Físico-Química - Vol. 2, 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 11 Simetria molecular

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CAPÍTULO 11

Simetria molecular

Neste capítulo moldaremos o conceito de “forma” numa definição precisa de “simetria” e mostraremos como a simetria pode ser discutida sistematicamente.

11A  Elementos de simetria

Veremos como classificar as moléculas de acordo com a sua simetria e como aproveitar esta classificação para discutir a polaridade e a quiralidade das moléculas.

11B  Teoria de grupos

O tratamento sistemático da simetria é a “teoria de grupos”.

Mostraremos que é possível representar o resultado de operações de simetria (como rotações e reflexões) usando matrizes. Essa etapa nos permite expressar numericamente as operações de simetria e, portanto, realizar manipulações numéricas. Um importante

resultado é a capacidade de classificar várias combinações de orbitais atômicos segundo suas simetrias. Também é apresentado o importante conceito de “tabela de caracteres”, que é o conceito mais utilizado em aplicações químicas da teoria de grupos.

 

CAPÍTULO 12 Espectros de rotação e de vibração

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CAPÍTULO 12

Espectros de rotação e de vibração

A origem das linhas (ou raias) espectrais na espectroscopia molecular é a absorção, a emissão ou o espalhamento de um fóton quando a energia de uma molécula varia. A diferença em relação à espectroscopia atômica (Seção 9C) é a de que a energia da molécula pode se alterar não apenas pelas transições eletrônicas, mas também pela alteração de mudanças de estados de rotação e de vibração. Por isso, os espectros moleculares são mais complicados do que os espectros atômicos. Por outro lado, propiciam informações sobre maior número de propriedades, e sua análise leva à determinação de valores para as forças, comprimentos e ângulos das ligações. Também oferecem um caminho para a determinação de diversas propriedades moleculares, como os momentos de dipolo.

A estratégia geral a ser adotada neste capítulo é estabelecer as expressões dos níveis de energia das moléculas e, então, inferir a forma dos espectros de rotação e vibração. Os espectros eletrônicos são considerados no Capítulo 13.

 

CAPÍTULO 13 Transições eletrônicas

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CAPÍTULO 13

Transições eletrônicas

Diferentemente dos modos de rotação e de vibração, não existem expressões analíticas simples para os níveis de energia eletrônica das moléculas. Portanto, este capítulo se concentra nos aspectos qualitativos das transições eletrônicas.

13A  Espectros eletrônicos

Uma ideia comum que permeia todo o capítulo é que as transições eletrônicas ocorrem com a estrutura nuclear estacionária. Esta seção começa com uma discussão dos espectros eletrônicos de moléculas diatômicas. Veremos que, em fase gasosa, é possível observar simultaneamente as transições vibracionais e rotacionais que acompanham a transição eletrônica. Descreveremos, então, características dos espectros eletrônicos de moléculas poliatômicas.

13B  Decaimento dos estados excitados

Começamos essa seção com uma descrição da emissão espontânea pelas moléculas, incluindo os fenômenos de “fluorescência” e de “fosforescência”. Veremos, então, que o decaimento não radiativo dos estados excitados pode resultar em transferência de

 

CAPÍTULO 14 Ressonância magnética

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CAPÍTULO 14

Ressonância magnética

As técnicas de “ressonância magnética” investigam transições entre os estados de spin de núcleos e elétrons das moléculas. A espectroscopia de “ressonância magnética nuclear” (RMN), o foco deste capítulo, é um dos procedimentos de mais ampla utilização em química para a exploração de propriedades estruturais e dinâmicas de moléculas de todos os tamanhos, até as tão grandes quanto os biopolímeros.

14A  Princípios gerais

O capítulo inicia com uma explicação dos princípios que regem as transições espectroscópicas entre estados de spin de núcleos e elétrons das moléculas. Descreve também arranjos experimentais simples para a detecção dessas transições. Os conceitos desenvolvidos nessa seção preparam o campo para uma discussão das aplicações químicas da

RMN e da “ressonância paramagnética do elétron” (RPE).

14B  Características dos espectros de RMN

Essa seção contém uma discussão da RMN convencional, mostrando como as propriedades de um núcleo magnético são afetadas por seu ambiente eletrônico e pela presença de núcleos magnéticos na sua vizinhança. Esses conceitos levam ao entendimento de como a estrutura molecular rege o aspecto dos espectros de RMN.

 

CAPÍTULO 15 Termodinâmica estatística

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CAPÍTULO 15

Termodinâmica estatística

A termodinâmica estatística faz a ligação entre as propriedades microscópicas e as propriedades macroscópicas da matéria. Ela oferece um meio para calcular propriedades termodinâmicas a partir de dados estruturais e espectroscópicos e dá uma visão das origens moleculares das propriedades químicas.

15A  A distribuição de Boltzmann

A “distribuição de Boltzmann”, que é utilizada para determinar as populações dos estados de sistemas em equilíbrio térmico, está entre as mais importantes equações da química, pois resume as populações dos estados; além disso, dá uma percepção da natureza da “temperatura”. A estrutura dessa seção separa suas implicações importantes da sua dedução, bastante complexa.

15B  As funções de partição molecular

A distribuição de Boltzmann introduz o conceito de “função de partição”, que é o conceito matemático central do restante deste capítulo. Veremos como interpretar a função de partição e como determiná-la em alguns casos simples.

 

CAPÍTULO 16 Interações moleculares

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CAPÍTULO 16

Interações moleculares

Neste capítulo vamos examinar interações moleculares e interpretá-las em termos das propriedades elétricas das moléculas. Veremos aqui, e mais detalhadamente no Capítulo

17, que as interações moleculares governam as estruturas e as funções dos agregados moleculares.

16A  Propriedades elétricas das moléculas

O capítulo começa com uma descrição das propriedades elétricas das moléculas, tais como os “momentos de dipolo elétrico” e as “polarizabilidades”. Essas propriedades refletem o grau de controle dos núcleos dos átomos sobre os elétrons de uma molécula, seja pela acumulação de elétrons em certas regiões, seja pela influência na resposta dos elétrons, com maior ou menor intensidade, à ação de campos elétricos externos.

16B  Interações entre moléculas

Essa seção descreve a teoria básica de diversas interações moleculares importantes, com foco especial nas “interações de van der Waals” entre moléculas de camada fechada. Também discute a “ligação de hidrogênio” e a “interação hidrofóbica”. Todos os líquidos e sólidos estão ligados por uma ou mais das diversas interações coesivas que exploraremos nessa seção. Além disso, essas

 

CAPÍTULO 17 Macromoléculas e agregados

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CAPÍTULO 17

Macromoléculas e agregados

As macromoléculas são formadas por componentes covalentemente ligados. Elas estão por toda parte, dentro do nosso organismo e fora dele. Algumas são naturais: os polissacarídeos (como a celulose), os polipeptídios (como as enzimas), os polinucleotídeos (como o

ácido desoxirribonucleico (ADN, DNA na sigla em inglês)). Outras são sintéticas, (como o náilon e o poliestireno). Moléculas grandes e pequenas podem se aglutinar, formando partículas grandes, num processo que é chamado de “auto-organização” e que dá surgimento aos agregados, que de certa forma se comportam como macromoléculas. Um exemplo é a agregação da proteína actina em filamentos no tecido muscular. Neste capítulo, vamos examinar a estrutura e as propriedades de macromoléculas e agregados.

17A  As estruturas das macromoléculas

As macromoléculas adotam formas que são ditadas pelas interações moleculares descritas na Seção 16B. A forma global de uma proteína, por exemplo, é mantida por interações de van der Waals, ligações de hidrogênio e o efeito hidrofóbico. Nessa seção consideramos uma variedade de estruturas, iniciando com uma “cadeia randômica” sem estrutura, cadeias parcialmente estruturadas e, então, as proteínas estruturalmente precisas que atuam e os ácidos nucleicos.

 

CAPÍTULO 18 Sólidos

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CAPÍTULO 18

Sólidos

A maioria dos materiais que são usados nas tecnologias modernas está no estado sólido. Como exemplos podemos citar vários tipos de aço, que são usados em arquitetura e engenharia, os semicondutores e os condutores metálicos, que são usados nas tecnologias associadas à informação e à distribuição de eletricidade, as cerâmicas, que progressivamente estão substituindo os metais, e os polímeros sintéticos e naturais, discutidos no Capítulo 17, que são usados na indústria têxtil e na fabricação de vários objetos de uso comum no mundo moderno. Neste capítulo vamos explorar as estruturas e as propriedades físicas dos sólidos.

18A  Estrutura cristalina

Nessa seção veremos como descrever a organização regular de

átomos nos cristais e a simetria das suas organizações. Então, vamos considerar os princípios básicos da “difração de raios

X” e ver como o padrão de difração pode ser interpretado em termos da distribuição da densidade eletrônica em uma “célula unitária”.

 

CAPÍTULO 19 Moléculas em movimento

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CAPÍTULO 19

Moléculas em movimento

Este capítulo apresenta as técnicas para a discussão do movimento de todos os tipos de partículas em todos os tipos de fluidos. Ele utiliza extensivamente a teoria cinética dos gases, tratada na Seção 1B.

19A  Transporte em gases

Iniciamos mostrando que o movimento molecular nos fluidos (tanto gases quanto líquidos) é semelhante sob diversos aspectos. Vamos nos concentrar nas “propriedades de transporte” de uma substância, sua capacidade de transferir matéria, energia ou outra propriedade de um local para outro. Estas propriedades incluem a difusão, a condução térmica, a viscosidade e a efusão. Veremos que suas velocidades são expressas em termos da teoria cinética dos gases.

19B  Movimento nos líquidos

O movimento molecular nos líquidos é diferente daquele nos gases devido às forças intermoleculares, que agora têm um papel importante e governam, por exemplo, a viscosidade. Uma forma de investigar o movimento nos líquidos é conduzir íons através

 

CAPÍTULO 20 Cinética química

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CAPÍTULO 20

Cinética química

Este capítulo apresenta os princípios da “cinética química”, o estudo das velocidades das reações. A velocidade de uma reação química pode depender de variáveis sob nosso controle, como pressão, temperatura, presença de catalisadores, e é possível, em muitos casos, otimizar a velocidade pela escolha apropriada das condições. Neste capítulo, vamos verificar como essas manipulações são possíveis. Nos capítulos restantes do texto desenvolveremos este material mais detalhadamente, aplicando-o a casos mais complicados ou mais especializados.

20A  As velocidades das reações químicas

Nessa seção vamos discutir a definição de velocidade de reação e descrever as técnicas para sua medição. Os resultados dessas medições mostram que as velocidades de reação dependem da concentração de reagentes (e produtos) e de “constantes de velocidade” que são características da reação. Essa dependência pode ser expressa em termos de equações diferenciais conhecidas como as “leis de velocidade”.

 

CAPÍTULO 21 Dinâmica das reações

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CAPÍTULO 21

Dinâmica das reações

Estamos agora no próprio coração da química. Neste capítulo vamos examinar, detalhadamente, o que acontece com as moléculas no ponto decisivo de uma reação. Ocorrem então profundas modificações da estrutura e há redistribuição de energias, da ordem de grandeza das energias de dissociação. Antigas ligações são rompidas e novas se formam.

Como se pode imaginar, o cálculo das velocidades desses processos a partir de princípios fundamentais é muito difícil. É possível, porém, como acontece com muitos problemas complicados, ter uma imagem geral obtida com bastante simplicidade. Somente quando se tenta aprofundar o entendimento aparecem complicações de grande porte. Neste capítulo vamos buscar várias abordagens do cálculo da constante de velocidade de processos elementares bimoleculares, que vão da transferência de elétrons às reações químicas envolvendo quebra e formação de ligações. Embora seja grande a quantidade de informação que se pode conseguir das reações em fase gasosa, muitas reações interessantes se passam em fases condensadas. Veremos também em que medida é possível determinar as respectivas constantes de velocidade.

 

CAPÍTULO 22 Processos em superfícies sólidas

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CAPÍTULO 22

Processos em superfícies sólidas

Os processos em superfícies sólidas governam a viabilidade da indústria construtivamente, como na catálise e na permanência dos seus produtos destrutivamente, como na corrosão. As reações químicas em superfícies sólidas podem diferir acentuadamente das reações no seio do sólido, pois estas podem prover caminhos de reação com energia de ativação muito mais baixa, levando, consequentemente, à catálise. Este capítulo amplia o material apresentado nos Capítulos 20 e 21 mostrando como tratar de processos em superfícies sólidas.

22A  Uma introdução às superfícies sólidas

Iniciamos investigando a estrutura das superfícies sólidas. Essa seção ainda descreve uma série de técnicas experimentais comumente empregadas na ciência da superfície.

22B  Adsorção e dessorção

Embora tenhamos iniciado nossa discussão com superfícies limpas, para os químicos os aspectos importantes de uma superfície são a ligação de substâncias a elas e as reações que nelas

 

Seção de Dados

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SEÇÃO DE DADOS

Tópicos

1

Integrais usuais

544

2

Unidades 545

3

Dados 546

4

Tabelas de caracteres

576

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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