Estados da matéria

Tudo ao seu redor é feito de pequenas partículas 粒子 — estas podem ser átomos 原子, moléculas 分子 ou íons 离子. A teoria cinética das partículas 粒子动理论 diz que essas partículas estão sempre em movimento. Como as partículas estão próximas, como são organizadas e como se movem decide se a matéria é um sólido 固体, um líquido 液体 ou um gás 气体.

Propriedades observáveis

Você não precisa de um microscópio para diferenciar os três estados. Eles se comportam de maneira diferente:

• Um sólido tem forma fixa e volume 体积 fixo. Não flui e você não pode compress 压缩 (apertá-lo para menores).
• Um líquido tem volume fixo, mas não tem forma fixa. Flui e assume a forma de seu recipiente. É quase impossível comprimi-lo.
• Um gás não tem forma fixa nem volume fixo. Flui e espalha-se para preencher todo o recipiente. Um gás é fácil de comprimir.

A tabela abaixo resume essas propriedades. Densidade 密度 significa quanto massa 质量 está compactada em um determinado volume.

A imagem das partículas

A teoria cinética das partículas explica essas propriedades olhando para três coisas: a separação 间距 das partículas (o quão distantes estão), sua arranjo 排列 (o padrão) e seu movimento 运动 (como se movem).

Fortes forças de atração 引力 mantêm as partículas unidas. Em um sólido, essas forças são fortes o suficiente para manter cada partícula no lugar, então um sólido mantém sua forma. Em um líquido, as forças são mais fracas, então as partículas podem se mover. Em um gás, as partículas movem-se tão rápido que as forças praticamente não atuam, então o gás se espalha.

Ao aquecer ou esfriar uma substância, ela pode mudar de um estado para outro. Você precisa saber o nome de cada mudança.

Um sólido puro derrete a uma temperatura fixa, o ponto de fusão 熔点. Um líquido puro ebule a uma temperatura fixa, o ponto de ebulição 沸点. A mesma substância congela em seu ponto de fusão e condensa em seu ponto de ebulição.

Alguns poucos substâncias mudam diretamente de sólido para gás sem primeiro derreter. Isso é chamado de sublimação 升华. Na foto abaixo, iodo sólido aquecido em um béquer transforma-se diretamente em gás roxo; o gás então esfria no balão redondo de gelo acima e volta a ser sólido.

Explicando mudanças de estado com a teoria das partículas

Cada mudança de estado é realmente uma mudança na energia 能量 das partículas.

• Quando você aquece um sólido, as partículas ganham energia e vibram mais rápido. No ponto de fusão, as partículas têm energia suficiente para se soltar de seus lugares fixos e deslizar ao redor — o sólido derrete.
• Quando você aquece um líquido, as partículas se movem mais rápido. No ponto de ebulição, elas têm energia suficiente para escapar completamente das forças de atração e se tornarem um gás.
• O resfriamento faz o oposto. As partículas perdem energia, movem-se mais lentamente e as forças de atração as puxam de volta para junto.

Durante uma mudança de estado, a energia é usada para romper as forças de atração, não para fazer as partículas se moverem mais rápido. É por isso que a temperatura permanece constante enquanto uma substância está derretendo ou fervendo.

Curvas de aquecimento e resfriamento

Uma curva de aquecimento 加热曲线 é um gráfico de temperatura contra tempo à medida que você aquece uma substância uniformemente. Uma curva de resfriamento 冷却曲线 é o mesmo gráfico, mas enquanto a substância esfria.

Em uma curva de aquecimento, há duas partes planas (horizontais):

• A primeira parte plana está no ponto de fusão. Aqui, sólido e líquido estão ambos presentes. A energia térmica rompe as forças que mantêm o sólido unido, então a temperatura não sobe.
• A segunda parte plana está no ponto de ebulição. Aqui, líquido e gás estão ambos presentes, e a temperatura novamente permanece constante.

Uma curva de resfriamento é o inverso. Ela tem uma parte plana no ponto de ebulição (o gás condensa) e uma parte plana no ponto de fusão (o líquido congela). À medida que as partículas desaceleram, energia térmica 热能 é liberada para o ambiente.

Um gás empurra as paredes do seu recipiente. Esse empurrão, distribuído sobre a área da parede, é a pressão 压强 do gás. A pressão vem das partículas do gás batendo nas paredes.

Efeito da temperatura

Se você aquecer uma massa fixa de gás mantendo a pressão constante, seu volume aumentará.

Usando a teoria das partículas: aquecer dá às partículas mais energia cinética 动能, então elas se movem mais rápido. Elas batem nas paredes com mais força e frequência. Para manter a pressão constante, o gás deve ocupar mais espaço, então o volume fica maior.

Se, em vez disso, o volume for fixo (um recipiente selado e rígido), aquecer o gás aumenta a pressão, porque as partículas mais rápidas colidem 碰撞 com as paredes com mais força e frequência.

Efeito da pressão

Se você aumentar a pressão sobre uma massa fixa de gás mantendo a temperatura constante, seu volume diminuirá. Apertar o gás em um espaço menor significa que as partículas batem nas paredes com mais frequência, o que é o que significa uma pressão maior.

Difusão 扩散 é a dispersão de partículas de uma região onde estão aglomeradas para uma região onde estão espalhadas — isto é, de alta concentração 浓度 para baixa concentração. Isso acontece porque as partículas estão sempre se movendo em direções aleatórias.

A difusão explica por que você pode cheirar comida do outro lado de uma sala: as partículas do odor se movem e se misturam com o ar até chegarem ao seu nariz. A difusão ocorre em gases e líquidos, mas não em sólidos, porque as partículas sólidas não podem se mover de um lugar para outro.

Taxa de difusão e massa molecular

Partículas de gás mais leves movem-se mais rápido que as mais pesadas na mesma temperatura. Portanto, um gás com menor massa molecular relativa 相对分子质量 (uma massa menor para cada molécula) tem uma taxa 速率 de difusão mais rápida.

Um experimento clássico mostra isso. Algodão embebido em amônia 氨气 ($\text{NH}_3$) é colocado em uma extremidade de um tubo de vidro longo. Algodão embebido em cloreto de hidrogênio 氯化氢 ($\text{HCl}$) é colocado na outra extremidade. Ambos os gases difundem ao longo do tubo e se encontram formando um anel branco de cloreto de amônio 氯化铵 ($\text{NH}_4\text{Cl}$).

A amônia tem $M_r = 17$ e o cloreto de hidrogênio tem $M_r = 36.5$. A amônia é mais leve, então ela difunde mais rápido e percorre uma distância maior ao longo do tubo. O anel branco forma-se mais próximo da extremidade do cloreto de hidrogênio.

Exemplo resolvido. Bromo ($M_r = 160$) e amônia ($M_r = 17$) são liberados simultaneamente das extremidades opostas de um tubo longo. Qual percorre uma distância maior antes de se encontrarem? Compare as massas moleculares relativas. A massa molecular relativa da amônia ⟨$M_r$⟩ é muito menor, então suas moléculas se movem mais rápido na mesma temperatura e difundem mais rapidamente. Portanto, a amônia percorre uma distância maior, e os dois gases se encontram mais próximo da extremidade do bromo. A regra é sempre "mais leve significa mais rápido" - argumente com base em $M_r$, nunca no tamanho da fórmula no papel.

• Durante a fusão e ebulição, a temperatura permanece constante (as partes planas de uma curva de aquecimento), porque a energia rompe as forças entre as partículas em vez de fazê-las se moverem mais rápido.
• A evaporação ocorre apenas na superfície e a qualquer temperatura; a ebulição ocorre em todo o líquido a uma temperatura fixa.
• Explique o comportamento dos gases usando a teoria das partículas: aquecer um gás a volume constante eleva a pressão porque as partículas batem nas paredes com mais força e frequência — as próprias partículas não ficam maiores.
• A difusão é mais rápida para partículas mais leves (menor $M_r$) e não pode ocorrer em sólidos. No tubo de amônia/cloreto de hidrogênio, a amônia mais leve percorre mais distância, então o anel branco forma-se mais próximo da extremidade HCl.