Físico-Química Vol. 1, 10ª edição

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Consagrado como livro-texto definitivo sobre Físico-Química, a obra dos premiados professores Peter Atkins e Julio de Paula chega à 10ª edição totalmente reformulada.

Entre as novidades estão:•Capítulos divididos em seções curtas, tornando o texto mais inteligível para os estudantes e facilitando a divisão pedagógica para os professores;•Explicações didáticas sobre a importância do material a ser estudado, a ideia fundamental de cada seção e quais conhecimentos prévios são necessários para a leitura do capítulo;•Seções “Ferramentas do químico”, que oferecem lembretes sucintos de conceitos e técnicas;•Compilações úteis dos conceitos e equações mais importantes ao final de cada seção.Divididos em dois volumes, os 22 capítulos de Físico-Química trazem centenas de exemplos, ilustrações coloridas, questões teóricas e atividades integradas.De consulta fácil, didático e completo, o livro foi atualizado para atender às necessidades dos estudantes contemporâneos e mantém-se como a melhor escolha para cursos de graduação em Engenharia, Física e Química.

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Fundamentos

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Fundamentos

A química é a ciência da matéria e das mudanças que ela pode sofrer. A físico-química é o ramo da química que estabelece e desenvolve os princípios da ciência em termos dos conceitos subjacentes da física e da linguagem matemática. Ela fornece a base para o desenvolvimento de novas técnicas espectroscópicas e suas interpretações, para o entendimento da estrutura de moléculas e dos detalhes de suas distribuições eletrônicas, assim como para relacionar as propriedades macroscópicas da matéria aos seus

átomos constituintes. A físico-química fornece também uma conexão com o mundo das reações químicas e nos permite entender em detalhes como elas acontecem.

A  Matéria

Ao longo do texto, iremos usar alguns conceitos da química introdutória que devem ser familiares, tais como o “modelo nuclear do átomo”, “estruturas de Lewis” e a “equação dos gases perfeitos”.

Essa seção vai rever conceitos da química que vão aparecer em muitas das etapas da apresentação.

 

CAPÍTULO 1 As propriedades dos gases

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CAPÍTULO 1

As propriedades dos gases

Um gás é uma forma de matéria que preenche o recipiente que ele ocupa, qualquer que seja. Este capítulo estabelece as propriedades dos gases que serão usadas ao longo do texto.

1A  O gás perfeito

O capítulo começa por uma descrição idealizada de um gás, a do “gás perfeito”, e mostra como a respectiva equação de estado pode ser obtida a partir de observações experimentais resumidas pelas leis de Boyle e de Charles e pelo princípio de

Avogadro.

1C  Gases reais

O gás perfeito é um excelente ponto de partida para a discussão das propriedades de todos os gases, e suas propriedades são tratadas nos capítulos sobre termodinâmica que se seguem a este capítulo. No entanto, os “gases reais” têm propriedades que diferem das dos gases perfeitos, e precisamos estar aptos a interpretar esses desvios e colocar no nosso modelo os efeitos de atrações e repulsões moleculares. A discussão dos gases reais é outro exemplo de como modelos na físico-química, inicialmente simples, são elaborados para levar em conta observações mais detalhadas.

 

CAPÍTULO 2 A Primeira Lei

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CAPÍTULO 2

A Primeira Lei

O desprendimento de energia pode ser usado para produzir calor, como na queima de um combustível num forno, para proporcionar trabalho mecânico, como na queima de um combustível em um motor, e para gerar trabalho elétrico, como numa reação química que impele elétrons através de um circuito. Encontramos, na química, reações que podem ser controladas para proporcionar calor e trabalho, reações que liberam energia que se desperdiça, mas produzem substâncias desejáveis, e reações que constituem os processos da vida. A termodinâmica, o estudo das transformações da energia, leva à discussão quantitativa de todos esses efeitos e propicia que predições úteis sejam feitas.

2A  Energia interna

Inicialmente vamos examinar as formas pelas quais um sistema pode trocar energia com suas vizinhanças em termos do trabalho que ele pode efetuar, ou nele ser efetuado, ou do calor que pode desprender ou absorver. Essas considerações levam à definição de

 

CAPÍTULO 3 A Segunda e Terceira Leis

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CAPÍTULO 3

A Segunda e Terceira Leis

Algumas coisas ocorrem naturalmente, outras não. Alguma característica do mundo natural determina o sentido da transformação espontânea, o sentido da transformação que não exige trabalho para se realizar. Um ponto importante, no entanto, é que, neste livro,

“espontâneo” tem que ser interpretado como uma tendência natural que pode ou não pode ser percebida na prática. A termodinâmica não diz nada em relação à velocidade com que uma transformação espontânea ocorre na realidade, e alguns processos espontâneos

(como a conversão de diamante em grafita) podem ser tão lentos que a tendência nunca é percebida na prática, enquanto outros

(como a de expansão de um gás no vácuo) são quase instantâneos.

3A  Entropia

A direção de uma transformação está relacionada à distribuição de energia e matéria, e as mudanças espontâneas são sempre acompanhadas de uma dispersão de energia ou matéria. Para quantificar esse processo introduzimos uma propriedade chamada ‘entropia’, que é central à formulação da Segunda Lei da Termodinâmica.

 

CAPÍTULO 4 Transformações físicas de substâncias puras

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CAPÍTULO 4

Transformações físicas de substâncias puras

A vaporização, a fusão e a conversão de grafita em diamante são todos exemplos de mudanças de fase sem alteração da composição química. A análise das transições de fase de substâncias puras está entre as aplicações mais simples da termodinâmica à química.

Neste capítulo descreveremos a termodinâmica desses processos, tomando como princípio básico a tendência de os sistemas, mantidos a temperatura e pressão constantes, tornarem mínima a sua energia de Gibbs.

4A  Diagramas de fases de substâncias puras

Primeiramente, veremos que um diagrama de fases é um mapa das pressões e temperaturas em que cada uma das fases de uma substância é mais estável. O critério termodinâmico da estabilidade de uma fase nos permite deduzir um resultado muito geral, a “regra das fases”, que resume as restrições impostas sobre o equilíbrio entre as fases. Levando em consideração os capítulos subsequentes, vamos expressar a regra em uma forma geral tal que possa ser aplicada a sistemas de mais de um componente. Trataremos, então, da interpretação dos diagramas de fases obtidos empiricamente para algumas substâncias.

 

CAPÍTULO 5 Misturas simples

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CAPÍTULO 5

Misturas simples

Misturas são uma parte essencial da química tanto por sua própria importância como por ser o meio para se iniciar reações químicas. As seções a seguir discutem a riqueza das propriedades físicas das misturas e mostram como expressá-las em termos de grandezas termodinâmicas.

5A  A descrição termodinâmica das misturas

A primeira seção deste capítulo desenvolve o conceito de potencial químico como exemplo de uma grandeza parcial molar. Depois, exploramos como usar o potencial químico de uma substância para descrever as propriedades físicas das misturas. O princípio fundamental subjacente em toda a exposição é o da igualdade do potencial químico de uma substância em todas as fases de um sistema em equilíbrio. Veremos como, com o apoio de duas observações experimentais, a lei de Raoult e a lei de Henry, exprime-se o potencial químico em termos da fração molar de uma substância em uma mistura.

5B  As propriedades das soluções

Nesta seção, o conceito de potencial químico é utilizado para calcular o efeito que o soluto exerce sobre certas propriedades termodinâmicas de uma solução. Estas propriedades incluem o abaixamento da pressão de vapor do solvente, a elevação do ponto de ebulição do solvente, o abaixamento do ponto de congelamento do solvente e a origem da pressão osmótica. Veremos também que é possível desenvolver um modelo de certo tipo de soluções reais denominadas “soluções regulares” e, assim, verificar como as propriedades desse tipo de soluções se afastam daquelas das soluções ideais.

 

CAPÍTULO 6 Equilíbrio químico

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CAPÍTULO 6

Equilíbrio químico

As reações químicas tendem a avançar para um estado de equilíbrio dinâmico, no qual reagentes e produtos estão presentes e onde eles não mostram mais tendência a sofrerem modificações líquidas.

Em alguns casos, a concentração dos produtos no sistema reacional em equilíbrio é tão maior do que a concentração dos reagentes residuais que, para todos os fins práticos, a reação está “completa”. Em outros casos, muitos dos quais importantes, a mistura em equilíbrio tem concentrações significativas de reagentes e de produtos.

6A  A constante de equilíbrio

Esta seção desenvolve o conceito de potencial químico e mostra como ele é usado para explicar a composição das reações químicas no equilíbrio. A composição no equilíbrio corresponde ao mínimo da energia de Gibbs em função do avanço da reação, e a determinação deste mínimo leva à relação entre a constante de equilíbrio e a energia de Gibbs padrão de reação.

6B  A resposta do equilíbrio às condições do sistema

 

CAPÍTULO 7 Introdução à teoria quântica

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CAPÍTULO 7

Introdução à teoria quântica

Antigamente se pensava que o movimento dos átomos e das partículas subatômicas pudesse ser expresso mediante as leis da “mecânica clássica”, as leis do movimento expostas no século

XVII por Isaac Newton, pois essas leis tiveram grande sucesso na explicação dos movimentos dos planetas e dos objetos do dia a dia. No entanto, uma descrição apropriada de elétrons, átomos e moléculas requer um tipo de mecânica diferente, a “mecânica quântica”, que apresentamos neste capítulo e que depois aplicaremos no restante do livro.

7A  As origens da mecânica quântica

A partir do final do século XIX, acumularam-se indícios experimentais que mostravam as falhas da mecânica clássica quando ela era aplicada ao movimento de partículas tão pequenas quanto os elétrons. Mais especificamente, medições cuidadosas levaram à conclusão de que as partículas não podem ter energias arbitrárias e que os conceitos clássicos de partícula e onda se unificam. Nesta seção veremos como essas observações criaram condições para o desenvolvimento dos conceitos e equações da mecânica quântica no início do século XX.

 

CAPÍTULO 8 Teoria quântica do movimento

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CAPÍTULO 8

Teoria quântica do movimento

Os três modos básicos de movimento – translação (movimento através do espaço), vibração e rotação – têm importante papel na química, pois são as formas pelas quais moléculas armazenam energia. As moléculas em fase gasosa, por exemplo, efetuam movimentos de translação, e as respectivas energias cinéticas são uma contribuição à energia interna da amostra de gás. As moléculas também armazenam energia na forma de energia cinética de rotação, e as transições entre os estados de energia de rotação podem ser observadas nos espectros correspondentes. A energia também é armazenada nas vibrações das moléculas, e as transições entre os estados de vibração permitem identificações espectroscópicas. Neste capítulo, vamos utilizar os princípios da teoria quântica para calcular as propriedades de partículas microscópicas em movimento.

8A  Translação

Nesta seção veremos que, de acordo com a teoria quântica, uma partícula restrita a se mover em uma região finita do espaço é descrita apenas por certas funções de onda e suas energias correspondentes. Deste modo, a quantização surge como uma consequência natural da resolução da equação de

 

CAPÍTULO 9 Estrutura atômica e espectros

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CAPÍTULO 9

Estrutura atômica e espectros

Neste capítulo veremos como aproveitar a mecânica quântica para descrever e investigar a estrutura eletrônica dos átomos, a disposição dos elétrons em torno do núcleo. Os conceitos que encontraremos têm muita importância para o entendimento das estruturas e reações dos átomos e moléculas e amplas aplicações de natureza química.

9A  Átomos hidrogenoides

Nesta seção, aproveitamos os princípios da mecânica quântica expostos nos Capítulos 7 e 8 para descrever a estrutura interna dos átomos. Iniciamos com o mais simples dos átomos. Um

“átomo hidrogenoide” é um átomo ou um íon com um elétron, tendo um número atômico qualquer Z; como exemplos temos o H, o He+, o Li2, o O7+ e até mesmo o U91+. Os átomos hidrogenoides são importantes porque suas equações de Schrödinger podem ser resolvidas exatamente. Eles também proporcionam vários conceitos que são usados para descrever as estruturas dos átomos polieletrônicos e também, como veremos nas seções do Capítulo 10, as estruturas das moléculas. Veremos que informações experimentais estão disponíveis a partir do estudo do espectro do hidrogênio atômico. Depois trabalharemos com a equação de Schrödinger de um elétron em um

 

CAPÍTULO 10 Estrutura molecular

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CAPÍTULO 10

Estrutura molecular

Os conceitos desenvolvidos no Capítulo 9, especialmente os de orbitais, podem ser generalizados para a descrição da estrutura eletrônica das moléculas. Há duas teorias quânticas principais para a estrutura eletrônica molecular. Na “teoria da ligação de valência”, o ponto de partida é o conceito de par de elétrons compartilhados.

10A  Teoria da ligação de valência

Nessa seção veremos como determinar a função de onda para um par de elétrons compartilhados e como se pode generalizá-la para explicar as estruturas de muitas moléculas. A teoria introduz os conceitos de ligações s e de ligações p, de promoção e de hibridização de orbitais, bastante usados na química.

10B  Princípios da teoria do orbital molecular

Quase todo trabalho computacional moderno utiliza a teoria do orbital molecular (teoria OM), na qual vamos nos concentrar neste capítulo. Na teoria OM, generaliza-se o conceito de orbital atômico para o de “orbital molecular”, que é uma função de onda pertinente a todos os átomos de uma molécula. A seção inicia-se com uma descrição da molécula de hidrogênio, que forma a base para a aplicação da teoria OM a moléculas mais complicadas.

 

Seção de Dados

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SEÇÃO DE DADOS

Tópicos

1

Integrais usuais

448

2

Unidades 449

3

Dados 450

4

Tabelas de caracteres

480

PARTE 1  Integrais usuais

Funções algébricas

A.1

A.2

x

n+1

∫ x dx = n +1 + constante, n ≠ −1

1

∫ x dx = ln x + constante n

Funções exponenciais

E.1

E.2

0

∫sen

T.3

T.4

n!

, n! = n(n −1)…1; 0! ≡ 1 an+1

∞ x 4 ex

π4 dx = x

2

15

0 (e − 1)

T.2

G.1

G.2

0

0

1  π e − ax dx =  

2 a xe − ax dx =

2

G.4

G.5

G.6

2 erf z = 1/2

π

0

0

T.6

1

2a

1 π  x 2 e − ax dx =  3 

4a 

G.3

2

3  π

8a2  a 

x 4 e − ax dx =

2

z

∫e

 

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