Química-Física (CR)

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) e na concepção de eventuais intervenções.[1] “Não podemos conservar o que não conhecemos” é uma citação[2] que com frequência usamos 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 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.

 

Caracterização geral

Código

10873

Créditos

9.0

Professor responsável

António Jorge Dias Parola

Horas

Semanais - 5

Totais - 80

Idioma de ensino

Português

Pré-requisitos

Esta disciplina requer conhecimentos básicos de química de solução para a parte de termodinâmica e cinética e de estrutura da matéria para a parte de espectroscopia, aqduiridos nas anteriores disciplinas de química da LCR (Princípios de Química & Técnicas de Laboratório e Segurança (1º semestre), Química Inorgânica Geral (2º semestre) e Química Orgânica (2º semestre).

 

Bibliografia

P. Atkins, J. de Paula, Elements of Physical Chemistry, 6thEd., Oxford University Press, 2013.

P. Atkins, J. de Paula, Atkins’ Physical Chemistry, 9thEd., Oxford University Press, 2010.

Método de ensino

O programa de Química-Física (CR) é transmitido em Português ao longo de 39 horas de aulas teóricas (2+1 horas semanais), apoiadas por 9 horas teórico-práticas (3 aulas de 3 horas), com resolução de problemas e exercícios e esclarecimento de dúvidas. A parte experimental consiste em 7 aulas de 3 horas cada, sendo as duas últimas dedicadas à elaboração de um mini-projecto do qual será feito uma apresentação pública em grupo.

Todo o material respeitante à disciplina está disponível no clip.

Método de avaliação

A avaliação da parte teórica (60% da nota final) far-se-á a partir de 3 testes (1º teste: 4ªf., 12/10, 14h00;         2º teste: 4ªf., 23/11, 14h00; 3º teste: 6ªf, 16/12, 9h00) ou de exame. Para passar por testes, é necessário         fazer os três testes com média final ≥ 9.5. Só há uma data de exame.

A avaliação da parte prática (40% da nota final) far-se-á a partir dos relatórios e questionários dos trabalhos práticos (relatório de T1 entregue até 3/10 e os outros até 18/11) e da realização de um pequeno projecto laboratorial (2 sessões laboratoriais). Os objectivos deste pequeno projecto serão transmitidos pelo docente na aula de apresentação (podem consultar lista de mini-projectos de anos anteriores no clip). A escolha do mini-projecto sera feita a partir de 17/10 e a realização do mesmo será efectuada nas sessões laboratoriais das semanas de 7/11 e 14/11. O relatório deste projecto será entregue até 31/11. A discussão do relatório e a apresentação oral do trabalho de mini-projecto decorrerá no dia 19/12.

Para ter frequência à disciplina, é necessário fazer todos os trabalhos práticos e apresentar os respectivos questionários ou relatórios. As alunos que tenham frequência de anos anteriores não necessitam de realizar as aulas práticas; a nota anteriormente obtida será usada para calcular a nota final.

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.

 

Parte prática:

Foram desenvolvidos protocolos para sete trabalhos práticos dos quais são escolhidos cinco para cada ano lectivo. A bolsa dos sete 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.

 

Após estas 5 aulas de laboratório, cada grupo de alunos desenvolve um mini-projecto em 2 aulas laboratoriais relacionado com um problema específico em Conservação e Restauro.

Cursos

Cursos onde a unidade curricular é leccionada: