Potencial Químico ou Campo Químico?

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Ensino de Química

Autores

Moura Porto, J.A. (UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA) ; Silva, J.L.P.B. (UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA)

Resumo

O conceito de potencial químico está em meio a várias aplicações conceituais em Termodinâmica. É também usado como critério termodinâmico para caracterização do estado de equilíbrio ou desequilíbrio de um sistema. Mesmo sendo um conceito que gera uma certa confusão entre os estudos de Química e áreas afins, carrega consigo a promessa de uma nova modelagem dos bastidores dos fenômenos químicos. Existem também outros conceitos, sobretudo em Física, que trazem também o nome “potencial”, como potencial gravitacional e potencial elétrico. Partindo-se do pressuposto dessa analogia, analisamos neste trabalho as simetrias que existem entre esses diferentes potenciais e como ela pode gerar novos conceitos, como o de campo químico, força química e espaço de avanços.

Palavras chaves

potencial químico; ensino de química; campo químico

Introdução

O potencial químico é um conceito importante em razão de seu emprego na formulação de um critério termodinâmico para caracterização do estado de equilíbrio ou desequilíbrio de um sistema. De fato, se houver igualdade do potencial químico de dada substância em todos os pontos de um sistema, este se encontrará em equilíbrio em relação a tal substância. Caso contrário, o sistema estará em desequilíbrio e poderá haver transferência da substância dos pontos de maior potencial químico para os de menor valor, até que a igualdade de valores e o equilíbrio se estabeleçam. (GIBBS, 1876) O potencial químico foi formulado como um caso específico do conceito físico- matemático de potencial e tem-se apresentado como de difícil compreensão. (PORTO, 2017; PORTO; SILVA, 2018) O potencial químico é análogo ao potencial elétrico e ao potencial gravitacional, em processos de transferência das correspondentes grandezas — carga elétrica, massa — entre dois pontos de um sistema. Tal analogia sugeriu- nos que as equações de variação das energias relativas aos processos de transferência deveriam ser similares. De fato, cada equação apresenta três fatores, como visto abaixo: dG = νi.μi.dξ (νi: quantidade da substância i; μi: potencial químico da substância i; dξ: avanço infinitesimal); dV = q.E.dx (q: carga elétrica; E: campo elétrico; dx: distância infinitesimal); dU = m.g.dh (m: massa; g: campo gravitacional; dx: dh: altura infinitesimal). Em termos gerais, cada processo corresponde à transferência de uma grandeza ao longo de uma coordenada espacial diferente na presença de um campo. Eu disse campo? Como campo? Não é potencial químico? O objetivo deste trabalho é discutir as possibilidades do conceito de campo químico relacionado ao potencial químico no sentido de elucidar o conceito em foco.

Material e métodos

A metodologia consistiu na revisão bibliográfica e análise dos conceitos de potencial e campo, bem como das equações relativas aos potenciais químico, elétrico e gravitacional. Ora, por questões de simetria das equações, esperamos que haja também um campo que possa ser correspondente ao campo elétrico para o potencial elétrico ou o campo gravitacional pro potencial gravitacional. Da mesma forma, é de se esperar que um campo químico satisfaça as expectativas de simetria campo- potencial. Apesar de até então não haver registros de alguém que tenha proposto tal inovação na Termodinâmica, propomos aqui uma pequena abstração. Não trazemos aqui uma ideia construída aleatoriamente. A linha de raciocínio segue a possível simetria existente na relação campo-potencial.

Resultado e discussão

Um campo refere-se a uma região do espaço onde atuam forças. Na gravitação e na eletricidade, o conceito de potencial está atrelado à ideia de campo. O espaço em torno de uma carga elétrica é perturbado por tal presença. Se outro corpo eletrificado penetre nessa região, forças elétricas se estabelecerão entre os dois corpos. Os valores do campo elétrico constituem uma descrição vetorial do espaço perturbado, e os valores do potencial elétrico, uma descrição escalar do mesmo espaço. De modo similar, o espaço em torno de uma massa pode ser descrito pelos valores de campo gravitacional e de potencial gravitacional. Na transferência de substância, a coordenada relativa ao espaço é qualitativamente diferente dos casos elétrico e gravitacional. ξ representa o avanço do processo, medido pela razão entre a quantidade transferida em dado momento (dνi) e a quantidade total a ser transferida, νi. Portanto, o “espaço químico” definido por ξ, não é o mesmo espaço definido por x ou h nas equações similares, qual seja: o espaço trivial onde todos vivemos juntamente com as massas e cargas elétricas e substâncias. O espaço químico (ou espaço dos avanços) constitui-se numa abstração definido pelos avanços dos diversos processos de transferência de substâncias possíveis. Em vista da diferente natureza do espaço químico, o campo químico terá, obrigatoriamente, natureza distinta. Trata-se de um campo cujas forças químicas, Fq podem ser definidas por Fq = νi. μi. Quando duas porções de substância são justapostas no espaço trivial, estabelece-se uma força química no espaço dos avanços, tal que, ocorrerá a transferência da substância até que os valores de potencial químico se igualem. Mas, se μi representa o campo químico, o que representaria o potencial químico deve ser representado por μ.ξ.

Conclusões

A análise conceitual preliminar realizada mostra a possibilidade de exploração do conceito de campo químico a partir da analogia entre os processos de transferência de substância, carga elétrica e massa. O campo químico tem natureza diferente dos campos elétrico e gravitacional em razão dos espaços de referência a eles associados diferirem entre si. Isto é, o campo químico não se vincula diretamente ao espaço trivial, mas ao espaço dos avanços. Os resultados sinalizam para a continuidade do trabalho visando maior aprofundamento e aplicação ao caso das reações químicas e equilíbrio químico.

Agradecimentos

Referências

GIBBS, J. W. On the Equilibrium of Heterogeneous Substances, Transactions of the Connecticut Academy, III. pp. 108-248, Oct., 1875-May, 1876, and pp. 343-524, may, 1877 - July, 1876.

MOURA PORTO, J. A. Uma Breve Discussão Conceitual sobre o Potencial Químico. 2017. Trabalho de Conclusão de Curso – Instituto de Química, Universidade Federal da Bahia, Salvador, 2017.

MOURA PORTO, J. A.; SILVA, J.L.P.B. Considerações sobre o conceito de potencial químico e seu ensino. In: Encontro Nacional de Ensino de Química, 19., 2018, Rio Branco. Anais... Rio Branco. No prelo.