Química Física

Código:

Q2009

Sigla:

Q2009

Nível:

100

Áreas Científicas
Classificação	Área Científica
OFICIAL	Química

Ocorrência: 2018/2019 - 2S

Ativa?	Sim
Unidade Responsável:	Departamento de Química e Bioquímica
Curso/CE Responsável:	Licenciatura em Química

Ciclos de Estudo/Cursos

Sigla	Nº de Estudantes	Plano de Estudos	Anos Curriculares	Créditos UCN	Créditos ECTS	Horas de Contacto	Horas Totais
L:B	0	Plano de Estudos Oficial	3	-	6	56	162
L:CC	0	Plano de estudos a partir de 2014	2	-	6	56	162
			3
L:F	1	Plano de Estudos Oficial	2	-	6	56	162
			3
L:G	0	Plano estudos a partir do ano letivo 2017/18	3	-	6	56	162
L:M	5	Plano de Estudos Oficial	2	-	6	56	162
			3
L:Q	47	Plano estudos a partir do ano letivo 2016/17	2	-	6	56	162

Língua de trabalho

Português

Objetivos

O objetivo fundamental desta disciplina é a lecionação de alguns tópicos fundamentais da Química Física, em continuação dos ensinamentos que o aluno deverá ter adquirido nas unidades curriculares Química I e Química II, no ano letivo transato. O programa curricular adotado para a Licenciatura em Química contém um único semestre obrigatório de Química Física, o que sendo manifestamente muito pouco, obriga à escolha de alguns tópicos fundamentais deste ramo da Química, mesmo que tratados numa extensão relativamente superficial, em detrimento de outros tópicos que, muito embora fundamentais, não há tempo para serem tratados. Assim, escolheram-se como tópicos a serem lecionados a Termodinâmica Química (dado o seu caráter fundamental e aplicabilidade na compreensão de outros tópicos), a Cinética Química (pela sua importância na compreensão de mecanismos dos processos químicos) e uma breve Introdução à Química das Superfícies.

Resultados de aprendizagem e competências

Formação fundamental na área da química-física.
Conceitos básicos e capacidade de autoaprendizagem nas seguintes áreas:
- Propriedades dos gases em equilíbrio;  Leis da Termodinâmica; Transformações físicas de substâncias puras; Misturas Simples; Diagramas de fases;
- Equilíbrio Químico;
Cinética química.
Processos de superficie.

Modo de trabalho

Presencial

Programa

1. INTRODUÇÃO

Propósitos e alcance da Termodinâmica. Objetivos da termodinâmica química. Sistemas termodinâmicos: conceitos fundamentais. O sistema e suas propriedades. Revisão de conceitos de sistema, vizinhança, estado de um sistema, processo, funções e variáveis de estado, propriedades intensivas e extensivas, tipos de paredes do sistema. Trocas entre o sistema e a vizinhança. Noção de fase; sistemas homogéneos e heterogéneos. Conceito de propriedade parcial molar de uma substância num sistema homogéneo com vários componentes. Volume parcial molar. Reações químicas num sistema fechado. Descrição quantitativa de um sistema em reação. Estabelecimento de uma variável de estado que fixe a composição em sistemas químicos: definição de grau de avanço (x). Velocidade de reação em função do grau de avanço.

 
2. LEI ZERO E A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂNICA. CONCEITOS

Conceito empírico de estado térmico. Consideração de um sistema isolado, formado por dois corpos separados entre si por uma parede adiabática e, de um terceiro, por uma parede diatérmica. Enunciado da Lei Zero da Termodinâmica. Introdução do conceito de temperatura a partir das funções de pressão e volume de um sistema constituído por um fluido, encerrado num cilindro com um êmbolo. Definição do estado de equilíbrio térmico entre sistemas. Escalas de temperatura. Pontos fixos Estabelecimento de escalas de temperatura. A escala de gás ideal. Temperatura termodinâmica. Definição de kelvin.

A escala Celsius. A escala Fahrenheit. Escalas absolutas: escala Termodinâmica e escala Rankine. Calibração de escalas: Pontos fixos primários e secundários. Escala Prática Internacional de Temperatura. Trabalho, calor e energia. Primeira Lei da Termodinâmica. Energia interna. Variações de energia interna. Trabalho de expansão. Definição de entalpia. Coeficientes térmicos nas variáveis temperatura,volume, composição. Capacidade calorífica a volume e composição constantes, calor de dilatação isotérmico a composição constante, calor de reacção a temperatura e volume constantes. Coeficientes térmicos nas variáveis temperatura, pressão, composição. Relação geral entre as capacidade caloríficas a volume a pressão constantes. Capacidade calorífica de gases, sólidos e líquidos. Termoquímica Definição e objetivos. Reações a volume constante e reações a pressão constante. Entalpias de reação. Estados padrão. Entalpias de formação padrão. Determinação experimental de energias de reação. Aplicação da Primeira Lei a gases. Dependência das entalpias de processos com a temperatura.

3. A ENTROPIA E A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

Definição estatística de entropia. Variação de entropia e criação de entropia. Conceito e definição de entropia. Enunciado da Segunda Lei da Termodinâmica. Formulação matemática da Lei; Transformações reversíveis e irreversíveis. Cálculo de variações de entropia em processos. Potenciais termodinâmicos – Condições de equilíbrio. Definição de Energia de Helmholtz. Definição de Energia de Gibbs. Afinidade química e potenciais termodinâmicos.  Potencial químico. Potenciais termodinâmicos como funções do potencial químico. Equação de Gibbs-Duhem. Equação de Gibbs-Helmholtz.

4. APLICAÇÕES DA SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA

Diagrama de fases. Definição de fase. Estabilidade fásica. Linhas de equilibrio.  Pontos críticos. Ponto triplos. Potencial químico e equilíbrio de fases. Diagramas de fase típicos (H₂O, CO₂, He). Estabilidade fásica e transições de fase. Critério de equilíbrio termodinâmico. Dependência da Temperatura. Dependência da pressão. Equação de Clapeyron. Equilíbrio Sólido-líquido. Equilíbrio Sólido-vapor. Equlíbrio líquido-vapor. Classificação do tipo de transições de fase, primeira e segunda ordem.

5. EQUILIBRIO QUÍMICO

Diagramas de energia de Gibbs em função da coordenada reacional. Noção de equílibrio. Cálculo de variações de energia de Gibbs de reação. Variação padrão de energia de Gibbs padrão e relação com a constante de equilíbrio. Interpretação molecular do equilíbrio químico. Dependência do equilíbrio químico com a pressão e a temperatura. Equação de van't Hoff. Cálculo de entalpias de reação com base na dependência das constantes de equilíbrio com a temperatura.

6. A TERCEIRA LEI DA TERMODINÂMICA E A ENTROPIA ABSOLUTA

Enunciado da Terceira Lei; Cálculo de variações de entropia. Cálculo de entropias absolutas

7. CINÉTICA QUÍMICA

Âmbito da Cinética Química: Objetivos dos estudos cinéticos e técnicas experimentais usadas em estudos cinéticos. Conceitos básicos. velocidade específica. Estado estacionário. Leis cinéticas. Lei cinética de ordem zero, primeira ordem, segunda ordem, segunda ordem mista. Análise de dados para a determinação da lei de velocidade Mecanismos de reações químicas. Energia de ativação. Efeito da temperatura na velocidade de uma reação. Equação de Arrhenius. Catálise química noções gerais.

8. QUÍMICA FÍSICA DAS SUPERFÍCIES

Tensão superficial. Ascensão e depressão capilar: considerações gerais.  Dependência da tensão superficial com a temperatura. Termodinâmica de adsorção: alguns fundamentos. Adsorção em superfícies sólidas. Adsorção física e química: mecanismos, características e propriedades. Isotérmicas de adsorção de Gibbs e de Langmauir.

Bibliografia Obrigatória

Atkins Peter; Atkins. physical chemistry. ISBN: 0-19-870072-5
I. N. Levine; Physical Chemistry, McGraw Hill, , 2002

Bibliografia Complementar

Ira N. Levine; Physical Chemistry,, 6th ed, McGraw-Hill Companies, Inc., , 2009 (Tradução para português: Ira N. Levine, Físico-Química, 6ª ed., Vol.1, LTC, Rio de Janeiro (Brasil), 2012 )

Métodos de ensino e atividades de aprendizagem

Nas aulas teóricas são apresentados os conteúdos programáticos da unidade curricular, estimulando-se a participação ativa dos estudantes. Serão usados recursos educativos digitais, sempre que adequado para uma melhor compreensão dos temas estudados.
Nas aulas teórico-práticas, os estudantes resolverão de problemas práticos com aplicação de fundamentos teóricos.

Palavras Chave

Ciências Físicas > Química > Química física

Tipo de avaliação

Avaliação distribuída com exame final

Componentes de Avaliação

Designação	Peso (%)
Exame	100,00
Total:	100,00

Componentes de Ocupação

Designação	Tempo (Horas)
Estudo autónomo	106,00
Frequência das aulas	56,00
Total:	162,00

Obtenção de frequência

A frequência das aulas teórico-práticas é obrigatória. Perde a frequência quem faltar a mais do que 1/4 das aulas TP previstas.

Fórmula de cálculo da classificação final

A) Avaliação Contínua:

i) Realização de 2 testes (T1, T2) ao longo do semestre, no horário das aulas, que permitirão a dispensa de exame final, desde que a média das notas dos dois testes seja positiva.

ii) Avaliação da participação dos estudante nas aulas teóricas e teórico-práticas (presenças e intervenção no decorrer das aulas, PIA)

Classificação da avaliação contínua:
0,45 T1 + 0,45 T2 + 0,10 PIA

ou

B) Exame final.

Notas finais superiores a 18 valores poderão exigir uma prova oral complementar.