Aula 2 Os Estados da Matéria 1. Os Estados da Matéria Gás É uma forma fluida da matéria. Um gás é constituído de partículas muito separadas entre si e que estão se movimentando rápida e continuamente, de forma desordenada. Um gás ocupa completamente o recipiente no qual se encontra. Líquido É uma forma fluida da matéria que possui uma superfície bem definida. Em um líquido as partículas estão em contato uma com as outras, mas são capazes de se mover uma em relação à outra de maneira restrita. Um líquido, na presença de um campo gravitacional, ocupa a parte inferior do recipiente no qual se encontra. Sólido consiste em partículas que estão em contato uma com as outras e que são incapazes de se deslocarem de modo que uma possa passar pela outra. Embora as partículas em um sólido oscilem em torno de uma distância média, elas estão essencialmente presas nas suas posições iniciais, resultado em arranjos tipicamente ordenados. Portanto, um sólido retém sua forma independente do recipiente no qual se encontra. A diferença essencial entre esses três estados da matéria é a liberdade das partículas em se deslocarem uma em relação às outras. Além dos três estados da matéria citados acima existem mais três outros estados cientificamente comprovados: Plasma, Condensado Bose-Einstein e o Gás Fermiônico. 1
Plasma - Surge quando um gás é superaquecido e os elétrons se rompem, deixando partículas eletricamente carregadas, ou seja, é um gás ionizado que tem um número suficientemente grande de partículas carregadas para blindar eletrostaticamente a si mesmo. Conforme a temperatura aumenta, o movimento dos átomos do gás tornase cada vez mais enérgico e freqüente, provocando choques cada vez mais fortes entre eles. Como resultado destes choques, os elétrons começam a se separar. No seu conjunto, o plasma é neutro. O plasma "ideal" com as partículas atômicas completamente divididas corresponde a uma temperatura de várias dezenas de milhões de graus. Porém, o estado plásmico de uma substância gasosa pode surgir a temperaturas relativamente baixas de acordo com a composição do gás. A chama de uma vela e a luminescência de uma lâmpada fluorescente são alguns exemplos. Pelo senso comum, tem-se a idéia de que o plasma é algo difícil de ser produzido (a julgar, principalmente, pelo preço dos televisores) e extremamente raro. A verdade é que 99% do Universo visível conhecido estão em estado de plasma, sendo que o 1% restante é constituído de todos os outros estados de agregação da matéria. O plasma aparece naturalmente no espaço interestelar e em atmosferas do Sol e de outras estrelas. *Physical Review, vol. 33, p. 954, 1952 Condensado de Bose-Einstein - é um estado da matéria formado por bósons a uma temperatura muito próxima do zero absoluto. Nele, cada molécula age da mesma forma que as outras. São fluidos de baixas temperaturas com propriedades não totalmente compreendidas, como fluir espontaneamente para fora do seu recipiente. 2
(Bósons ou bosões são partículas que possuem spin inteiro e obedecem à estatística de Bose-Einstein.) A existência deste estado da matéria como consequência da mecânica quântica foi inicialmente prevista por Einstein em 1925. O primeiro condensado deste tipo foi produzido setenta anos mais tarde por Eric Cornell e Carl Wieman em 1995, na Universidade do Colorado. A descoberta, em 1995, rendeu o prêmio Nobel de 2001 aos cientistas Carl Wieman, Eric Cornell e Wolffgan Ketterle. Gás Fermiônico - Embora previstos teoricamente há algum tempo, os condensados fermiônicos só foram produzidos em laboratório em dezembro de 2003 por um grupo de pesquisadores da Universidade do Colorado e do Natíonal Institute of Standards and Technology (NIST), liderado pela física Deborah Jin. Os condensados fermiônicos são tão novos nos laboratórios dos cientistas que a maioria das suas propriedades básicas ainda não são conhecidas. A imagem acima mostra os condensados fermiônicos produzidos pelo grupo de pesquisadores que trabalham com a Dra. Jin. *http://www.on.br/revista_ed_anterior/marco_2004/conteudo/futuro/futuro.html 3
Curiosidade: Descoberto sexto estado da matéria C A TH A R I N A EPPRECHT (FO NT E: J O RN A L D O BRAS I L O N L I NE 30/01/2004) Os três estados da matéria (sólido, líquido e gasoso) são conhecidos. O quarto, o plasma, já não é novidade e poucos conhecem o quinto estado: o Condensado de Bose-Einstein. Agora, pesquisadores da Universidades do Colorado e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (Nist), nos EUA, acabam de descobrir o sexto estado da matéria. Ainda sem nome, ele é de grande importância porque abre caminho para o desenvolvimento de supercondutores. Pelo menos 10% da energia do mundo é perdida na condução - por fios, por exemplo. Daí a importância desses materiais, que reduzem a perda (energética e, no limite, econômica) a zero. Os físicos Deborah S. Jin (Nist), Markus Greiner e Cindy Regal (Universidade do Colorado) tiveram sua pesquisa divulgada esta semana pela revista Nature. Segundo explica Cláudio Lenz Cesar, pesquisador do Laboratório de Átomos Frios do Instituto de Física da UFRJ, a descoberta abre novas fronteiras. - O desenvolvimento de supercondutores à temperatura ambiente levaria a uma revolução. Podese chegar a novos chips ou mesmo a trens levitadores econômicos - diz. Esses trens seriam possíveis a partir do controle do magnetismo supercondutor. Dentro dos estudos desse fenômeno, o professor explica que tecnologias caras como a ressonância magnética, utilizada em exames clínicos - que utilizam ímãs supercondutores - poderiam ser barateadas. O sexto estado da matéria é comparável ao Condensado de Bose-Einstein, cuja descoberta, em 1995, rendeu o prêmio Nobel de 2001 aos cientistas Carl Wieman, Eric Cornell e Wolffgan Ketterle. Nele, cada molécula age da mesma forma que as outras, por isso também é chamado de ''átomo gigante''. Para alcançá-lo é necessária uma temperatura baixíssima. Ele foi previsto - mas não alcançado, por falta de tecnologia, na época - por Albert Einstein e seu colega indiano Satyendra Bose. A diferença entre o quinto e o sexto estados da matéria é que naquele são os prótons e elétrons que agem da mesma maneira e neste consegue-se fazer reagir em grupos de átomos inteiros. O grupo em que trabalhava o professor Cláudio Cesar, no Massachussets Institute of Technology (MIT), em 1994, chegou bem próximo ao condensado. Eles não foram os primeiros a consegui-lo, mas alcançaram - pouco tempo depois de Wieman, Cornell e Ketterle - o maior condensado do gênero até hoje. - Em termos práticos, a experiência pode ser comparada ao fenômeno da supercondutividade. O que a tornaria teoricamente muito simples - explica o professor. Mas a descoberta foi feita em baixíssima temperatura. Para se chegar ao funcionamento em temperatura ambiente serão necessários pelos menos uma década de pesquisas e investimentos. - Mas tenho certeza de que não faltarão investimentos para isso lá fora - completa o professor. 4
2. Estado físico O termo estado tem alguns significados diferentes em química. Um dos significados que já discutimos aparece na expressão: estados da matéria que está relacionado com a forma física em que a matéria se encontra. Um segundo significado aparece na expressão: estado físico ou apenas estado. Estado é uma condição específica de uma determinada amostra de matéria. Esta condição específica é descrita em termos de sua forma física, do seu volume, da sua pressão, da sua temperatura e da quantidade de substância presente. Ex. 1Kg do gás hidrogênio em um cilindro de 10L, numa certa pressão e temperatura está em um estado particular. A mesma massa de gás em um cilindro de 5L está num estado diferente 10L 5L Ou seja, duas amostras de uma determinada substância só estão num mesmo estado se elas possuem a mesma forma física e se elas têm a mesma massa, volume, pressão e temperatura. Massa de uma amostra (m): é uma medida da quantidade de matéria que essa amostra possui. A unidade no SI é o quilograma (Kg) Volume de uma amostra(v): é a quantidade de espaço que ela ocupa. A unidade no SI é o m 3 Pressão (p): é a força (F) dividida pela área (A) onde está força atua. A unidade no SI de pressão é chamada pascal (Pa). 1 Pa = 1 Kg.m -1.s -2 F p = A 5
A pressão pode surgir de modos diferentes da atração gravitacional que a Terra exerce num objeto. Por exemplo: O impacto de moléculas de gás em uma superfície da origem a uma força e consequentemente a uma pressão. Se um objeto é imerso em um gás, ele experimenta uma pressão sobre toda a sua superfície porque as moléculas do gás colidem com ele a partir de todas as direções. A atmosfera exerce uma pressão sobre todos os objetos que se encontram nela. Somos constantemente atingidos por moléculas de gás que se encontram na atmosfera, e experimentamos essas colisões como sendo a pressão atmosférica. Exercício: Será que um fio de náilon pode atravessar um cubo de gelo sem cortá-lo? A resposta é sim. Aos poucos, o fio de náilon vai entrando no gelo até atravessá-lo por completo, sem cortá-lo! Mas como isso é possível? Resp.: Quando aumentamos a pressão sobre o gelo, ele derrete. E o fio de náilon, que tem as garrafas penduradas, exerce uma grande pressão sobre o gelo na parte em que ele se apóia. Nessa parte de contato, o gelo derrete e o fio desce até encontrar gelo novamente. A pequena parte de água líquida que fica acima do fio, torna-se livre do peso dele e volta a congelar porque sua temperatura permanece abaixo de zero e não está mais sob pressão alta, mas à pressão normal, ou seja, condições propícias para a água virar gelo. 6
Pressão hidrostática: O volume de um cilindro de líquido de altura h e área de seção reta A é ha. A massa, m, desse cilindro de líquido é o volume multiplicado pela massa específica (densidade), ρ, do líquido, ou seja, m = ρ. ha. A força para baixo exercida por essa massa é m.g, onde g é a aceleração da gravidade (medida da atração gravitacional da Terra sobre um objeto), g = 9,81 m.s -2 ao nível do mar. Portanto a força exercida pela coluna é: F = ρ.ha.g. Essa força atua sobre a área A na base da coluna. Sabendo-se que P = F/A, então P = ρ.ha.g/a, isto é: P = g.ρ.h (1) Temperatura (T): Cientificamente falando a temperatura é a propriedade de um objeto que determina em que direção a energia fluirá quando este objeto entrar em contato com outro. A energia flui da temperatura mais alta para a temperatura mais baixa. Quando os dois corpos tiverem a mesma temperatura, não haverá mais nenhum fluxo líquido de energia entre eles. Neste caso dizemos que os dois corpos estão em equilíbrio térmico. A unidade de temperatura termodinâmica no SI é Kelvin (K). As escalas Celsius e Kelvin estão relacionadas por: T (em kelvin) = θ (em graus Celsius) + 273,15 (2) Quantidade de uma substância (n): A massa é uma medida da quantidade de matéria em uma amostra independente de sua identidade química. Entretanto, em química é normalmente mais útil conhecer a quantidade de cada tipo específico de átomo, molécula, ou íon em uma determinada amostra. 7
Assim os químicos introduziram o mol. Um mol de determinadas partículas é igual ao número de átomos contidos em exatamente 12 gramas de cabono 12. Ou seja, em 12g de carbono 12 existem 6,022 x 10 23 partículas, assim esse é o número de partículas em um mol de qualquer substância. Esse número é obtido dividindo 12g pela massa de um átomo de carbono 12 (1,99265 x 10-23 g) determinada através de um espectrofotômetro de massa. 1 mol de X corresponde a 6,022 x 10 23 unidades de X O termo quantidade de substância (n) ainda não tem uma larga aceitação entre os químicos que geralmente utilizam (coloquialmente) o termo número de moles em uma amostra. O número de partículas por mol, 6,022 x 10 23 mol -1, é chamado de constante de Avogadro (N A ). Essa constante é usada na conversão entre a quantidade química (número de mols) e o número de átomos, íons ou moléculas. Massa molar (M): massa por mol de uma substância, ou seja, é a massa de uma amostra da substância dividida pela quantidade química de átomos ou moléculas. m M = (3) n A massa molar (valores encontrados na tabela periódica) de uma amostra típica de carbono, a massa por mol de átomos de carbono (com os átomos de carbono 12 e carbono 13 nas suas abundâncias típicas) é 12,01 g/mol. De forma simplificada a Massa Molar é o peso em gramas de 6,022 x 10 23 átomos, íons ou moléculas. 8
Exercícios- Lista 1 1) Utilizando a metodologia vista em sala de aula, Expresse: (a) 110 kpa em Torr (c) 2,15 x 10 4 Pa em atmosferas (b) 0,997 bar em atmosferas (d) 723 Torr em pascals. 2) Calcule a pressão na fenda de Mindañao, perto das Filipinas, a região mais profunda dos oceanos. Considere a profundidade como sendo de 11,5 Km e use para a densidade da água do mar 1,10 g.cm -3. 3) A pressão atmosférica na superfície de Marte, onde g=3,7 m.s -2, é somente 0,0060 atm. Até que ponto essa baixa pressão é devido à baixa pressão gravitacional e não ao fato de a atmosfera ser rarefeita? Que pressão a mesma atmosfera exerceria sobre a Terra, onde g = 9,81 m.s -2. 4) Qual a diferença de pressão que existe entre o início e o fim de um canudo de 15cm de comprimento, na posição vertical, quando se bebe através dele água líquida com uma densidade de 1,0 g.cm -3? 5) A água no tubo aberto de um manômetro, conectado a uma incubadora, estava 3,55cm (h) abaixo da água no outro ramo do manômetro, e a pressão atmosférica era 758 Torr. Qual era a pressão dentro da incubadora? 6) Sabendo que as escalas de temperatura Celsius e Fahrenheit estão relacionadas por θ Fahrenheit /ºF = [(9/5).θ Celsius /ºC + 32], qual é a temperatura do zero absoluto (T= 0) na escala Fahrenheit? 7) A escala Rankine é usada em algumas aplicações de engenharia. Nessa escala, o zero absoluto de temperatura é igual a zero, mas o tamanho do grau Rankine (ºR) é igual ao do grau Fahrenheit (ºF). Qual é o ponto de ebulição da água na escala Rankine? 8) A massa molar da mioglobina, uma proteína que armazena oxigênio, é 16,1 kda. Quantas moléculas de mioglobina estão presentes em 1,0 grama do composto? 9) A massa de uma célula vermelha do sangue é aproximadamente 33 pg, e ela contém normalmente 3 x 10 8 moléculas de hemoglobina. Cada molécula de hemoglobina é um tetrâmero de uma molécula semelhante à mioglobina (ver exercício anterior). Que fração da massa da célula é devido à hemoglobina? 9
RESPOSTAS: 1º) a) 825 Torr; b) 0,984 atm; c) 0,212 atm; d) 9,64 x 10 4 Pa 2º) 1,24 x 10 8 Pa ( = 1,22 x 10 3 atm) 3º) 1,6 x 10-2 atm 4º) 1,5 x 10 3 Pa ( = 1,5 x 10-2 atm) 5º) 755 Torr 6º) -459,67 o F 7º) 671,67 o R 8º) 3,74 x 10 19 moléculas 9º) 0,97 ou 97% 10