Observe a figura abaixo, que representa a substância água sob diferentes condições de níveis de energia:
Esses três estados — sólido, líquido e gasoso — são chamados de estados físicos ou estados de agregação da matéria, e as transforma- ções de um estado para outro são denominadas mudanças de estado físico da matéria. Essas mudanças recebem os nomes gerais mostra- dos no esquema abaixo:
Fusão é a passagem do estado sólido para o líquido. Solidificação é o inverso.
Vaporização é a passagem do estado líquido para o gasoso (gás ou vapor). Pode ocorrer de três diferentes formas a seguir:
-Evaporação é a vaporização lenta, que ocorre na superfície do líquido, sem agitação nem surgimento de bolhas (lembre-se das roupas secando no varal).
-Ebulição é a vaporização rápida, com agitação do líquido e aparecimento de bolhas.
-Calefação é uma vaporização muito rápida, com gotas do líquido “pulando” em contato com uma superfície ultra aquecida (uma gota de água caindo numa panela bem aquecida).
Liquefação ou Condensação é a passagem do gás ou vapor para o estado líquido.
Sublimação é a passagem do estado sólido diretamente para o gasoso (e menos frequentemente usada para a transformação inversa). Sendo assim, podemos dizer que a temperatura de fusão de um material é a temperatura em que ele passa do estado sólido para o líquido (no sentido inverso a temperatura será denominada temperatura de solidificação) e a temperatura de ebulição é aquela em que ocorre a passagem de líquido para vapor (no sentido inverso a temperatura será denominada temperatura de condensação ou liquefação).
Ao nível do mar, cada líquido (álcool, acetona etc.) e também cada sólido (como os metais chumbo, ferro etc.), desde que puros, irão se fundir e ferver em temperaturas bem definidas (num único valor. Por isto, o termo “ponto” de fusão). Se for uma mistura irá fundir num “intervalo de temperatura”. Aplica-se este raciocínio a todas as demais mudanças de estado físico.
Sob o aspecto energético destas transformações, sempre que caminharmos no sentido de sólido => líquido => gasoso teremos algumas considerações muito importantes:
- o nível de energia aumenta e o processo é denominado endotérmico (precisa absorver energia para ocorrer. Claro, se caminhamos no sentido de mais energia esta precisa ser absorvida).
- o grau de organização diminui, pois as partículas da substancia estarão mais agitadas, com maior vibração e movimentação, causando a perda da organização. Por isto, sólidos apresentam forma própria, enquanto liquido apresenta o formato do frasco que o contém e um gás ocupará o volume do frasco em que está aprisionado (se for um sistema aberto o gás ira se difundir por todo o espaço a ele destinado).
Sempre que o sistema mudar para o sentido oposto, ou seja: gás => líquido => sólido teremos o inverso destas observações. O processo deverá perder energia, portanto, será um processo físico exotérmico (exo = exterior), com consequente aumento do grau de organização, menor nível de agitação das partículas.
Temperatura termodinâmica e energia cinética média das partículas.
No final do século XIX, o desenvolvimento da termodinâmica levou a outra visão sobre o tema da teoria cinética dos gases. Embora os fenômenos térmicos possam ser estudados sob o ponto de vista puramente macroscópico, os físicos começaram a imaginar modelos micros- cópicos para explicar os fenômenos gasosos e, assim, em 1850 o alemão Rudolf Clausius formula o segundo princípio da termodinâmica e a teoria cinética dos gases. Nessa teoria, a temperatura passa a ser uma indicação da energia cinética média das moléculas do gás e, é possível, relacionar o calor específico dos gases com a sua composição molecular.
Como os gases se difundem lentamente, Clausius concluiu que, embora as moléculas tenham velocidade alta, elas deviam ter um livre caminho médio bastante pequeno entre as colisões.
James Maxwell também contribuiu para o desenvolvimento da teoria cinética dos gases, introduzindo a hipótese de que os gases eram compostos por moléculas em constante movimento, colidindo com as paredes do recipiente e umas com as outras. Essa descrição dos gases já tinha sido referida por Bernoulli. Maxwell interessou-se essencialmente pela formulação matemática dos fenômenos físicos deduzindo a distribuição da velocidade das moléculas num gás em equilíbrio, ou seja, a chamada “distribuição de Maxwell”.
A partir de 1860 Maxwell, e também Ludwig Botzmann de forma independente, utilizaram métodos estatísticos para analisar as grandes variações de velocidade das moléculas constituintes dos gases, derivando a distribuição de velocidades de Maxwell-Boltzmann.
Maxwell também mostrou qual era a dependência dessa distribuição em relação à temperatura, e que o “calor” era armazenado no gás por meio do movimento das suas moléculas. A teoria foi então utilizada para explicar a viscosidade, difusividade e condutividade térmica dos gases. Maxwell, auxiliado pela sua esposa, descobriu experimentalmente que a viscosidade dos gases é independente da pressão e que a mesma é aproximadamente proporcional à temperatura, aumentando com a mesma, o que corresponde ao comportamento inverso dos líquidos. Passou então a considerar que as moléculas não colidiam elasticamente, mas sim se repeliam com uma força inversamente propor- cional à sua distância elevada à quinta potência. Esta conclusão e os trabalhos posteriores de Boltzmann, de 1868, permitiram o completo desenvolvimento da teoria cinética dos gases.
Propriedades dos materiais: cor, aspecto, cheiro e sabor; temperatura de fusão, temperatura de ebulição, densidade e solubilidade.
Além das propriedades que acabamos de estudar, a matéria apresenta outras propriedades, como cor, brilho e sabor. O sal, por exemplo, apresenta sabor, já a água destilada não. Portanto, as propriedades que são características de cada substância se de- nominam:
Propriedades gerais da matéria.
São aquelas comuns a todas as substâncias: -massa
- extensão -impenetrabilidade -divisibilidade
Propriedades específicas da matéria.
São propriedades que auxiliam a caracterizar e identificar uma dada substância pura.
São classificadas em: físicas, químicas e organolépticas. Físicas
- ponto de fusão e solidificação - ponto de ebulição e liquefação - Densidade absoluta (massa específica) Química
- combustão
-oxidação de metais, etc Organolépticas - cor - cheiro - tato - paladar Propriedades físicas
São propriedades que caracterizam fisicamente a matéria. As propriedades físicas importantes são: os pontos de fusão, solidifi- cação, ebulição e liquefação da matéria; a condutividade; o mag- netismo; a solubilidade; a dureza; a maleabilidade; a ductibilidade; a densidade; o calor específico.
Pontos de fusão e solidificação
São as temperaturas nas quais a matéria passa da fase sólida para a fase líquida e da fase líquida para a fase sólida respectiva- mente, sempre em relação a uma determinada pressão atmosférica.
Pontos de ebulição e condensação
São as temperaturas nas quais a matéria passa da fase líquida para a fase gasosa e da fase gasosa para a líquida respectivamente, sempre em relação a uma determinada pressão atmosférica.
- solubilidade: a maior massa (por exemplo, em gramas) do material que podemos dissolver em dada quantidade de um líquido (geralmente expressa em litros), a dada temperatura (por exemplo, podemos dissolver, no máximo, 365 g de sal comum em 1 L de água a 20°C).
- Densidade Também chamada de densidade absoluta ou massa específica (d) de um corpo definido como a relação entre a massa do material e o volume por ele ocupado (a uma dada tem- peratura).
É importante observar que a densidade varia com a temperatura, pois o volume de um corpo muda de acordo com a temperatura, embora a massa permaneça a mesma.
Existe um conceito chamado “propriedades específicas”, que são propriedades particulares e exclusivas de cada material. Já falamos, em páginas anteriores, no ponto de fusão (P.F.), no ponto de ebulição (P.E.) e na densidade dos materiais. Todas essas medidas, como têm valores fixos e constantes para cada material, são denominadas constantes físicas dos materiais.
Propriedades organolépticas
São as propriedades capazes de impressionar os nossos sen- tidos, como a cor, que impressiona a visão, o sabor e o odor, que impressionam o paladar e o olfato, respectivamente, e o estado de agregação da matéria (sólido, líquido, pó, pastoso), que impressio- nam o tato. Estas propriedades podem a auxiliar na identificação de uma substancia. Por exemplo: se eu tiver em mãos um material macio de cor amarela, com ponto de fusão constante, posso afirmar que este metal é o ouro. Se tiver um líquido muito denso, de cor cinza, líquido, que conduza corrente elétrica e está puro, pode-se dizer que esta substancia é o metal mercúrio (Hg). Único metal líquido nas condições ambientais.
Substâncias e critérios de pureza.
Quando um material apresenta constantes físicas bem defi- nidas e invariáveis, concluímos que se trata de matéria isenta de outros materiais e a denominamos substância pura. Assim, temos a seguinte definição: substância pura (ou simplesmente substância, ou, ainda, espécie química) é um material único, isento de outros materiais e que apresenta constantes físicas bem definidas. Os ma- teriais encontrados na natureza são, em geral, misturas de várias substâncias.
Misturas
Num copo contendo água, você adiciona uma colher de açú- car. Nesse caso, o açúcar e a água, apenas misturados, após a sepa- ração e recuperação de ambos, mantêm as mesmas características e propriedades que tinham antes de misturar-se sem que ocorra uma reação química com formação de novas substâncias químicas.
Da mesma forma, misturando pó de enxofre (amarelo) e lima- lha de ferro (pó de ferro que é atraído por ímã) observamos que, apesar de estarem misturadas, essas substâncias mantêm suas ca- racterísticas e propriedades: o enxofre continua amarelo e o ferro em pó (limalha) ainda é atraído por ímã.
No entanto, aquecendo a mistura pó de enxofre e limalha de ferro, obtemos uma substância que não é mais amarela como o en- xofre e não é mais atraída pelo ímã, como acontecia com a limalha de ferro. A nova substância recebe o nome de sulfeto de ferro.
Neste caso, o enxofre e o ferro perderam suas características e propriedades devido a uma reação química e formaram uma nova substância: o sulfeto de ferro, que é cinzento e não é atraído pelo ímã.
Podemos concluir que, mistura é um conjunto de substâncias químicas (componentes) que, em presença uns dos outros, não dão origem a novas substâncias, ou seja, não há reação química.
Misturas homogêneas e heterogêneas. Métodos de separação. Misturas homogêneas ou solução
Apenas olhando e cheirando um copo com água você sabe dizer se aquela água é pura, salgada ou açucarada? Certamente que não, pois o aspecto e o cheiro da água são iguais nos três casos. Somente provando-a podemos dizer o gosto que ela tem.
Da mesma forma, é impossível dizer, apenas através da observação macroscópica (visual) se a água contida no copo é pura ou se está misturada com álcool. Neste caso, porém, o cheiro do conteúdo do copo nos informa se a água está ou não misturada com álcool.
As misturas do tipo água e açúcar dissolvido, água e sal dissolvido, água e álcool, são chamadas misturas homogêneas. Neste caso definimos mistura homogênea como aquela que apresenta um só aspecto quando observada macroscopicamente (olho nu) ou microscopi- camente (microscópio).
As misturas homogêneas também podem ser chamadas de soluções, que por sua vez podem ser sólidas, líquidas ou gasosas. Misturas heterogêneas
Observe dois exemplos: água e areia; água e óleo.
No caso da água e areia é fácil distinguir os pequenos grãos de areia dentro da água. É fácil distinguir também a água do óleo numa mis- tura em que entram essas duas substâncias, pois sendo menos denso do que a água, o óleo flutua. E mesmo que alguém agite essas misturas, podemos observar facilmente as porções de areia e óleo dentro da água.
Neste caso definimos mistura heterogênea como aquela que apresenta aspectos diferentes quando observada macroscopicamente (olho nu) ou microscopicamente (microscópio). O sangue é um exemplo. Visto a olho nu ele aparece como uma mistura líquida homogênea, mas observado através de microscópio é possível identificar que é constituído de uma parte sólida e outra líquida, sendo, portanto, uma mistura heterogênea. A parte sólida é constituída pelos glóbulos brancos, glóbulos vermelhos e pelas plaquetas e a parte líquida, pelo plasma.
Os sistemas homogêneos são constituídos por uma única fase (monofásicos), enquanto os sistemas heterogêneos apresentam várias fases (polifásico). Observe os exemplos: Água pura: 1 componente sistema monofásico Álcool hidratado: 2 componentes -sistema bifásico
Água pura no estado sólido e líquido: 1 componente - sistema bifásico Água e óleo: 2 componentes - sistema bifásico Fase
Considere um sistema homogêneo: água e sal dissolvido.
Se forem retiradas três amostras de lugares diferentes em quantidades diferentes e que sejam pesquisadas propriedades físicas tais como ponto de fusão, ponto de ebulição e densidade.
Verificaremos que as três amostras apresentam as mesmas propriedades físicas, e desta forma, o sistema homogêneo água e sal dissol- vido é classificada como sendo uma fase.
Portanto definimos fase como um sistema homogêneo que apresenta as mesmas propriedades físicas e químicas em toda sua extensão. Observações:
- Cada estado físico de uma substância pura constitui uma fase. Exemplo:
H2O(sólido) → 1 fase H2O(líquido) → 1 fase
H2O(gasoso) → 1 fase
- A mistura de vários sólidos constituirá um sistema heterogêneo. Exemplo:
Pólvora (enxofre + carvão + salitre) → 3 sólidos (componentes), logo, temos: 3 fases Granito (quartzo + feldspato + mica) → 3 sólidos (componentes), logo, temos: 3 fases
Portanto podemos afirmar que:
“Mistura de n sólidos, sem reação química entre eles e sem formação de ligas metálicas, sempre terá n fases.” - Mistura de gases são sempre homogêneos.
Exemplo:
Se retirarmos amostras de ar, de vários pontos de uma sala, perceberemos que essas amostras apresentam propriedades exatamente iguais, ou seja, o ar da sala é uma mistura homogênea, levando-se em consideração a mesma altitude, já que a sua alteração modifica a composição do ar.
Portanto podemos afirmar que:
“Mistura de n gases apresenta sempre 1 fase.”
- Uma fase pode ser subdivida e constitui apenas uma fase, já que os fragmentos possuem as mesmas propriedades físicas tais como ponto de fusão, ponto de ebulição ou densidade.
Métodos de separação.
Também conhecida como análise imediata, separações são os processos que visam isolar os diferentes materiais encontrados numa mistura.
Existem diversas técnicas para separar componentes de uma mistura. Todos os métodos estão fundamentados nas proprieda- des físicas dos componententes da mistura. Não há alteração quí- mica destes.
Vejamos um resumo das principais técnicas para misturas he- terogêneas:
a) Catação: separação manual ou por meio de pinças; b) Levigação: corrente líquida que arrasta as partículas mais leves;
c) Peneiração: fases de tamanhos diferentes, peneiras de malhas diferentes;
d) Tamisação: uso de várias peneiras ao mesmo tempo; e) Filtração: uso de filtros, normalmente porosos que re- tém a parte sólida;
f) Ventilação: uso de corrente de ar que arrasta as fases mais leves;
g) Separação Magnética: utilização de imãs;
h) Decantação: com o sistema em repouso a fase sólida se- dimenta por ação da gravidade;
i) Centrifugação: movimento rápido giratório e contínuo, onde há a sedimentação rápida da fase sólida;
j) Flotação: utilização de um líquido que tenha densidade intermediária às densidades dos componentes da mistura. O líqui- do não pode dissolver nenhum dos componentes a serem separa- dos;
k) Sifonação: após a fase sólida sedimentar, utiliza-se um sifão para a retirada do líquido.
l) Dissolução fracionada: usa-se um solvente que dissolva algum componente da mistura, porém, não dissolva outro(s).
Vamos a alguns destes métodos:
Filtração: É um processo mecânico que serve para desdobrar misturas heterogêneas de um sólido disperso em um líquido ou em um gás, como quando fazemos café e usamos um filtro para separar o pó (sólido) do líquido.
Decantação: É também um processo mecânico que serve para desdobrar misturas heterogêneas de um sólido num líquido ou de dois líquidos imiscíveis entre si. Por exemplo, a areia que está em suspensão na água vai, lentamente, se depositando no fundo do recipiente.
Evidentemente, se colocarmos uma mistura de areia e serra- gem em água, a areia irá ao fundo e a serragem flutuará na água. Temos então uma sedimentação fracionada, que nos permitirá se- parar a serragem da areia.
A separação magnética é aplicável quando um dos compo- nentes da mistura é magnético, como é o caso das partículas de ferro. Pode-se então retirar essas partículas com o auxílio de um ímã ou eletroímã.
Para misturas homogêneas:
a) Fusão Fracionada: para dois ou mais sólidos de PF di- ferentes;
b) Destilação Fracionada: para dois ou mais líquidos de PE diferentes;
c) Destilação Simples: para misturas homogêneas de sóli- dos-líquidos;
d) Liquefação: para separar gases de misturas gasosas, bai- xando ou elevando a temperatura;
e) Cristalização: para misturas homogêneas líquido-sólido por cristalização da fase sólida;
Vejamos:
Destilação: É um processo físico que serve para desdobrar as misturas homogêneas, como as soluções de sólidos em líquidos (destilação simples) ou as soluções de dois ou mais líquidos (des- tilação fracionada).
Cristalização: É um processo físico que serve para separar e purificar sólidos. A água do mar contém vários sais. Em uma salina, entretanto, com a evaporação lenta da água, o sal comum (cloreto de sódio) cristaliza- se antes dos outros sais e, assim, é separado.
Temos alguns outros métodos aplicáveis dependendo do tipo de material que queremos separar. A dissolução fracionada é apli- cável quando apenas um dos componentes da mistura é solúvel num dado líquido. Por exemplo, colocando-se uma mistura de sal comum e areia em água, o sal irá se dissolver, enquanto a areia não; por decantação, separamos a solução de sal e água da areia; e, por evaporação, recuperamos o sal.
Substâncias simples ou compostas Fórmulasdassubstâncias
Asciênciassecomunicampormeiodecódigos.Amúsica,por exemplo,utilizasímbolospararepresentarosvariadossons,edes- taforma,umapartituramusicalseráacessívelaqualquermúsicodo mundo.
AQuímicatambémpossuiosseuscódigose,semdúvida,os maisimportantessãoossímbolosdoselementosquímicoseasfór- mulasdassubstâncias.Nocasodasubstânciaágua,foiverificado experimentalmente,que:
→Aáguaeraformadapeloselementosquímicoshidrogênioe oxigênio.
→Emqualquerquantidadedeágua,osátomosdehidrogênioe oxigênioestavamcombinadosnaproporçãode2:1,respectivamente.
Emfunçãodestasobservações,concluiu-sequeaáguapassoua serrepresentadapelafórmulaH2O.
H2O1ouH2O
ondeosnúmeros1e2,denominadosdeíndice,indicamaquan- tidadedeátomosdecadaelementoquímico.Normalmente,oíndice 1nãoprecisaescrito.
Conceitodemoléculaseaglomeradosiônicos
Naevaporaçãodaáguadeumapiscina,ounocongelamentoda superfíciedeumlago,ocorredestruiçãoouformaçãodenovassubs- tâncias?
Certamente, perguntasdeste tipoforamasprimeirasqueos cientistasquetentavamidentificaraestruturadaágua.Noentanto, evidênciasexperimentaismostraramqueaágua,nosestadossólido, líquidoougasoso,sempreeraconstituídapormuitosconjuntosde átomos,formadospordoisátomosdehidrogênioeumátomodeoxi- gênio.Cadaumdestesconjuntospassouaserchamadodemolécula erepresentadopelafórmulaH2O.ObservequeafórmulaH2Oéum
H2Oéafórmuladasubstânciaágua.
H2Oéafórmuladamoléculadeáguaqueestáapresentadase-
gundooesquemaabaixo:
Namoléculahácertonúmerodeátomosligadosunsaosoutros. Observequeexisteumafusãodeeletrosferasdosátomosenvolvi- dos.
Nosaglomeradosiônicosexistemoschamadosíons,quesão átomosougrupodeátomoscarregadoseletricamente;porexemplo, nosaldecozinha(NaCl)existemíonspositivos(cátions)desódio (Na+)eíonsnegativos(ânions)decloro(Cl-)quesemantémunidos
emfunçãodaatraçãoelétrica.Nestecasonãoexistefusãodeeletros- fera,massim,umafortíssimadorçadeatraçãoeletrostáticaentreos íons,queseorganizamemfunçãodeforçasdeatraçãoerepulsão, originandocompostossólidosnascondiçõesambientaisequeapre- sentamelevadopontodefusão.Estesíonsseagrupamformandoos cristais,denominadosretículoscristalinos.
Vejamosalgunsexemplos:
Substânciasimples
Quandoaáguaésubmetidaaumprocessodenominadodeele- trólise,elasedecompõeemduasoutrassubstâncias,ogáshidrogê- nioeogásoxigênio.Representandoesteprocessoatravésdefórmu- lasteremos:
2H2O(l) →2H2(g) +O2(g)
Observequeogáshidrogênioeogásoxigêniosãoconstituídos porátomosdeummesmoelementoquímico.Nestecaso,ogáshidro- gênioeogásoxigêniosãoclassificadoscomosubstânciassimples. Portanto,podemosdefinirsubstânciasimplescomoaquelaformada porátomosiguais,ouseja,átomosdeummesmoelementoquímico. Ogáshidrogênioeogásoxigêniosãoconstituídospordois átomosdoelementohidrogênioedoelementooxigênio,respecti- vamente.Nestecaso,dizemosqueogáshidrogênioeogásoxigênio sãomoléculasbiatômicascomatomicidadeiguala2.
Exemplos: Substân-
cia mulaFór- Atomici-dade Observação Oxigênio O2 2 Molécula2átomosdebiatômica:oxigênio possui
Ozônio O3 3
Moléculatriatômica:forma- daportrêsátomosdeoxigê- nio
Fósforo
branco P4 4
Moléculatetratômica:cons- tituídaporquatroátomosde fósforo
Enxofre S8 8
Molécula octatômica: em cada moléculahá 8átomos deenxofre
Neônio Ne 1
Os átomos de neônio, em condiçõesambiente, nãose combinam.Nessecaso,po- de-sedizerquesuamolécula éMonoatômica
Carbono (C)n ou
C Indeter-minada
nindicaumasucessãoinfini- tadeátomos,limitadaapenas pelotamanhodocorpo Ferro ( F e )n
ouFe Indeter-minada Ossucessõesmetaisinfinitassãoformadosdeátomospor Substânciacompostaoucompostoquímico
Nocasoanterior,vimosqueadecomposiçãodaágua(H2O)ori-
ginavaduassubstânciassimples:ogáshidrogênio(H2)eogásoxi- gênio(O2),constituídosdeátomosdeummesmoelementoquímico.