Afinidade química

Em física química e físico-química, afinidade química é a propriedade eletrônica pela qual espécies químicas diferentes são capazes de formar compostos químicos. A afinidade química também pode se referir à tendência de um átomo ou composto de se combinar por reação química com átomos ou compostos de composição diferente.

O conceito de afinidade química é uma ideia antiga, com origem na magia, anterior à ciência. A físico-química foi uma das primeiras disciplinas científicas a desenvolver uma "teoria da afinidade". O termo "afinidade" tem sido usado desde cerca de 1600 para discutir relações estruturais em vários campos, incluindo química e filologia. O conceito evoluiu ao longo da história, com notáveis químicos como Albertus Magnus, Robert Boyle e Antoine Lavoisier contribuindo para o desenvolvimento da teoria.

A primeira tabela de afinidade, que ajudou a visualizar as afinidades químicas, foi publicada em 1718 pelo químico francês Étienne François Geoffroy. A tabela foi uma ferramenta crucial no ensino de química para os alunos e passou por várias adaptações pelos principais químicos ao longo do século XVIII. O conceito moderno de afinidade química refere-se à propriedade eletrônica que permite que espécies químicas diferentes formem compostos, bem como à tendência de átomos ou compostos se combinarem por meio de reações químicas com composições diferentes.

Hoje, a afinidade está relacionada ao fenômeno em que certos átomos ou moléculas tendem a se ligar ou se agregar. A definição atual da IUPAC conecta a afinidade com a energia livre de Gibbs, onde a afinidade é a derivada parcial negativa da energia livre de Gibbs em relação à extensão da reação a pressão e temperatura constantes. O matemático e físico belga Théophile de Donder derivou uma relação entre a afinidade e a energia livre de Gibbs de uma reação química, que mais tarde foi expandida por Ilya Prigogine e Defay em seu trabalho, Termodinâmica Química.

História

Primeiras teorias

A ideia de afinidade é extremamente antiga. Muitas tentativas foram feitas para identificar suas origens. A maioria dessas tentativas, no entanto, exceto de maneira geral, termina em futilidade, pois as "afinidades" encontram-se na base de toda a magia, antecedendo assim a ciência. A físico-química, no entanto, foi um dos primeiros ramos da ciência a estudar e formular uma "teoria da afinidade". O nome affinitas foi usado pela primeira vez no sentido de relação química pelo filósofo alemão Albertus Magnus por volta do ano 1250. Mais tarde, Robert Boyle, John Mayow, Johann Glauber, Isaac Newton e Georg Stahl apresentaram idéias sobre afinidade eletiva em tentativas de explicar como o calor é desenvolvido durante as reações de combustão.

O termo afinidade tem sido usado figurativamente desde c. 1600 em discussões de relações estruturais em química, filologia, etc., e referência à "atração natural" é de 1616. "Afinidade química", historicamente, tem se referido à "força" que causa reações químicas. bem como, de forma mais geral e anterior, a ″tendência a combinar″ de qualquer par de substâncias. A definição ampla, geralmente usada ao longo da história, é que a afinidade química é aquela pela qual as substâncias entram ou resistem à decomposição.

O termo moderno afinidade química é uma variação um tanto modificada de seu precursor do século XVIII, "afinidade eletiva". ou atrações eletivas, um termo usado pelo professor de química do século XVIII, William Cullen. Não está claro se Cullen cunhou a frase, mas seu uso parece ser anterior à maioria dos outros, embora tenha se espalhado rapidamente por toda a Europa e tenha sido usado em particular pelo químico sueco Torbern Olof Bergman em seu livro De Attractionibus electivis (1775). As teorias de afinidade foram usadas de uma forma ou de outra pela maioria dos químicos de meados do século 18 até o século 19 para explicar e organizar as diferentes combinações nas quais as substâncias poderiam entrar e das quais poderiam ser recuperadas. Antoine Lavoisier, em seu famoso Traité Élémentaire de Chimie (Elementos de Química) de 1789, refere-se ao trabalho de Bergman e discute o conceito de afinidades eletivas ou atrações.

Segundo o historiador da química Henry Leicester, o influente livro de 1923 Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Reactions de Gilbert N. Lewis e Merle Randall levou à substituição do termo "afinidade' 34; pelo termo "energia livre" em grande parte do mundo de língua inglesa.

Segundo Prigogine, o termo foi introduzido e desenvolvido por Théophile de Donder.

Goethe usou o conceito em seu romance Afinidades eletivas (1809).

Representações visuais

Geoffroy's Tabela de Afinidade (1718): Na cabeça da coluna está uma substância com a qual todas as substâncias abaixo podem combinar, onde cada coluna abaixo do cabeçalho é classificado por graus de "afinidade"

O conceito de afinidade estava muito ligado à representação visual de substâncias sobre uma mesa. A primeira tabela de afinidade, baseada em reações de deslocamento, foi publicada em 1718 pelo químico francês Étienne François Geoffroy. O nome de Geoffroy é mais conhecido em conexão com essas tabelas de "afinidades" (tables des rapports), que foram apresentados pela primeira vez à Academia Francesa de Ciências em 1718 e 1720.

Durante o século 18, muitas versões da tabela foram propostas por importantes químicos como Torbern Bergman na Suécia e Joseph Black na Escócia, adaptando-a para acomodar novas descobertas químicas. Todas as tabelas eram essencialmente listas, preparadas pela comparação de observações sobre as ações das substâncias umas sobre as outras, mostrando os vários graus de afinidade exibidos por corpos análogos para diferentes reagentes.

Crucialmente, a tabela era a ferramenta gráfica central usada para ensinar química aos alunos e seu arranjo visual era frequentemente combinado com outros tipos de diagramas. Joseph Black, por exemplo, usou a tabela em combinação com diagramas quiásticos e circulares para visualizar os princípios fundamentais da afinidade química. As tabelas de afinidade foram usadas em toda a Europa até o início do século XIX, quando foram substituídas pelos conceitos de afinidade introduzidos por Claude Berthollet.

Conceitos modernos

Na física química e na química física, a afinidade química é a propriedade eletrônica pela qual espécies químicas diferentes são capazes de formar compostos químicos. A afinidade química também pode se referir à tendência de um átomo ou composto de se combinar por reação química com átomos ou compostos de composição diferente.

Em termos modernos, relacionamos afinidade ao fenômeno pelo qual certos átomos ou moléculas têm a tendência de se agregar ou se ligar. Por exemplo, no livro de 1919 Chemistry of Human Life, o médico George W. Carey afirma que, "A saúde depende de uma quantidade adequada de fosfato de ferro Fe₃(PO ₄)₂ no sangue, pois as moléculas deste sal têm afinidade química pelo oxigênio e o transportam para todas as partes do organismo." Nesse contexto antiquado, a afinidade química às vezes é considerada sinônimo do termo "atração magnética". Muitos escritos, até cerca de 1925, também se referem a uma "lei de afinidade química".

Ilya Prigogine resumiu o conceito de afinidade, dizendo: "Todas as reações químicas levam o sistema a um estado de equilíbrio no qual as afinidades das reações desaparecem."

Termodinâmica

A presente definição da IUPAC é que a afinidade A é a derivada parcial negativa da energia livre de Gibbs G em relação à extensão da reação ξ em pressão e temperatura constantes. Aquilo é,

${displaystyle A=-left({frac {partial G}{partial xi }}right)_{P,T}.}$

Segue-se que a afinidade é positiva para reações espontâneas.

Em 1923, o matemático e físico belga Théophile de Donder deduziu uma relação entre a afinidade e a energia livre de Gibbs de uma reação química. Por meio de uma série de derivações, de Donder mostrou que, se considerarmos uma mistura de espécies químicas com possibilidade de reação química, pode-se provar que a seguinte relação é válida:

$Não. A=-Delta _{r}G.,}$

Com os escritos de Théophile de Donder como precedente, Ilya Prigogine e Defay em Chemical Thermodynamics (1954) definiram a afinidade química como a taxa de variação do calor descompensado da reação Q' conforme a variável de progresso da reação ou a extensão da reação ξ cresce infinitamente:

${displaystyle A={frac {{mathrm {d} }Q'}{{mathrm {d} }xi }},}$

Esta definição é útil para quantificar os fatores responsáveis tanto pelo estado dos sistemas de equilíbrio (onde A = 0) quanto pelas mudanças de estado de sistemas fora do equilíbrio (onde A ≠ 0).