Principais áreas da Físico-Química

A Físico-Química é um dos três ramos principais da Química, juntamente à Química Inorgânica e à Química Orgânica. Ela estuda os princípios da Química, abordando os fenômenos que são observados nas reações químicas entre quantidades macroscópicas das substâncias. As principais áreas estudadas pela Físico-Química e que serão abordadas nesta subseção são:

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Soluções: Trabalha com o cálculo das diferentes concentrações das soluções químicas, que são tão usadas em laboratórios e indústrias químicas;

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Propriedades Coligativas: São propriedades que explicam vários fenômenos observados no cotidiano que não dependem da natureza da matéria, mas unicamente da quantidade de partículas presentes nas soluções;

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Termoquímica: Estuda as reações químicas e os fenômenos físicos em que há troca de energia na forma de calor, provocando alteração na temperatura ambiente;

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Cinética Química: Estuda a velocidade das reações químicas;

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Equilíbrios Químicos: Ramo da Química que estuda as reações reversíveis que se processam nos dois sentidos simultaneamente, bem como os fatores que interferem nesse equilíbrio das reações;

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Eletroquímica: Estuda o aproveitamento prático das reações de oxidorredução (em que há transferência de elétrons). A Eletroquímica divide-se no estudo das pilhas e baterias, além da eletrólise.

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Soluções

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As soluções químicas verdadeiras são misturas homogêneas, formadas por um soluto totalmente dissolvido em um solvente, que geralmente é a água.

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Em Química, uma solução é toda mistura de duas ou mais substâncias que seja homogênea, isto é, que tenha apenas uma fase. Isso acontece mesmo ao se olhar em um microscópio, pois as suas partículas dispersas têm o diâmetro menor que 1 nm (10-9 m). As soluções podem ser sólidas, líquidas ou gasosas. Por exemplo, as ligas metálicas são soluções sólidas formadas pela fusão e mistura de dois ou mais metais; a água com o açúcar e o álcool com a água são soluções líquidas, e o ar é uma solução gasosa formada por vários gases.

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Nos laboratórios químicos, costuma-se trabalhar muito com soluções aquosas, que são formadas geralmente por algum sólido dissolvido em água. Nesta seção você entenderá como preparar essas soluções químicas, como determinar os diversos tipos de concentração, como são feitas as suas análises em laboratório, aspectos que afetam a solubilidade dos materiais e outros aspectos relacionados. Portanto, os textos a seguir abordam tanto aspectos qualitativos quanto, principalmente, os aspectos quantitativos da Química, usando grandezas como massa, volume e quantidade de matéria.

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Propriedades Coligativas

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As propriedades coligativas são as propriedades do solvente que se modificam na presença de um soluto não volátil e que dependem apenas do número de partículas do soluto.

As propriedades coligativas são aquelas que percebemos quando é adicionado um soluto não volátil a um solvente. A intensidade com que essas propriedades apresentam-se depende somente da quantidade de partículas do soluto na solução, mas não depende da natureza do soluto.

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Os solutos não voláteis podem ser molecularesou iônicos. Um exemplo de soluto não volátil molecular é o açúcar (sacarose – C12H22O11) que vemos na forma de cristaizinhos brancos porque milhares e milhares de moléculas estão bem unidas, formando, assim, esses cristais. Mas quando dissolvemos o açúcar em água, suas moléculas separam-se e ficam isoladas, por isso não conseguimos visualizá-las, mas as moléculas de C12H22O11 estão lá dissolvidas na água.

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Um exemplo de soluto não volátil iônico é o sal (cloreto de sódio – NaCl), cujas fórmulas unitárias estão também unidas, formando aglomerados iônicos de estrutura geométrica bem definida, que são chamados de retículos cristalinos. Mas ao ser colocado em água, o sal reage com as moléculas dela, tendo os seus íons separados (ocorre uma dissociação iônica). Assim, os íons Na+ e Cl- ficam dispersos na água e também não são visíveis a olho nu.

Assim, essas partículas (moléculas ou íons) que ficam dispersas no solvente, que geralmente é a água, são as responsáveis por mudanças em determinadas propriedades do solvente.

As quatro propriedades coligativas são:

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* Tonoscopia ou tonometria: O efeito tonoscópico é a diminuição da pressão de vaporde um líquido quando um soluto não volátil é adicionado a ele.

Quando preparamos uma mistura de água e açúcar, por exemplo, as moléculas de açúcar dissolvem-se porque são polares como as moléculas de água. Elas interagem umas com as outras por meio de forças intermoleculares, o que dificulta que as moléculas de água da superfície do líquido passem para o estado de vapor e escapem do solvente.

O abaixamento relativo da pressão máxima de vapor é representado pela relação&&DeltaP/P2 e pode ser calculado por meio da fórmula:

Soluções moleculares: ΔP/P2 = Kt . M
Soluções iônicas: ΔP/P2 = Kt . M . i

Em que:

ΔP/P2 = abaixamento relativo da pressão máxima de vapor;

ΔP = abaixamento absoluto da pressão máxima de vapor;

P2 = pressão de vapor do solvente;

Kt = constante tonoscópica;

M = concentração em mol/L (em quantidade de matéria da solução);

i = fator de Van't Hoff.

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* Ebulioscopia ou ebuliometria: O efeito ebulioscópico é o aumento do ponto de ebulição de um líquido quando adicionamos um soluto não volátil a ele.

Por exemplo, como a imagem no início deste artigo mostra, quando temos água fervendo, ou seja, que já atingiu o seu ponto de ebulição (100 ºC ao nível do mar), e adicionamos açúcar, a água para de ferver na hora, ou seja, a temperatura de ebulição aumentou. Isso acontece pelo mesmo motivo mencionado para o efeito tonoscópico, isto é, a interação entre as moléculas do solvente e do soluto dificulta que a molécula passe para o estado de vapor, por isso, é necessário adicionar mais energia na forma de calor para que a solução entre em ebulição.

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O aumento do ponto de ebulição pode ser calculado por meio da fórmula:

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Soluções moleculares: ΔtE = KE. W
Soluções iônicas: ΔtE = KE. W . i

Em que:

ΔtE = elevação do ponto de ebulição;

KE = constante ebulioscópica;

W = molalidade (massa molecular do solvente / 1000). No caso de soluções aquosas diluídas, é igual à molaridade.

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* Crioscopia ou crometria: O efeito crioscópico é a diminuição do ponto de congelamento de um líquido quando um soluto não volátil é adicionado a ele.

Por exemplo, em lugares frios, as águas dos mares formam uma camada de gelo somente na superfície, porque ela é formada somente por água. Já a parte líquida que fica abaixo do gelo não se congela porque, além de o gelo ser um isolante térmico natural, essa água possui vários sais dissolvidos que diminuem o ponto de congelamento.

Em países que nevam, há o risco de congelamento da água dos radiadores usados para refrigerar os motores. Por isso, há alguns produtos comerciais (aditivos) que são adicionados com a finalidade de diminuir o ponto de congelamento da água e evitar o seu congelamento. Um exemplo de anticongelante usado com essa finalidade é o etilenoglicol (C6H6O2), que, se estiver em uma proporção de 50%, tem a capacidade de abaixar o ponto de fusão da mistura até cerca de -35 ºC.

Adição de anticongelante em radiador de carro para evitar que a água congele

A diminuição do ponto de congelamento pode ser calculado por meio da fórmula:

Soluções moleculares: ΔtC = KC. W
Soluções iônicas: ΔtC = KC. W . i

Em que:

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ΔtC = diminuição do ponto de congelamento;

KC = constante crioscópica.

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* Osmoscopia: O fenômeno da osmose ocorre quando colocamos um solvente puro e uma solução (ou duas soluções com concentrações diferentes) separados por uma membrana semipermeável e ocorre a passagem de solvente pela membrana no sentido do solvente para a solução (ou da solução menos concentrada para a mais concentrada). Por exemplo, se colocarmos ameixas secas em água, com o tempo, notaremos que as ameixas incharão. Isso ocorre porque a pele da ameixa seca funciona como uma membrana semipermeável e o solvente (água) passa por ela e vai para o interior da ameixa.

Quando colocamos ameixas secas em água, ocorre osmose

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A pressão osmótica (π) pode ser calculada por meio da fórmula:

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Soluções moleculares: π = M . R . T

Soluções iônicas: π = M . R . T . i

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Em que:

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M = concentração em quantidade de matéria (molaridade) da solução (mol/L);

R = constante universal dos gases perfeitos, que é igual a 0,082 atm . L. mol-1. K-1 ou 62,3 mm Hg L. mol-1. K-1;

T = temperatura absoluta, dada em Kelvin;

i = fator de Van’t Hoff.

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Termoquímica

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A Termoquímica é a área que estuda as situações em que reações químicas e fenômenos físicos ocorrem com absorção ou liberação de energia na forma de calor.  Para uma introdução ao estudo da Termoquímica, veja como ela pode ser conceituada:

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A Termoquímica é um ramo da Físico-Química

que estuda as reações químicas e os processos físicos que envolvem trocas de calor.

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Essas reações e processos são extremamente importantes para a vida no planeta e também são muito frequentes no cotidiano. Na Termoquímica, os processos e reações que ocorrem com liberação de calor e consequente aumento da temperatura das vizinhanças são chamados de exotérmicos. O prefixo exo significa “para fora”. Uma reação química bastante comum e importante que é um exemplo de reação exotérmica é a combustão. Na imagem a seguir, por exemplo, temos uma fogueira que libera grande quantidade de energia na forma de luz e calor.

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Esse calor liberado nas reações de combustão pode ser aproveitado para cozinhar alimentos e gerar aquecimento e outros tipos de energia, como a elétrica e a mecânica. A combustão da gasolina, por exemplo, faz um carro andar, e a combustão do carvão ou de outros combustíveis gera eletricidade para indústrias. Um exemplo de processo físico que é exotérmico é a condensação. Você já reparou que, se deixarmos uma garrafa de refrigerante gelado por um tempo em cima da mesa, serão formadas algumas gotas de água do lado de fora da garrafa? Esse processo é conhecido como condensação, que nada mais é do que a passagem do estado de vapor da água que está presente no ar para o estado líquido. Isso acontece porque, ao entrar em contato com a superfície da garrafa que está a uma menor temperatura, a umidade do ar perde calor e assim volta para o estado líquido.

 

A solidificação, isto é, a passagem do estado líquido para o sólido, também é um processo exotérmico, pois ocorre perda de calor. Esse é o caso da água que vira gelo.

Por outro lado, os processos químicos e físicos que ocorrem com absorção de calor e diminuição da temperatura das vizinhanças são chamados de endotérmicos. O prefixo endo significa “para dentro”.

Um exemplo de reação endotérmica muito importante é a fotossíntese, isto é, a reação entre o gás carbônico do ar e a água para a produção de moléculas orgânicas, como a glicose e o gás oxigênio. Mas para que essa reação ocorra, a energia solar faz-se necessária.

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                     6CO2(g) + 6H2O(l) + luz solar → C6H12O6(aq) + 6O2(g)

A fotossíntese é uma reação química que ocorre com absorção de calor.

Um fenômeno físico que ocorre com absorção de calor é a evaporação (passagem do estado líquido para o de vapor). Como acontece com as roupas lavadas que colocamos para secar no varal, a água passa para o estado de vapor porque recebeu energia solar.

Roupas secando no varal – exemplo de processo físico endotérmico.

Mais exemplos podem ser vistos no texto Processos endotérmicos e exotérmicos.

A energia em forma de calor que é liberada ou absorvida em uma reação química é denominada em Termoquímica de variação de entalpia e é simbolizada por ΔH. A entalpia (H) designa o conteúdo de energia de cada substância. Visto que não se conhece até hoje uma maneira experimental de determinar o valor da entalpia, normalmente se trabalha com a variação da entalpia nas reações e nas mudanças de estado físico, que é dada pela diferença entre a entalpia dos produtos e a dos reagentes (ΔH = Hprodutos – Hreagentes).

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Mas de onde vem essa energia que é perdida ou recebida?

Bem, vamos falar primeiro das reações exotérmicas. Quando ocorre uma reação, as ligações entre os átomos dos regentes precisam ser rompidas para que as ligações químicas dos produtos sejam formadas. A quebra de uma ligação química libera determinada quantidade de energia; mas quando se forma uma ligação, há absorção de energia.

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Entretanto, a quantidade de energia liberada e a quantidade de energia absorvida não são as mesmas, pois seus valores dependem dos tipos de átomo que estão ligados. Visto que os átomos possuem energias diferentes, a quantidade de energia liberada no momento da quebra das ligações dos reagentes é uma, e a absorvida na formação dos produtos é outra.

Se a energia liberada na quebra das ligações químicas for maior que a absorvida, então essa energia será liberada para o meio, caracterizando uma reação exotérmica.

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O contrário ocorre nas reações endotérmicas, isto é, a energia necessária para a formação dos produtos é maior que a energia liberada na quebra das ligações dos átomos dos reagentes. Assim, é preciso fornecer calor ao meio para vencer essa diferença, e a reação ocorre com absorção de calor.

Para aprofundar seus conhecimentos acerca dessa área de estudos, acesse os textos da subseção Termoquímica.

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Cinética Química

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A Cinética Química estuda as condições e os fatores que podem alterar a velocidade das reações químicas.

A Cinética Química é o ramo da Físico-química que estuda a velocidade em que uma reação química ocorre. Uma das formas que a Cinética Química utiliza para calcular a velocidade de qualquer participante de uma reação é por meio da fórmula abaixo:

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v = Δn
     Δt

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ou

 

v = Δ[]
     Δt

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• v = velocidade da reação;

• Δn = variação do número de mols do participante;

• Δ[] = variação da concentração molar (molaridade) do participante;

• Δt = variação do tempo.

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Considere a equação a seguir:

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aA + bB → cC + dD

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Com a expressão acima, podemos calcular as velocidades de consumo dos reagentes A e B ou as velocidades de formação dos produtos C e D, o que pode ser feito, por exemplo, em relação ao participante C:

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vC = ΔnC  /  Δt

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Se quisermos calcular a velocidade de toda a reação (vr), é necessário dividir a velocidade de um dos participantes pelo seu coeficiente estequiométrico da seguinte forma:

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vr = vC  /  c

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Outra forma de calcular a velocidade de uma reação é por meio da lei da velocidadede Guldberg e Waage, que leva em consideração apenas as concentrações molares ([ ]) e a ordem dos reagentes. Ela é enunciada da seguinte forma:

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v = K [A]x.[B]y

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Quando trabalhamos com a Cinética Química, devemos saber que o seu estudo envolve algumas ramificações importantes, tais como:

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• Fatores determinantes para a ocorrência de uma reação química;

• Fatores que afetam a velocidade de uma reação química.

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Os fatores determinantes para a ocorrência de uma reação química são aqueles que são fundamentais para que ela aconteça, a saber:

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• Afinidade entre os reagentes (capacidade de combinação química entre os átomos dos reagentes);

• Contato entre os reagentes (os reagentes devem encontrar-se fisicamente para que a reação aconteça).

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Esses fatores determinantes dependem ainda de outros fatores acessórios, que estão relacionados diretamente com a velocidade em que a reação é processada. Assim, esses fatores acessórios é que determinam se uma certa reação química será rápida, lenta ou instantânea. Eles são:

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• Teoria da colisão (estuda a orientação em que ocorrem os choques entre as moléculas reagentes);

• Energia de ativação (é a energia necessária para a formação do complexo ativado);

• Complexo ativado (é o composto intermediário formado entre os reagentes e produtos).

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Uma vez conhecida a característica cinética de uma reação química (lenta, rápida ou instantânea), podemos modificar essa característica por meio dos fatores que afetama velocidade de uma reação, ou seja, podemos fazer, por exemplo, que uma reação lenta seja processada de forma mais rápida. Esses fatores são:

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• Influência da Temperatura (o aumento ou a diminuição da quantidade de calor a que submetemos a reação);

• Influência da concentração dos reagentes (o aumento ou a diminuição da quantidade dos participantes da reação);

• Influência da pressão (o aumento ou a diminuição da pressão da força exercida sobre um ponto);

• Influência da superfície de contato (o aumento ou a diminuição da área de contato entre os reagentes pode modificar a velocidade da reação);

• Influência da natureza dos reagentes (a maior ou menor presença de ligações a serem rompidas durante uma reação);

• Influência da luz (o aumento ou diminuição da intensidade da luz ou, talvez, até a sua ausência pode modificar a velocidade);

• Influência da eletricidade (a presença da corrente elétrica pode modificar a velocidade);

• Influência dos catalisadores (a presença de um catalisador diminui a energia de ativação e, consequentemente, aumenta a velocidade de uma reação).

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Equilíbrio Químico

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O Equilíbrio Químico é atingido quando uma reação reversível ocorre no sentido direto e no inverso, com a mesma velocidade, e as propriedades do sistema se estabilizam. Várias reações químicas são consideradas reversíveis, ou seja, à medida que os produtos vão sendo formados a partir da reação entre os reagentes, os produtos reagem entre si e regeneram novamente os reagentes. Esse processo continua nos dois sentidos até que se atinja o equilíbrio químico, que é quando a taxa de desenvolvimento ou velocidade dos dois sentidos da reação (direto e inverso) torna-se igual.

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Por exemplo, o sulfato de cobre penta-hidratado apresenta cor azul e podemos causar uma transformação química por aquecê-lo. Assim, ele perde sua água de hidratação e fica da cor branca. Mas essa reação é reversível, pois basta adicionar água ao sal desidratado que ele volta a ficar azul.

Existem muitas outras reações na natureza que são reversíveis  e podem atingir o equilíbrio químico. Macroscopicamente nós achamos que o sistema está parado, como se não houvesse mais reação. Porém, microscopicamente o equilíbrio é dinâmico, os reagentes estão constantemente se transformando nos produtos e os produtos, nos reagentes, com a mesma velocidade. Isso é simbolizado na equação química pela dupla seta (↔).

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Nos textos desta seção você verá vários exemplos do equilíbrio químico no cotidiano e na natureza, verá como ele pode sofrer um deslocamento, quais os fatores que ocasionam isso, verá também aspectos quantitativos, tais como o que é a constante do equilíbrio, o que é um equilíbrio iônico e a sua constante, a constribuição de Ostwald para este estudo, a determinação do pH e do pOH, o que é o produto iônico da água, a hidrólise salina, o efeito do íon comum e o que são as soluções-tampão.

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Eletroquímica

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A Eletroquímica trata do uso das reações químicas espontâneas para produzir eletricidade e do uso da eletricidade para forçar reações químicas não espontâneas. A Eletroquímica é um ramo da Química que estuda o fenômeno da transferência de elétrons para a transformação de energia química em energia elétrica e vice-versa. As reações que envolvem transferência de elétrons são chamadas de reações de oxirredução, pois nelas ocorrem simultaneamente a redução e a oxidação. A espécie química que perde elétrons passa por uma oxidação e fica com o Nox (número de oxidação) maior. Já a espécie química que recebe esses elétrons passa por uma redução e o seu Nox fica menor.

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Por exemplo, a seguir há uma reação desse tipo, na qual uma placa de zinco metálico (Zn0) é colocada em uma solução de sulfato de cobre (que possui cátions cobre II (Cu2+) dissolvidos). O zinco sofre oxidação, perdendo dois elétrons e transformando-se no cátion zinco (Zn2+), enquanto os íons cobre recebem esses elétrons e transformam-se em cobre metálico (Cu0). Veja a equação iônica desse processo:

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              Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)

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Assim, nos fenômenos eletroquímicos, sempre ocorrem reações semelhantes a essa. Porém, isso pode ocorrer de duas formas. Os dois campos de estudo principais da Eletroquímica são:

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* Pilhas e baterias: Nesse caso existe a conversão de energia química em energia elétrica, ou seja, usam-se as reações químicas de oxirredução espontâneas para a geração de eletricidade.

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Dentro das pilhas são colocadas certas substâncias químicas que reagem espontaneamente transferindo elétrons, isto é, por meio de reações de oxirredução. As pilhas possuem dois eletrodos, que são:

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- ânodo: polo negativo onde ocorre a oxidação;

- cátodo: polo positivo onde ocorre a redução.

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As pilhas e baterias também possuem um eletrólito, que é uma solução condutora de íons. Assim, forma-se um fluxo de elétrons entre esses polos que resulta na formação de uma corrente elétrica que pode ser utilizada para que diversos aparelhos elétricos funcionem.

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A diferença entre as pilhas e as baterias é que enquanto as pilhas possuem somente dois eletrodos, as baterias são formadas por várias pilhas conectadas em série ou em paralelo, ou seja, possuem vários eletrodos, o que aumenta a sua voltagem. O que seria de nossa sociedade sem as pilhas e as baterias que fazem funcionar os celulares, os carros, os relógios e muitos outros aparelhos?

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* Eletrólise: É o processo inverso que ocorre nas pilhas e baterias, ou seja, ocorre a transformação de energia elétrica em energia química. Utiliza-se energia elétrica para forçar a ocorrência de uma reação química não espontânea pela neutralização das cargas dos íons e formação de substâncias simples.

Isso ocorre quando se passa uma corrente elétrica proveniente de algum gerador (como uma pilha ou uma bateria) por um líquido iônico (substância fundida - eletrólise ígnea) ou por uma solução aquosa que contém íons (eletrólise em meio aquoso). Desse modo, o cátion presente no líquido ou na solução recebe elétrons, e o ânion doa elétrons, para que ambos fiquem com carga elétrica igual a zero e com energia química acumulada.

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A eletrólise é usada para a produção de substâncias simples de uso importante que não são encontradas na natureza, como o gás cloro e o sódio metálico produzidos na eletrólise ígnea do cloreto de sódio. Na eletrólise aquosa do cloreto de sódio, além de o cloro ser produzido, também se obtém o gás hidrogênio que é usado como combustível. Mais detalhes sobre como ocorrem esses processos podem ser vistos no texto Eletrólise do cloreto de sódio.

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A eletrólise também é usada para a produção de metais, como mostra o artigo Produção de alumínio por eletrólise, e para o desenvolvimento de processos de proteção de metais contra a corrosão.

A Eletroquímica é, portanto, um ramo muito importante não só porque está relacionada com o desenvolvimento tecnológico e de métodos de produção de eletricidade, mas também porque permite inclusive a monitoração das atividades do cérebro e do coração, do pH do sangue, da presença de contaminantes na água, além de possibilitar a criação de equipamentos que salvam vidas, como o marcapasso, e assim por diante.