Laboratório de Físico-química
- A físico-química é a disciplina que estuda as propriedades físicas e químicas da matéria, através da combinação de duas ciências: a física (onde se destacam áreas como a termodinâmica e a mecânica quântica ) e a química. Suas funções variam desde interpretações das escalas moleculares até observações de fenômenos macroscópicos.
Normalmente mudanças de temperatura, pressão, volume, calor, e trabalho de sistemas nos estados sólidos, líquidos e gasosos estão relacionados até com microscópicas interações moleculares e atômicas.A físico-química moderna é firmemente relacionada com a física. Importantes áreas de estudo incluem termoquímica, cinética química, química quântica, mecânica estatística e eletroquímica, que trata do estudo da eletrólise, de pilhas e baterias, e dos equilíbrios químicos que tratam dos reagentes que cooperam para se transformarem em produtos iônicos.
- A físico-química também trata das soluções e suas propriedades coligativas e fundamental para a ciência dos materiais. No fim do século XIX, o estudo dos coloides passou a constituir um novo e importante campo da físico-química.
História:
- O termo "físico-química" foi cunhado por Mikhail Lomonosov, em 1752, quando ele apresentou uma palestra intitulada "A Course in True Physical Chemistry" (em russo: «Курс истинной физической химии») diante dos estudantes da Universidade Estatal de São Petersburgo.
A físico-química moderna originou-se entre as décadas de 1860 a 1880 com trabalhos sobre termodinâmica química, 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.
- A primeira revista científica especificamente no campo da físico-química foi o jornal alemão Zeitschrift für Physikalische Chemie, fundado em 1887 por Wilhelm Ostwald e Jacobus Henricus van 't Hoff. Juntamente com Svante August Arrhenius, estas foram as principais figuras da área de físico-química no final do século 19 e início do século 20 e todos os três foram agraciados com o Prêmio Nobel de Química entre 1901-1909
Desenvolvimentos nas décadas seguintes incluem a aplicação da mecânica estatística para os sistemas químicos e trabalhos envolvendo coloides 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 20. Outros importantes aspectos da físico-química foram as descobertas em química nuclear, especialmente a separação de isótopos (antes e durante a Segunda Guerra Mundial), as descobertas mais recentes em astroquímica, bem como o desenvolvimento de algoritmos para a previsão de parâmetros físico-químicos. Praticamente todas as propriedades físico-químicas tais como ponto de ebulição, o ponto crítico, a tensão superficial, a pressão do vapor, etc - mais de 20 propriedades ao todo - podem ser calculadas com precisão a partir de estrutura química, mesmo que a molécula química seja inexistente.
Disciplinas da físico-química:
A físico-química pode ser subdividida em diversas disciplinas. Dentre estas, podem ser citadas a química quântica, a termodinâmica química, a cinética química, a mecânica estatística e a eletroquímica.
- A termodinâmica química estuda as causas e os efeitos de mudanças de temperatura, pressão e volume em sistemas químicos. Em destaque o derretimento do gelo - um exemplo de aumento de entropia.
A química quântica é um ramo da físico-química cujo foco principal é a aplicação dos conceitos da mecânica quântica a modelos físicos e experimentais de sistemas químicos. Uma das ferramentas mais usadas nestes estudos é a espectroscopia, por meio do qual a informação sobre a quantização de energia em escala molecular pode ser obtida. Os métodos espectroscópicos mais comuns são a espectroscopia de infravermelho (IR) e de ressonância magnética nuclear (RMN). Os estudos em química quântica são bastante teóricos e os trabalhos possuem grande interface com a química computacional, visando calcular as previsões da teoria quântica às espécies poliatômicas. Estes cálculos são realizados em computadores. Com estes meios, os químicos quânticos investigam aspectos envolvidos em reações química como o estado fundamental e excitado de átomos em moléculas e o estado de transição que ocorre durante as reações químicas. Os objetivos principais de química quântica incluem o aumento da exatidão dos resultados para pequenos sistemas moleculares e o processamento de moléculas de maiores dimensões, o qual é limitado por um motivo: o tempo de cálculo aumenta quanto maior for o número de átomos de uma molécula.
- Outro conjunto de questões importantes giram em torno da espontaneidade das reações químicas e e quais as propriedades de uma mistura de compostos químicos. Estes aspectos são estudados pela termodinâmica química, que prevê a possibilidade de uma reação prosseguir, a quantidade de energia que pode ser convertida em trabalho e o estudo de propriedades tais como o coeficiente de dilatação térmica, a variação de taxa de entropia de um gás ou de um líquido. A termodinâmica clássica está mais preocupada com os sistemas em equilíbrio e as mudanças reversíveis.
A ideia fundamental da cinética química é a existência de um estado de transição de energia elevada quando reagentes são convertidos em produtos, ou seja uma barreira energética. De um modo geral, quanto maior for esta barreira energética, mais lenta será a reação. A segunda idéia fundamental é de que a maioria das reações químicas ocorrem como uma sequência de reações elementares, cada uma com seu próprio estado transição. As questões principais da cinética química incluem como a velocidade de uma reação depende da temperatura e das concentrações dos reagentes e de catalisadores na mistura reacional, bem como a forma como os catalisadores e condições de reação podem ser manipuladas para otimizar a taxa de reação.
- A medida de quão rápida uma reação pode ocorrer pode ser especificada com apenas poucas amostragens da concentrações e pelo monitoramento da temperatura, ao invés de medir todas as posições e velocidades de cada molécula em uma mistura. Este é um caso especial de um outro conceito fundamental em físico-química: a mecânica estatística.A mecânica estatística estuda o comportamento de sistemas com elevado número de entidades constituintes a partir do comportamento destas entidades. Os constituintes podem ser átomos, moléculas, íons, entre outros.
A eletroquímica é um ramo da química que estuda reações químicas que ocorrem em uma solução envolvendo um eletrodo (um metal ou um semicondutor) e um condutor iônico (em geral uma solução eletrólítica), envolvendo trocas de elétrons entre o eletrodo e o eletrólito. Este campo científico abrange todos os processos químicos que envolvam transferência de elétrons entre substâncias, logo, a transformação de energia química em energia elétrica. Quando tal processo ocorre, produzindo transferência de elétrons, produzindo espontaneamente corrente elétrica quando ligado a um circuito elétrico, ou produzindo diferença de potencial entre dois pólos, é chamado de pilha ou bateria (que muitas vezes é formada de diversas células). Quando tal processo é proporcionado, induzido, pela ação de uma corrente elétrica de uma fonte externa, este processo é denominado de eletrólise.
Um dos alvos de estudo da eletroquímica, as pilhas
São dispositivos que utilizam reações de óxido-redução para geração de energia elétrica.
