Estados físicos da matéria

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1 Capítulo 2 Estados físicos da matéria Troca de ideias Um iceberg de 140 km 2 que se desprendeu da Antártida se dirige para o sul da Austrália e oferece um espetáculo que os entendidos qualificam como único. O cientista Neal Young disse que é um fenômeno muito raro e pouco comum, pode se passar muito tempo até que apareça um assim, por isso é uma visão que só acontece uma vez na vida. Os especialistas chamaram o iceberg de B17B, que tem 19 km de comprimento e 8 km de largura e é um dos maiores já vistos perto da Austrália. A peça faz parte de um iceberg três vezes maior que se desprendeu da Antártida em 2000 e passou cinco anos parado em um lugar, por causa das correntes oceânicas nessa região. Os cientistas preveem que o B17B rachará em seu avanço para o litoral australiano. Fonte: Australian Antarctic Division 2008/Kingston Tasmania Após a leitura do texto, responda: Os icebergs são grandes blocos de gelo que se desprendem das regiões polares e passam a se deslocar pelos oceanos. Um deles causou o naufrágio do transatlântico Titanic, retratado no cinema. Sabendo-se que o gelo é menos denso que a água, por que eles são tão perigosos para a navegação? Uma proposta excêntrica para suprir de água os países do Oriente Médio consistiria em rebocar icebergs até a costa desses países. Que problemas práticos você observa com essa ideia? É possível relacionar o aquecimento global com o aumento no número de icebergs observados? nasa and the european SPace agency/gsfc JanSon ahrens/getty ImageS 15

2 Fenômenos Na linguagem do dia a dia a palavra fenômeno tem o significado de algo fora do comum, extraordinário. Um jogador de futebol muito melhor que os demais é um fenômeno! E um copo quebrando-se? E uma fogueira? Apesar de serem situações comuns e corriqueiras, também são fenômenos. Para a ciência, todo evento que provoca qualquer alteração na matéria é classificado como fenômeno. Em algumas situações, o fenômeno não provoca alterações na natureza das substâncias envolvidas. O copo era feito de vidro antes de se quebrar. Depois de quebrado, os pedaços resultantes ainda são feitos de vidro. Uma gota d água é feita de moléculas de água antes e depois de se congelar ou de evaporar. Dizemos, nesses casos, que ocorre fenômeno físico. Agora vamos imaginar o que ocorre com a fogueira. Antes de queimar, a madeira era feita principalmente de celulose. É fácil perceber que, depois da queima, novas substâncias se formaram. Houve produção de um gás e de um resíduo escuro (carvão) muito diferente da madeira original. Ocorreu, então, um fenômeno químico. Nesse fenômeno, substâncias já existentes (os reagentes) originam novas substâncias (os produtos) por meio de reações químicas variadas. Atividades [1] 1 Dona Maria Cecília surpreendeu-se, certo dia, ao notar que suas baixelas de prata estavam escurecidas e sem brilho. Seu neto, um estudante de química, prontamente lhe explicou que o escurecimento ocorria por causa da formação de uma substância chamada sulfeto de prata. Com essa explicação, o neto de dona Maria Cecília descreveu um fenômeno físico ou químico? Justifique. [2] Um copo quebrando-se é um fenômeno físico e a queima da madeira é um fenômeno químico. [1] Kameel4u /Shutterstock, [2] Megann/Shutterstock 2 Analise as transformações a seguir e classifique os fenômenos indicados. I. Lenha w fumaça e cinzas:. II. Bloco de gelo w gelo moído:. III. Água oxigenada w água e gás oxigênio:. 3 Uma das consequências mais drásticas do aquecimento global é o derretimento das calotas polares. Recentemente, uma geleira de grandes proporções desprendeu-se do continente antártico. O derretimento de uma geleira é um fenômeno físico ou químico? Justifique. 16

3 Atividades complementares 4 Classifique os fenômenos abaixo em físicos (F) ou químicos (Q): Queima do pavio de uma vela. Papel sendo amassado. Água fervendo em uma panela. Gelo formando-se numa geladeira. 5 Embora possa manter suas propriedades por muitos anos, um portão de ferro quase sempre enferruja. Sua superfície, antes lisa e de brilho metálico, torna-se áspera e granulosa, desfazendo-se ao toque dos dedos. Que tipo de transformação o portão sofreu? Justifique. 6 Classifique cada um dos fenômenos destacados abaixo em físico ou químico: Vanessa Paula tomava um copo de refrigerante, no qual o gelo derretia, enquanto observava sua mãe cozinhando carne em uma panela. Da panela saía muito vapor. Descuidadamente, Vanessa Paula deixou cair o copo, que se partiu em muitos pedaços. Estados físicos Toda matéria existente em nosso planeta pode ser encontrada em três estados físicos (ou estados de agregação) diferentes. A água, uma das substâncias mais abundantes na Terra, pode ocorrer nas formas sólida (gelo nos polos), líquida (mares, rios e lagos) e gasosa (atmosfera). Observe exemplos de algumas substâncias em diferentes estados físicos. Se pudéssemos enxergar as moléculas presentes no gelo, na água e no vapor, qual seria a diferença? No estado sólido, as partículas estão mais próximas e movem-se mais vagarosamente, praticamente sem se afastar de suas posições. Os sólidos apresentam forma e volumes definidos. No estado líquido, a distância entre as partículas aumenta e elas se tornam mais rápidas, ocupando maior volume e sem forma fixa. No estado gasoso, há uma grande desorganização, com partículas bem afastadas. Dessa maneira, os gases não têm forma nem volume definido. a b Ouro no estado sólido (a), gás cloro armazenado em recipiente de vidro (b) e água no estado líquido (c). [1] [2] c [3] [1] erwin WoDIcKa/ShutterStocK, [2] cortesia J l marshall, university of north texas [3] BIP Sólido Líquido Gasoso As principais diferenças entre os estados físicos são a distância entre as partículas e suas diferentes mobilidades. 17

4 Mudanças de estado físico Você conseguiria dar exemplos de mudanças de estado físico que ocorrem no seu dia a dia? Como vimos, o movimento e a proximidade das partículas determinam os estados físicos, também chamados de estados de agregação. É possível, portanto, modificar o estado físico de um corpo alterando-se a velocidade e a distância das partículas que o formam, por meio da transferência de calor. Quando recebem energia, as partículas ficam mais rápidas e distantes umas das outras. Dessa forma, ao aquecermos um cubo de gelo, estamos fornecendo energia para que suas partículas, nesse caso, suas moléculas, se afastem e se desorganizem, até que o gelo se converta em água líquida. Se fornecermos mais energia, as moléculas se afastarão ainda mais e passarão para o estado gasoso. O contrário também pode acontecer: o vapor-d água passa para o estado líquido ao perder energia, fenômeno que ocorre durante as chuvas, e a água pode passar para o estado sólido sob baixas temperaturas, como observamos nas forminhas de gelo. As mudanças de estado físico recebem nomes específicos. Observe na figura a seguir: Fusão Vaporização JOEL SHAWN/SHUTTERSTOCK Solidificação Liquefação (condensação) Sublimação Mudanças de estado físico exemplificados para a água. A fusão é a passagem do estado sólido para o estado líquido, ocorrendo, por exemplo, no gelo que derrete. A solidificação, processo contrário ao da fusão, é a passagem do estado líquido para o estado sólido, fenômeno que ocorre na formação de neve e granizo. A vaporização ocorre na passagem de um líquido para o estado gasoso. Quando ocorrer naturalmente, como numa poça de água que vai secando num dia ensolarado, a vaporização recebe o nome de evaporação. Se ocorrer de maneira rápida, como numa panela na qual se está fervendo água, esse processo recebe o nome de ebulição. Se ocorrer, porém, instantaneamente e de forma turbulenta, como uma gota de água caindo numa chapa muito quente, temos o fenômeno da calefação. O retorno do estado gasoso para o estado líquido ocorre por meio da liquefação, também conhecida como condensação. Além das mudanças de estado físico já citadas, certas substâncias (como o iodo e a naftalina) passam diretamente do estado sólido para o estado gasoso, num fenômeno conhecido como sublimação. Esse processo também pode acontecer de forma inversa, com a passagem do estado gasoso diretamente para o estado sólido. O gelo-seco é formado por dióxido de carbono sólido. Em temperatura ambiente, ele sofre sublimação, produzindo uma névoa utilizada em filmes e shows. 18

5 Atividades 7 Qual o estado físico que melhor representa os itens descritos? a) Possui moléculas bastante próximas e com baixa movimentação. b) Não tem forma nem volume definido. c) Adquire a forma do recipiente no qual é colocado. d) Possui forma e volume definidos. 8 Observe a figura a seguir: É possível atravessar a barra de gelo com o arame sem quebrá-la, graças a um fenômeno conhecido como regelo. Faça uma pesquisa sobre esse fenômeno, explicando-o. Suporte RECARREGÁVEL RECARREGÁVEL Pilhas Linha Gelo Suporte 9 Um copo de vidro, inicialmente na temperatura ambiente, recebeu água gelada. Após algum tempo, notou-se que a parte externa desse copo apresentava gotículas de água. Justifique. 10 Em dias frios, forma-se uma fumacinha próxima de nossas bocas, quando expiramos. Por que isso ocorre? 19

6 Atividades complementares 11 Complete o quadro a seguir: Estado físico Forma (fixa/variável) Volume (fixo/variável) Sólido Líquido Gasoso 12 Um frasco hermeticamente fechado, contendo iodo sólido, foi armazenado num armário escuro, à temperatura ambiente. Depois de algum tempo, notou-se que em seu interior, principalmente na tampa, haviam se formado pequenos cristais. Qual o fenômeno observado? Considere a figura a seguir para responder às questões 13 e 14. Vapor-d água 1 2 Água líquida 13 Quais os nomes das transformações 1, 2, 3 e 4? 14 Quais das transformações indicadas precisam ceder calor e quais precisam receber para ocorrerem? 3 4 Gelo Texto para as questões 15 e 16. Quando colocamos um pedaço de papel em contato com o fogo, ele se queima, certo? Nem sempre! Seu (Sua) professor(a) fará um experimento que nos provará esse fato. Precisaremos de uma caixinha feita de papel, um pouco de água, uma lamparina ou bico de Bunsen e um suporte. Basta adicionar água na caixinha e colocá-la diretamente na chama. 15 Relate o que você observou durante o experimento. 16 Apresente uma justificativa científica para o fato observado. 17 Complete corretamente as lacunas: O fator responsável pelas mudanças de estado físico da água é a. Quando atinge 0 C, a água passa do estado para o estado. Quando atinge 100 C, a água passa do estado para o estado. 20

7 18 Complete as cruzadinhas: 1. Ponto de : temperatura na qual um líquido passa definitivamente para o estado gasoso. 2. Estado físico com forma e volume variáveis. 3. O ponto de ebulição de um líquido depende da pressão da. 4. Mudança muito rápida do estado líquido para o gasoso. 5. Sólido que sofre sublimação. 6. É utilizado para produzir fumaça em filmes e shows. 7. Estado físico com forma e volume fixos. 8. Fenômeno que não produz novas substâncias. 9. Estado físico com forma variável e volume fixo. 10. Passagem do estado sólido para o estado gasoso. 11. Mudança do estado gasoso para o estado líquido. 12. Fenômeno que produz novas substâncias. 13. Fenômeno que ocorre no exterior de um copo gelado. 14. O derretimento das geleiras é um exemplo de E S T A D O - S F 9 Í 10 S 11 I 12 C 13 O 14 S Ponto de fusão e ponto de ebulição Sabemos que fusão é a passagem do estado sólido para o líquido. Mas será que todas as substâncias sofrem essa transformação na mesma temperatura? É fácil perceber que não. Se colocarmos, lado a lado, um cubo de gelo e outro de ferro, num dia ensolarado, perceberemos que o gelo sofrerá fusão, mas o ferro continuará no estado sólido. 21

8 A temperatura na qual um sólido puro passa para o estado líquido, sob pressão constante, é chamada de ponto de fusão (PF). Para a água, em condições ambientes, ao nível do mar, o ponto de fusão é de 0 C. Quando se atinge essa temperatura, toda a energia fornecida ao gelo passa a ser aproveitada para romper a organização das moléculas. Somente depois que todo o gelo tenha mudado de estado físico é que a temperatura voltará a aumentar. Devemos ser mais cuidadosos ao definirmos o ponto de ebulição (PE). Os líquidos passam para o estado gasoso em qualquer temperatura! Mesmo quando a temperatura ambiente está baixa, encontramos vapor-d água na atmosfera. Um copo de água sofre evaporação mesmo quando deixado à sombra. A 20 C podemos ter água no estado líquido e no estado gasoso, mas, ao nível do mar, quando chegamos a 100 C, toda água líquida passa para o estado gasoso. Portanto, o ponto de ebulição de um líquido é a temperatura na qual ele passa definitivamente para o estado gasoso, sob determinadas condições de pressão. Não se esqueça de que o valor dessa temperatura depende da pressão atmosférica local. Quanto menor a pressão atmosférica, menor a dificuldade que as partículas no estado líquido terão para passar para o estado gasoso. Dessa forma, menor será o ponto de ebulição do líquido em questão. Da mesma maneira, quanto maior a pressão atmosférica, maior o ponto de ebulição, uma vez que aumentará a dificuldade das partículas em passar para o estado gasoso. No alto do Everest, a montanha mais alta do planeta, a água ferve a aproximadamente 74 C, temperatura bem inferior aos 100 C necessários para fervê-la ao nível do mar. Os pontos de fusão e de ebulição são considerados propriedades específicas da matéria, uma vez que cada substância pura apresenta esses valores bem definidos. Assim, ao analisarmos um metal desconhecido e verificarmos que seu ponto de fusão é de 961 C, temos um indício de que o metal pode ser a prata. A partir dos pontos de fusão e de ebulição, também podemos determinar o estado físico de uma substância em certas condições. Em temperaturas abaixo do ponto de fusão, a substância será encontrada no estado sólido; entre Sólido Líquido Gasoso seu ponto de fusão e de ebulição, no estado líquido; acima do seu ponto de ebulição, será encontrada no estado sólido. Esquema para determinar o estado físico de uma PF PE substância. Atividade resolvida 19 A tabela a seguir traz os pontos de fusão e de ebulição de algumas substâncias ao nível do mar: Substância Ponto de fusão ( C) Ponto de ebulição ( C) Amônia Clorofórmio Ouro 78 63, Qual seria o estado físico da amônia e do clorofórmio num dia quente, com temperatura em 30 C? Amônia Clorofórmio Gasoso Líquido 78 C 33 C 30 C 63,5 C 30 C 61 C Como a temperatura de 30 C é maior do que o ponto de ebulição da amônia, ela estará no estado gasoso. No caso do clorofórmio, a temperatura de 30 C está entre seu ponto de fusão e de ebulição; portanto, ele estará no estado líquido. 22

9 Atividades 20 O ácido acético é uma substância presente no vinagre, muito consumido no preparo de saladas. O bromo é uma substância usada para produzir aditivos para a gasolina, corantes e muitos outros produtos. Duas amostras, uma de ácido acético e outra de bromo, foram colocadas em recipientes contendo, respectivamente, óleo a 180 C e uma mistura de água e gelo. Ácido acético Bromo Óleo a 180 oc Água e gelo O ponto de fusão do ácido acético é 17 C, e seu ponto de ebulição é de 118 C. Para o bromo, o ponto de fusão é de 7 C e seu ponto de ebulição vale 59 C. Qual o estado físico de cada uma dessas substâncias nessas condições? Leia as informações a seguir para responder às questões 21 e 22. Considere dois líquidos, A e B, de mesma massa e colocados no interior de recipientes iguais sob mesmo aquecimento. O ponto de ebulição do líquido A é 45 C e o do líquido B é 90 C. 21 Qual deles entrará em ebulição primeiro? 22 Se uma pessoa encostar a mão nos recipientes com os líquidos em ebulição, ela se queimará? Justifique. 23 EPF912CIE.indd 23 26/11/10 11:15:51 AM

10 Utilize as seguintes informações para responder às questões de 23 a 25. Uma panela com água foi colocada sob aquecimento numa cidade montanhosa, m acima do nível do mar. 23 O ponto de ebulição dependerá da quantidade de água na panela? Justifique. 24 A temperatura de ebulição da água será maior, menor ou igual a 100 C? Justifique. 25 A região do mar Morto, na Ásia, está cerca de 400 m abaixo do nível do mar. Se levássemos a panela com água até aquela região, ela ferveria numa temperatura maior, menor ou igual a 100 C? Atividades complementares 26 Complete a tabela: Substância Mercúrio Etanol PF ( C) PE ( C) ,5 Estado físico a 10 C Estado físico a 25 C Estado físico a 130 C Metano 182,5 161 Cobre Texto para as questões de 27 a 29. O benzeno é um composto de odor agradável, mas extremamente tóxico. É muito usado como solvente e como matéria-prima na produção de plásticos e tintas. O ponto de fusão do benzeno é de 5,5 C e seu ponto de ebulição vale 80 C. 27 Qual o estado físico do benzeno a 25 C? 28 Quais as mudanças de estado físico sofridas por uma amostra de benzeno, inicialmente a 0 C, quando aquecida até 90 C? 29 Faça um modelo representando as moléculas de benzeno a 3 C. 30 Dona Patrícia e dona Maria Cecília são vizinhas e gostam de trocar receitas culinárias. Certo dia, dona Patrícia tentou cozinhar feijão numa panela aberta, em vez de utilizar uma panela de pressão, mas não conseguiu que o feijão ficasse pronto a tempo para o almoço. Dona Maria Cecília, entendida em assuntos científicos, prontamente lhe explicou o motivo. Qual terá sido o comentário de dona Maria Cecília? 24

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