Química-Física (CR)
Código
10873
Unidade Orgânica
Faculdade de Ciências e Tecnologia
Departamento
Departamento de Química
Créditos
9.0
Professor responsável
António Jorge Dias Parola
Horas semanais
5
Total de horas
77
Língua de ensino
Português
Objectivos
O objectivo principal da disciplina consiste em fornecer aos alunos da LCR os princípios de Química-Física que lhes permitam partir para uma interpretação das diversas situações que encontrarão em Conservação e em Restauro, realçando a importância da Química na análise dos materiais (espectroscopias), na caracterização dos processos de degradação (termodinâmica e cinética empírica) e na concepção de eventuais intervenções.[1] “Não podemos conservar o que não conhecemos” é uma citação[2] que me vejo usar com frequência para incentivar o gosto pela Química aos alunos desta licenciatura. Assim, e em complemento às outras disciplinas de Química do curso de LCR, a cadeira de Química-Física tem como objectivos específicos: i) fundamentar o estabelecimento de um equilíbrio químico em termos termodinâmicos; ii) quantificar o transporte de iões em solução; iii) estudar a cinética de uma reacção química; iv) aprender os princípios que estão por detrás dos principais tipos de espectroscopia, em particular a espectroscopia de UV-vis e a de IV.
Em termos laboratoriais, pretende-se que o aluno consiga: i) programar experiências para testar uma hipótese; ii) desenhar experiências de modo a caracterizar a cinética de um processo; iii) usar as espectroscopia de UV-vis e de IV para caracterizar compostos e seguir reacções.
[1] A disciplina de Química-Física é uma base importante - senão essencial - para diversas disciplinas dos semestres seguintes da LCR (e. g., Polímeros em Conservação e disciplinas de Diagnóstico) e para disciplinas de 2º ciclo (e. g., Métodos de Exame e Análise I e II e História e Técnicas de Produção Artística I do Mestrado em Conservação e Restauro).
[2] “(…) il n’est pas possible de bien conserver ce que l’on connait mal.”, Louis Pasteur.
Conteúdo
Termodinâmica química (9 h)
1. Introdução. Calor e trabalho. Energia interna. Funções de estado e variáveis de percurso.
2. 1ª Lei da Termodinâmica. Entalpia. Entalpias de formação e de reacção.
3. Entropia. 2ª Lei da Termodinâmica. Escala de entropia. 3ª Lei da termodinâmica.
Entropia de reacção.
4. Energia de Gibbs. Relação entre DG e DG° para uma reacção. Equilíbrio químico e sua resposta às condições experimentais.
5. Coeficientes de actividade. Leis de Debye-Hückel. Equilíbrio ácido-base. Equilíbrio de solubilidade.
6. Equilíbrio electroquímico. Propriedades termodinâmicas de iões. Equação de Nernst.
Transporte de iões (2 h)
7. Condutividade. Electrólitos fracos e fortes. Grau de ionização. Lei de Ostwald.
Lei de Kohlrausch.
Cinética Química (10 h)
8. Cinética química. Velocidade de uma reacção química. Equações de velocidade.
9. Método das velocidades iniciais. Método integral (ordem 1 e 2). Tempos de meia vida. Reacções reversíveis de 1ª ordem perto do equilíbrio.
10. Dependência da velocidade de uma reacção com a temperatura. Energia de activação.
A origem dos parâmetros de Arrehnius. Catálise.
11. Mecanismo de uma reacção química e relação com a cinética. Reacções elementares consecutivas. Aproximação do passo lento. Hipótese do estado estacionário. Cinética
de Michaelis-Menton. Reacções em cadeia. Reacções unimoleculares.
Espectroscopia molecular (14 h)
12. Radiação electromagnética.
13. Alguns resultados importantes da mecânica quântica. A equação de Schrödinger.
A partícula numa caixa. A equação de Schrödinger para o movimento de um
oscilador harmónico.
14. Simetria molecular. Tabelas de simetria e seu uso.
15. Espectroscopia molecular. Aparelhagem.
16. Espectroscopia de Infravermelho. O momento de transição. Regras de selecção.
17. Espectroscopia de UV-vis. O Princípio de Franck-Condon. Regras de selecção.
Força de oscilador.
Nocões básicas de fotoquímica. (2 h)
18. Rendimentos quânticos, tempo de vida. Processos bimoleculares. Cinética de
Stern-Volmer.
Foram desenvolvidos protocolos para sete trabalhos práticos dos quais são escolhidos cinco para cada ano lectivo. A bolsa dos oito trabalhos experimentais é a seguinte
T1: Titulação ácido-base de uma antocianina seguida por espectrofotometria de UV-Vis. Vermelhos, violetas e azuis na natureza.
T2: Condutividade de soluções de electrólitos fortes e fracos
T3: Medidas de ângulo de contacto em interfaces líquido-sólido (filmes poliméricos - molhabilidade).
T4: Cinética da redução do corante azul de toluidina por sulfito.
T5: Cinética de degradação do fungicida benomyl em solventes orgânicos.
T6: Estudo da reacção fotoquímica de aquação do hexacianocobaltato(III) de potássio. Determinação da actinometria da lâmpada e do rendimento quântico da reacção.
T7: Espectros UV-Vis de cianinas.
O primeiro trabalho refere-se a um pseudo-equilíbrio ácido-base e envolve uma titulação espectrofotométrica e respectivo ajuste com determinação de pKa aparente. Normalmente usa-se o sumo extraído de meia dúzia de frutos silvestres de modo que se titula uma antocianina (corante natural). Para além do equilíbrio ácido-base, estes compostos apresentam outro tipo de reactividade e o que se determina na realidade é um pKa aparente relativo à perda de cor da antocianina.
O segundo trabalho envolve a verificação experimental da Lei de Kohlrausch para os electrólitos fortes e da Lei de Ostwald para os electrólitos fracos através de medidas condutimétricas. Aproveita-se para detalhar os pontos relevantes no ajuste linear de dados experimentais.
O terceiro trabalho refere-se à medida de ângulos de contacto da água em diversas superfícies poliméricas, levando a uma discussão das interacções da água com os diversos materiais. Este tipo de medidas é usado no estudo de protectivos e consolidantes para pedra.
Os trabalhos T4 e T5 são de cinética química. O primeiro envolve o estudo da cinética de descoloração de um corante orgânico por redução com sulfito em condições de pseudo-primeira ordem. Sendo as espécies carregadas, é possível usar esta reacção para estudar a influência da força iónica na constante de velocidade. O segundo refere-se a uma reacção reversível de primeira ordem.
O sexto trabalho envolve a determinação do rendimento quântico de uma reacção fotoquímica, o que terá grande utilidade no estudo da fotodegradação de corantes e pigmentos.
O sétimo trabalho consiste no estudo de um conjunto de duas famílias homólogas de cianinas, com o objectivo de determinar os parâmetros espectrais das mesmas, lmáx e e. Os valores de lmáx são calculados e ajustados com base no modelo simples da partícula numa caixa e os valores de e são usados para calcular as forças de oscilador das transições envolvidas.
Bibliografia
O programa apresentado cobre vasta área da Química-Física, tocando em tópicos tradicionalmente dados nas disciplinas de Termodinâmica Química, Química-Física I e
Química-Física II dos cursos de Química. O nível a que o programa é apresentado tem em conta as três disciplinas de Química anteriormente frequentadas pelos alunos da LC (Princípios de Química & Técnicas de Laboratório e Segurança, Química Inorgânica Geral, Química Orgânica), algumas lacunas na cadeira de Física I (2º semestre) e o nível de preparação a Matemática (Matemática I e Matemática II ao longo do 1º ano da LC).
A principal bibliografia usada na preparação das aulas foi a seguinte:
- P. W. Atkins, Elements of Physical Chemistry, Oxford University Press, 1999.
- P. W. Atkins, Physical Chemistry, 6th ed., Oxford University Press, 1999.
- A. Gilbert, J. Baggott, Essentials of Molecular Photochemistry, Blackwell, 1991.
- A. Vincent, Molecular Symmetry and Group Theory, 2nd ed., Wiley, 2001.
- F. A. Cotton, Chemical Applications of Group Theory, 3rd ed., Wiley, 1990.
O Elements of Physical Chemistry de Atkins corresponde ao nível adequado e exigido aos alunos da LC e é o principal livro de texto da disciplina, recomendado para os capítulos de termodinâmica e de cinética e para a primeira parte do capítulo de espectroscopia. Para o pequeno capítulo de transporte de iões é aconselhado parte do capítulo 24 do livro principal de Atkins. As noções de simetria com vista ao uso nas regras de selecção para transições em IV e em UV-vis estão detalhadamente apresentadas no livro de Cotton. O pequeno e recente livro de A. Vincent, em forma de open learning, é de excelente uso para os alunos na aprendizagem da simetria molecular. Noções muito básicas de fotoquímica são apresentadas no capítulo 26 do Physical Chemistry de Atkins. Uma aproximação mais digna à fotoquímica requer, por exemplo, o capítulo 4 de Gilbert e Baggott.
Método de ensino
O programa de Química-Física é transmitido em português ao longo de ca. de 39 horas de aulas teóricas (3 horas semanais), com uso eventual de apresentações em PowerPoint. Apesar das aulas teóricas incluirem a resolução de problemas demonstrativos da matéria dada, estão normalmente previstas 9 horas de aulas teórico-práticas dedicadas à resolução de exercícios e esclarecimento de dúvidas. Um conjunto de exercícios e problemas é disponibilizado previamente aos alunos com o objectivo de centrar estas aulas no esclarecimento de dúvidas na resolução dos mesmos.
A disciplina tem uma importante componente experimental que envolve 21 h de trabalho laboratorial, distribuído por cinco trabalhos experimentais (3h cada) e por duas sessões dedicadas à execução de um mini-projecto laboratorial a escolher entre uma lista proposta pelo docente. Estes mini-projectos têm por objectivo levar o aluno a adaptar/planear experiências sobre temas relacionados com o uso da Química em conservação, e decorrem normalmente numa das seguintes áreas: 1) fundamentos químicos da fotografia;[1]
2) corantes: naturais ou sintéticos em suportes vários (têxteis, papel, pergaminho, vidro), sua síntese e diversos usos; 3) pigmentos inorgânicos em suportes vários; 4) outros, por proposta fundamentada do aluno.
Ao longo da LCR, esta é a primeira disciplina onde é pedido aos alunos a entrega de relatórios de trabalhos experimentais. Na primeira aula prática, é explicado aos alunos como devem organizar um relatório deste tipo a partir dos dados registados no livro de laboratório e da literatura aconselhada. Na página web da disciplina é apresentado um modelo para estes relatórios.
Os alunos dispõem de acesso a uma página web através da plataforma clip da UNL onde se disponibiliza, para além de toda a informação relativa ao funcionamento da cadeira, exercícios e testes de anos anteriores, tabelas para consulta e resolução de problemas e os protocolos dos trabalhos experimentais.
[1] No mesmo semestre da disciplina de Química-Física, os alunos frequentam a disciplina de Fotografia Documental, pelo que se torna útil haver um grupo que faça mini-projecto envolvendo a preparação das soluções normalmente usadas em fotografia a P&B e em viragens.
Método de avaliação
A avaliação da parte teórica é feita a partir de dois testes ou de exame. Para ir ao segundo teste, a nota do primeiro tem de ser igual ou superior a 8 valores; a dispensa de exame implica uma média superior a 9,5 valores nos testes. Os alunos podem ainda optar por, na 1ª data de exame, repetir um dos testes onde tenham obtido nota mais baixa.
Na parte experimental, os alunos devem entregar respostas a questionários simples relativos a três dos trabalhos práticos e três relatórios, dois relativos a trabalhos práticos e o terceiro relativo ao mini-projecto. Existe um conjunto de sete trabalhos práticos dos quais são escolhidos cinco para cada ano lectivo, sendo que os dois trabalhos relativamente aos quais são exigidos relatórios mudam de ano para ano. Pretende-se minimizar a tentação de usar directamente relatórios de anos anteriores. Os relatórios são objecto de discussão oral (um deles a meio do semestre para que os alunos não repitam erros nos dois relatórios subsequentes) e do mini-projecto é pedida uma apresentação oral de 15 minutos (seguida de 5 min de discussão) numa sessão pública que decorre na última semana de aulas ou na semana antes dos exames.
A avaliação da parte prática tem três componentes: i) avaliação do desempenho durante a aula que se reflecte na nota dada a cada trabalho experimental, ii) avaliação dos questionários e dos relatórios dos trabalhos práticos e do mini-projecto laboratorial após discussão oral dos mesmos, iii) apresentação pública do mini-projecto, seguida de pequena discussão. Isto traduz-se numa nota prática (NP) dada por: NP=0,4´NR+0,25´NQ+0,35´(NP+OP)/2, onde NR é a média das notas dos dois relatórios, NQ é a média das notas dos quatro questionários, NP é a nota do relatório de mini-projecto e OP é a nota da apresentação oral do mesmo.
A nota final tem uma contribuição de 60% da nota teórica e de 40 % da nota prática.