TÓPICO 3 – PROPRIEDADES DA MATÉRIA II
2.1 CLASSIFICAÇÃO DAS PROPRIEDADES COLIGATIVAS
Já vimos as principais mudanças observadas quando um soluto não volátil é adicionado a um solvente, vamos agora estudar cada uma dessas mudanças e relacioná-las à propriedade coligativa correspondente.
De acordo com Fonseca (2013); Usberco e Salvador (2002), as propriedades coligativas se dividem em:
Tonoscopia ou tonometria é o estudo da diminuição da pressão máxima de vapor de um solvente, ou seja, a diminuição da quantidade de vapor formada, provocada pela adição de um soluto não volátil (USBERCO; SALVADOR, 2002).
Todo sistema que contém um líquido está sujeito à evaporação, passagem das moléculas do estado líquido para o vapor. No caso da água, a evaporação ocorre quando uma molécula localizada na superfície do sistema adquire energia suficiente para romper as ligações intermoleculares (ligações de hidrogênio) feitas com outras moléculas, escapando para fora do líquido.
Na superfície livre de uma substância pura só existem partículas dessa substância e, portanto, a probabilidade de escape de partículas para a fase gasosa é a mesma em qualquer ponto da superfície. Já em uma solução de soluto não volátil também existirão na superfície livre partículas do soluto, o que diminui a probabilidade de escape de partículas do solvente para a fase gasosa, diminuindo assim a pressão de vapor do solvente (FONSECA, 2013; FELTRE, 2004; USBERCO; SALVADOR, 2002). Por exemplo, se fizermos um experimento em laboratório, e adicionarmos um soluto não volátil à água, formando uma solução aquosa diluída, será possível observar que a pressão máxima de vapor da água na solução será menor que a pressão máxima de vapor da água pura.
Isso ocorre porque as partículas de soluto “bloqueiam, atrapalham” o escape das moléculas de água do sistema, diminuindo o número de moléculas
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que evaporam num determinado intervalo de tempo e, portanto, diminuindo a pressão de vapor da água no recipiente, como podemos ver na ilustração a seguir (FONSECA, 2013).
FIGURA 60 - ILUSTRAÇÃO PRESSÃO DE VAPOR SUBSTÂNCIA PURA E DE UMA SOLUÇÃO COM SOLUTO NÃO VOLÁTIL
FONTE: Fonseca (2013)
IMPORTANTE
A pressão de vapor do solvente na solução é sempre menor que a do respectivo solvente puro.
Vejamos alguns conceitos importantes para compreendermos os efeitos causados e presentes nas propriedades tonoscópicas (FONSECA, 2013; USBERCO;
SALVADOR, 2002):
• A pressão máxima de vapor da substância é a maior pressão que seus vapores exercem em determinada temperatura.
• Quando a pressão máxima de vapor se iguala à pressão externa local, o líquido entra em ebulição. É por isso que a água sob pressão de 760 mmHg (pressão ao nível do mar) entra em ebulição a 100 °C. Se variarmos a pressão externa a que o líquido está sujeito, haverá variação de seu ponto de ebulição. Por exemplo, se usarmos uma panela de pressão (aumento da pressão), a água entrará em ebulição a uma temperatura maior que 100 °C, cozinhando os alimentos mais rapidamente.
• A pressão atmosférica diminui conforme a altitude aumenta, ou seja, quanto água pura água +NaCl
Cl–
Cl– Cl– Na+
Na+ Na+
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mais baixa que 100 °C, levando mais tempo para cozinhar o alimento. O quadro a seguir traz alguns valores de temperatura em que a água entra em ebulição em relação a diferentes pressões.
Pressão de vapor da água Temperatura /°C Pressão /mmHg
0 4,579
10 9,209
20 17,535
30 31,824
40 55,324
50 92,510
60 149,380
70 233,700
80 355,100
90 525,760
100 760,00
QUADRO 7 - PRESSÃO DE VAPOR DA ÁGUA
FONTE: Fonseca (2013)
• Considerando-se diversos líquidos diferentes, o que tiver a maior pressão de vapor será mais volátil e terá menor ponto de ebulição que os demais, isto é, necessitará de menos energia para igualar sua pressão de vapor à pressão externa local.
IMPORTANTE
A pressão atmosférica diminui conforme a altitude aumenta, ou seja, quanto maior a altitude, menor a pressão atmosférica.
Esse é o objeto de estudo da Tonoscopia, ou seja, o abaixamento da pressão máxima de vapor de um solvente causado pela adição de um soluto não volátil.
Ebulioscopia
Ebulioscopia ou ebuliometria é o estudo do aumento da temperatura de ebulição do solvente em uma solução, provocada pela presença de um soluto não
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FIGURA 61 - EBULIÇÃO DA ÁGUA
FONTE: Disponível em: <http://manualdaquimica.uol.com.br/fisico-quimica/o-que-sao-as-propriedades-coligativas.htm>. Acesso em: 25 jul. 2017.
Da mesma forma, se adicionarmos à água em ebulição um soluto não volátil (sal, sacarose etc.), a solução resultante terá uma diminuição da sua pressão de vapor, logo, a ebulição será interrompida.
Assim, a água da solução só entrará em ebulição novamente se receber energia suficiente para que sua pressão de vapor volte a se igualar à pressão externa, o que ocorrerá numa temperatura superior a 100 °C. Por isso, quando a água está fervendo e colocamos sal, por exemplo, esta para de ferver. Assim como é hábito colocar sal e óleo para cozinhar macarrão, a vantagem é que este seja cozido mais rápido, pois a água com a presença de um soluto não volátil irá ferver à temperatura superior a 100 °C.
Outro exemplo interessante é o uso do etilenoglicol na água do radiador de um veículo. Ele é usado para que, mesmo em temperaturas acima de 100 ºC a água do radiador continue a refrigerar o motor sem entrar em ebulição, como podemos ver a seguir (FONSECA, 2013; USBERCO; SALVADOR, 2002).
A temperatura está relacionada à agitação térmica das partículas (moléculas ou íons) que constituem a substância. Quanto maior a temperatura, maior a agitação das moléculas e maior a pressão de vapor da substância na fase líquida (FONSECA, 2013; USBERCO; SALVADOR, 2002).
Vamos considerar um volume X de água à pressão de 1 atm (760 mmHg):
Como vimos na Tonoscopia, para que a água entre em ebulição é necessário que sua pressão de vapor se iguale à pressão externa, o que ocorrerá na temperatura de 100 °C, como ilustrado na figura a seguir.
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FIGURA 62 - ADIÇÃO DE ETILENOGLICOL NA ÁGUA DO RADIDOR DE UM VEÍCULO
FONTE: Disponível em: <http://www.semeucarrofalasse.com/quanto-custa/quanto-custa-aditivo-de-radiador>. Acesso em: 25 jul.
2017.
No quadro a seguir temos a representação de como o aumento do número de partículas de sacarose, dissolvidas em certa massa de água, faz diminuir a pressão de vapor na solução e aumentar o ponto de ebulição (FONSECA, 2013).
Composição da solução
QUADRO 8 - COMPORTAMENTO DE UMA SOLUÇÃO EM FUNÇÃO DO AUMENTO DE UM SOLUTO NÃO VOLÁTIL
FONTE: Fonseca (2013)
IMPORTANTE
A temperatura em que se inicia a ebulição do solvente em uma solução de soluto não volátil é sempre maior que a temperatura de ebulição do solvente puro (sob mesma pressão).
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Crioscopia
Crioscopia ou criometria é o estudo da diminuição da temperatura de congelamento de um solvente em uma solução, causada pela adição de um soluto não volátil.
Para que uma substância passe da fase líquida para a fase sólida é necessário que suas moléculas liberem (percam) energia cinética e, portanto, que haja diminuição da temperatura do sistema. Isto significa que, quanto menor a temperatura, menor a agitação das moléculas e menor a pressão de vapor da substância (FONSECA, 2013; SARDELLA, 2005).
Para que um líquido puro passe da fase líquida para a fase sólida é necessário que as pressões de vapor da fase líquida e da fase sólida se tornem iguais. Sendo assim, se considerarmos um sistema contendo uma amostra de água pura no processo de congelamento (0 °C), se adicionarmos um soluto não volátil, como sal, ocorre uma baixa na pressão de vapor da fase líquida e o processo de solidificação é interrompido. Para que a solução volte a se solidificar, é necessário resfriá-la para baixar a pressão de vapor da fase sólida, tornando-a novamente igual à da fase líquida, o que ocorrerá a uma temperatura inferior a 0
°C (SARDELLA, 2005).
Quando uma solução entra em solidificação, o solvente começa a se solidificar primeiro, tornando a solução cada vez mais concentrada (lembre-se, por exemplo, de que o gelo formado da água do mar não é salgado), o que leva o ponto de solidificação a diminuir gradualmente, ilustrado na figura a seguir.
FIGURA 63 - ÁGUA DO MAR CONGELADA SÓ NA SUPERFÍCIE
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A água do mar contém vários sais dissolvidos que abaixam seu ponto de solidificação. Mesmo quando a temperatura ambiente se encontra abaixo de 0 °C, a água do mar permanece, em grande parte, na fase líquida.
Isso se explica segundo a Lei de Raoult, que diz que o abaixamento da temperatura de congelamento de um líquido, provocado pela presença de um soluto não volátil, é diretamente proporcional à molaridade da solução; quanto maior a concentração desse soluto, menor a temperatura de congelamento da solução (SARDELLA, 2005).
Vamos considerar uma situação prática em que são colocados no freezer dois frascos iguais com o mesmo volume de água, em um deles será adicionado sal de cozinha. Qual desses dois frascos congelará mais rapidamente? A resposta, levando em consideração tudo que estudamos até agora, é a água sem o sal.
Vamos analisar a figura a seguir, onde temos a representação de um diagrama de fases, relacionando a pressão de vapor e temperatura para uma substância pura e para uma solução.
Observando o diagrama, em relação ao comportamento do solvente puro e a solução, vemos que ∆T representa a diferença de temperatura de ambas as espécies, indicando nessa variação que ocorre um abaixamento da temperatura de congelamento da solução com a presença de um soluto não volátil em comparação à substância pura.
FONTE: Fonseca (2013)
FIGURA 64 - REPRESENTAÇÃO DO DIAGRAMA DE FASES EM FUNÇÃO DA PRESSÃO E TEMPERATURA
Podemos citar mais alguns exemplos interessantes onde os conhecimentos sobre a propriedade crioscópica são muito úteis (FONSECA, 2013; USBERCO;
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• É costume, no inverno, em países frios, jogar sais, como cloreto de sódio – NaCl(s) –, ou cloreto de cálcio – CaCl2(s) –, nas ruas e autoestradas para dificultar a formação de uma camada de gelo, ilustrado na figura a seguir.
FIGURA 65 - CAMINHÃO LARGANDO NaCl NAS ESTRADAS CONGELADAS
FONTE: Disponível em: <http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/por-que-se-joga-sal-nas-estradas-lugares-frios.htm>. Acesso em: 25 jul.
2017.
• O cloreto de sódio forma com a água uma solução de ponto de solidificação menor que o da água pura, se funde em torno de -22 °C (é uma substância eutética). É por conta disso que muitas pessoas jogam o sal no gelo quando querem congelar bebidas mais rapidamente.
FIGURA 66 - REPRESENTAÇÃO DE COMO GELAR BEBIDAS RAPIDAMENTE COM GELO + SAL
FONTE: Disponível em: <http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/por-que-se-joga-sal-nas-estradas-lugares-frios.htm>. Acesso em: 25 jul.
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Osmometria
Osmose estuda a passagem espontânea do solvente de uma solução diluída para outra mais concentrada por meio de uma membrana semipermeável (USBERCO; SALVADOR, 2002).
Difusão é o movimento espontâneo das partículas de uma substância de se espalharem uniformemente em meio a partículas de outra substância ou de atravessarem uma parede porosa, como uma membrana semipermeável (SARDELLA, 2005).
As membranas semipermeáveis possuem ação seletiva quanto ao tipo de substância que pode atravessá-las, ou seja, permitem apenas a passagem do solvente e não do soluto, como podemos visualizar na figura a seguir, onde, com o passar do tempo, podemos observar que a água (solvente, menos concentrada) passa para o meio mais concentrado (presença de soluto) até que as concentrações em ambos os lados da membrana se igualem.
É o caso, por exemplo, da membrana celular (que reveste as células de animais e vegetais).
A osmose espontânea sempre ocorre no sentido:
SOLUÇÃO MENOS CONCENTRADA → SOLUÇÃO MAIS CONCENTRADA
FIGURA 67 - DIFUSÃO ATRAVÉS DE UMA MEMBRANA SEMIPERMEÁVEL
FONTE: Usberco e Salvador (2002)
Se quisermos impedir que a osmose ocorra, teremos de exercer uma pressão sobre o sistema no sentido inverso ao que ocorre espontaneamente na osmose. A intensidade da pressão deve ser igual à pressão que o solvente faz para atravessar a membrana semipermeável.
tempo membrana semipermeável
glicose água
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A pressão externa que é preciso exercer sobre um sistema para impedir que a osmose ocorra de maneira espontânea é denominada pressão osmótica (SARDELLA, 2005).
NOTA
Quanto maior a concentração de uma solução, maior a sua pressão osmótica.
Os fenômenos osmóticos podem ser observados em várias situações do nosso dia a dia, e nos permitem compreender o funcionamento de muitos sistemas, inclusive do corpo humano. Vejamos alguns exemplos:
• Quando temperamos uma salada de folhas cruas (alface, escarola, agrião etc.) e não a consumimos imediatamente: as folhas “murcham”. E por que isso acontece? Porque a água se difunde do meio menos concentrado (as células vegetais) para o mais concentrado (solução de vinagre e sal que constitui o tempero), como podemos observar na figura a seguir (FONSECA, 2013).
FIGURA 68 - EXEMPLO DE OSMOSE EM VERDURAS CRUAS
FONTE: Fonseca (2013)
• As frutas secas, como a ameixa-preta, incham quando colocadas em água.
Isso ocorre porque a pele da ameixa seca funciona como uma membrana semipermeável e o solvente (água) passa por ela e vai para o interior da ameixa.
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FIGURA 69 - HIDRATAÇÃO FRUTAS SECAS
FONTE: Disponível em: <http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/
propriedades-coligativas.htm>. Acesso em: 25 jul. 2017.
• Ajuda na conservação dos alimentos, por exemplo, a carne salgada e frutas cozidas em calda muito doce impedindo que não se estraguem com facilidade.
Quando se coloca sal sobre a carne, ela desidrata, por isso há um fluxo de solvente (água) de dentro da carne para fora. Isso conserva a carne, porque sem água a proliferação de fungos e bactérias no alimento é dificultada.
As frutas que são colocadas em soluções com excesso de açúcar, o que desidrata também a fruta por osmose, destruindo as bactérias que poderiam apodrecê-las, se conservam por mais tempo, como podemos ver na figura a seguir (SARDELLA, 2005).
FIGURA 70 - EXEMPLOS DE CONSERVAÇÃO DE ALIMENTOS
FONTE: A autora
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• Os peixes possuem metabolismos diferentes de acordo com o tipo de água em que vivem. O corpo do peixe é formado por muita água e outras substâncias dissolvidas nela. Como a água salgada possui mais sais do que a água doce, um peixe de água salgada não poderia viver em água doce e vice-versa. Causaria um desequilíbrio entre a pressão osmótica interna do organismo do peixe e a pressão osmótica externa da água. No caso de um peixe de água salgada ser colocado em água doce, esse absorveria tanta água que iria “explodir”
(SARDELLA, 2005).
FIGURA 71 - PEIXE EM SEU HABITAT NATURAL
FONTE: Disponível em: <http://www.soq.com.br/conteudos/em/
propriedadescoligativas/p7.php>. Acesso em: 25 jul. 2017.
• A dessalinização da água é um processo para obtenção de água potável a partir da água do mar, em países e lugares onde esta é escassa.
A remoção do sal é feita por osmose reversa, ou seja, o solvente (água) faz o caminho inverso da osmose, que ocorre espontaneamente. Na osmose normal o solvente passa da solução mais diluída para a mais concentrada, já na osmose reversa o solvente passa da solução mais concentrada para a mais diluída.
Isso só é possível quando se aplica uma pressão superior à pressão osmótica. Uma das dificuldades desse processo é a obtenção de membranas que resistam a altas pressões (SARDELLA, 2005). Na figura a seguir temos a ilustração de uma usina de dessalinização por osmose reversa.
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FIGURA 72 - USINA DE DESSALINIZAÇÃO
FONTE: Disponível em: <http://alunosonline.uol.com.br/
quimica/dessalinizacao-agua-mar-por-osmose-reversa.html>. Acesso em: 25 jul. 2017.
• A importância da osmose para os seres vivos e plantas:
No corpo humano e dos animais existe um equilíbrio osmótico dentro das nossas células, fazendo com que haja um equilíbrio de entrada e saída de água desse sistema.
O nosso sangue apresenta uma pressão osmótica de cerca de 7,8 atm, sendo que as hemácias ou glóbulos vermelhos também. Isso permite a passagem fácil de moléculas de água para dentro e para fora das hemácias. É por isso que o soro fisiológico e as injeções intravenosas devem possuir a mesma pressão do sangue.
Se a pressão osmótica for diferente, isso afetará gravemente as hemácias.
Por exemplo, se o soro for mais diluído, haverá osmose ou a passagem de água para dentro da hemácia, fazendo com que ela inche e possa até estourar. Nesse caso, dizemos que o meio é hipotônico. Já se ocorrer o contrário, se o soro estiver mais concentrado, a hemácia perderá água para o meio externo, murchando, como podemos ver na figura a seguir (USBERCO; SALVADOR, 2002).
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FIGURA 73 - REPRESENTAÇÃO DAS CÉLULAS EM SOLUÇÕES COM DIFERENTES CONCENTRAÇÕES
FONTE: Usberco e Salvador (2002)
Para as plantas a pressão osmótica também é essencial. É dessa forma que as plantas transportam água, ureia e outras substâncias para todas as regiões da planta, no entanto, impedindo a passagem de íons sódio, glicose e outros.
Isso é possível porque a pressão osmótica nas raízes das plantas pode atingir valores bem altos. Como a solução que está dentro da raiz da planta é mais concentrada que a da terra, ocorre a passagem de água pela raiz para dentro da planta (FONSECA, 2013).
FIGURA 74 - A PRESSÃO OSMÓTICA DAS RAÍZES DAS ÁRVORES PERMITE QUE A ÁGUA CHEGUE ATÉ ÀS SUAS PARTES MAIS ELEVADAS
Solução com pressão osmótica igual à da
célula (isotônica).
Solução com pressão osmótica menor que a da célula (hipotônica).
Solução com pressão osmótica maior que a da célula (hipertônica).
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LEITURA COMPLEMENTAR
O grande salto tecnológico que pode acabar com a sede no mundo
Quase 2 bilhões de pessoas viverão com escassez de água na próxima década, segundo a ONU.
Em tempos de escassez de água em diversos estados do Brasil, a solução para o problema poderia ser óbvia: aproveitar a abundância da água do mar para o uso comum por meio da dessalinização.
Os oceanos cobrem mais de 70% da superfície da Terra e contêm 97% da água do planeta. Mas a energia necessária para esse processo era muito custosa e, com isso, inviabilizava o uso da água do mar para esses fins.
Recentemente, porém, graças às novas tecnologias, os custos foram reduzidos à metade e enormes usinas de dessalinização estão sendo abertas ao redor do mundo.
Usinas
A maior usina dessalinizadora do planeta está em Tel Aviv (Israel) e já está sendo ampliada para alcançar seus limites máximos de produção.
Isso significa 624 milhões de litros diários de água potável. E ela pode vender mil litros (que é o consumo semanal médio de uma pessoa) por US$ 0,70 (cerca de R$ 2,71).
Outra usina de dessalinização, que fica em Ras al-Khair, na Arábia Saudita, alcançará sua produção plena em dezembro.
TÓPICO 3 | PROPRIEDADES DA MATÉRIA II
A usina que será a maior do mundo, na Arábia Saudita, poderia produzir 1 bilhão de litros por dia
Instalada no leste da Península Arábica, ela será maior do que a de Israel e abastecerá Riad – cuja população está crescendo rapidamente – com 1 bilhão de litros por dia.
Uma usina de energia elétrica vinculada a ela pode produzir até 2,4 milhões de watts de eletricidade.
Da mesma forma, será instalada em San Diego a maior usina dessalinizadora dos Estados Unidos, que estará operando a partir de novembro.
No Rio de Janeiro, o governador Luiz Fernando Pezão disse no início deste ano que está analisando a possibilidade de construir uma usina dessalinizadora para abastecer até 1 milhão de pessoas no Estado.
Em São Paulo, após o agravamento da crise hídrica recente, o governador Geraldo Alckmin chegou a dizer que houve um estudo sobre o uso da dessalinização como fonte alternativa de água potável, mas que o custo inviabilizaria o processo.
A técnica já é usada na região semiárida do Brasil e em outros 150 países.
Tecnologia
O método tradicional de transformar água do mar em água potável é aquecê-la e depois recolher a água evaporada como um destilado puro.
Isso demanda uma grande quantidade de energia, mas torna-se algo factível se combinado com usinas industriais que produzem calor em seu funcionamento normal.
UNIDADE 2 | PROPRIEDADES LIGADAS ÀS TRANSFORMAÇÕES QUÍMICAS
Essa osmose reversa utiliza menos energia e deu uma nova oportunidade a uma tecnologia que existe desde os anos 1960.
Basicamente, o sistema consiste em empurrar a água salgada através de uma membrana de polímero que contém furos minúsculos, do tamanho de um quinto de nanômetro.
Esses orifícios são suficientemente pequenos para bloquear as moléculas de sal e suficientemente grandes para permitir a passagem das moléculas de água.
Esses orifícios são suficientemente pequenos para bloquear as moléculas de sal e suficientemente grandes para permitir a passagem das moléculas de água.