OS ESTADOS FÍSICOS DOS MATERIAIS E O MODELO DE PARTÍCULAS. Autora: Marciana Almendro David. Tópico no 25. Modelo cinético molecular

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1 OS ESTADOS FÍSICOS DOS MATERIAIS E O MODELO DE PARTÍCULAS Autora: Marciana Almendro David Tópico no 25. Modelo cinético molecular Habilidades Básicas recomendadas no CBC: Relacionar os estados físicos da matéria ao modelo cinético molecular: movimento, distância e organização das partículas. Reconhecer os seguintes aspectos do modelo de partículas e os utilizar para interpretar fenômenos: a matéria é feita de muitas partículas e espaço vazio entre elas; as partículas estão em constante movimento em todas as direções; as partículas interagem umas com as outras. Explicar fenômenos diversos: como dissolução, crescimento dos cristais, difusão, transferências de calor, dilatação e mudanças de estados físicos usando o modelo cinético de partículas. Organização do texto: Informação História Atividades Projetos Exercícios I. Introdução Lidar com os materiais em diferentes estados físicos faz parte da nossa experiência diária, e por isto, as pessoas em geral conseguem distinguir os materiais sólidos dos líquidos e dos gases. Neste módulo, iremos estudar um modelo de explicação para os materiais em seus diversos estados físicos e para as transformações de estado: o modelo cinético molecular. Por meio do modelo cinético molecular podemos explicar: A constituição dos materiais por partículas muito pequenas e espaços vazios. O movimento das partículas e sua relação com a energia cinética. As propriedades dos materiais e os seus estados físicos.

2 A dissolução, as mudanças de estado físico e as variações de energia. Um modelo partículas para explicar o comportamento do ar. O primeiro cientista a explicar o comportamento dos gases por meio do modelo cinético molecular foi Daniel Bernoulli, em Para explicar a pressão atmosférica, Bernoulli imaginou um cilindro vertical fechado com um pistão sendo empurrado para o seu interior. O peso do pistão e a força exercida sobre ele são suportados pelo ar no interior do cilindro. Bernoulli explicou que no interior do cilindro as partículas muito pequenas dos gases que compõem o ar se movimentam desordenadamente em todas as direções, chocando-se repetidamente com o pistão, de modo que se a força exercida sobre ele for diminuída, o ar expande, empurrando o pistão. A explicação de Bernoulli contrariava a ideia mais aceita da época sobre o comportamento das moléculas dos gases. Outros cientistas acreditavam que as moléculas dos gases se encontravam em repouso, fixas por uma espécie de "eter" e repelindo-se umas as outras à distância. Embora naquela época a explicação de Bernoulli não tenha sido aceita pela comunidade científica, atualmente ela é considerada correta. Atividade 1 - Critérios para identificar os estados físicos dos materiais A atividade que você fará a seguir tem como objetivo verificar quais são os critérios que você usa para fazer a distinção entre os estados físicos. Seus critérios podem indicar ao seu professor o que você já sabe e o que você precisa aprender. 1) Faça uma lista dos critérios que você utiliza para identificar os estados sólido, líquido e gasoso dos materiais e registre numa tabela em seu caderno. Critérios para o estado Sólido Critérios para o estado líquido Critérios para o estado gasoso 2) Os materiais listados a seguir fazem parte do nosso dia a dia, logo, os reconhecemos assim que os vemos e conseguimos até imaginá-los. Pensando nesses materiais, indique os seus estados físicos. Informe também os critérios nos quais você se baseou para atribuir determinado estado físico a cada material. Azeite Açúcar Materiais Estado físico Critérios usados para definir o estado físico

3 Areia Algodão Gelatina Creme dental 3) Sobre os critérios que você usou, pense e responda: eles foram adequados para definir o estado físico de todos os materiais citados? Explique. Modelo de partículas e os estados físicos dos materiais Para identificar os materiais como sólidos, líquidos ou gasosos, muitas vezes, empregamos critérios tais como: ser duro ou macio, seco ou molhado, flexível ou rígido, colorido ou incolor, visível ou invisível, escorrer ou não escorrer, etc. Apesar de serem muito úteis no dia a dia, esses critérios muitas vezes falham. Às vezes acreditamos que os sólidos são duros, mas a borracha é macia e flexível. Podemos pensar que os líquidos escorrem, mas a areia fina também escorre e é sólida, já a gelatina não escorre, mas molha. Pensamos também que os líquidos molham, mas o mercúrio usado nos termômetros é líquido e não molha. Do ponto de vista científico, os critérios para identificar sólidos, líquidos e gases não são esses que usamos no dia a dia. Os cientistas criaram um modelo de partículas para representar os estados físicos dos materiais. Modelos são representações das ideias sobre algo que não se pode ver nem mostrar por meio de fotos, filmes ou qualquer outra forma de reprodução da realidade. Os modelos são usados para auxiliar as explicações científicas em situações nas quais os objetos de estudo não permitem a observação direta. Partículas, como o próprio nome indica, são partes muito pequenas dos materiais. Em algumas situações, o termo partícula é usado para designar alguma coisa que podemos ver ao microscópio, por exemplo: partículas de poeira no ar. Mas, em muitas situações, o termo é empregado para designar partes tão pequenas dos materiais que não podem ser vistas nem ao microscópio eletrônico. Existem diferentes tipos dessas diminutas partículas, tais como, átomos, moléculas e íons, mas nesse módulo não iremos nos aprofundar nesse estudo, assim, sempre que nos referirmos a essas entidades, as chamaremos simplesmente de partículas. O modelo de partículas é utilizado frequentemente para explicar algumas das propriedades dos materiais. Esse modelo consiste em uma tentativa de explicar o comportamento dos materiais pela organização ou desorganização das partículas que o constituem, partindo do princípio de que toda a matéria é constituída de partículas. Partindo desse princípio e usando o modelo cinético molecular, pretendemos responder as seguintes questões: quais são os critérios que podemos utilizar para distinguir os diferentes estados físicos? Além dos estados sólido, líquido e gasoso, existem outros estados físicos? Como ocorrem as mudanças de estado físico? Como podemos explicar as dissoluções e a condução de corrente elétrica em uma solução aquosa? Modelos para explicar os estados físicos Modelo para o estado sólido O estado sólido dos materiais é definido como aquele em que as partículas possuem um alto grau de organização. No estado sólido, as partículas aparecem organizadas. Elas não se movimentam de um lugar para outro, mas apenas vibram no mesmo lugar, por isso todo sólido tem a forma definida de um cristal. Os materiais sólidos podem ser: rígidos, duros ou quebradiços, maleáveis, flexíveis ou resistentes. As propriedades dos sólidos estão relacionadas com o tipo de ligação existente entre as partículas que constituem o solido. Tais partículas podem ser átomos, moléculas ou íons.

4 O ouro é um exemplo de sólido constituído de átomos. Barra de Ouro Estrutura do Ouro A barra de ouro é constituída de átomos de ouro (Au), organizados conforme mostra o modelo de estrutura. A água é um exemplo de material constituído de moléculas. De acordo com o modelo cinético molecular, os cristais de gelo representam o estado sólido da água. Esses cristais são formados pelas interações entre as moléculas de água. Por causa da estrutura cristalina da água no estado sólido, ela pode ser moldada em diferentes formatos. Cristais de gelo sobre a árvore Hotel de gelo no Canadá Um exemplo de material constituído de íons é o cloreto de sódio ou sal de cozinha.

5 Estrutura do cristal de sal Cristais de sal de cozinha O sal apresenta uma estrutura cristalina constituída por um aglomerado de íons. Todos os cristais do sal têm formatos semelhantes. Modelo para o estado líquido O estado líquido dos materiais é aquele em que as partículas apresentam maior nível de desorganização se comparado ao estado sólido. As partículas possuem maior grau de liberdade para se movimentar. A energia relacionada com o movimento das partículas é maior no estado líquido do que no estado sólido e menor do que no estado gasoso. No estado líquido, as partículas estão desorganizadas e é por isso que os líquidos não têm forma definida, ou seja, não se organizam na forma de cristais. As partículas no estado líquido se movimentam por todo o recipiente que ocupam. Água no estado líquido. Os líquidos são fluidos, escorrem e se espalham. Essas características são devidas ao estado de agregação e de energia das partículas que os constituem.

6 Modelo para o estado gasoso No estado gasoso o movimento das partículas é caótico, ou seja, elas se movimentam aleatoriamente em todas as direções. É por isso que os gases se espalham tão rapidamente em um ambiente. Podemos perceber como os gases se espalham quando o gás de cozinha escapa, ou quando alguém abre um frasco de perfume ou descasca uma mexerica. Você sabia que as substâncias que compõem o gás de cozinha são inodoras? O cheiro que sentimos quando o gás de cozinha escapa é devido à adição que é feita a ele de um composto de enxofre. Esse composto é usado por medida de segurança, já que os compostos que compõem o gás de cozinha são extremamente tóxicos e se inalados podem matar por asfixia. O estado gasoso dos materiais é caracterizado pela desorganização e pelo movimento rápido das partículas. Nesse estado, os materiais apresentam alta energia relacionada com o movimento das partículas, se comparado ao estado sólido. Os gases expandem e por isso um gás aquecido pode inflar o balão. Os gases também são compressíveis e por isso é possível armazena-los em cápsulas e botijões. Alguns gases são inflamáveis, ou seja, pegam fogo e queimam. O gás oxigênio é um comburente, ou seja, ele reage com os materiais inflamáveis promovendo a queima. Modelos para outros estados físicos Com o aumento do número de materiais produzidos e descobertos, as características dos sólidos, líquidos e gases não foram mais suficientes para explicar todos os estados físicos dos materiais e assim, novos estados físicos foram descritos. Além das misturas de materiais com características mistas, tais como os coloides e emulsões, também há as substâncias com propriedades especiais, como o plasma, o cristal líquido e os supercondutores. Coloides e Emulsões Exemplos de coloides são misturas de sólidos em líquidos, que possuem aparência gelatinosa. Essas misturas são constituídas de partículas sólidas grandes em suspensão nos líquidos. A gelatina e o gel são exemplos de coloides. As emulsões são um tipo de coloide em que as partículas sólidas que ficam suspensas no líquido são menores. Para entender como uma emulsão é formada, pense no óleo e água, que não se misturam. Mas, agitando-se vigorosamente um óleo em água, o óleo se dispersa em minúsculas gotículas. Normalmente, em pouco tempo, as gotículas de óleo se unem para formar uma camada que flutua sobre a água. Mas, se adicionarmos um emulsificante, os dois líquidos imiscíveis podem formar um tipo de coloide chamado emulsão, que é o que acontece na produção da "maionese". Na maionese, o agente emulsificante é a gema de ovo, que mantém o óleo disperso na água e impede as gotículas de óleo de se unirem. Muitos cremes comestíveis e cosméticos são produzidos com base nesse conhecimento.

7 Plasma A aurora boreal terrestre é um fenômeno óptico que ocorre próximo ao polo norte, onde se observa um brilho colorido intenso na atmosfera. Tal fenômeno ocorre em virtude do superaquecimento dos gases atmosféricos, o que torna suas partículas ionizadas ou carregadas com cargas elétricas. No ar, isso ocorre principalmente com o nitrogênio e oxigênio. A emissão de luz observada nesse fenômeno é o resultado da excitação dos elétrons (partículas negativas). O gás ionizado tem um comportamento diferente do estado gasoso. Esse estado da matéria é denominado plasma. No estado físico, plasma o material é caracterizado por possuir partículas na forma de íons positivos e elétrons desprendidos dos átomos ou moléculas. O plasma emite luz quando interage com um campo eletromagnetico, por isso que os materiais nesse estado são utilizados para fabricação de lâmpadas fluorescentes e televisores. Segundo a teoria do Big Bang, o plasma foi o primeiro estado da matéria e esse estado ainda continua sendo o mais abundante do Universo. A descoberta do estado físico plasma. O termo plasma foi utilizado a partir dos anos 1920 pelos físicos Irving Langmuir e H. Mott-Smith, para designar gases ionizados. Em 1929, foram desenvolvidos estudos que resultaram na criação das lâmpadas de mercúrio gasoso para iluminação - que deram origem às lâmpadas fluorescentes. Na década de 1930, o interesse pela obtenção de novas fontes de energia a partir da fusão nuclear tornou o estudo do plasma mais importante. Desde então, muitos estudos sobre as propriedades e aplicações do plasma vêm sendo desenvolvidos. Em 2005, o plasma passou a ser conhecido em todo o mundo devido ao seu uso em telas de televisores de alta resolução. Cristal Líquido A história do cristal líquido. O primeiro cristal líquido foi descoberto pelo botânico austríaco Friedrich Reinitzer em 1888, quando ele observou a existência de dois pontos de fusão no benzoato de colesterilo, enquanto estudava a função do colesterol nas plantas. Em seguida, o Físico alemão Otto Lehmann chegou a conclusão de que a tal substância era um líquido homogêneo, mas que o seu comportamento na presença de luz polarizada era igual ao comportamento de um cristal, o que originou a denominação "Cristal Líquido". O químico alemão, Daniel Vorlander, após estudar as características moleculares da substância, concluiu que ela tinha uma tendência de formar uma fase líquido-cristalina e também verificou a possibilidade de obter outras substâncias com características de cristais líquidos. Depois disso, o estudo sobre os cristais líquidos muito se desenvolveu e encontrou inúmeras aplicações. Cristais líquidos são sistemas fluidos que apresentam propriedades intermediárias entre a fase sólida e líquida e, são formados por um arranjo

8 molecular com ordem estrutural. Os cristais líquidos são fluidos, porque as suas partículas se movimentam como nos líquidos, mas, ao mesmo tempo, elas podem assumir um posicionamento ordenado. Isso equivale dizer que esse material tem ao mesmo tempo um comportamento de líquido e de sólido, o que justifica o nome "Cristal líquido". Por causa de suas propriedades os cristais líquidos são usados em mostradores digitais de relógios, calculadoras, forno de micro-ondas, nos monitores de computadores e em telas planas dos televisores de última geração. Super-Condutores A supercondutividade é um estado que ocorre em certos materiais ao serem submetidos a baixas temperaturas e adquirem resistência elétrica nula. Algumas aplicações da supercondutividade é a produção dos fenômenos de levitação por suspensão magnética. Supercondutores A importância dos supercondutores pode ser evidenciada pelo fato de seus descobridores terem ganhado o prêmio Nobel. Onnes descobriu a supercondutividade em 1911 e Bednorz e Mueller descobriram o primeiro material cerâmico supercondutor em 1986 e receberam o prêmio Nobel em 1987.

9 As propriedades dos supercondutores permitem o desenvolvimento de novas aplicações tecnológicas tais como geradores elétricos, aceleradores de partículas, fusão nuclear e transportes usando levitação magnética. A maioria dos supercondutores consiste de cerâmicas com estrutura semelhante à representada pela figura. Esses materiais são maus condutores de eletricidade na temperatura ambiente, pois as suas propriedades de supercondutores são ativadas em temperaturas muito baixas. Modelos para mudanças de estado físico Os materiais podem se apresentar no estado sólido, líquido ou gasoso. Conforme mudam as condições nas quais os materiais se encontram, eles mudam de estado. Os principais fatores que levam à mudança de estado são temperatura e pressão. Diagrama de fases A mudança do estado sólido para líquido é chamada de fusão. A mudança do estado líquido para gasoso é chamada de vaporização ou evaporação. A mudança do estado gasoso para o líquido é chamada de condensação ou liquefação. E a passagem direta do estado sólido para gasoso é chamada desublimação. Embora a vaporização e a evaporação designem a mudança do estado líquido para o vapor, existem diferenças entre elas. O processo de evaporação ocorre em diferentes temperaturas. A água evapora em dias quentes ou frios. Mas a vaporização ocorre quando o material é aquecido até a sua temperatura de ebulição. Ebulição é a transformação do líquido em vapor, em determinada temperatura, que permanece constante durante todo o processo. Figuras: se deixarmos a água fervendo por algum tempo, ela irá se transformar em vapor e deixar o recipiente: é a vaporização. Algum tempo depois da chuva, a rua seca: é a evaporação.

10 A condensação e a liquefação são mudanças do estado gasoso para o líquido, mas também apresentam diferenças. A condensação é o processo pelo qual o gás se transforma em líquido por resfriamento. O vapor d'água, por exemplo, se condensa ao encontrar uma superfície fria ou uma corrente de ar frio. O GLP é uma mistura de propano - C 3 H 8 e butano - C 4 H 10, gases extraídos do petróleo e liquefeitos por aumento de pressão. Já na liquefação, o gás é transformado em líquido por aumento de pressão. Isso é o que acontece quando treze quilos de gás de cozinha são colocados dentro de um botijão. O gás é tão pressionado para caber nesse espaço, que é liquefeito. Por isso ele é chamado de GLP - Gás Liquefeito de Petróleo. Um outro exemplo de liquefação de gás ocorre nas geladeiras. O gás que circula em estreitos canos de metal na geladeira passa por um compressor, onde é liquefeito. O objetivo da circulação do material liquefeito na tubulação é produzir o resfriamento da geladeira. À medida que circula, o material liquefeito vai retirando energia, em forma de calor, do interior da geladeira e se transforma novamente em gás. Então, o gás volta para o compressor e é novamente liquefeito, e o processo continua indefinidamente, enquanto o refrigerador for mantido em funcionamento. Geladeira com a parte mecânica em detalhe ao lado, mostrando compressor e tubulação com indicações dos nomes. O gás usado na geladeira é liquefeito no compressor, passa pela tubulação retirando o calor do interior da geladeira e transforma-se novamente em gás. Gases usados em refrigeração De acordo com o que apresentamos até aqui, podemos concluir que um mesmo material pode se apresentar no ambiente em mais de um estado físico, dependendo das condições a que está submetido. A água, por exemplo, é encontrada no ambiente nos três estados: sólido Os gases refrigerantes mais usados nas últimas décadas são os CFC - gases formados por Cloro, Flúor e Carbono. Esses gases prejudicam a atmosfera, porque destroem a camada de ozônio. Mesmo assim, eles foram produzidos em larga escala até o ano de A partir de 2004, a produção do CFC começou a diminuir gradativamente, até que em 2007 foi proibida a sua comercialização. Já existem no mercado novos gases em substituição aos CFC. Para o reparo de produtos antigos - geladeiras, equipamentos de ar-condicionado, balcões refrigerados - até 2007, era usado gás CFC. Com a proibição do comércio desse gás no Brasil, o CFC reciclado, transformado em outro gás que não ataca a camada de ozônio, torna-se uma oportunidade de negócios, pois já existe um mercado com mais de 30 milhões de clientes potenciais. (gelo), líquido (água líquida) e gasoso (vapor d'água). Por essa razão, muitos fenômenos relacionados com a mudança de estado da água podem ser observados em nosso cotidiano. Um exemplo são os jatos que deixam um rastro no céu porque o vapor d'água que sai de sua descarga, em contato com o ar gelado das camadas atmosféricas mais elevadas, condensa e congela imediatamente, provocando o aparecimento de uma espessa fumaça branca. Essa fumaça é constituída de gotinhas muito pequenas de água e pedacinhos muito pequenos de gelo, misturados com o ar.

11 Tanto os materiais puros quanto as misturas podem se apresentar em diferentes estados. Assim, os estados físicos não podem ser usados como critério para distinguir substâncias de misturas, nem uma substância da outra. Figura: tanques usados para evaporação da água do mar para obtenção do sal cristalizado. Durante o processo de evaporação, a água muda do estado líquido para o gasoso e o vapor d'água deixa o tanque, misturando-se ao ar. À medida que a água evapora, o sal vai ficando depositado no fundo dos tanques. Módulo Didático: OS ESTADOS FÍSICOS DOS MATERIAIS E O MODELO DE PARTÍCULAS Currículo Básico Comum - Ciências Ensino Fundamental Autor(a): Marciana Almendro David Centro de Referência Virtual do Professor - SEE-MG / março 2009

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