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Base para a  Físico-Química

Conteúdo deste artigo: 

bullet A Estrutura da Físico-Química
bullet O Conceito de Matéria
bulletA Energia
bullet Contribuições Para a Energia
bullet A Quantização da Energia
bulletA Energia dos Objetos Materiais
bulletA Energia dos Campos Eletromagnéticos

A Estrutura da Físico-Química

As observações que a físico-química organiza e explica são sintetizadas pelas leis científicas. Uma lei é um resumo da experiência. Assim, existem, por exemplo, as leis da termodinâmica, que são sumários das relações entre determinadas propriedades e particularmente observações das transformações da energia. Também existem as leis da mecânica quântica, que relacionam observações do comportamento individual de cada partícula, das moléculas, átomos e partículas subatômicas. O primeiro passo para se estabelecer uma lei é propor uma hipótese, que é essencialmente um palpite baseado em conceitos mais fundamentais. A hipótese atômica de Dalton, que propôs-se a determinar as leis que regem a composição dos átomos, é um exemplo. Quando uma hipótese prova-se estável, talvez como resultado da obtenção de sucesso em experimentos que inspirou ou por formulações mais elaboradas (também em termos matemáticos), pode ser colocada em um contexto científico mais abrangente, e promovida ao status de teoria. Existe um grande número de teorias físico-químicas, como as de equilíbrio químico, estrutura atômica e velocidades de reação.

Uma característica da físico-química (assim como em outras áreas da ciência) é que, para desenvolver teorias, adotam-se modelos do sistema que se procura descrever. Um modelo é um versão simplificada do sistema que se foca na essência de um problema. Uma vez que um modelo foi construído com sucesso e testado contra observações conhecidas e vários experimentos, pode tornar-se mais sofisticado e incorporar algumas das complicações que o modelo original ignorava. Assim, os modelos fornecem as observações iniciais para discussão, e a realidade é capturada conforme a construção do modelo é completada. Um exemplo é o modelo cinético dos gases, onde um gás é tratado como um conjunto de moléculas em movimento incessante e aleatório. Outro exemplo é o modelo nuclear dos átomos e em particular do átomo de hidrogênio, que é usado como base para a discussão da estrutura de todos os demais. Um terceiro exemplo muito importante é a idéia de gás perfeito, que é um modelo idealizado do estado gasoso da matéria. Esse modelo, que é também o ponto de partida para discussão dos gases reais, é a base de muitas expressões termodinâmicas.

Também é conveniente preservar a forma das equações matemáticas desenvolvidas na base de um modelo simples em qualquer desenvolvimento posterior. A vantagem de tal procedimento é que a aparência de várias equações é preservada e elas tornam-se familiares. Um exemplo desse tipo de modificação é a substituição de um termo de concentração por uma concentração efetiva chamada de atividade em certas expressões termodinâmicas (como nas constantes de equilíbrio). A físico-química ajuda a fazer dessa prática um procedimento útil para se estabelecer um relacionamento entre a concentração efetiva e a concentração real. 

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O Conceito de Matéria

Uma substância é uma forma pura e distinta da matéria. A quantidade de substância "n" em uma amostra é reportado em termos de uma unidade chamada mol. A definição formal de 1 mol diz que é a quantidade de substância que contenha tantos objetos (átomos, moléculas, íons ou outras entidades específicas) quantos átomos existem em 12g de carbono-12. Este número foi encontrado experimentalmente como sendo de aproximadamente 6,02 X 1023. Se uma amostra contém N entidades, a quantidade de matéria que ela contém é igual a n = N/NA, onde NA é a constante de Avogadro e vale 6,02 X 1023mol-1. É importante notar que NA é uma grandeza que possui unidade, e não um número puro. De maneira inversa, se a quantidade de substância é n, então o número de entidades presentes é nNA

Em físico-química é feita uma distinção entre propriedades extensivas e intensivas. Uma propriedade extensiva é aquela que depende da quantidade de matéria na amostra. Uma propriedade intensiva é aquela que independe dessa quantidade de matéria. Dois exemplos de propriedades extensivas são massa e volume. Exemplos de propriedades intensivas são temperatura, densidade (massa/volume) e pressão. Uma propriedade molar, Xm, é o valor de uma propriedade extensiva X de uma amostra dividido pelo número de mols n e, assim, Xm = X/n é independente da quantidade de matéria presente na amostra. Um exemplo é o volume molar, Vm, que é o volume de uma amostra dividido pela quantidade de matéria n (o volume por mol). A única exceção à notação Xm é a massa molar, que é denotada simplesmente por M. A massa molar de um elemento é a massa por mol de seus átomos. A massa molar de um composto molecular é a massa por mol de moléculas e a massa molar de um composto iônico é a massa por mol de unidades de fórmula. Os nomes "peso atômico" e "peso molecular" continuam ainda sendo largamente utilizados no lugar de massa molar. 

A concentração molar (molaridade) de um soluto em uma solução refere-se à quantidade de matéria do soluto dividida pelo volume de solução. A concentração molar é normalmente expressa em mols por litro (mol L-1 ou mol dm-3). Uma solução onde a concentração do soluto é de 1 mol L-1 é preparada dissolvendo-se 1 mol de soluto em quantidade suficiente de solvente para preparar 1 litro de solução. Essa solução é normalmente denominada de "solução 1 molar", e sua concentração tem denotação 1 M. O termo molalidade é referente à quantidade de matéria de um soluto dividida pela massa de solvente usada para preparar a solução. Suas unidades são tipicamente mols de soluto por quilograma de solvente (mol kg-1).

O desenvolvimento da apreciação de eventos em escala atômica é um talento valioso em físico-química. Assim, em uma solução aquosa 1 M de NaCl, a separação média entre os íons de carga oposta é de aproximadamente 1 nm, que é suficiente para acomodar entre elas três moléculas de água. Dizer que uma solução é diluída normalmente significa que sua concentração não é maior que 0,01 mol L-1. Nestas soluções, a separação de íons é de aproximadamente dez moléculas de água. 

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A Energia

O conceito central de todas as explanações em físico-química, como em muitas outras classes da ciência dos fenômenos naturais, é o de energia. De uma maneira geral, energia é a capacidade de realizar trabalho. Também deve-se utilizar da lei aparentemente universal da natureza de que a energia é conservada, ou seja, não pode ser destruída ou criada. Além disso, apesar de ser possível transferir a energia de um local para outro (como quando a eletricidade gerada em uma usina elétrica aquece uma chapa e a água em um béquer sobre ela), a energia total no sistema é constante. 

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Contribuições Para a Energia

Existem duas contribuições para a energia total de um sistema pela matéria que ele contém. A energia cinética (K) de um corpo é a energia que ele possui como resultado de seu movimento. Para um corpo de massa m viajando a uma velocidade v, a energia cinética é 1/2(mv2); então um corpo "pesado" viajando rapidamente tem uma elevada energia cinética. Um corpo em repouso tem energia cinética igual a zero. A energia potencial de um corpo é a energia que ele possui como resultado de sua posição. O zero da energia potencial é arbitrário. Por exemplo, o zero da energia potencial gravitacional de um corpo é convenientemente colocado sobre a superfície da Terra; a energia potencial elétrica de duas partículas carregadas é tida como zero quando a distância que as separa é infinita. 

Nenhuma expressão para a energia potencial pode ser postulada porque ela depende do tipo de interação que o corpo experimenta. Entretanto, existem dois tipos comuns de interação que fornecem expressões simples para a energia potencial. Uma é a energia potencial de um corpo de massa m em um campo gravitacional próximo à superfície da Terra (um campo gravitacional age sobre a massa do corpo). Se um corpo está a uma certa altura h da superfície da Terra, então sua energia potencial será mgh, onde g é uma constante chamada de aceleração de queda livre (g = 9,81 m s-2 próximo à superfície da Terra). Também, de grande importância para a química é a energia potencial de dois corpos eletricamente carregados quando próximos um ao outro (um campo elétrico age sobre a carga que o corpo possui). Se uma partícula (um corpo com massa pontual) de carga q1 está a uma distância r no vácuo de outra partícula com carga q2, então sua energia potencial será dada pela expressão V = (q1.q2)/(4p E0r).  A constante E0 é a permissividade do vácuo, uma constante fundamental de valor 8,85 X 10-12 C2J-1m-1. É importante salientar que V = 0 quando a separação entre as partículas é infinita. Essa importante relação é chamada de energia potencial de Coulomb e a interação que ela descreve é chamada de interação coulômbica de duas cargas. A interação coulômbica é importante na química devido a constante necessidade de se lidar com interações entre as cargas de elétrons, núcleos e íons.  A unidade de medida de energia no Sistema Internacional (S.I.) é o joule, que é definido como 1 J = 1 kg m2s-2.

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A Quantização da Energia

A grande revolução na física que ocorreu nas primeiras décadas do século vinte e que introduziu a mecânica quântica foi de crucial importância para a química. A química está preocupada com o comportamento das partículas subatômicas, particularmente com os elétrons, e é essencial que se use a mecânica quântica quando lida-se com partículas tão diminutas. A propriedade da mecânica quântica que a distingue da mecânica clássica de Newton e seus sucessores imediatos é o comportamento ondulatório da matéria. Isto é, ao invés de partículas e ondas constituírem entidades distintas, as partículas têm algumas das propriedades das ondas e as ondas têm algumas propriedades de partículas. Por exemplo, se uma partícula tem um momento linear p (o produto de sua massa por sua velocidade, p = mv), então segundo a mecânica quântica ela também tem (em certo sentido) um comprimento de onda lambda de acordo com a relação de Broglie onde lambda = h/p, onde h é a constante de Planck, uma constante fundamental cujo valor é 6,6 X 10-34 J s. 

Outra propriedade da mecânica quântica é que a energia é quantizada, ou confinada a certos valores discretos. Esses estados de energia são chamados de níveis de energia e seus valores dependem das espécies químicas. A quantização da energia é mais importante - no sentido em que as energias permitidas estão muito afastadas - para partículas com pequenas massas confinadas a pequenas regiões no espaço. Conseqüentemente, a quantização é muito importante para os elétrons nos átomos e moléculas, mas normalmente não tem relevância para corpos macroscópicos. 

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A Energia dos Objetos Materiais

Para partículas em recipientes de dimensões macroscópicas a separação dos níveis de energia translacional são tão pequenos que para todos os propósitos práticos seu movimento translacional não é quantizado. A separação entre os níveis de energia é pequeno para o movimento rotacional molecular, maior para movimento vibracional e maior ainda para as energias dos elétrons nos átomos e moléculas. 

Um outro ponto neste contexto que deve ser levado em consideração é que um estado físico pode corresponder a um dado nível de energia. Por exemplo, uma molécula pode girar em um plano a um certo nível de energia, mas também pode ser capaz de girar em um outro plano diferente com a mesma energia; cada diferente orientação do movimento rotacional corresponde a um estado rotacional distinto da molécula. O número de estados individuais que pertencem a um nível de energia é chamado de degeneração. Se existir apenas um estado de movimento correspondendo a uma energia particular, então diz-se que esse nível é não-degenerado. 

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A Energia dos Campos Eletromagnéticos

Um campo eletromagnético é um distúrbio elétrico e magnético oscilante que se espalha como uma onda no espaço vazio, o vácuo. A onda viaja a uma velocidade constante chamada de "velocidade da luz", c, que é de aproximadamente 3 X 108 m.s-2. Como o nome sugere, um campo eletromagnético possui dois componentes, um campo elétrico que age sobre as cargas das partículas (tanto estacionárias quanto em movimento) e um campo magnético que age apenas sobre partículas carregadas em movimento. O campo eletromagnético é caracterizado por um comprimento de onda, lambda , que é a distância entre picos vizinhos da onda, e sua freqüência, ni, que é o número de vezes por segundo em que sua dispersão em um certo ponto retorna ao valor original (a freqüência é media em hertz, e 1 Hz = 1 s-1. O comprimento e a freqüência de uma onda são relacionados pela equação hni = c. Assim, quanto mais curto é o comprimento de onda, maior é a freqüência. As características de uma onda também são reportadas fornecendo-se seu número de ondas da radiação, onde:

v' = (v/c) = (1/lambda ).

O número de ondas pode ser interpretado como o número inteiro de comprimentos de onda em um dado intervalo de comprimento físico. Números de onda são normalmente reportados como centímetros recíprocos (cm-1); assim, um número de ondas de 5 cm-1 indica que existem 5 comprimentos de onda completos em um centímetro. É importante salientar que as relações E = hv e v = cv' podem ser combinadas para converter energia em números de onda. 

A mecânica quântica se adiciona a essa descrição ondulatória da radiação eletromagnética introduzindo o conceito de pacotes com comportamento de partículas da energia eletromagnética chamados de fótons. A intensidade da radiação é determinada pelo número de fótons no raio: um raio intenso apresenta um grande número de fótons; um raio fraco apresenta um pequeno número de fótons. O olho humano pode responder ao estímulo de um único fóton; uma lâmpada com potência de 100 W (1 watt = 1 Js-1) gera em torno de 1019 fótons por segundo, mas mesmo assim leva muitas horas para gerar um único mol de fótons. A energia de cada fóton é determinada por sua unidade de freqüência de acordo com a equação E = hni. 

Esta relação indica que os fótons da radiação microondas têm menor energia que os fótons da luz visível (que são constituídas por comprimentos de onda menores, de maior freqüência). Também implica que as energias dos fótons da luz visível cresce conforme a luz muda do vermelho (longos comprimentos de onda) para o violeta (curtos comprimentos de onda). 

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