Química Física

Objetivos

O objetivo fundamental desta unidade curricular é a lecionação de tópicos fundamentais em Química Física, na sequência das aprendizagens que os estudantes deverão ter adquirido nas unidades curriculares Química I e Química II, no ano letivo transato. A abordagem pretende uma visão integrada entre conceitos e leis, formalismo, intuição química e interpretação molecular do equilíbrio e das transformações químicas e físicas.

O programa inicia-se pelo estudo das propriedades dos gases — do comportamento ideal às correções para gases reais — como base quantitativa para descrever sistemas químicos. Desenvolve em seguida a Termodinâmica (Primeira e Segunda Leis, entalpia, entropia e energia de Gibbs), salientando a sua aplicação à previsão de espontaneidade e à análise de equilíbrios de fase e equilíbrio químico. O curso inclui ainda Cinética Química, abordando leis de velocidade, dependência com a temperatura e uma introdução a mecanismos de reação, permitindo relacionar equilíbrio com velocidade de transformação. Por fim, introduz Química de Superfícies e Interfaces, ligando observáveis macroscópicas a modelos moleculares e a aplicações como adsorção, molhabilidade, estabilidade coloidal e auto-organização.

Programa

Introdução a conceitos fundamentais de Química Física

Natureza da matéria, superfícies de potencial, interações entre átomos e moléculas. Distribuição de Boltzmann, distribuição de velocidades moleculares. Estados da matéria; introdução à teoria cinética dos gases. Transformações da matéria.

PARTE I — GASES E O MODELO MOLECULAR

Cap. 1 — Propriedades dos gases: ponto de partida para a Termodinâmica

Pressão, temperatura, quantidade de substância; equações de estado. Leis dos gases e equação de estado do gás ideal. Análise e interpretação de um diagrama P,V T, de um gás ideal. Misturas gasosas: lei de Dalton e pressões parciais. Modelo cinético-molecular. Gases reais: fator de compressibilidade e desvios à idealidade. Equação de van der Waals: parâmetros a e b; limites de validade. Noção de ponto crítico.

PARTE II — TERMODINÂMICA

Cap. 2 - Linguagem termodinâmica e funções de estado

Sistema e vizinhança; variáveis intensivas eextensivas. Função de estado vs. função de caminho. Processos reversíveis e irreversíveis. Noção de variação infinitesimal de uma variável termodinâmica.

Cap. 3 – Lei Zero e Primeira Lei: temperatura, energia, calor e trabalho

Equilíbrio térmico e escalas de temperatura; definição estatística de temperatura. Escala de temperatura termodinâmica. Trabalho, calor e princípio da conservação da energia. Trabalho de expansão e compressão de um gás. Energia interna e entalpia. Dependência da energia interna e entalpia e com V, p e T. Aplicações da primeira lei da termodinâmica. Entalpia de reação, estado padrão e entalpias de formação padrão. Lei de Hess. Calorimetria. Capacidade calorífica; aplicações da capacidade calorífica a pressão constante e volume constante.

Cap. 4 – Segunda e Terceira Leis: entropia, energia de Gibbs e espontaneidade

Definição e descrição da Segunda Lei da Termodinâmica: entropia; desigualdade de Clausius e espontaneidade. Definição estatística de entropia; visão molecular. Entropia total (sistema e vizinhança). Cálculos básicos de variações de entropia: aquecimento, transições de fase, expansões simples. Terceira Lei e entropia absoluta. Concentrando no sistema: energia de Gibbs e energia de Helmholtz. Energia de Gibbs padrão. Propriedades da energia de Gibbs. Potencial químico e fugacidade. Equilíbrio químico e estado de equilíbrio.

Cap. 5 – Transformações físicas em substâncias puras e misturas

Estabilidade de fases. Regra das fases de Gibbs. Diagramas de fase de substâncias puras. Aspetos termodinâmicos de transições de fase. Misturas simples: quantidades molares parciais; termodinâmica de misturas; potencial químico de líquidos. Propriedades de soluções (misturas líquidas; propriedades coligativas). Diagramas de fase de sistemas binários: diagramas de pressão de vapor; temperatura-composição; líquido-líquido; sólido-líquido. Atividades de soluto e solvente; atividades de iões em solução.

Cap. 6 – Transformações químicas e equilíbrio químico

Equilíbrio químico e sua descrição. Constante de equilíbrio: o mínimo de energia de Gibbs, equilíbrio de gases ideais e caso geral de uma reação. Interpretação molecular da constante de equilíbrio. Resposta do equilíbrio químico às condições - temperatura e pressão. Noção de atividade e coeficiente de atividade. Equilíbrio eletroquímico – aspetos termodinâmicos. Células eletroquímicas e potenciais de elétrodo.

PARTE III — CINÉTICA QUÍMICA

Cap. 7 - Leis de velocidade de reações químicas e suas aplicações

Definição de velocidade de uma reação química. Leis de velocidade; ordem de reação; constante cinética ou velocidade específica de uma reação. Determinação experimental de leis de velocidade: método das velocidades iniciais. Leis integradas de ordem zero, um e dois; tempo de meia-vida. Linearização e tratamento de dados. Cinética de pseudo-primeira ordem.

Cap. 8 - Efeito da temperatura, mecanismos e dinâmica reacionais

Dependência da velocidade de uma reação química com a temperatura: equação de Arrhenius e sua interpretação; efeito de uma catalisador. Mecanismos de reações química: etapas elementares; aproximação do estado estacionário; aproximação da etapa determinante da velocidade; pré-equilíbrio. Dinâmica reacional: teoria das colisões; reações limitadas por difusão; teoria do estado de transição - equação de Eyring e aspetos termodinâmicos.

PARTE IV — QUÍMICA DE SUPERFÍCIES

Cap. 9 - Interfaces, adsorção e coloides

Interface e energia de Gibbs superficial. Tensão superficial: significado e consequências. Curvatura e pressão de Laplace; capilaridade. Molhabilidade e ângulo de contacto (equação de Young). Adsorção: fisisorção vs quimissorção. Isotérmicas de adsorção (Freundlich, Langmuir; BET). Introdução aos colóides, tensioativos e processos de auto-organização.