1: Introducción - Antecedentes y una mirada al futuro
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La química física abarca una amplia variedad de ideas que están íntimamente ligadas. En su mayor parte, no podemos entender a uno sin tener alguna comprensión de muchos otros. Superamos este problema observando la misma idea desde una serie de perspectivas ligeramente diferentes y cada vez más sofisticadas. Este libro se centra en las teorías de la química física que describen y hacen predicciones sobre el equilibrio químico. Omitimos muchos temas que generalmente se entienden para ser incluidos en el tema de la química física. En particular, tratamos la mecánica cuántica solo brevemente y la espectroscopia no en absoluto.
Los objetivos de la química son predecir estructuras moleculares y reactividad química. Para una fórmula empírica dada, queremos ser capaces de predecir todos los arreglos atómicos tridimensionales estables que pueden existir. También queremos poder predecir todas las reacciones en las que cada una de esas moléculas pueda participar. Y, mientras estamos elaborando nuestra lista de deseos, queremos poder predecir qué tan rápido va cada reacción en cualquier conjunto de condiciones de reacción que puedan resultar de interés.
Muchos tipos diferentes de teorías nos permiten hacer predicciones útiles sobre la reactividad química. A veces somos capaces de hacer predicciones basadas en cálculos mecánicos cuánticos detallados. Cuando se dispone de datos termodinámicos, podemos hacer predicciones precisas sobre el grado en que puede ocurrir una reacción en particular. Al carecer de tales datos sobre un compuesto, pero dada su estructura, generalmente podemos hacer algunas predicciones que valgan la pena basadas en generalizaciones (modelos) que reflejan nuestra experiencia acumulada con clases particulares de compuestos y sus reacciones conocidas. Por lo general, estas predicciones son cualitativas, y no logran incluir muchas características notables que surgen cuando se realizan estudios experimentales.
La química física es la teoría general de las propiedades de las sustancias químicas, siendo la reactividad química una propiedad de importancia fundamental. Este libro se centra en las ideas centrales en los temas de cinética química , termodinámica química y termodinámica estadística. Estas ideas se aplican a la caracterización, correlación y predicción del grado en que puede ocurrir cualquier reacción química. Porque predecir cómo reaccionará un sistema es sustancialmente equivalente a predecir su posición de equilibrio, dirigimos nuestros esfuerzos a comprender cómo cada uno de estos sujetos contribuye a nuestra comprensión de los procesos de equilibrio que son importantes en la química. En este capítulo se revisan las características generales de estos temas.
El estudio de la cinética química nos da una forma de pensar sobre el equilibrio químico que es simple y directa. La termodinámica química clásica nos da una manera de predecir equilibrios químicos para una amplia gama de reacciones a partir de observaciones experimentales realizadas bajo un rango mucho menor de condiciones. Es decir, una vez que hemos medido las funciones termodinámicas que caracterizan a un compuesto, podemos usar estos valores para predecir el comportamiento del compuesto en una amplia variedad de reacciones. La mecánica estadística nos da una base conceptual para entender por qué las leyes de la termodinámica química toman la forma que hacen. También proporciona una manera de obtener valores precisos para las propiedades termodinámicas de muchos compuestos.
- 1.2: Cinética química
- La cinética química es el estudio de la rapidez con que ocurren las reacciones químicas. En el capítulo 5, vemos que hay una manera única de especificar a qué nos referimos con “qué tan rápido”. Llamamos a esta especificación la velocidad de reacción. La cinética química es el estudio de los factores que determinan la velocidad de una reacción en particular.
- 1.4: Termodinámica estadística
- La termodinámica estadística es una teoría que utiliza propiedades moleculares para predecir el comportamiento de cantidades macroscópicas de compuestos. Si bien los orígenes de la termodinámica estadística son anteriores al desarrollo de la mecánica cuántica, el desarrollo moderno de la termodinámica estadística supone que se conocen los niveles de energía cuantificados asociados a un sistema particular.
- 1.9: Algunas ideas desde la filosofía de la ciencia
- El objetivo de la ciencia es crear teorías que describan con precisión la realidad física. Aquí, exploramos algunas de las teorías científicas más útiles que existen. Se han probado extensamente. Sabemos que hay límites en su aplicabilidad. Esperamos que una mayor reflexión y experimentación amplíen su alcance. Esperamos que algunos elementos de estas teorías necesiten ser modificados de formas que no podemos anticipar, pero no esperamos que se invaliden los conceptos centrales.
- 1.10: Algunas ideas desde la lógica formal
- La lógica formal trata de las relaciones entre proposiciones, donde una proposición es cualquier declaración de (presunto) hecho. Cualquier proposición puede expresarse como una oración ordinaria en inglés, aunque puede ser más conveniente usar símbolos matemáticos o alguna otra notación.