Em Química, análise quantitativa é a determinação da abundância relativa ou absoluta (muitas vezes expressa como uma concentração) de uma, várias ou todas as substâncias presentes em uma amostra. Vários métodos foram desenvolvidos para este tipo de análise, dentre elas a análise gravimétrica e a análise volumétrica. A análise gravimétrica descreve um conjunto de métodos para a determinação da quantidade de um analito com base na massa sólida. Um exemplo simples é a determinação da quantidade de sólidos em suspensão em uma amostra de água: um volume conhecido de água é filtrado e os sólidos recolhidos no filtro são então pesados.[51][52] A análise gravimétrica fornece dados precisos sobre a composição de uma amostra e seu tempo de execução pode ser elevado. Já a análise volumétrica, por outro lado, é rápida e os resultados são na maioria dos casos satisfatórios: essas análises consistem basicamente em processos de titulação, também conhecido como titulometria, onde são monitorados os volumes usados nestas etapas. Um reagente, chamado o titulante é preparado como uma solução padrão. Uma concentração conhecida e volume de titulante reage com uma solução de analito ou de titulante, para determinar a concentração. Análise volumétrica pode ser simplesmente uma titulação com base numa reação de neutralização, mas também pode ser uma precipitação ou uma reação de formação de um complexo, bem como a titulação com base em uma reação redox. No entanto, cada método de análise quantitativa tem uma especificação geral, em neutralização, por exemplo, a reação que ocorre é entre um ácido e uma base, a qual produz um sal e água, daí o nome de neutralização. Nas reações de precipitação, a solução padrão é na maioria dos casos de nitrato de prata, que é usada para reagir com os íons presentes na amostra no intuito de formar um precipitado insolúvel. Métodos de precipitação são muitas vezes chamado simplesmente de argentometria. Nos dois outros métodos, a situação é a mesma. A titulação de formação de um complexo é uma reação que ocorre entre os íons de um metal e uma solução padrão que contem na maioria dos casos, o EDTA (ácido etilenodiaminotetra-acético). Em uma titulação redox, a reação é ocorre entre um agente oxidante e um agente redutor.
Enquanto a análise quantitativa se preocupa em determinar a quantidade de determinada(s) substância(s) em uma amostra, a análise qualitativa usa diversas metodologias clássicas que visam especificar a composição elementar de compostos inorgânicos. É focada principalmente em detectar íons em uma solução aquosa: então para que materiais sólidos sejam analisados, estes devem preferencialmente serem convertidos em soluções, geralmente por um processo denominado digestão. A solução é então tratada com diversos reagentes para testar a reações características de determinados íons, que podem causar mudança da cor da solução em análise, formação de precipitado ou outras mudanças visíveis.[53] De acordo com as suas propriedades, os cátions são classificados em seis grupos. Cada grupo possui um reagente de comum que pode ser utilizado para separá-los a partir da solução. Para se obter resultados significativos, a separação segue uma sequência específica chamada marcha analítica. Outra importante técnica usada para identificar cátions metálicos é o teste da chama: esse procedimento se baseia no espectro de emissão característico para cada elemento, quando em contato com chama. O teste envolve a introdução da amostra em chama e a observação da cor resultante. As amostras geralmente são manuseadas com um fio de platina previamente limpo com ácido clorídrico para retirar resíduos de analitos anteriores. O teste de chama é baseado no fato de que quando uma certa quantidade de energia é fornecida a um determinado elemento químico (no caso da chama, energia em forma de calor), alguns elétrons da última camada de valência absorvem esta energia passando para um nível de energia mais elevado, produzindo o que chamamos de estado excitado. Quando um desses elétrons excitados retorna ao estado fundamental, ele libera a energia recebida anteriormente em forma de radiação. Cada elemento libera a radiação em um comprimento de onda característico, pois a quantidade de energia necessária para excitar um elétron é única para cada elemento. A radiação liberada por alguns elementos possui comprimento de onda na faixa do espectro visível, ou seja, o olho humano é capaz de enxergá-los através de cores. Assim, é possível identificar a presença de certos elementos devido à cor característica que eles emitem quando aquecidos numa chama.
Físico-Química é o estudo das propriedades físicas e químicas da matéria, incluindo fenômenos macroscópicos, atômicos e subatômicos, sob a ótica das leis e conceitos da física. A Físico-Química aplica os princípios, práticas e conceitos da física como movimento, energia, força, tempo, termodinâmica, mecânica quântica, mecânica estatística e dinâmica para explicar fenômenos químicos.
A Físico-Química pode ser subdividida em diversas disciplinas. Dentre estas, podem ser citadas a Química Quântica (estuda e estrutura da matéria em escala atômico-molecular e a interação da luz eletromagnética com a matéria), a Termodinâmica Química (estuda em escala macroscópica o ganho e perda de energia em transformações da matéria, bem como a relação com espontaneidade de processos e equilíbrio de sistemas), a Cinética Química (estuda a velocidade de processos, físicos ou químicos), e a Mecânica Estatística (estuda a relação entre quantização de energia e propriedades macroscópicas de sistemas e processos através de distribuição estatística). Subdisciplinas como Eletroquímica, Química de Superfícies, Termoquímica, e Química de Sistemas Coloidais podem ser enquadradas dentro da Termodinâmica, enquanto a Espectroscopia dentro da Química Quântica.
A termodinâmica química estuda as causas e os efeitos de mudanças de temperatura, pressão e volume em sistemas químicos. Em destaque o derretimento do gelo - um exemplo de aumento de entropia.
A Química Quântica é um ramo da Físico-Química cujo foco principal é a aplicação dos conceitos da mecânica quântica a modelos físicos e experimentais de sistemas químicos. Uma das ferramentas mais usadas nestes estudos é a espectroscopia, por meio do qual a informação sobre a quantização de energia em escala molecular pode ser obtida. Os métodos espectroscópicos mais comuns são a espectroscopia de infravermelho (IV) e de ressonância magnética nuclear (RMN). Os estudos em Química Quântica são bastante teóricos e os trabalhos possuem grande interface com a Química Computacional, visando a calcular as previsões da teoria quântica às espécies poliatômicas. Esses cálculos são realizados em computadores. Com estes meios, os químicos quânticos investigam aspectos envolvidos em reações química como o estado fundamental e excitado de átomos em moléculas e o estado de transição que ocorre durante as reações químicas. Os objetivos principais de Química Quântica incluem o aumento da exatidão dos resultados para pequenos sistemas moleculares e o processamento de moléculas de maiores dimensões, o qual é limitado por um motivo: o tempo de cálculo aumenta quanto maior for o número de átomos de uma molécula.
Outro conjunto de questões importantes giram em torno da espontaneidade das reações químicas e e quais as propriedades de uma mistura de compostos químicos. Esses aspectos são estudados pela Termodinâmica Química, que prevê a possibilidade de uma reação prosseguir, a quantidade de energia que pode ser convertida em trabalho e o estudo de propriedades tais como o coeficiente de dilatação térmica, a variação de taxa de entropia de um gás ou de um líquido.[54] A Termodinâmica clássica está mais preocupada com os sistemas em equilíbrio e as mudanças reversíveis.
A ideia fundamental da Cinética Química é a existência de um estado de transição de energia elevada quando reagentes são convertidos em produtos, ou seja uma barreira energética.[55] De um modo geral, quanto maior for esta barreira energética, mais lenta será a reação. A segunda ideia fundamental é de que a maioria das reações químicas ocorrem como uma sequência de reações elementares,[56] cada uma com seu próprio estado transição. As questões principais da cinética química incluem como a velocidade de uma reação depende da temperatura e das concentrações dos reagentes e de catalisadores na mistura reacional, bem como a forma como os catalisadores e condições de reação podem ser manipuladas para otimizar a taxa de reação.
Um dos alvos de estudo da eletroquímica, as pilhas são dispositivos que utilizam reações de óxido-redução para geração de energia elétrica.
A medida de quão rápida uma reação pode ocorrer pode ser especificada com apenas poucas amostragens da concentrações e pelo monitoramento da temperatura, ao invés de medir todas as posições e velocidades de cada molécula em uma mistura. Esse é um caso especial de um outro conceito fundamental em Físico-Química: a Mecânica Estatística.[57] A Mecânica Estatística estuda o comportamento de sistemas com elevado número de entidades constituintes a partir do comportamento destas entidades. Os constituintes podem ser átomos, moléculas, íons, entre outros.
A Eletroquímica é um ramo da Termodinâmica Química que estuda reações químicas que ocorrem em uma solução envolvendo um eletrodo (um metal ou um semicondutor) e um condutor iônico (em geral uma solução eletrolítica), envolvendo trocas de elétrons entre o eletrodo e o eletrólito. Esse campo científico abrange todos os processos químicos que envolvam transferência de elétrons entre substâncias, logo, a transformação de energia química em energia elétrica. Quando tal processo ocorre, produzindo transferência de elétrons, produzindo espontaneamente corrente elétrica quando ligado a um circuito elétrico, ou produzindo diferença de potencial entre dois pólos, é chamado de pilha ou bateria (que muitas vezes é formada de diversas células). Quando tal processo é proporcionado, induzido, pela ação de uma corrente elétrica de uma fonte externa, este processo é denominado de eletrólise.
A Química Orgânica é uma especialidade dentro da química que envolve o estudo científico da estrutura, propriedades, composição, reações e preparação (por síntese ou por outros meios) de compostos contendo carbono e seus derivados. Estes compostos podem conter átomos outros elementos, incluindo o hidrogênio, nitrogênio, oxigênio, além de halogênios, fósforo, silício e enxofre.[58][59][60] Compostos orgânicos formam a base de toda a vida terrena e são estruturalmente bastante diversificados. A gama de aplicação de compostos orgânicos é enorme, sendo os principais componentes de muitos produtos, como plásticos, medicamentos, produtos petroquímicos, alimentos, materiais explosivos e tintas.
Espectrometria de ressonância magnética nuclear: uma das diversas técnicas utilizadas para a identificação estrutural de um composto orgânico.