Fundamentos de Físico-Química

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30/11/2012
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FUNDAMENTOSFUNDAMENTOS
1
Salvador, 29 de Novembro de 2012
Disciplina: Fundamentos de físico‐química 
Código: QUI012
Profa: Rosangela R L Vidal
FUNDAMENTOS
• Objetivos
• Matéria: definição e classificação
• Estados da matéria
• Propriedades físicas
• Força
• Trabalho
• Energia
• Pressão
• Temperatura
• Equações de estado
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Objetivos da Físico‐Química
Estabelecer a ligação entre as propriedades
macroscópias da matéria e o
comportamento das partículas: atómos íons
3
comportamento das partículas: atómos, íons
e moléculas, que a constituem
Definição: Matéria é qualquer coisa que tem
massa e ocupa lugar no espaço
ƒ Na linguagem diária, uma “substância” é apenas outro
nome da matéria. Em química: uma substância é uma
forma simples e pura da matéria
ƒ EX: O ar é matéria, mas sendo uma mistura de vários gases
não é uma substância simples.
4
O
Classificada em três estados  
denominados estados da matéria
SólidoSólido
5
O LíquidoLíquido
GásGás
Gás: Forma fluida da matéria que
preenche completamento o recipiente que
ocupa
6
Líquido: Forma fluida da matéria que
possui uma superfície bem definida e
ocupa a parte inferior do recipiente
Sólido: retém a sua forma independente 
do recipiente que ela ocupa 
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Sólido ¾ Consiste em partículas que estão em contato. Os átomos
são empacotados de modo a ficarem muito perto uns dos
outros
¾Formando em geral arranjos ordenados
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O
¾Formando em geral arranjos ordenados
¾ É uma forma rígida da matéria – os átomos não podem
mover‐se facilmente
Não ficam imóveis, oscilam em torno de sua
posição média e o movimento de oscilação fica
mais rigoroso com o aumento da temperatura
¾ Consiste em partículas que estão em contato, mas
que são capazes de se mover umas em relação às
outras de maneira restrita
Líquido
8
O As partículas movimentam‐se continuamente, mas só
percorrem uma fração do diâmetro molecular antes de
colidirem com uma partícula vizinha
¾ É constituído de partículas muito separadas entre si
que se movimentam rápida e continuamente, de
forma desordenada.
Gasoso
9
O
¾ Estão em constante movimento aleatório e na
maior parte do tempo estão tão distantes que a
interação entre elas é muito fraca
A principal diferença é a liberdade das partículas
Se as partículas interagem fortemente entre si, de
modo a ficarem presas, de forma rígida, umas as
outras, então, a substância é um sólido
10
O
Se a separação média entre as partículas for grande, 
não há restrição de movimento e a substância é um 
gás
Se as partículas tiverem uma mobilidade
intermediária entre esses dois extremos, então, a
substância é um líquido
A principal diferença é a liberdade das partículas
Aumento na liberdade de movimento das partícclas ( T) 
11
Diminuição na liberdade de movimento das partículas ( T) 
¾ É a característica que podemos observar e medir sem mudar a
identidade de uma substância
¾ Propriedades físicas: massa, temperatura, volume, pressão e
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O
quantidade de substância
‐ Massa, m, de uma amostra é uma medida de quantidade de matéria
que ela contém;
‐ Volume, V, de uma amostra é a quantidade de espaço que ela ocupa
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As propriedades físicas também são classificadas segundo sua
dependência da massa da amostra, ou seja, da quantidade de matéria
contida no sistema.
Extensiva Intensiva
13
O
Extensiva
Depende da quantidade 
da matéria contida no 
sistema 
n, V, massa, capacidade 
calorífica, energia interna, 
entalpia, entropia etc
Intensiva
Independe da quantidade 
da matéria
T, p, densidade, tensão 
superficial, viscosidade, 
índice de refração, cte
dielétrica etc
A massa é uma propriedade extensiva, mas a temperatura é intensiva
Ex.: Para abrir uma porta
Modifica o estado de movimento de um 
objeto
14
O
Ao acertar uma bola com um chute
¾De acordo com a segunda lei do movimento de Newton, quando um
objeto experimenta uma força, ele sofre uma aceleração
N
Unidade
mskgF
maF
 1s m kg 1
 .
2-
2
=
=
=
− 
É a energia gasta ao mover um objeto 
contra uma força em oposição
15
O
Trabalho = força x distância
J
w
Fw
 1m N 1
Unidade
 m N 
d x 
=
=
=
 
Ex: uma mola completamente comprimida pode
realizar mais trabalho que outra parcialmente
comprimida
Uma medida da capacidade de realizar 
trabalho
16
O
Quando bromo é derramado
em fósforo vermelho, ocorre
uma reação química, na qual
muita energia é liberada como
calor e luz
comprimida
K Energia >K capacidade de realizar 
trabalho
A unidade de energia (SI) é o Joule (J)
1 J = 1kg m2 s‐2 (1 kJ = 103 J)( )
J sKg m
 sKg m.mKg m s N m w
Fw
--
 1m N 1
Unidade
 
d x 
22
222
==
===
=
−
 
Energia cinética 2mv2
1Ec =
Energia dada a um corpo por seu movimento
Existem duas contribuições para a energia total:
17
O
Energia potencial mghEp =
Energia dada a um corpo em função da sua posição
Energia potencial de Coulomb ‐ é a energia devida à atração e repulsão entre
cargas elétricas
r
qq
o
p πε4E
21=
εo = permissividade no vácuo
εo = 8,854 x 10‐12 J‐1 C2 m
18
o
Ep x distância r (de duas cargas opostas):
Ep qdo r     (as cargas se aproximam)
18
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Energia total = Ec + Ep
A energia total é cte, se não existem influências externas
Lei da conservação de energia
De baixo 
para cima
Ec e Ep
De cima 
para baixo
Ec e Ep
19
O
As energias cinéticas e potencial podem ser trocadas livremente:
Ex: uma bola caindo perde energia potencial, mas ganha energia cinética à
medida que é acelerada.
Lei da conservação de energia
Entretanto sua energia total permanece
constante, desde que o corpo esteja
isolado de influências externas
Definida como a força dividida pela área 
sobre a qual a força atua
A
Fp =
A
A   e  p 
A   e  p 
Para uma mesma massa (mesma F)
A unidade de pressão (SI) é o Pascal (Pa)
1 Pa = 1kg m-1 s-2 (1 bar = 105 Pa) 20
A   e  p 
Unidade de Pressão Fator de conversão
pascal, Pa 1 Pa = 1 N m‐2
bar 1 bar = 105 Pa
Atmosfera, atm 1 atm = 101,3 kPa = 1,013 bar 
Torricelli, Torr 760 Torr = 1 atm; 1 Torr = 133,32 Pa, ; ,
21
A
Fp =Gás confinado em um cilindro com pistão móvel
Equilíbrio mecânico: Pext = Pint
Pint: devido às colisões das partículas com as
paredes do recipiente e com a superfície do pistão
Pext (Patm): devido às colisões das moléculas da
atmosfera com a superfície externa do pistão
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Pressão atmosférica (uma propriedade que
varia com a altitude e com as condições
meteorológicas) é medida com um barômetro
Ph
Cálculo da pressão hidrostática
exercida por uma coluna de altura
h e área da seção reta
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gh
A
ghA
A
Vg
A
ma
A
Fp ρρρ ===== )(
Pext
Manômetro é utilizado para medir a pressão de outros gases não que seja atmosférica
Manômetro de tubo fechado:
Utilizado para medir pressões
abaixo da pressão atmosférica
Pgás = Ph (Pgás ≈ diferença de h
do Líquido)
Manômetro de tubo aberto:
Utilizado para medir pressões
iguais ou maiores que a pressão
atmosférica
Pgás = Ph + Patm (Ph < Patm) 24
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É a propriedade de um objeto que determina 
em que direção a energia fluirá quando o 
objeto entrar em contato com outro objeto
O
¾ No Equilíbrio térmico: as T se igualam
Não há fluxo de energia entre os corpos
25
•Celsius:
• Escala de temperatura relativa, expressa em °C
• As temperaturas estão relacionadas ao comprimento 
da coluna de líquido
• Cada líquido expande de maneira diferente e não 
Escalas de temperatura
O
q p
uniformemente  sobre uma determinada faixa de 
temperatura
•Termômetros construídos a partir de materiais 
diferentes, apresentam medidas de T diferentes entre os 
pontos fixos
•Essa escala tem o ponto zero arbitrário
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Temperatura relativa: a escala de medição depende das propriedades da substância
É possível usar o comprimento da coluna de mercúrio como medida de temperatura
•Kelvin: escala de temperatura absoluta, expressa 
em K. 
• A escala de temperatura foi construída a partir da 
pressão de um gás ideal em que a escala de T 
Escalas de temperatura
O
p g q
independe da natureza do gás
•ponto zero absoluto,com significado físico. 
27
Temperatura absoluta: a escala de medição independe das propriedades da substância
Escalas de temperatura
• Celsius:  escala de temperatura relativa, expressa em °C. 
A 1 atm, ponto de congelamento da água corresponde a 
O °C e o ponto de ebulição a 100 °C
• Kelvin: escala de temperatura absoluta, expressa em K. 
A 1 atm, a água congela a 273,15 K e ferve a 373,15 K
O
Conversão da temperatura 
de K para οC
15,273º += CK
Zero absoluto de temperatura é a 
temperatura abaixo da qual é 
impossível esfriar um objeto (escala 
Kelvin T = 0) 28
O estado de qualquer amostra de uma 
substância pode ser especificado através 
dos valores das seguintes propriedades
V, o volume que a 
amostra ocupa 
V, o volume que a 
amostra ocupa 
E i d d
O
pp
P, a pressão da 
amostra
P, a pressão da 
amostra
T, a temperatura da 
amostra
T, a temperatura da 
amostra
n, a quantidade de 
moléculas
n, a quantidade de 
moléculas
Essas propriedades 
são dependentes 
entre si
P = f(n, V, T)
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As equações de estado para a maioria das substâncias não são conhecidas
‐ não é possível escrever uma equação que correlacione a P com as outras
variáveis de estado (V, T e n)
Entretanto, é conhecida a equação de estado para um gás a baixas
pressões
‐ que é muito simples e extremamente útil
O
30
Os gases são a forma mais simples da matéria
‐ Fornecem a base para as equações termodinâmicas (primeira lei)
Equação de estado para
um gás ideal obtida por
Boyle e seus sucessores:
V
RTnpnRTpV =∴=
O valor de R (uma constante) é
determinada experimentalmente
e apresenta o mesmo valor para
todos os gases
nT
pVR = 11... 08206,0 −−= KmolatmLR
11 ..314,8 −−= KmolJR
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O valor de R pode ser definido da seguinte forma
Experimentalmente:  
Nas CPTP: 1 mol de um gás ideal ocupa um volume de 22,414 L 
31
O
(T = 273, 15 K e p = 1 atm)
11... 08206,0
)15,273)(1(
)414,22)(1(
−−=
=
=
KmolatmLR
Kmol
LatmR
nT
pVR
Para expressar R em J.mol‐1.K‐1: usar os fatores de conversão
33
25
1011
)11( 1001325,11
 mx L 
 N.m Pa Pax atm 
-
-
=
==
32
O
11
11
3325
..314,8
.N.m. 314,8
)15,273)(1(
1
101414,22
1
.1001325,11
−−
−−
−−
=
=
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
=
=
KmolJR
KmolR
Kmol
L
mxLxx
atm
mNxatmx
R
nT
pVR
1 J = 1 N.m
Constante valores
R 0,08206  L.atm.mol‐1.K‐1
0,08315  L.bar.mol‐1.K‐1
1,987       cal.mol‐1.K‐1
8,314       J.mol‐1.K‐1
8 314 L KPa mol‐1 K‐1
Tabela 1: Valores de R, a constante das leis dos gases ideais
33
8,314       L.KPa.mol 1.K 1
62,36       L.torr.mol‐1.K‐1
Gás real (que existe na natureza) comporta‐se com um gás ideal à
medida que a sua pressão vai diminuindo
Na prática, a Patm ao nível do mar (p = ≈ 100 kPa) já é suficientemente
baixa para que a maioria dos gases reais se comportem com um gás
ideal
O
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Diferença de comportamento de um gás real em relação ao um ideal:
‐ Atribuída as atrações e repulsões que existem entre as moléculas
presentes na natureza e que estão ausentes em um gás ideal.
Condições Normais Ambiente de Temperatura e Pressão (CNATP)
T = 25 ºC, p = 1bar e Vmolar = 24,79 L/mol
Condições Normais de Temperatura e Pressão (CNTP)
T = 0 ºC, p = 1 atm e Vmolar = 22,41 L/mol
O
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Condições Padrão de Temperatura e Pressão (CPTP)
T = 273,25 K, p = 1 atm e Vmolar = 22,41 L/mol
n
VVVmolar ==
Ex.: Um bioquímico está investigando a conversão do nitrogênio
atmosférico em uma forma que possa ser utilizada pelas bactérias que se
localizam nas raízes de certos legumes e, por isso, necessita saber a
pressão em kPa exercida por 1,25 g de nitrogênio gasoso (N2(g)) em um
frasco de volume igual a 250 mL, a 20 ºC.
nRTpV =
O
36
( )
( )
( )
kPap
mLL
KmolkPaLR
KCT
molgxM
mol
M
mn
p
N
 435 Resposta
 1000 1
./. 31447,8
 15,273º
/ 02,2801,142
 
2
=
=
=
+=
==
=
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Ex.: Calcule a pressão exercida por 1,22 g de dióxido de carbono (CO2)
contido em um frasco de volume igual a 500 mL, a 37 ºC.
( )
molgxMmolgM
mol
M
mn
nRTpV
/32)162(/0112
 =
=
O
37
( )
kPap
mLL
KmolkPaLR
KCT
molgM
molgxMmolgM
CO
OC
 143 Resposta
 1000 1
./. 31447,8
 15,273º
/ 01,44
/32)162(,/ 01,12
2
2
=
=
=
+=
=
===
Atkins, P.; Paula, J; Físico‐química biológica, 2008.
Chang, R., Físico‐química para ciências químicas e biológicas, Vol. 
1, McGraw‐Hill, 2009.
Nertz, P.A; Ortega, G.G., Fundamentos de Físico‐química, Artmed, 
20022002.
38
Atkins, P.; Paula, J; Físico‐química biológica, 2008.
Chang, R., Físico‐química para ciências químicas e biológicas, Vol. 
1, McGraw‐Hill, 2009.
Nertz, P.A; Ortega, G.G., Fundamentos de Físico‐química, Artmed, 
20022002.
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