Termodinâmica Química
A termodinâmica química aplica as leis universais da energia e da entropia à mudança química, prevendo se as reações ocorrem, até que ponto progridem e como a fase e a composição respondem à temperatura, pressão e concentração.
Definition
A termodinâmica química é o ramo da físico-química que utiliza funções de estado como entalpia, entropia e energia livre para determinar a espontaneidade, a posição de equilíbrio e a energética de reações químicas e transformações de fase.
Scope
Esta área abrange a descrição termodinâmica de sistemas químicos: a energia interna, entalpia, entropia e as energias livres de Gibbs e Helmholtz; o potencial químico como variável motriz para o fluxo de matéria e reação; as condições para o equilíbrio químico e de fase; a regra das fases de Gibbs; e a medição de calor através da termoquímica e calorimetria. A origem estatístico-mecânica dessas quantidades macroscópicas é tratada separadamente na termodinâmica estatística, e as próprias leis em sua forma física geral são abordadas na física; aqui a ênfase está em seu uso para prever a direção e a extensão dos processos químicos.
Sub-topics
Core questions
- O que determina se uma reação química é espontânea sob dadas condições?
- Como a constante de equilíbrio de uma reação está relacionada à sua variação de energia livre de Gibbs padrão?
- Como o potencial químico governa o fluxo de matéria entre as fases e a posição de equilíbrio?
- Quantas fases e componentes podem coexistir, e como a regra das fases os restringe?
Key concepts
- Entalpia, entropia e energia livre de Gibbs
- Potencial químico e atividade
- Constante de equilíbrio e quociente de reação
- Estados padrão e condições de referência
- Regra das fases e graus de liberdade
Key theories
- Critério da energia livre de Gibbs para espontaneidade
- A temperatura e pressão constantes, um processo é espontâneo quando a energia livre de Gibbs diminui; o equilíbrio corresponde a um mínimo em G, ligando a variação de energia livre padrão à constante de equilíbrio através de dG = -RT ln K.
- Potencial químico e as condições de equilíbrio
- Cada espécie possui um potencial químico que depende da temperatura, pressão e composição; a matéria flui de regiões de maior para menor potencial químico, e o equilíbrio é atingido quando o potencial químico de cada componente é igual em todas as fases.
Clinical relevance
A termodinâmica química fundamenta a engenharia de reações, processos de separação, design de materiais e metalúrgico, a energética de baterias e células de combustível, e a bioenergética do metabolismo, fornecendo os critérios que decidem quais transformações são viáveis e onde o equilíbrio se encontra.
History
A termodinâmica química foi fundada na década de 1870 por J. Willard Gibbs, cujo tratamento de equilíbrios heterogêneos introduziu o potencial químico e a regra das fases; a estrutura foi estendida por van't Hoff, Nernst e Lewis, que sistematizaram a energia livre, a atividade e os estados padrão, e por Onsager, que a generalizou para processos irreversíveis.
Key figures
- J. Willard Gibbs
- Hermann von Helmholtz
- Walther Nernst
Related topics
Seminal works
- atkins2018
- levine2009
- onsager1931
Frequently asked questions
- Uma energia livre de Gibbs negativa significa que uma reação ocorrerá rapidamente?
- Não. A termodinâmica informa se uma reação é favorável e onde o equilíbrio se encontra, mas não quão rápido ela atinge esse estado; a velocidade é governada pela cinética química e pode ser extremamente lenta mesmo para uma reação fortemente espontânea.
- Qual é a diferença entre as variações de energia livre padrão e real?
- A variação de energia livre padrão refere-se a todas as espécies em seus estados padrão de referência, enquanto a variação real considera as concentrações ou pressões reais através do quociente de reação; o valor real, e não o padrão, determina a direção da reação a qualquer momento.