Simular um modelo molecular para os estados físicos de diferentes substâncias em função da pressão e temperatura

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1 Tutorial Estados da Matéria Elaborado por Daniela Martins Buccini Equipe: Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) Título: Título alternativo: Tipo do recurso: Objetivo: Descrição do recurso: Observação: Componente Curricular: Tema: Autor(es): Idioma: País: Fonte do recurso: Descrição: Endereço eletrônico: Detentor do direito autoral: Licença: Submetido por: URI: Disponível em: Estados da Matéria StatesofMatter: Basics Animação/simulação Simular um modelo molecular para os estados físicos de diferentes substâncias em função da pressão e temperatura O recurso simula um modelo de partículas para diferentes substâncias nos estados sólido, líquido e gás, bem como mudanças de fase e variações na pressão, temperatura e volume. Permite visualizar também as forças atrativas e repulsivas entre átomos em função da distância É necessário instalar ou atualizar uma versão recente do Java Ensino Médio::Química Educação Básica::Ensino Médio::Química::Propriedades das substâncias e dos materiais Educação Básica::Ensino Médio::Química::Modelos de constituição: substâncias, transformações químicas Loeblein, Trish; Podolefsky, Noah; Perkins, Kathy; Blanco, John; Beale, Paul; Adams, Wendy; McKagan, Sarah Português (pt) Estados Unidos da América (us) Simulações Interativas PhET - Universidade do Colorado Noções de modelo cinético molecular Simulações Interativas PhET - Universidade do Colorado O Projeto Simulações Interativas PhET da Universidade do Colorado (PhET) distribui esta simulação sob Licença CreativeCommons - Atribuição 3.0. O usuário é livre para copiar, distribuir, transmitir e adaptar a obra. O usuário deve atribuir a obra a Simulações Interativas PhET Universidade do Colorado Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) Ensino Médio: Química: Animações/Simulações

2 O QUE É POSSÍVEL FAZER Esta simulação permite o estudo do modelo cinético-molecular (modelo de partículas) para os estados físicos de algumas substâncias. A simulação permite observar o que ocorre com as partículas da substância quando se varia a temperatura, a pressão e o volume. PRIMEIRA ABA SÓLIDO, LÍQUIDO, GÁS Na primeira aba pode-se simular o modelo de partículas para os estados sólido, líquido e gasoso de uma substância. Você pode utilizar os seguintes comandos: Nesta caixa você pode selecionar a substância com a qual deseja trabalhar. Você pode escolher o neônio, argônio, oxigênio ou a água. Nesta outra caixa é possível alterar o estado físico da substância. Basta clicar no estado que deseja observar. Utilizando este comando é possível variar a temperatura do sistema. Para isso, você deve clicar e arrastar o botão para cima ou para baixo, até atingir a temperatura desejada. Este é o recipiente fechado onde se encontra representado o modelo de partículas da substância que você escolheu. Nele está acoplado um termômetro que marca temperaturas em Kelvin. Com este comando você pode pausar a animação, mostrar passo a passo ou reiniciar tudo.

3 Agora que você aprendeu sobre os principais comandos da primeira parte da simulação, siga as seguintes instruções: 1- Selecione átomos de neônio e observe o modelo de partículas para cada estado físico sólido, líquido e gasoso. Para isso basta clicar nos botões na caixa à direita da tela. Atente para o espaço entre os átomos, sua agitação e a temperatura em que se observa cada estado físico. Faça isso para cada uma das substâncias disponíveis, separadamente, sempre observando as temperaturas associadas a cada estado. Como a agitação das partículas varia com a temperatura? Como a organização das partículas varia com a temperatura? 2- Selecione a molécula de água no estado sólido. Faça o mesmo com a molécula de oxigênio. Observe a diferença do modelo de estado sólido para as duas substâncias. Proponha uma explicação para a diferença entre esses dois modelos no estado sólido. Essa diferença do arranjo das partículas da água no estado sólido em relação a outras substâncias neste mesmo estado acarreta também diferenças macroscópicas. O gelo, por exemplo, é menos denso que a água no estado líquido, o que difere de outras substâncias. Como você poderia explicar essa diferença baseando-se no modelo cinético-molecular? 3- Você ainda pode variar a temperatura do sistema e observar o que ocorre com as partículas. Aumentando a temperatura, tente observar quando ocorre a mudança de estado físico para cada uma das substâncias. 4- Selecione átomos de neônio e eleve a temperatura por volta de 298K. Observe as variações no modelo. Faça o mesmo para átomos de argônio e para a molécula de oxigênio. Por fim, selecione a molécula de água, eleve a temperatura até 298K e depois até 373k. Observe que elevamos a temperatura a 298K para todas as substâncias. Esta temperatura equivale a 25 C, que é a temperatura ambiente. Identifique em

4 que estado físico se encontra cada substância nesta temperatura e comente sobre o grau de agitação de suas partículas. Considerando os estados físicos das substâncias tratadas nesta simulação, tente indicar qual delas deve apresentar interações mais fortes entre suas partículas. Explique como você chegou a esta conclusão. SEGUNDA ABA MUDANÇA DE FASE Na segunda aba você pode variar a pressão e a temperatura de diferentes substâncias e observar o que acorre. Os comandos são os mesmos da aba anterior, mas agora temos a representação de um dedo apoiado sobre um pistão. Esse comando permite movimentar o pistão. Para isso basta aproximar o cursor do dedo e irá aparecer uma seta verde. Clique sobre o dedo ou qualquer outro lugar da tampa e arraste o cursor. O medidor de pressão marca a pressão no interior do recipiente Este comando permite adicionar moléculas ou átomos ao recipiente, movimentando verticalmente o pistão da bomba de ar. Para explorar esta aba, siga as instruções: 1- Selecione o argônio no estado sólido. Adicione mais átomos ao recipiente. Espere uns instantes. Você vai perceber que com o tempo os átomos adicionados vão se juntando aos que já estavam no recipiente.

5 2- Agora varie a pressão. Para isso posicione o cursor próximo ao pistão do recipiente e, quando aparecer uma seta dupla verde, arraste o pistão para baixo de modo a diminuir o volume. Note a variação de pressão no medidor e também o que ocorre com as partículas no recipiente. Tente explicar porque o aumento da pressão causa mudanças na agitação das partículas. Se você aumentar muito a pressão, verá que o recipiente vai se abrir. Em que estado físico a substância se encontra quando o recipiente se abre? Tente explicar porque o recipiente se abre. 3- Clique em reiniciar tudo. 4- Agora varie a temperatura e observe em que condições o recipiente se abre. Observe que com aumento da temperatura ocorre também o aumento da pressão. Explique a porque o recipiente se abre baseando-se no modelo cinético molecular. 5- Faça combinações diferentes de temperatura e pressão e observe o que ocorre com o sistema. Após realizar esses testes, tente explicar como a variação da pressão e da temperatura interferem na mudança de estados físicos das substâncias. 6- Selecione a molécula de água. Abaixe o pistão até ¼ do recipiente e observe o que ocorre com a temperatura e com as partículas no recipiente. Aumente em 30 unidades a temperatura. Observe o que ocorre com as partículas. 7- Agora abaixe o pistão até a metade do recipiente, observe o que ocorre com a temperatura e com o modelo das partículas. Aumente a temperatura em 20 unidades. 8- Agora abaixe o pistão para ¾ do recipiente e observe novamente a temperatura. Aumente em 10 unidades a temperatura. O que ocorre?

6 Quando variamos a posição do pistão estamos interferindo no volume. Qual a relação verificada entre volume e pressão? E entre volume e temperatura? 9- Agora selecione a molécula de oxigênio e diminua a temperatura do sistema. Observe as mudanças que ocorrem no diagrama de fases, gráfico que se encontra no canto inferior direito da tela. O diagrama de fases apresentado mostra o que ocorre com o estado físico da substância quando variamos a temperatura ou a pressão. 10- Coloque o sistema na temperatura de 26K e observe o diagrama de fases. O ponto vermelho indica qual o estado físico do sistema. De acordo com o diagrama, nesta temperatura, em que estado(s) físico(s)se encontra a substância? 11- Agora varie a temperatura para 98K. Consultando novamente o diagrama de fases indique em que estados físicos se encontra a substância? Indique qualitativamente em que regiões do diagrama de fases podemos encontrar o oxigênio apenas no estado sólido. E no estado líquido? 12- O ponto de encontro das três linhas no gráfico é chamado de ponto tríplice e nele podem coexistir os três estados físicos, em determinada condição de pressão e temperatura. Ajuste a temperatura e a pressão até que seja atingido o ponto tríplice e observe o modelo de partículas da simulação. Que estado físico se observa para o modelo de partículas, nessas condições? Esta observação está de acordo com o diagrama de fases? Observe que o diagrama de fases apresentado nesta simulação apresenta algumas limitações. Ele indica apenas situações sobre as linhas, quando coexistem dois estados físicos. Você pode observar que o modelo de partículas não acompanha este resultado. Observe também que o ponto vermelho caminha apenas nas linhas que correspondem aos estados sólido/gás e líquido/gás, não sendo utilizada a linha sólido/líquido.

7 TERCEIRA ABA POTENCIAL DE INTERAÇÃO A terceira aba apresenta um gráfico que mostra o Potencial de Interação entre átomos. Veja no gráfico que o potencial varia com a distância entre os átomos. O gráfico de energia potencial é usado para prever como esses átomos vão se comportar ao serem aproximados ou afastados. Observe que, nesta aba da simulação, são usados apenas o neônio e o argônio, que ocorrem naturalmente não ligados. O gráfico de energia potencial pode ser usado também para descrever a formação de uma ligação química, no entanto, este não é o objetivo desta simulação e, portanto, ela não será usada para as moléculas de água e oxigênio. Siga os seguintes comandos. 1- Selecione o neônio. Aproxime os dois átomos e solte. Observe o que acontece no gráfico. 2- Posicione os átomos em diferentes distâncias. Observe. 3- Ao movimentar os átomos do modelo, aparece um ponto móvel no gráfico que caminha pela curva. Se você aproximar muito um átomo do outro, observará um aumento acentuado da energia potencial do sistema, que se torna instável. Se você soltar o átomo, perceba que ele irá se distanciar do outro e a energia potencial tenderá a um valor constante. 4- Selecione agora o comando Força total em uma das caixas à direita do gráfico. No modelo serão mostradas as resultantes das forças que atuam no sistema. Aproxime os dois átomos novamente e observe a direção, sentido e intensidade das forças resultantes. A partir desta observação, ao aproximar muito dois átomos, ocorre repulsão ou atração?

8 Se você posicionar o ponto azul na parte da curva negativa em relação ao eixo vertical (o vale da curva), o que ocorre com o átomo? Como aparecem as resultantes das forças? 5- Selecione o comando Forças componentes e observe as legendas (atrativo Van der Waals; repulsivo sobreposição de elétrons). A partir da análise das forças componentes, podemos perceber que existem forças repulsivas quando aproximamos muito os dois átomos e forças atrativas quando os distanciamos. Compare, agora, as intensidades das forças atrativas e repulsivas com a energia potencial mostrada no gráfico. Tente explicar por que as forças atrativas se intensificam quando os átomos se distanciam. Tente explicar, também, porque as forças repulsivas se intensificam quando os átomos se aproximam. Como você pode relacionar esse modelo de atração e repulsão com os estados físicos das substâncias tratadas nesta simulação?