 책도 있다. Engel/Reid 책은 집필 의도가 "앳킨스 할아버지 죽으면 내가 그 자리 먹어야지"가 아닐까 싶을 정도로 앳킨스와 유사하다. 앳킨스 쓰던 학교가 Engel/Reid로 바꾼 경우도 있을 정도. 그러나 단점으로 번역판에서 연습문제의 번역이 이상한 경우가 종종 발견되므로 원서나 솔루션이 요구된다.4.1.2. 물리화학실험
이 과목에는 실험도 병행되는데, 실험기기 의존도가 높아 유기화학이나 무기화학 실험에 비해 약품 냄새가 덜 난다. 학교마다 다르겠지만 여러가지로 분석화학 실험이나 기기분석 실험과 비슷하다. Bomb calorimeter로 열용량과 엔탈피 구하는 것은 간단하니까 많이 하며, UV-Vis를 찍기도 하고, viscosity를 측정하기도 하고, 컴퓨터 시뮬레이션을 돌리기도 한다.4.2. 대학원에서의 관련 과목
위에 열거한 각 토픽들이 독립된 클래스로 개설되는 것은 기본이며, 전체적으로 한 단계 위의 내용을 배우는 고급(advanced)물리화학, 다른 화학분야와 짬뽕시킨 물리생화학[15], 물리유기화학[16]도 있고 그 외에 각종 분광학(Spectroscopy)이라든지 양자화학, 통계열역학, 펨토초 화학, 전산 화학 등 과목 종류는 많다. 물론 이게 한 번에 다 개설될리는 없고(...) 실제로 가르칠 능력이 있는 교수가 있는지 없는지에 따라 과목 개설 여부가 결정된다.다른 화학 분야에 비해 이 물리화학을 전공으로 택하는 학생은 많지 않은 편이다. 화학과에서 물리화학을 수월하게 할 수 있을 정도로 수학 및 물리 실력이 좋은 사람의 비율이 높지 않기 때문.[17] 그리고 물리화학을 정말로 좋아하는 학생들은 물리학을 복수 전공하기도 하며, 아예 학부에서 물리학을 전공하고 화학과 대학원에 진학하여 물리화학을 공부하기도 한다.[18] 보통 물리화학을 연구하는 실험실에는 기계들이 들어차있고 화학 약품이나 실험 기구는 별로 없다. 특히 물리화학의 주요 세부 학문인 전산(계산)화학의 경우 실험실에 정말로 컴퓨터만 있고 비커가 하나도 없다.
화학의 다른 분야들과 비교했을 때 상당히 이질적으로 평가받는 관계로, 타 전공자들은 물리화학 전공자들을 P-Chem 등의 약어로 줄여 부른다.
물리화학의 응용으로 나노과학이 있다.
[1] 분광학은 분석화학 범주에도 들어간다.[2] 두 학문이 결합된 학문 이름에서는 보통 뒤에 오는 말이 주요 학문이고 앞에 오는 말은 수식어로 받아들이는 경우가 대부분이기 때문이다.[3] 분자 대칭론의 경우 무기화학 초반부에서도 가르친다. 여기에서는 분자 대칭에 따라 기저함수를 깔끔하게 정의하는 데에 주목한다.[4] 미분 방정식 포함[5] 최근에는 수리물리, 공업수학처럼 화학수학이라는 과목으로 물리화학 학습 전에 기초적인 수학을 커버하기도 한다.[6] 2020년 3월 기준 원서와 번역본 모두 12판까지 출간되었다. 900페이지 정도에 원서는 65,000원, 번역판은 48,000원 정도 한다. 왜 번역판은 항상 원서보다 값이 싼 것인가 그런데 이 가격이 비싸다고 찡찡댈 것도 아니다. 화학과 전공서적들은 대부분 북아메리카와 유럽쪽에서 판매하는 American 에디션과 이외 아시아 지역에서 판매하는 International 에디션이 따로 있다. 앳킨스의 물리화학의 경우 International 에디션은 65,000원정도 한다면 American 에디션은 $156.95, 한화로 약 19만원이다. 더구나 International 에디션은 American 에디션이 유통되는 지역에서 판매하면 불법이다 (반대는 상관없음). 아이러니한것은 일본은 International 에디션이 아닌 American 에디션을 판매한다.[7] 심지어 비 화학과라도 물리화학 시간에 앳킨스를 쓰기도 한다.[8] Atkins의 책은 특이하게 Chapter라는 말을 쓰지 않고 Topic이라고 쓴다.[9] 원서 Wavefunction[10] 일명 벽돌책[11] 참고로 이건 한국에서만 쓰는 표현은 아니다![12] Mcquarrie가 일찍 작고하는 바람에 2nd edition 이 나오지 못한 건 매우 안타깝다 덕분에 괴상한 Atkins 책이 물리화학에서 주류를 차지하는 것은 통탄할 일이다[13] 앳킨스에 소개가 되어 있다 하더라도 그책 본문을 읽어도 물리적인 본질을 모르는 것은 매 마찬가지이다[14] 이쪽은 대학원용 양자화학 책으로 유명하다. 특히 양자화학의 역사를 서술한 뒷부분은 전공자라면 반드시 필독.[15] 이 쪽은 생화학을 전공하는 학생들에게 필수로 요구하는 경우도 많다.[16] 이 쪽 역시 유기화학을 전공하는 학생들에게는 거의 필수로 요구한다.[17] 이런 재능이 있는 학생들은 주로 물리학과를 택한다.[18] 복수전공까지는 아니더라도, 몇몇 과목은 여건이 되면 물리학과 버전으로 다시 듣는 것이 많은 연구실에서 권장된다. 전산화학 전공자라면 양자역학 및 통계역학, 레이저 전공자라면 광학 정도.