物理化学（ぶつりかがく, Physical chemistry）は、化学の対象である物質、あるいはその基本的な構成をなしている化合物や分子などについて、物理学的な手法で研究する科学領域である。
ルドルフ・クラウジウスによってカロリック説が完全に否定され、熱力学が生まれた。熱力学は気体や溶液のふるまい、化学反応のエネルギーを系統立てて説明することに成功した。ルートヴィッヒ・ボルツマンらにより統計力学が生まれた。統計力学は分子や原子の振る舞いの集合として熱力学を説明するものであった。これらは、反応速度論を主に扱い、20世紀後半からは量子力学をもとにして化学結合や分子の電子状態などを扱う量子化学が発展してきた。これによって結合エネルギーなどを系統立てて説明できるようになった。
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