O termo físico-química surgiu pela 1a vez em 1752, graças ao russo Mikhail Lomonosov, quando apresentou uma palestra intitulada “A Course in True Physical Chemistry” a estudantes da Universidade de São Petersburgo.
A físico-química moderna originou-se entre as décadas de 1860 a 1880 com trabalhos sobre termodinâmica química (lembra-se da lei ou expressão da ação das massas e dos princípios de Le Châtelier…), eletrólitos em soluções, cinética química entre outros assuntos. O marco foi a publicação em 1876 por Josiah Willard Gibbs de seu artigo, sobre o equilíbrio de substâncias heterogêneas. Este artigo apresentou vários dos pilares da físico-química, como a energia livre de Gibbs, os potenciais químicos e a regra das fases de Gibbs. Outros marcos incluem a introdução dos termos entalpia por Heike Kamerlingh Onnes e processos macromoleculares.
Wilhelm Ostwald, Jacobus Henricus van ‘t Hoff e Svante Arrhenius foram as principais figuras da área de físico-química no final do século XIX e início do XX, e todos eles foram agraciados com o Nobel de Química entre 1901 e 1909.
Desenvolvimentos nas décadas seguintes incluem a aplicação da mecânica estatística para os sistemas químicos e trabalhos envolvendo colóides e química de superfície, onde Irving Langmuir teve muitas contribuições. Outro passo importante foi o desenvolvimento da mecânica quântica, originando a química quântica a partir de 1930, onde Linus Pauling foi um dos principais nomes. Desenvolvimentos teóricos andaram de mãos dadas com a evolução dos métodos experimentais, onde o uso de diferentes formas de espectroscopia, como espectroscopia de infravermelho, espectroscopia rotacional, espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica e espectroscopia de ressonância magnética nuclear são considerados as principais ferramentas desenvolvidas no século XX. Outros importantes aspectos da físico-química foram as descobertas em química nuclear, especialmente a separação de isótopos, as descobertas recentes em astroquímica e o desenvolvimento de algoritmos para previsão de parâmetros físico-químicos. Praticamente todas as propriedades como ponto de ebulição, ponto crítico, tensão superficial, pressão do vapor… podem ser calculadas a partir de estruturas químicas, mesmo que a molécula não exista.
Na figura, o ritual de andar descalço sobre brasas no Sri Lanka (esquerda) e na Flórica (direita).
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Pesquisas de Química 
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