Matéria e Estados da Matéria

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1 Matéria e Estados da Matéria A matéria é o material físico do universo. Matéria é tudo que tem massa e ocupa certo lugar no espaço. Na antiguidade, o homem chegou a acreditar que toda matéria existente no Universo fosse formada por terra, fogo, água e ar. A matéria pode se apresentar em três estados: Gás, líquido ou sólido.

2 Matéria e Estados da Matéria Características dos Estados da Matéria: Estado da Matéria Fluidez ou Rigidez Compressibilidade Gás fluido elevada Líquido fluido baixa Sólido rígido muito baixa Os gases não têm forma nem volume definidos; eles podem ser comprimidos para formar líquidos ou sólidos. Os líquidos não têm forma, mas têm volume. Os sólidos são rígidos, tendo forma e volume definidos.

3 Matéria, Átomos e Moléculas A matéria consiste de átomos e moléculas; os átomos se combinam para formar moléculas ou compostos. As moléculas podem consistir do mesmo tipo de átomos ou de diferentes tipos de átomos.

4 Classificação da Matéria Os átomos consistem de apenas um tipo de elemento. As moléculas podem consistir de um ou de mais de um tipo de elemento. Se mais de um átomo, elemento e composto são encontrados juntos, então temos uma mistura.

5 Classificação da Matéria A matéria pode então ser dividida em três categorias: elementos, compostos ou substâncias puras e misturas. Se a matéria não é totalmente uniforme, então ela é heterogênea. Se a matéria é totalmente uniforme, ela é homogênea. Se a matéria homogênea pode ser separada por meios físicos, então ela é uma mistura. Se a matéria homogênea não pode ser separada por meios físicos, então ela é uma substância pura. Se uma substância pura pode ser decomposta em algo mais, então ela é um composto.

6 Classificação da Matéria A maioria dos elementos se combinam para formar compostos (ou substâncias puras). As proporções de elementos em compostos são as mesmas, independentemente de como o composto foi formado. Lei da Composição Constante (das Proporções Definitivas): A composição de um composto puro é sempre a mesma. Quando a água é decomposta, sempre haverá duas vezes mais gás hidrogênio formado do que gás oxigênio.

7 Substâncias, Compostos e Elementos Elementos As substâncias puras que não podem ser decompostas são formadas por um único tipo de elemento. Existem 114 elementos conhecidos. A cada elemento é dado um único símbolo químico (uma ou duas letras). Os símbolos químicos dos elementos com uma letra têm aquela letra maiúscula (por exemplo, H, B, C, N, etc.) Os símbolos químicos dos elementos com duas letras têm apenas a primeira letra maiúscula (por exemplo, He, Br, Na). Os elementos são a base de constituição da matéria.

8 Elementos Abundantes na Crosta Terrestre e no Corpo Humano A crosta terrestre consiste de 5 elementos principais. O corpo humano consiste basicamente de 3 elementos principais.

9 Diagrama Geral de Separação

10 Propriedades Físicas Como visto, os diversos tipos de matéria observados em nosso mundo são substâncias ou misturas de substâncias. Um substância pura é um tipo de matéria que não pode ser separada por qualquer processo físico, em outros tipos de matéria. Qualquer que seja a sua origem, uma substância tem sempre as mesmas propriedades características. Assim, caracterizamos uma substância pura por várias propriedades, que podem ser físicas ou químicas. Uma propriedade física é uma característica das substâncias puras que pode ser observada sem que se altere a identidade química do material.

11 Constantes Físicas As propriedades físicas incluem: estado físico (gás, líquido, sólido), ponto de ebulição, ponto de fusão, cor, odor, sabor, etc. Outras constantes físicas importantes são: Densidade ou massa específica É o quociente da massa (em g) pelo volume (em ml ou cm 3 ) da substância. A densidade de líquidos é medida diretamente por densímetros. Calor específico É a a quantidade de calor (energia térmica) necessária para aumentar em 1 o C, a temperatura de 1g de substância. Solubilidade Mede a quantidade máxima (em g) de substância que pode ser dissolvida em um líquido (em L), em uma dada temperatura.

12 Transformações Químicas As transformações químicas de uma substância pura envolvem alterações químicas, como nos exemplos abaixo: Queima do carvão : C (s) + O 2 (g) CO 2 (g) Oxidação do ferro: 4 Fe (s) + 3 O 2 (g) 2 Fe 2 O 3 (s) Uma reação química é, em geral, acompanhada por profundas alterações nos materiais que dela participam, como mudança no estado físico, na cor, no odor e/ou na densidade, além da liberação ou absorção de energia sob a forma de calor, luz, etc.

13 Mudanças Físicas e Químicas

14 Propriedades Físicas As propriedades físicas intensivas não dependem da quantidade de substância presente. Exemplos: Densidade, temperatura, pontos de fusão e ebulição. As propriedades físicas extensivas dependem da quantidade de substância presente. Exemplos: Massa e volume.

15 Transformações Físicas e Químicas da Matéria Quando uma substância pura sofre uma mudança física, sua aparência física muda. No derretimento do gelo, um sólido é convertido em um líquido. As mudanças físicas (mudanças de estado) não resultam em uma mudança de composição. Quando uma substância muda sua composição, ela sofre uma alteração química: Quando o hidrogênio puro e o oxigênio puro reagem completamente, eles formam água.

16 Transformações Físicas e Químicas da Matéria As transformações da matéria que se relacionam às propriedades físicas são denominadas transformações físicas. As transformações físicas podem ser reversíveis; nelas a identidade ou características químicas da substância são preservadas, pois embora seu estado físico, tamanho ou forma possa ter mudado, as moléculas que constituem a substância permanecem intactas. As mudanças de estado de uma substância pura irão ocorrer em condições constantes e bem definidas constates físicas (gráficos em anexo).

17 Transformações Físicas da Matéria Mas, se tivermos uma mistura ou uma substância contendo impurezas, os patamares existentes nos gráficos de mudança de fase não serão observados, e ocorrerá um intervalo ou uma faixa de fusão e ebulição. Porém, é importante destacar que existem misturas que se comportam como se fossem substâncias puras diante dos fenômenos de fusão/solidificação ou ebulição/condensação. No primeiro caso tem-se uma mistura eutética, que se funde/solidifica a temperatura constante. Exemplo: Liga metálica de Sn (62%) e Pb (38%) p.f. = 183 o C. No segundo caso tem-se uma mistura azeotrópica, a qual ferve/condensa a temperatura constante. Exemplo: Solução de etanol (96%) em água (4%) p.e. = 78,1 o C.

18 Misturas Homogêneas e Heterogêneas Uma mistura é uma matéria que pode ser separada através de métodos físicos, em duas ou mais substâncias puras. As misturas homogêneas contêm as mesmas propriedades distribuidas uniformemente, em qualquer parte da amostra. Mesmo consistindo de uma mistura de duas ou mais substâncias na mesma fase, se verifica uma textura uniforme a nível microscópico. Nenhuma ampliação óptica revela propriedades diferentes de uma região para outra; a heterogeneidade só existe a nível atômico ou molecular.

19 Misturas Homogêneas e Heterogêneas Exemplos: Latão mistura de cobre e zinco. Bronze mistura de cobre e estanho. Soro fisiológico mistura de água e cloreto de sódio a 0,9%. As misturas homogêneas, quando líquidas, são chamadas de soluções.

20 Misturas Heterogêneas As misturas heterogêneas são constituídas por partes que se distinguem fisicamente, cada qual com diferentes propriedades. Mesmo a olho nú, nelas se verifica uma textura desigual do material; pode parecer uniforme num primeiro momento, mas quando observado mais atentamente, nota-se a falta de uniformidade. Em uma mistura heterogênea, as propriedades mudam de uma região para outra da amostra. Exemplos: Granito mistura de quartzo, feldspato e mica (minerais). Leite mistura de proteínas, açúcares, gorduras e minerais.

21 Misturas Heterogêneas Existe relatividade na interpretação do conceito homogêneo/heterogêneo, dependendo da aparelhagem disponível. Numa mistura heterogênea, cada porção homogênea é denominada fase, e define-se fase como qualquer parte ou porção homogênea presente numa amostra de matéria. Quanto ao número de fases, os sistemas se classificam em: Sistemas Monofásicos Apresentam uma única fase, sendo, portanto, sistemas homogêneos. Sistemas Bifásicos Têm duas fases; são heterogêneos. Sistemas Trifásicos ou Polifásicos Possuem três ou mais fases, sendo por isso heterogêneos.

22 Separação de Misturas Como as misturas são constituídas por duas ou mais substâncias diferentes, quando é necessário, é possível separar seus componentes. Como existem dois tipos de misturas diferentes (homogêneas e heterogêneas), os processos para efetuar suas separações são também diferentes. A separação de uma mistura heterogênea é, em geral, mais fácil de ser realizada, pois na maioria dos casos pode-se perceber visualmente cada componente da mistura individualmente. Nas separações de misturas heterogêneas são utilizadas, geralmente, operações mecânicas; além disso, ela pode ser constituída tanto de componentes com o mesmo estado físico, quanto em diferentes estados.

23 Separação de Misturas Heterogêneas Separação de Misturas Heterogêneas de Componentes Sólidos: Catação Neste processo os componentes da mistura podem ser separados manualmente. Peneiração ou Tamização Caso as partículas dos componentes possuam tamanhos diferentes, pode-se utilizar uma peneira para separá-los. Levigação Quando um dos componentes da mistura é muito fino, utiliza-se a água para arrastar o componente mais leve, deixando o mais pesado pousado no fundo. Ventilação Semelhante ao processo acima, sendo que o material mais fino (leve) da mistura é arrastado pela ação do ar ou vento.

24 Separação de Misturas Heterogêneas Imantação ou Separação Magnética Quando um dos componentes da mistura possui propriedades magnéticas, o mesmo pode ser atraído por um ímã. Dissolução Fracionada Neste processo, adiciona-se à mistura sólida um solvente capaz de dissolver somente um dos componentes da mistura, sem dissolver os demais. Separação de Misturas Heterogêneas de Componentes Sólidos e Líquidos: Decantação É o processo no qual as impurezas sólidas contidas num líquido se depositam no fundo de um recipiente pela ação da gravidade, após um tempo de repouso.

25 Separação de Misturas Heterogêneas Centrifugação É um processo capaz de acelerar a decantação das partículas sólidas quando estas são muito pequenas. Certa quantidade da mistura é colocada num tubo no interior de uma centrífuga, cuja rotação impele as partículas mais pesadas para o fundo, deixando o sobrenadante límpido. Filtração Simples Neste caso são utilizados materiais porosos (papel, amianto, vidro, algodão) que permitem a passagem do líquido, mas impedem a passagem do sólido. Filtração à Vácuo Utilizada em casos onde é necessário diminuir o tempo de filtração e as partículas são suficientemente grandes. A filtração se processa sob pressão reduzida ou à vácuo, usando-se o funil de Buchner com papel de filtro, acoplado com rolha de borracha a um kitasato, conectado a um compressor.

26 Separação de Misturas Heterogêneas Separação de Misturas Heterogêneas de Componentes Sólidos e Gasosos: Câmaras de Poeira Para separação de ar (ou gases) e poeira por processo de decantação; são constituídas por uma série de compartimentos interligados, separados por obstáculos verticais. À medida que o ar é empurrado na câmara, as partículas sólidas colidem com os obstáculos, perdendo velocidade e se depositando no fundo. Separação de Misturas Heterogêneas de Componentes Líquidos: Decantação A mistura de líquidos imiscíveis pode ser separada utilizando-se o funil de decantação. Após a separação espontânea das fases pela ação da gravidade, abre-se a torneira e escoa-se o líquido mais denso.

27 Separação de Misturas Homogêneas Separação de Misturas Homogêneas de Componentes Sólidos: Sublimação É aplicável quando apenas um dos componentes da mistura pode ser sublimado. Separação de Misturas Homogêneas de Componentes Sólidos e Líquidos: Evaporação Utiliza a capacidade de evaporação espontânea do solvente para separá-lo do sólido, que é recuperado no final do processo. Destilação Simples Usa uma aparelhagem apropriada, onde a mistura soluto/solvente é aquecida, levando à evaporação do solvente, que se condensa e é recuperado em outro recipiente.

28 Separação de Misturas Destilação Simples

29 Separação de Misturas Homogêneas Cristalização No processo mais simples, após a primeira etapa de evaporação para concentração do líquido, ocorre a saturação da solução, seguida da precipitação do sólido. Separação de Misturas Homogêneas de Componentes Líquidos: Destilação Fracionada Permite separar dois ou mais líquidos desde que possuam pontos de ebulição diferentes. A aparelhagem é semelhante à da destilação simples, sendp que apresenta um termômetro acoplado à coluna de destilação, que indica a temperatura em que cada um dos componentes entra em ebulição. A fração com ponto de ebulição mais baixo é coletada primeiro. Quando a temperatura do termômetro sofre alteração, indica que a saída de um dos componentes se encerrou, e que a do outro irá se iniciar. Neste momento, deve-se substituir o recipiente do líquido condensado.

30 Separação de Misturas Homogêneas Partição Líquido/líquido Quando substâncias diferentes foram dissolvidas em um líquido após extração a quente, é possível separar substâncias com polaridades diferentes utilizando-se solventes imiscíveis no líquido original e um funil de separação. Cromatografia Envolve técnicas separação também relacionadas à polaridade dos solventes e das moléculas de interesse. A separação depende da velocidade com que uma substância se move numa corrente de líquido ou gás (fase móvel), através do suporte (fase estacionária). É utilizada para separar misturas de substâncias diferentes.

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