Estados Físicos da Matéria

Os estados físicos da matéria estão relacionados com o condicionamento que encontramos determinadas substâncias, materiais e compostos na natureza. Por exemplo, a madeira é solida, a água é encontrada em seu estado líquido, sólido e gasoso, a queima do carvão libera CO_2­ no estado gasoso.

Essas características são determinadas de acordo com o estado de agregação da matéria, isto é, como os átomos estão organizados para formar determinada substância, composto ou material. Quando tratamos do conceito de matéria, estamos fazendo o uso de suas propriedades. Portanto, estudar os estados físicos da matéria é estudar determinadas propriedades, neste caso, classificadas como propriedades específicas da matéria.

Principais Conceitos

Matéria: a matéria é composta por um conjunto de partículas menores, átomos e moléculas, que interagem entre si. Desse modo, tudo que ocupa um determinado espaço e pode ser medido, chamamos de matéria. Por exemplos: ar, ferro, alumínio, madeira, etc.

A matéria pode se apresentar em três estados de agregação: sólido, líquido e gasoso.

Sólido: a matéria apresenta forma definida e seu volume não varia significativamente com variações de temperatura e pressão. A energia cinética do sistema é pequena, ou seja, a movimentação entre as partículas é desprezível. As partículas que constituem o sólido estão ligadas de tal forma que não há uma movimentação livre entre elas, pois se encontram muito próximas umas das outras.  Exemplo: barra de ferro.

Líquido: no estado líquido, as partículas que constituem a matéria se movimento mais livremente, a energia cinética comparada ao estado sólido é maior. Desta forma, as partículas deslizam uma sobre as outras, adaptando-se ao volume do recipiente que as contêm. A força de atração entre as partículas, no estado líquido, é forte o bastante para que não haja uma variação considerável no volume e são de difícil compressão. Portanto, a matéria no estado líquido apresenta volume constante. Exemplo: um copo contendo água líquida.

Gasoso: no estado gasoso a matéria não apresenta forma definida e não tem volume constante podendo ocupar todo o espaço do recipiente que as contêm, são facilmente compressíveis e expansíveis. As forças de interação entre as partículas são muito fracas, apresentam energia cinética maior que as substâncias que se encontram no estado líquido ou sólido, desse modo, estão praticamente livre e apresentam alta mobilidade. A densidade de substâncias no estado gasoso é menor se comparada a densidade de substâncias no estado sólido e líquido. Exemplo: bexiga cheia de ar.

Mudanças no estado de agregação

Mudanças no estado de agregação da matéria estão envolvidas com a liberação e absorção de energia nos processos de transformações físicas e químicas.

Por exemplo:

Para que água líquida atinja o estado gasoso é necessário fornecer energia na forma de calor, desse modo, a água é aquecida, o sistema absorve uma determinada quantidade de energia, aumenta-se o grau de agitação entre as moléculas até que ocorra de fato a mudança para estado gasoso.

No sentido inverso, para precipitar o vapor d’água, ou seja, condensar a água, é necessário que uma determina quantidade de energia seja liberada pelo sistema. Neste sentido, as partículas liberam a energia na forma de calor, diminuindo o grau de agitação entre elas até que ocorra a mudança para o estado líquido.

Essa variação de mudanças no estado físico da matéria, devido a absorção e liberação de energia na forma de calor, denomina-se mudanças no estado de agregação da matéria.

Conforme o esquema a seguir, as mudanças no estado de agregação da matéria são:

Fusão: passagem do estado sólido para o líquido. O processo ocorre quando aquecemos um determinado material, ou seja, quando há absorção de energia na forma de calor.

Solidificação: passagem do estado líquido para o sólido. O processo ocorre quando o material é resfriado, ou seja, quando há liberação de energia na forma de calor.

Vaporização: passagem do estado líquido para o gasoso. Ocorre quando há absorção de energia na forma de calor. Pode ocorrer de três formas: evaporação; ebulição; calefação.

– Evaporação: ocorre quando a matéria no estado líquido vaporiza lentamente à temperatura e pressão ambiente.

– Ebulição: ocorre quando a matéria no estado líquido vaporiza rapidamente, à temperatura constante e quando a pressão de vapor é maior que a pressão atmosférica.

– Calefação: ocorre quando a matéria no estado liquido passa ao estado gasoso de forma abrupta, repentinamente por estar em temperatura acima do ponto de ebulição. Exemplo: água no estado líquido sobre chapa superaquecida.

Condensação: também pode ser chamada de liquefação, é a passagem do estado gasoso pata o líquido. Ocorre quando há liberação de energia na forma de calor.

Sublimação: é a passagem direta para do estado sólido para o gasoso. Ocorre quando há absorção de energia na forma de calor. Exemplos: gelo seco (CO₂ sólido); naftalina; iodo.

O processo inverso, onde há liberação de energia, é chamado de ressublimação ou deposição.

Os processos, os quais ocorrem absorção de energia, são chamados de transformações endotérmicas.Os processos, os quais ocorrem liberação de energia, são chamados de transformações exotérmicas.

Exemplos:

Reações químicas que absorvem energia:

– Processo de fotossíntese, energia luminosa é fornecida as plantas;

– Energia elétrica fornecida ao processo de cromagem de para-choques de automóvel.

– Energia mecânica pode acionar dispositivos de detonação de explosivos;

– Energia térmica fornecida ao processo de cozimento de alimentos;

Reações químicas que liberam energia:

– queima do carvão libera energia térmica;

– queima de uma vela libera energia luminosa;

– pilhas convertem energia química em energia elétrica;

– queima da gasolina em motor de automóvel produz energia cinética;

Ponto de Ebulição e Fusão

Ponto de ebulição: é a temperatura constante na qual um líquido passa para o estado gasoso quando há absorção de uma determinada quantidade de energia pelo sistema. Também pode ser referência à temperatura constante durante o processo de condensação, ou seja, quando uma determinada quantidade de energia é liberada.

Ponto de fusão: é a temperatura constante na qual um sólido passa para o estado líquido quando há absorção de uma determinada quantidade de energia pelo sistema. Também pode ser referência à temperatura constante durante o processo solidificação.

Curvas de Aquecimento e Resfriamento

Os gráficos acima representam o comportamento do estado de agregação da água. A curva de aquecimento nos fornece as seguintes informações:

Primeiro, vamos considerar os valores à pressão de 1atm ao nível do mar, desse modo, podemos perceber que a fusão da água ocorre em 0ºC (Celsius). Então, o ponto de fusão (PF) da água é em temperatura constante de 0ºC. A variação da temperatura ocorre quando a fase da água atinge o estado líquido em L, isto é, quando ocorre a mudança de fase.  O processo de ebulição ocorre à temperatura constante, neste caso, o ponto de ebulição (PE) da água é 100ºC. À vista disso, quando a água se encontra no estado líquidoa variação de temperatura ocorre quando a fase começar a atingir o estado gasoso em G, ou seja, quando inicia o processo de mudança de fase para o estado gasoso. Portanto, trata-se do processo de transformação endotérmica.

A curva de resfriamento nos fornece as seguintes informações:

Considerando os valores à pressão de 1atm e ao nível do mar, o PE da água é 100ºC, porém, está ocorrendo o resfriamento do vapor da água, isto significa que há liberação de energia por parte do sistema, a condensação da água ocorre em temperatura constante. A variação de temperatura nota-se nos intervalos de mudança de fase, neste caso no resfriamento da agua em G e ao começar a atingir o estado líquido em L. O PF da água é 0ºC, pelo fato de estar ocorrendo liberação de energia na forma de calor, a solidificação ocorre em temperatura constante. A variação de temperatura nota-se nos intervalos de mudança de fase, neste caso em L e ao começar a tingir o estado sólido, em S. Portanto, trata-se de um processo de transformação exotérmica.

Há uma propriedade que pode ser afetada significativamente com as mudanças no estado de agregação. A densidade é uma propriedade que depende da variação do volume, o qual pode sofrer alterações devido as mudanças de temperatura e pressão.

Densidade

É a propriedade que relaciona a massa de uma amostra de matéria e o volume ocupado por essa amostra de matéria. A unidade é expressa em g (gramas) por centímetro cúbico (cm³), g/cm³ ou g.cm^-3. Deste modo, podemos estabelecer a seguinte expressão:

onde d é a densidade;
m é a massa (g);
V é o volume (cm³).

A densidade da água é 1 g/cm³ a 1 atm ao nível do mar, portando, dizemos que em 1 cm³ de água tem 1 g. Ao compararmos volumes iguais de materiais diferentes, dizemos que o mais denso é aquele que possuir maior massa.

Os estudos dos estados físicos da matéria nos fornecem conhecimentos para entender as diferentes propriedades entre diversos materiais, bem como, suas manipulações e as diferenças entre suas composições.

Exercícios resolvidos

1) Há dois béqueres contendo distintos componentes imersos em banho maria, sob pressão de 1 atm, conforme a figura a seguir:

Dados:

PF do acético é 17ºC e o PE é 118ºC;
o PF do bromo é -7ºC e o PE é 59ºC;

De acordo com esses dados e com as informações contidas na figura, responda qual o estado físico predominante de cada um desses componentes?

Resolução

O ácido acético está imerso em óleo a 150ºC, o PE é de 118ºC, a temperatura do meio é maior que o PE do ácido, portanto, o ácido acético se encontra no estado gasoso.

O Br₂ está imerso em água líquida em equilíbrio com gelo, o meio está em torno de 0ºC, o PF é menor que a temperatura do meio, portanto, o Br_2­ se encontra no estado líquido.

2) Ao passarmos um algodão embebecido com acetona nas mãos, notaremos uma sensação de “gelado”. Tal efeito acontece devido ao processo de evaporação da acetona. Explique esse fenômeno de acordo com o processo de transformação do estado de agregação.

Resposta: A evaporação da acetona consiste na mudança de fase do estado líquido para o gasoso à temperatura ambiente. A pele da mão fornece energia suficiente para que ocorra essa mudança no estado de agregação da acetona. A sensação de “gelado” indica que há absorção de energia, ou seja, a acetona absorve energia na forma de calor da pele das nossas mãos. Este processo, então, consiste em uma transformação endotérmica.

Bons estudos!

David Pancieri Peripato