Físico-química

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A físico-química é a disciplina que estuda os fenômenos químicos sob a ótica dos princípios, conceitos e práticas da física, sendo assim a combinação dessas duas ciências: a física e a química.[1] Dessa forma, busca-se explicar os fenômenos químicos através dos conceitos de movimento, energia, força, tempo, temperatura, pressão, volume, calor, e trabalho, química quântica e equilíbrio químico, mecânica estatística e eletroquímica.

Alguns dos tópicos mais comumente tratados na físico-química são:

  1. Forças intermoleculares
  2. Cinética de reações químicas
  3. Eletroquímica.
  4. Termodinâmica
  5. Propriedades coligativas
  6. Fenômenos de superfície
  7. Mudanças nos estados da matéria (sólidos, líquidos, gasosos, coloidais e plasmáticos)


HistóriaEditar

 
Ao químico russo Mikhail Lomonossov é creditado a utilização do termo "físico-química" pela primeira vez janeiro de 1752.

O termo "físico-química" foi criado 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.[2]

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.[3] 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,[4] estas foram as principais figuras da área de físico-química no final do século XIX e início do século XX 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 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 (antes e durante a Segunda Guerra Mundial), as descobertas mais recentes em astroquímica,[5] 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.


Áreas de estudoEditar

A Físico-química pode ser dividida em quatro áreas a seguir:

1) Termodinâmica: estuda as trocas de energia entre sistemas que sofrem transformações químicas ou físicas, e a relação dessas trocas energéticas com os conceitos de espontaneidade e equilíbrio. Ela deve envolver sistemas multimoleculares (macroscópicos) e define propriedades de estado (tais como energia interna, energia livre, entalpia) que determinam o estado energético (chamado também de potencial termodinâmico) do sistema e a tendência de transferir energia para o ambiente sobre determinadas condições. Para se descrever "como " se transfere energia de um sistema para outro, se definiram as funções de processo "calor" e "trabalho", sendo o primeira provocada por uma desiquilíbrio térmico entre sistemas em contato, provocando um movimento aleatório mais intenso de moléculas, e o segundo devido a um desiquilíbrio mecânico, provocando um movimento ordenado direcional de moléculas. Define-se também uma nova função termodinâmica, entropia, que é uma propriedade de estado que indica a direção da espontaneidade de uma transformação (química ou física), buscando ao final, o chamado equilíbrio termodinâmico. A Termodinâmica também envolve transformações com transferência de carga (Eletroquímica), que define a energia livre por carga transferida como potencial elétrico, que é o potencial termodinâmico para esse tipo de reação. A Termodinâmica também envolve o estudo de sistemas coloidais e fenômenos de interface, uma vez que o conceito de "tensão superficial " se relaciona com energia livre e estabilidade de interfaces entre fases, incluindo aquelas envolvendo sistemas coloidais.

2) Cinética: estuda a velocidade de transformações químicas ou físicas. Preocupa-se em descrever a velocidade de moléculas gasosas (teoria cinética dos gases), de fluidos gasosos ou líquidos (fenômenos de transporte) e de reações químicas (cinética química). A cinética química se atém não somente em medir a velocidade de reações, como também entender os motivos que levam a uma reação ter determinada velocidade, procurando descrever o mecanismo de reação e os aspectos termodinâmicos (entálpicos e entrópicos) que afetam a velocidade de uma reação química.

3) Química Quântica: estuda os aspectos microscópicos da matéria, ou seja a estrutura da matéria nas escalas atômica e molecular. Para isso, faz faz uso da mecânica quântica (o qual descreve, entre outros fenômenos, o movimento dos elétrons) e expande seus conceitos intrínsecos para entender as ligações químicas, chegando a conceitos tais como orbital atômico e molecular, vibração e rotação molecular. Também estuda como a interação da matéria com a radiação eletromagnética afeta as propriedades quânticas de um átomo ou molécula (espectroscopia).

4) Mecânica Estatística: faz a relação entre os propriedades e processos de natureza microscópica (quântica) e macroscópica (termodinâmica e cinética) da matéria. Faz uso dos conceitos de fator de Boltzmann e função de partição para, através da previsão da distribuição estatística de vários átomos e moléculas em estados quantizados, consiga se definir tanto as propriedades termodinâmicas de sistemas (termodinâmica estatística ou termoestatística), como se descrever molecularmente o estado de transição em reações químicas (Teoria das Colisões Moleculares e Teoria do Estado de Transição), o qual é fator determinante para a velocidade de reações químicas.


Físico-químicos de destaqueEditar

Referências

  1. Barrow 1982, p. v.
  2. Vucinich 1963, p. 388.
  3. Gibbs 1876.
  4. Laidler 1993, p. 48.
  5. Herbst, Eric (12 de maio 2005). «Chemistry of Star-Forming Regions». Journal of Physical Chemistry A. 109 (18). pp. 4017–4029. PMID 16833724. doi:10.1021/jp050461c 

BibliografiaEditar

Ver tambémEditar