Sistemas Físico-Químicos

Inicializaremos o assunto de sistemas físico-químicos conceituando- o. Um sistema físico-químico formado a partir de processos físicos e químicos, podemos dizer que um sistema é a parte do Universo que se pretende estudar. Dentro de um sistema temos a fronteira, que o divide do exterior, cujo denominamos de vizinhança. Os sistemas são divididos em sistemas aberto, fechado e isolados. Esclareceremos o assunto ao decorrer do mesmo.

Em relação à complexidade e aos elementos de um sistema físico-químico Whitesides e Ismagilov classificaram um sistema complexo, de forma concisa, caracterizando– o com os seguintes pontos:

1- Quanto a sua evolução, sendo muito sensíveis a condições iniciais ou pequenas perturbações.

2- Grande número de componentes independentes interagindo.

3- Há vários caminhos através dos quais a evolução do sistema pode proceder.

Analisando termodinamicamente os pontos colocados acima, as condições 2 e 3, só podem ser atendidas se, somente se, o sistema estiver aberto, ou seja, se suas fronteiras forem permeáveis à troca de energia e/ou matéria com o ambiente.

A noção de complexidade em sistemas afastados do estado de equilíbrio termodinâmico está associada aos conceitos de não linearidade, emergência e auto-organização dinâmica.

Tipos de Sistemas Físicos- Químicos

O Sistema Aberto, também chamado de Volume de Controle, depende do nível de permeabilidade da fronteira que separa o sistema e a vizinhança, se houver um alto nível de permeabilidade, a fronteira permitirá que haja troca de matéria e de energia entre o meio e o ambiente, caso contrário o sistema deixa de ser aberto. Isso porque uma das principais características dos sistemas vivos é a constante troca de energia e matéria com o meio, é a partir dessa troca que o sistema exporta entropia para o ambiente e se mantém no estado auto organizado que caracteriza a vida. A distância do equilíbrio termodinâmico pode ser facilmente modulada em reações químicas conduzidas em reatores abertos. Nesse caso, a taxa de alimentação de reagentes e a retirada dos produtos formados é um dos principais parâmetros que controla a dinâmica do sistema e determina o padrão resultante.

O Sistema Fechado, também chamado de Massa de Controle, é permitido apenas a troca de energia com a vizinhança. Não existe troca de matéria com o exterior.

O Sistema Isolado, são completamente isolados do ambiente, não trocam calor, trabalho ou matéria e/ou energia com as vizinhanças. São ideais, mas para fins práticos podemos considerar vários sistemas reais como sendo isolados.

A Não Linearidade não tem espaço no mundo regido por leis newtonianas. A partir de dois estados conhecidos, é possível deduzir sobre o comportamento futuro de qualquer sistema. Uma vez que o sistema evolui linearmente no tempo, as surpresas estão descartadas e o futuro é dado a priori. A validade das aproximações lineares no sistema é restrita às vizinhanças do estado de equilíbrio termodinâmico. Um dos maiores golpes no tratamento linear de causa e efeito foi o reconhecimento da existência dos chamados sistemas caóticos, sendo descritos por equações diferenciais ordinárias, não lineares e acopladas, com grande sensibilidade às condições iniciais. O "efeito borboleta" é um típico exemplo, uma causa minúscula, como o bater de asas de uma borboleta numa certa região do planeta, pode resultar em uma enorme consequência, como o surgimento de um tornado, numa outra região arbitrária. Esse efeito foi sugerido exatamente para ilustrar como uma pequena mudança nas condições iniciais utilizadas para alimentar um modelo simples da dinâmica climática poderia gerar grandes efeitos na previsão em longo prazo. Além do comportamento caótico, a ocorrência de cinética excitatória, multe estável e oscilatória são manifestações de não linearidade.

Na Emergência se formos analisar a abordagem cartesiana, fundada com base na construção do todo a partir da soma das partes, tem sido cada vez mais desafiada por problemas de diferentes naturezas. Como um exemplo paradigmático, sabe-se que, por mais precisa que seja a descrição da dinâmica de um neurônio individual, não se pode simplesmente representar a mente que emerge da interação entre essas subunidades a partir da soma das dinâmicas individuais, tendo como um problema a interdependência entre as subunidades ocasionando erros no resultado da representação do comportamento do sistema. Propriedades emergentes resultam, pois, do reconhecimento de que o comportamento de um sistema complexo não pode ser entendido em termos apenas da extrapolação das propriedades dos seus componentes individuais. Em outras palavras, as propriedades que emergem no nível macroscópico não podem ser preditas a partir das propriedades dos componentes microscópicos, não podendo o sistema ser analisado em partes, tendo o seu comportamento descrito apenas pela soma de suas subunidades, o que traria margens de erros para a compreensão do comportamento do todo. Nesse sentido, é importante enfatizar que as propriedades emergentes que surgem quando da mudança de escala não estão relacionadas a uma eventual falha na descrição microscópica.

Em sistemas abertos a auto- organização é primordial. A organização desses sistemas ocorre espontaneamente quando sujeitos a um dado gradiente, sendo este a variação de uma característica do meio. O termo auto, está se referindo ao fato de que não há nenhuma instrução do ambiente sobre como a organização deve ocorrer ou como o sistema deve se adequar em resposta ao gradiente. Em outras palavras, a gradiente imposta é completamente neutra em termos de informações e a organização surge de dentro do sistema, sendo moldada pelo sistema. Quando levados para um estado suficientemente afastado do equilíbrio termodinâmico, tais sistemas não estão mais sujeitos a princípios extremos que regem o estado de equilíbrio e os processos em regime linear. Portanto, a evolução não linear propicia a coexistência de diferentes estados estáveis para um mesmo conjunto de parâmetros. Processos de auto-organização são ubíquos na natureza, ou seja, estão ao mesmo tempo em toda parte, de células a órgãos e organismos, de indivíduos a organizações sociais, de casas a bairros, cidades, etc. Em geral, no contexto da auto-organização dinâmica, mais adequado seria se referir a comportamento complexo em lugar de sistema complexo, uma vez que um sistema simples pode apresentar um comportamento complexo quando afastado do estado de equilíbrio termodinâmico.

Comportamento Complexo dos Sistemas Físico- Químicos

As investigações teóricas-experimentais sobre a emergência, seleção e evolução de padrões espaço-temporais em sistemas físico-químicos têm atraído considerável interesse recentemente. Exemplos desses sistemas incluem processos heterogêneos nas interfaces sólido/ gás e sólido/líquido, assim como reações homogêneas, como no caso dos osciladores da família do brometo. Fenômenos temporais complexos na forma de amplificação explosiva de pequenas flutuações (autocatálise) multe estabilidade, oscilações na concentração de alguns intermediários e dinâmicos caótica são relativamente corriqueiros em diversas reações químicas. No entanto, apesar do número considerável de exemplos conhecidos, ainda não há uma taxonomia abrangente de tais reações e são poucas as aplicações relatadas. Explorar a cinética não linear presente em reações químicas na detecção de traços e no aumento da conversão e/ou seletividade em alguns processos são duas possibilidades de grande potencial. Especificamente, elucidar regimes não convencionais em reações catalíticas de importância prática (redução de nitrato, redução de gás carbônico, eletro-oxidação de moléculas orgânicas pequenas, entre outros) pode ser muito vantajoso, principalmente quando experimentos de bancada e numéricos andam juntos, uma vez que não linearidades observadas no laboratório, modeladas e simuladas podem ser fontes de importantes informações mecanísticas.

Andressa Frazão - Estudante do 2º ano do Ensino técnico

em Informática no Instituto Federal do Maranhão
Equipe É Hora de FisicoQuímica