Fizikinė chemija tiria chemines reakcijas, įskaitant labai greitas, jų kinetiką ir energijos kaupimąsi cheminėse medžiagose.
Svarbiausi teoriniai fizikinės chemijos metodai yra termodinaminis ir kinetinis. Termodinaminiais metodais, remiantis energijos ir entropijos kitimais, apskaičiuojama cheminių reakcijų pusiausvyra. Kinetiniu, arba statistiniu, metodu, tiriant atskirų dalelių judėjimą, nustatant jų susidūrimų skaičių ir greitį, tiriama dalelių cheminė sąveika ir sistemoje vykstantys procesai. Remiantis tikimybių teorijos dėsniais, nagrinėjami elementarieji cheminiai vyksmai, įskaitant jų mechanizmą ir greitį.
Fizikinės chemijos metodai remiasi chemine ir fizikine analize. Naudojamasi daugiausia fizikiniais (rentgenine struktūros analize, spektroskopija, branduolių magnetiniu rezonansu, elektronų paramagnetiniu rezonansu) ir matematiniais (matematinio modeliavimo) metodais.
Pagal nagrinėjamas daleles skiriamos dvi fizikinės chemijos kryptys. Vienos jų, dar vadinamos chemine fizika, nagrinėjančios molekulinių sistemų sandarą ir savybes, relaksaciją, energijos pernašą, tyrimai pagrįsti atomo fizikos ir kvantinės molekulių teorijos principais. Kita kryptis, nagrinėjanti sistemą sudarančias daleles kaip visumą, grindžiama statistikos dėsniais.
Fizikinė chemija pradėjo kurtis 18 a. viduryje, kaip savarankiškas mokslas susiformavo 19 a. pabaigoje-20 a. pradžioje. Pirmąją fizikinės chemijos katedrą 1887 Leipcige įkūrė W. Ostwaldas.
J. W. Gibbsas, J. H. van’t Hoffas, W. H. Nernstas ir Gustavas Heinrichas Johannas Apollonas Tammannas (Vokietija), Henryʼis Louis Le Chatelier (Prancūcija), N. Kurnakovas atliko svarbių darbų iš cheminės ir fazių pusiausvyros termodinamikos, Catas Maximilianas Guldbergas ir Peteris Waage (abu Norvegija), Nikolajus Beketovas (Rusija) - makroskopinės kinetikos tyrimų. Vėliau plėtota katalizės teorija, kurios pradininkas yra M. Faraday, sukurta tirpalų termodinamikos teorija (F.-M. Raoult’is), elektrolitinės disociacijos teorija (J. H. van’t Hoffas; Dmitrijus Konovalovas, Rusija).
20 a. pradžioje susikūrus kvantinei mechanikai pradėjo plėtotis kvantinė chemija. 20 a. 6-7 dešimtmetyje naujausiais metodais tirtos molekulių, jonų, radikalų savybės, įvairių medžiagų disociacija, jonizacija, fotojonizacija, reakcijos, vykstančios elektros išlydžio metu, procesai žemos temperatūros plazmoje (plazmochemija), paviršinių reiškinių įtaka kietųjų kūnų savybėms, plėtota polimerų fizikinė chemija, dujų elektrochemija. Fizikinės chemijos tyrimų (elektrolizės ir fotochemijos) pradininkas yra Th. von Grotthussas.
1922 Vilniaus universitete įkurta fizikinės chemijos katedra (vedėjas E. Bekeris), 1925 Lietuvos universitete V. Čepinskis įkūrė Fizikinės chemijos ir elektrochemijos katedrą. Buvo tiriama tirpalų elektrolizė, cheminių reakcijų kinetika, fotocheminės reakcijos, koloidiniai tirpalai. Po II pasaulinio karo svarbiausiais fizikinės chemijos tyrimų centrais tapo Vilniaus universitetas, Kauno technologijos universitetas ir Chemijos institutas (nuo 2010 Fizinių ir technologijos mokslų centras).
Fizikinė kinetika
Fizikinė kinetika yra teorinės fizikos šaka, tirianti nepusiausvirąsias makroskopines sistemas. Ji skirstoma į termodinaminę (nepusiausvirųjų vyksmų termodinamika) ir statistinę fizikinę kinetiką.
Pagrindinis statistinės fizikinės kinetikos uždavinys - rasti sistemos mikroskopinių būsenų pasiskirstymo funkciją (mikroskopinės būsenos tikimybę). Šią funkciją nusako kinetinės lygtys (pvz., Boltzmanno kinetinė lygtis), kurios sudaromos atsižvelgiant į sistemos sandaros ir dalelių sąveikos mikroskopinius modelius bei išorines sąlygas ir būna sudėtingos. Todėl randama tik apytikslė pasiskirstymo funkcijos išraiška.
Žinant pasiskirstymo funkciją galima apskaičiuoti nepusiausvirosios sistemos charakteristikas, pvz., kinetinius ir pernašos koeficientus (elektrinį ir šiluminį laidį, klampą, difuzijos koeficientą ir kita), dalelių ir pernašos srautų tankius, nustatyti jų priklausomybę nuo laiko.