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Fsico-qumicaAula Inicial
Aspectos gerais
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Horrio da disciplina
As teras-feiras das 08 s 10 horas e das10 as 12 horas (sala 14).
O horrio de incio das aulas poder sofreralterao, conforme acordo entre as partes(professores e alunos).
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Professores responsveis
Cludio Hartkopf Lopes
Departamento de TecnologiaAgroindustrial e Socioeconomia Rural(DTAiSER)
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Literatura utilizada
Fsico-qumica de Daniels F. & Alberty R.
Editora Ao Livro Tcnico. Rio de Janeiro. Fsico-qumica. Moore WJ. Editora Edgard
Blucher LTDA. So Paulo, 1986.
Fundamentos de fsico-qumica. Castellan G.Editora LTC. 1986 reimpresso em 2003.
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Avaliao acadmica
Sero realizadas trs avaliaes e a nota final
ser a mdia aritmtica das trs. Ser considerado aprovado o aluno que
apresentar uma mdia final igual ou superior aseis. Ser reprovado o aluno que apresentar
uma mdia final inferior a cinco. Quemapresentar uma mdia final entre cinco e seisir para o Sistema de Avaliao Complementar(SAC).
Aluno que por algum motivo tenha perdido umadas avaliaes, poder faz-la, caso o professorconsidere o motivo da ausncia relevante.
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Faltas
Os alunos que apresentarem um nmero de
faltas superior a 20% do total de aulas (7 em30 aulas) ser reprovado por faltas nadisciplina.
Ser considerado presente o aluno que tiversua assinatura na folha de presena da aulaou responder a chamada verbal.
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Plano de ensino - 2007
Introduo; Sistemas fsico-qumicos; Energtica; Entropia e energia livre; Teoria cintica;
Mecnica estatstica; Mudana de estado; Solues; Afinidade qumica;
Velocidade das reaes qumicas.
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Programao 2011
2 Avaliao21 junho1 Avaliao26 abril
Aula 603 maio
Reviso14 junhoAula 519 abril
Apresent. trab.7 junhoAula 412 abril
Aula 1131 maioAula 305 abril
Aula 1024 maioAula 229 maro
Aula 817 maioAula 122 maro
Aula 710 maioAula 015 maro
PROGR.DATAPROGR.DATA
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Fsico-qumico
Aspectos gerais
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Fsico-qumica
Estudo das leis da qumica e da fsica para poder
prever e controlar os fenmenos qumicos. A fsico-qumica surgiu como cincia no final do
sculo XIX e seu fundamento tanto o uso bastante
intenso de recursos matemticos e estatsticos, bemcomo a experimentao.
Os limites de atuao da fsico-qumica no sorgidos e se superpem aos da fsica e da qumica.
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Fsico-qumica
Uma rea de conhecimento que muito til para a
fsico-qumica a termodinmica (estudo dainterconverso das diversas formas de energia). A termodinmica permite conhecer at onde ir uma
reao qumica at atingir o equilbrio. A cintica, que envolve questes de tempo e de
velocidade das reaes. Um terceiro campo o estudo da estrutura da
matria (atmica e molecular).
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Fsico-qumica
A fsico-qumica estuda as molculas tanto
individualmente como o comportamento deum grande nmero delas utilizando osrecursos da estatstica.
Desta forma a principal caracterstica destacincia o uso intensivo de recursosmatemticos, sendo que seus princpios soenunciados sob a forma de equaes.
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Investigao cientfica
A qumica como todas as cincias se baseiam em
fatos estabelecidos experimentalmente. Aps uma investigao cientfica podemos enunciar
uma lei que permite prever o comportamento de
sistemas ainda no investigados. Uma lei no uma expresso de uma verdade
infalvel mas uma forma condensada de enunciarfatos descobertos experimentalmente.
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Investigao cientfica
As leis naturais podem ser descobertas a partir de
fatos determinados por experincia ou atravs deespeculao, quando passa a ser denominada dehiptese.
A hiptese aps ser submetida ao exameexperimental e ter demonstrado que se aplica a umgrande nmero de fenmenos , passa a serdenominada de teoria.
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Glossrio
Hiptese: Uma provvel teoria, mas ainda no
demonstrada. Uma suposio admissvel. Casoconfirmada passa a ser chamada de teoria, leiou postulado.
Teoria (cientfica): Consiste numa hiptese
que foi testada. uma idia que consegueprever com razovel exatido os fenmenosnaturais.
Axioma: Uma sentena ou proposio no
demonstrada mas considerada como evidentepor si mesmo. Em muitos casos os termosaxioma, hiptese e postulado so utilizadoscomo sinnimos.
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Avano cientfico
A cincia avana atravs de quatro estgios:
1. Observao e medies; 2. Raciocnio indutivo sobre os fatos baseado
em fatos e teorias; 3. Raciocnio dedutivo baseado em
hipteses; 3. Exame experimental para confirmar ou
negar as dedues tericas.
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Avano cientfico
Uma hiptese verificada nem sempre uma
hiptese verdadeira. Muitas hipteses sodescartadas quando novos fatos a tornamobsoletas.
Os pesquisadores esto sempre sendo solicitados acriarem novas hipteses, sendo que para istonecessitam de engenhosidade para criar osexperimentos e imaginao para formular as
hipteses.
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Unidades fundamentais
Na realizao dos clculos fsico-qumicos
necessrio a utilizao de unidades consistentes oua utilizao de fatores de converso convenientes.
Uma srie de unidades primrias ou constantes
foram determinadas experimentalmente e so muitoteis nos clculos.
Na maioria das vezes as medidas so expressasem cm, g e segundo (sistema CGS).
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Exemplos de constantes usuais
cms310-10Velocidade da luz
ergs6,621027Constante de Planck
mol-16,021023Nmero de Avogrado
Coulombsequiv-196500Faraday
JoulesoC-1mol-18,314Constante dos gases
Joules4,184Caloria
oK273,1Zero absolutomol
-1
22,41Volume molar
cms-2980,7Acelerao dagravidade
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Propriedades termodinmicas
Todas as quantidades mensurveis dossistemas so chamadas propriedades do
sistema. No caso dos sistemas termodinmicosestas propriedades recebem o nome depropriedades termodinmicas do sistema. Estadefinio no impe limites para aspropriedades. So exemplos de propriedadesas quantidades de matria (massa e nmero demoles) e de energia, a presso, a temperatura,
o volume, a rea superficial da fronteira, atenso superficial, o ndice de refrao, aviscosidade, etc.
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Propriedades termodinmicas
Algumas propriedades termodinmicas podem ser
monitoradas com instrumentos facilmentedisponveis como a temperatura, por meio determmetros, a presso, usando manmetros, etc.Outras exigem tcnicas de medio maiselaboradas que podem incluir amostragens. Acomposio, por exemplo, exige tcnicas eequipamentos que podem ser sofisticados e
especficos para cada componente.
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MASSA
A massa mede a quantidade de matria existenteno sistema. , portanto, um parmetro importante.No SI a massa medida em quilograma (kg) que uma das unidades bsicas deste sistema.Quanto questo massa versus peso, bastalembrar que massa a quantidade de matria e quepeso a fora devida a atrao gravitacional do
nosso planeta medida na balana, que nada mais que um dinammetro. A massa uma grandezaescalar e o peso uma grandeza vetorial. Oresultado da pesagem depende da intensidade do
campo gravitacional que varia com a altitude. Naausncia da gravidade o peso zero. Por estarazo, a massa preferida em relao ao peso noestudo dos sistemas.
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VOLUME
O volume mede o espao ocupado pelo sistema.No h mistrio em relao ao volume, sendo apropriedade mais facilmente entendida. No SI ovolume medido em metros cbicos (m3) sendo,portanto, baseado no metro que uma das
unidades bsicas do SI. O metro definido como ocomprimento percorrido pela luz no vcuo nointervalo de 1/299792458 segundos. O litro (L) muito usado porque est numa escala mais
apropriada para usos prticos.
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Volume especfico
O volume pode ser dividido pela massa,
neste caso ele se chama volume especifico(m3/kg). O inverso do volume especfico adensidade (kg/m3). O volume tambm pode
ser dividido pelo nmero de moles, nestecaso recebe o nome de volume molar(m3/mol).
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Densidade e massa especfica
Massa especfica ou densidade absoluta (density)= massa / volume
Peso especfico (de uso pouco freqente)= m.g / V
Quando a medida realizada no vcuo recebe o
nome de massa especifica absolutaDensidade ou densidade relativa (specific gravity)
um nmero absoluto sendo a relao entre duasmassas especficas, em geral do produto e da gua
a 4 C ou a 20 C
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ENERGIANo SI a energia medida em Joules (J), mas acaloria (cal) ainda resiste. O Joule definidocomo sendo a energia igual ao trabalho realizadopor uma fora de um Newton (N) quando ela deslocada numa distncia de um metro (m). Acaloria a energia necessria para elevar umgrama de gua em 1C em condies bemespecificadas. Existem vrias calorias em funo
da temperatura onde se inicia a variao detemperatura (4C, 15C (4.1855 J) e 20C (4.182J)). Existe tambm a caloria mdia que umcentsimo da energia necessria para levar a
gua de 0C a 100C (4.190 J). Existe tambm acaloria termoqumica que correspondeexatamente a 4.184 J.
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Potencia
Quantidade de energia gasta por unidade de tempo.
Mede a rapidez com que o trabalho realizado.
Pode ser definida como sendo a variao de energia porunidade de tempo.
No sistema SI de unidades a potencia medida em Watt
(W),que corresponde a 1 joule por segundo.
dt
dEP =
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PRESSO
Presso um parmetro normalmente associado afluidos sendo a fora por unidade de rea exercida, nafronteira, pela vizinhana sobre o sistema e vice-versa.Como a fronteira imaterial e no possui espessura, osistema reage se contrapondo a presso exercida pelavizinhana com uma presso igual e de sentido opostoconforme reza o princpio da ao e reao de Newton.Nos gases, esta fora decorre da variao do impulso(quantidade de movimento) das molculas quando elascolidem elasticamente contra a fronteira do sistema. Noslquido a presso de natureza hidrosttica e decorredo peso da coluna de lquido.
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Presso
No SI a presso medida em Pascal (Pa), que a pressoexercida por uma fora de 1 Newton (N), uniformementedistribuda sobre uma superfcie de um metro quadrado de
rea. Apenas a componente da fora perpendicular superfcie de atuao da fora contribui para a presso. Apresso um parmetro muito apreciado porque pode serfacilmente medida acoplando um manmetro ao sistema.Para dar uma idia, a presso atmosfrica igual a 100
kPa, isto , um hectoPascal (hPa).Ainda persistem muitas unidade de presso que nopertencem ao SI. Uma delas a atmosfera (atm), que apresso ao nvel do mar.Como a presso medida pela altura de lquidos
manomtricos, ainda persiste o milmetro de mercrio(mmHg), cujo valor 1/760 atm. Em homenagem aTorricelli o mmHg conhecido como Torr.
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Massa atmica ou molar
O tomo formado por um ncleo minsculo, comdimetro aproximado de 10-14m no meio de umanuvem eletrnica de 10-10m, sendo que as cargaspositivas e negativas se anulam.
Cada nucldio pode ser descrito por dois nmeros:
nmero de prtons (Z) e a soma do nmero deprtons e neutros (A = Z + N). tomos do mesmo elemento possuem o mesmo
valor de Z. tomos com o mesmo Z e diferentes Aso denominados istopos.
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Massa atmica ou molar
O istopo com A = 12 do carbono foi escolhidocomo unidade de massa atmica que correspondea 1/12 de sua massa.
Em qualquer amostra de elemento, ele compostopor uma mistura de diversos istopos de ocorrncia
natural. O valor de massa atmica que aparece nas tabelas
peridicas a mdia da massa desses istopos.
Amostras de elementos de diferentes fontes podemapresentar diferentes composies isotpicas.
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Lei da conservao da massa
A lei da conservao da massa nas reaes
qumicas foi definida aps muitos ensaiosexperimentais sendo amplamente vlida para ostrabalhos rotineiros.
Para processos que envolvem uma grandeliberao de energia como os nucleares, deve serrealizado uma correo seguindo a equao dainterconverso de massa em energia onde:
U = (m)c2.
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MOL
Medida da quantidade de substncias existentesnum sistema que proporcional ao nmero deentidades elementares existentes no sistema.
As entidades elementares podem ser tomos,molculas ons, etc.
A unidade Si de medida o mol que a quantidadede tomos presentes em 0,012kg de carbono 12.Esse nmero uma constante denominada deAvogadro e seu valor :
NA = 6,022045x1023 mol-1
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Estequiometria
o clculo das quantidades de reagentes e/ou
produtos das reaes qumicas em mols, emmassa, em volume, nmero de tomos emolculas, realizado como conseqncia da leide Proust, executado, em geral, com auxlio das
equaes qumicas correlatas.A palavra estequiometria de origem grega esignifica medida de uma substncia.
Estquio do grego stoikheion (elemento ousubstncia) e metria do grego metron (medida).
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Alguns conceitos matemticos
Funo e derivadaO smbolo f(x) significa que f uma funo de x eque se escolhermos um valor para x (varivelindependente) pertencente a um conjuntodenominado domnio da funo, teremos um valorcorrespondente para f (varivel dependente)
pertencente a um outro conjunto denominadocontradomnio da funo.Exemplo: sabendo que o volume de um gsdepende de sua temperatura podemos escrever,
V = V(T)
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Alguns conceitos matemticos
Funo e derivada Sabendo-se que f depende de x, muitas vezes nos interessa
saber o quanto f varia com x. Esta informao da funo
dada pela derivada da funo em relao a x:
Geometricamente, a derivada o coeficiente angular datangente da curva num ponto. Se a derivada for positiva afuno crescente, se for negativa decrescente se for nula
a funo uma constante.
x
fxf
dx
df
x
==
0lim)('
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Derivada de uma funo
A derivada de uma funo f(x) denotada como f(x)
dada por:
)lim()()(lim)('0
existiriteestesex
xfxxfxfx
+=
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A derivada como inclinao da curva num
ponto
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Alguns conceitos matemticos
integral
Integral a operao inversa da derivada. E corresponde
ao limite de uma somatria. A integral indefinida est sempre associada a uma
constante de integrao C:
J a integral definida est associada a uma constante.Geometricamente corresponde a rea definidas pelosegmento da curva, o eixo dos x e as retas x = a e x = b.
+= Cxdxx ln1
=+=b
aaGbGdxxcgentoCxGdxxg )()()()()(
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Integral como rea
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Alguns conceitos matemticos
funes de mais de uma varivel freqente em fsico-qumica ocorrer funes com
mais de uma varivel independente, p. ex. o volumede um gs uma funo da presso e datemperatura:
V = V(p,T)
O clculo da derivada dessa funo realizadaconsiderando mentalmente uma das variveis comoconstante e derivando da forma tradicional. Assim,podemos dizer que uma funo de duas variveisapresenta duas derivadas.
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Alguns conceitos matemticos
derivadas parciais As derivadas das funes de duas ou mais
variveis so denominadas derivadas parciais,
onde o ndice fora dos parnteses a varivelmantida constante durante a derivao:
Se quisermos saber como varia o volume dogs com a temperatura, mantendo a pressoconstante, basta utilizar a expresso:
Tp p
Ve
T
V
dTT
VdV
p
=
Al i i
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Alguns conceitos matemticos
diferencial total
Se na funo V = V(p,T), tanto p como T variam,
a variao total ser a soma das derivadasparciais:
Essa a diferencial total da funo de duasvariveis que de forma genrica pode ser
escrita:
dpp
VdT
T
VdV
Tp
+
=
dyy
fdx
x
fyxdf
xy
+
=),(
Al i i
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comum se ter uma srie de dados experimentaise se desejar uma curva (funo) que melhor seajuste aos pontos experimentais.
O mtodo dos mnimos quadrados o melhormtodo para se obter os parmetros da funo.Apesar do mtodo servir para qualquer funo, afuno polinomial a que na prtica melhor seadapta a este mtodo.
y = a + bx + cx2 +
Alguns conceitos matemticos
mtodos dos mnimos quadrados
Al i i
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Alguns conceitos matemticos
mtodos dos mnimos quadrados Esse mtodo est baseado no princpio de que
a curva de melhor ajuste aquela que a
somatria das diferena entre os valores dapolinomial e os valores experimentais seja omnimo, ou seja:
di = f(x) xexpdi =0 Uma forma melhor para se medir a proximidade
de ajuste elevar di ao quadrado, assim os
valores se tornaro todos positivos e a seguirfazer a somatria. Esta quantidade um bomindicador do ajuste dos dados.
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Diferenas entre ospontos e a curvaintercalada
y
desvio
desvio
desvio
desvio
desvio
x
Al it t ti t d d
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Alguns conceitos matemticos - mtodos dos
mnimos quadrados A somatria dos di2 uma quantidade denominada de varincia
2, definida como:
Quanto menor for2 melhor ter sido o ajuste da curva dada.Como 2 depende dos parmetros a, b, c, etc da polinomial,deve-se escolher a, b, c, etc de forma que 2 seja o menor
possvel. Uma forma de se determinar um mnimo derivando umas
expresso, igualando a zero e resolvendo, pois no ponto demnimo (e de mximo) a derivada pela sua definio geomtrica nula.
di2 = [f(x) xexp]2
=
N
diN 1
22 1
[ ] =N
xxfN 1
2
exp
2 )(1
Alg ns conceitos matemticos
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Alguns conceitos matemticos
mtodos dos mnimos quadrados Se derivarmos parcialmente 2 em relao a
a, b, c, etc, igualarmos essas derivadas azero e resolvermos as equaes obteremosos valores de a, b, c, etc que 2 o sermnimo.
Caso se utilize uma polinomial de 1o grau(ax + b y) a regresso recebe o nome particular de
regresso linear ou regresso dos mnimos
quadrados.
Sistema internacional de unidades
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Sistema internacional de unidades
As sete unidades bsicas dimensionalmente independentes
cdcandelaIvIntensidade luminosa
molMolnQuantidade desubstncia
KKelvinTTemperaturatermodinmica
AAmereICorrente eltrica
sSegundotTempo
kgquilogramamMassamMetrolComprimento
Smbolo
SI
Denominao
SI
Smbolo daquantidade
Quantidade fsica
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As definies das unidades bsicas so
encontradas na literatura. Todas as outras quantidades fsicas so
consideradas como secundrias.
Em muitos tpicos apresentados nadisciplina ser utilizado o sistema cgs(centmetro, grama e segundo).
Unidades sec ndrias
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Unidades secundrias
rea = metro quadrado Volume = metro cbico Densidade = kg por metro cbico Algumas unidades secundrias possuem nomes
especiais:
Fora = newton (kgms-2
)Presso = pascal (Nm-2)Potncia = watt (Js-1)Carga eltrica = coulomb (As)
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Regras gramaticais
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Regras gramaticais
As unidades secundrias resultante de umproduto pode ser escrita de diversas formas:N m; Nxm; Nm.
Um cociente pode ser escrito: kJ/mol; kJmol-1. O uso do trao inclinado deve ser utilizadosem que cause ambiguidade:
(m/s)/(V/m) e no m/s/V/m
kcal/(h m2 o
C) e no Kcal/h/m2
/o
C
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Anlise dimensional
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Anlise dimensional
Consiste num poderoso instrumento a disposio dopesquisador para prever frmulas de fenmenos
mecnicos. Na mecnica, adotam-se a massa (M), o
comprimento (L) e o tempo (T) como grandezas
fundamentais. Pode-se expressar qualquer grandeza fsica G, de
natureza mecnica, em funo de M, L e T,obtendo-se, assim, a equao dimensional da
grandeza G.
Anlise dimensional
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Anlise dimensional
Desse modo, a equao dimensional de G, que
indicada pela notao [G], ser dada por:
Os expoentes , e , so chamadosdimenses fsicas da grandeza [G] em relaos grandezas fundamentais M, L e T.
Assim, pode-se escrever todas as grandezas da
mecnica em funo de L, M e T variando osvalores de , e .
[ ] TLMG =
Anlise dimensional
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Anlise dimensional
ExemplosVelocidade (v)
v = l/ t
[v] = MLTComo = 0, = 1, = -1, temos:
[v] = M0L1T-1
Acelerao (a)a = v/ t
[a] = M
0
L
1
T
-2
Exemplos
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Exemplos
Se A uma grandeza de comprimento, a dimenso de A dada por: [A] = L
Se c uma grandeza de velocidade, c = comprimento /tempo e, portanto: [c] = L/T = L T1
Se a acelerao, a = velocidade / tempo tem-se: [a] = L T1/T = L T2
Se F fora, F = massa acelerao: [F] = L M T2
Se S rea, S = comprimento comprimento e [S] = L2
Se p presso, p = fora / rea e [p] = L M T2/L2 = L1 MT2
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