Físico química - volume 2

Autor(es): Ira N. Levine
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Físico-Química – Volumes 1 e 2 é obra fundamental para estudantes de graduação em diversos cursos que utilizam essa disciplina em seus currículos. Nos dois volumes, os estudantes encontram conteúdo abrangente e atualizado sobre os conceitos do tema, assim como detalhes sobre a maioria das deduções e revisões de tópicos relativos à matemática e física em uma abordagem clara e objetiva.Nesta sexta edição, a obra foi expandida e atualizada, incluindo assuntos como nanopartículas, nanotubos de carbono e teoria do estado de transição variacional. Problemas abrangendo vários capítulos levam o leitor a exercitar o raciocínio amplo sobre os temas, fixando o conteúdo de forma didática e enriquecedora.

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Capítulo 16 - Cinética de Reação

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16

C A P Í T U L O

Cinética de Reação

SUMÁRIO DO CAPÍTULO

16.1

CINÉTICA DAS REAÇÕES

Começamos o nosso estudo sobre os processos de não equilíbrio no Capítulo 15, que trata da cinética física (as velocidades e os mecanismos de transporte). Vamos agora abordar a cinética química.

A cinética química, também chamada cinética das reações, é o estudo das velocidades e mecanismos das reações químicas. Um sistema reagindo não está em equilíbrio, de modo que a cinética das reações não é parte da termodinâmica, mas uma área da cinética (Seção

15.1). Este capítulo aborda principalmente os aspectos experimentais da cinética das reações.

O cálculo teórico das velocidades de reação é discutido no Capítulo 22.

Existem numerosas aplicações da cinética das reações. Na síntese industrial de compostos químicos, as velocidades de reação são tão importantes quanto as constantes de equilíbrio.

O equilíbrio termodinâmico nos indica a quantidade máxima possível de NH3 que pode ser obtida a partir de N2 e H2, para quaisquer T e P dadas, mas se a velocidade de reação entre

 

Capítulo 17 - Mecânica Quântica

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17

C A P Í T U L O

Mecânica Quântica

SUMÁRIO DO CAPÍTULO

Agora iniciamos o estudo da química quântica, que aplica a mecânica quântica à química.

O Capítulo 17 trata da mecânica quântica, as leis que regem o comportamento de partículas microscópicas tais como elétrons e núcleos. Os Capítulos 18 e 19 aplicam a mecânica quântica a átomos e moléculas. O Capítulo 20 aplica a mecânica quântica à espectroscopia, o estudo da absorção e emissão de radiação eletromagnética. A mecânica quântica é utilizada na mecânica estatística (Capítulo 21) e em cinética química teórica (Capítulo 22).

Ao contrário da termodinâmica, a mecânica quântica trata de sistemas que não fazem parte da experiência macroscópica do dia a dia, e a formulação da mecânica quântica é bem matemática e abstrata. Leva algum tempo para se acostumar a essa abstração, e é natural sentir algo desconfortável quando se lê o Capítulo 17 pela primeira vez.

Em um curso de graduação de físico-química não é possível fazer uma apresentação completa da mecânica quântica. As deduções de resultados que são dados sem prova podem ser encontradas nos textos de química quântica na Bibliografia.

 

Capítulo 18 - Estrutura Atômica

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18

C A P Í T U L O

Estrutura Atômica

SUMÁRIO DO CAPÍTULO

18.1

Unidades

18.2

Histórico

18.3

O Átomo de Hidrogênio

18.4

Momento Angular

18.5

Spin do Elétron

18.6

O Átomo de Hélio e o

Teorema da Estatística do

Spin

18.7

Momentos Angulares Totais

Orbital e de Spin

18.8

Átomos Polieletrônicos e a

Tabela Periódica

18.9

Funções de Onda

Hartree-Fock e de

Interação de Configurações

O Capítulo 17 apresentou algumas das ideias centrais da química quântica e nele foram obtidas as soluções da equação de Schrödinger independente do tempo para a partícula em uma caixa, do rotor rígido de duas partículas e do oscilador harmônico. Vamos agora considerar a mecânica quântica para discutir a estrutura eletrônica dos átomos (Capítulo 18) e moléculas (Capítulo 19).

18.1

UNIDADES

As forças que atuam entre as partículas nos átomos e moléculas são de natureza elétrica

 

Capítulo 19 - Estrutura Eletrônica Molecular

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19

C A P Í T U L O

Estrutura

Eletrônica Molecular

SUMÁRIO DO CAPÍTULO

19.1

Ligações Químicas

19.2

A Aproximação de

Born-Oppenheimer

19.3

O Íon da Molécula de

Hidrogênio

19.4

O Método OM Simples para

Moléculas Diatômicas

19.5

Funções de Onda SCF e

Hartree-Fock

19.6

O Tratamento OM de

Moléculas Poliatômicas

19.7

O Método da Ligação de

Valência

19.8

Cálculo de Propriedades

Moleculares

19.9

Cálculos Exatos de Funções de Onda e Propriedades

Eletrônicas Moleculares

19.10 Teoria do Funcional da

Densidade (DFT)

19.11 Métodos Semiempíricos

19.12 Efetuando Cálculos de

Química Quântica

19.13 O Método da Mecânica

Molecular

19.14 Perspectivas Futuras

19.15 Resumo

Um tratamento completo e correto de moléculas tem que ser baseado na mecânica quântica. Na verdade, a estabilidade de uma ligação covalente não pode ser compreendida sem a mecânica quântica. Devido às dificuldades matemáticas envolvidas na aplicação da mecânica quântica

 

Capítulo 20 - Espectroscopia e Fotoquímica

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20

C A P Í T U L O

Espectroscopia e

Fotoquímica

SUMÁRIO DO CAPÍTULO

20.1

Radiação Eletromagnética

20.2

Espectroscopia

20.3

Rotação e Vibração de

Moléculas Diatômicas

20.4

Espectros Rotacionais e

Vibracionais de Moléculas

Diatômicas

20.5

Simetria Molecular

20.6

Rotação de Moléculas

Poliatômicas

20.7

Espectroscopia de

Micro-ondas

20.8

Vibração de Moléculas

Poliatômicas

20.9

Espectroscopia no

Infravermelho

20.10 Espectroscopia Raman

20.11 Espectroscopia Eletrônica

20.12 Espectroscopia de

Ressonância Magnética

Nuclear

20.13 Espectroscopia de

Ressonância do Spin

Eletrônico

20.14 Dispersão Ótica Rotatória e

Dicroísmo Circular

20.15 Fotoquímica

20.16 Teoria dos Grupos

20.17 Resumo

A maior parte de nossas informações experimentais sobre níveis de energia de átomos e moléculas vem da espectroscopia, o estudo da absorção e da emissão de radiação eletromagnética

 

Capítulo 21 - Mecânica Estatística

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21

C A P Í T U L O

Mecânica Estatística

SUMÁRIO DO CAPÍTULO

21.1

MECÂNICA ESTATÍSTICA

Nos Capítulos 1-13 utilizamos a termodinâmica para estudar as propriedades macroscópicas da matéria. Nos Capítulos 17-20 empregamos a mecânica quântica para examinar propriedades moleculares. O elo entre a mecânica quântica e a termodinâmica é dado pela mecânica estatística, cujo objetivo é deduzir as propriedades da matéria a partir das propriedades das moléculas que compõem o sistema. As propriedades macroscópicas típicas são entropia, energia interna, capacidade calorífica, tensão superficial, constante dielétrica, viscosidade, condutividade elétrica e velocidade de reação química. As propriedades moleculares incluem massas moleculares, geometrias moleculares, forças intramoleculares (as que determinam as frequências de vibração molecular) e forças intermoleculares. Devido ao enorme número de moléculas de um sistema macroscópico, empregam-se métodos estatísticos em lugar de se tentar considerar o movimento de cada molécula do sistema.

 

Capítulo 22 - Teorias das Velocidades de Reação

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22

C A P Í T U L O

Teorias das

Velocidades de Reação

SUMÁRIO DO CAPÍTULO

Este capítulo discute o cálculo teórico das constantes de velocidade de reações químicas elementares. Se um mecanismo de reação consiste em diversas etapas, as teorias deste capítulo podem ser aplicadas a cada etapa elementar para calcular sua constante de velocidade. A predição teórica exata das velocidades de reação é um problema ainda sem solução e é objeto de muita pesquisa na atualidade.

As Seções 22.1 a 22.7 tratam das reações em fase gasosa. Reações em solução são consideradas na Seção 22.8.

22.1

Teoria da Colisão de Esferas

Rígidas das Reações em Fase

Gasosa

22.2

Superfícies de Energia

Potencial

22.3

Dinâmica de Reação

Molecular

22.4

Teoria do Estado de

Transição para Reações em

Fase Gasosa

22.5

Formulação Termodinâmica da Teoria do Estado de

Transição para Reações em

 

Capítulo 23 - Sólidos e Líquidos

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23

C A P Í T U L O

Sólidos e Líquidos

SUMÁRIO DO CAPÍTULO

23.1

Sólidos e Líquidos

23.2

Polímeros

23.3

Ligação Química nos Sólidos

23.4

Energias de Coesão dos

Sólidos

23.5

Cálculo Teórico de Energias de Coesão

23.6

Distâncias Interatômicas dos

Cristais

23.7

Estruturas Cristalinas

23.8

Exemplos de Estruturas

Cristalinas

23.9

Determinação de Estruturas

Cristalinas

23.10 Determinação de Estruturas

Superficiais

23.11 Teoria das Bandas dos

Sólidos

23.12 Mecânica Estatística dos

Cristais

23.13 Defeitos em Sólidos

23.14 Líquidos

23.15 Resumo

23.1

SÓLIDOS E LÍQUIDOS

Um sólido é classificado como cristalino ou amorfo. Um sólido cristalino apresenta um ponto de fusão preciso. [Isto não é totalmente verdade; lembre-se da fusão superficial (Seção

7.4)]. O exame a olho nu (ou por microscópio, se a amostra é microcristalina) mostra que os cristais têm faces bem desenvolvidas e uma forma característica. A difração de raios X

 

APÊNDICE E RESPOSTAS DOS PROBLEMAS SELECIONADOS

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APÊNDICE

Propriedades Termodinâmicas no Estado-Padrão a 25°C e 1 Bara

422

ap.lene vol 2 422

8/3/11 9:52:13 AM

423

Apêndice

Dados obtidos principalmente pela conversão dos valores em D. D. Wagman et al., Selected Values of Chemical

Thermodynamic Properties, Natl. Bur. Stand. Tech. Notes 270-3, 270-4, 270-5, 270-6, 270-7, e 270-8, Washington,

1968–1981. Para os solutos é usado o estado-padrão na escala de molalidade. a

ap.lene vol 2 423

8/3/11 9:52:14 AM

Respostas dos Problemas

Selecionados

16.1 (a) F; (b) F; (c) V; (d) F; (e) V; (f) F; (g) V; (h) F. 16.2 (a) s1; (b) L mol1 s1. 16.4 0,002 mol L1 s1. 16.5 (a) 7,1 

108 mol dm3 s1, 8,5  107 mol/s; (b) 1,4  107 mol dm3 s1; (c) 1,0 1018; (d) 3,46  105 s1, 14  108 mol dm3 s1,

17  107 mol/s. 16.13 (a) k1[B]; (b) k1[B], k1[B]  k2[E], k2[E].

16.14 (a) F; (b) F; (c) V. 16.15 (a) 0,00066 s1, 0,00133 s1; (b)

905 s, 1731 s. 16.16 (a) 2,00  104 s; (b) 5,0  104 mol/L. 16.18

 

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