Os estados de agregação da matéria

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Os Estados de Agregação da Matéria
Juan Omar M. Herrera(DQI-IQ)
11 de abril de 2016
Os Estados Gás e Líquido
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GÁS: Partículas com alto grau de desordem. Forças intermoleculares des-
prezíveis. Densidade muito baixa. Coeficiente de expansão térmico alto.
Energia cinética por partícula muito alta. Em altas temperaturas e baixas
pressões tem comportamento de gás ideal. Em altas pressões e baixas
temperaturas podem se liquefazer. Viscosidade muito baixa. Ocupa total-
mente o recipiente que o contem. Não tem volume próprio.
LÍQUIDO: Partículas com moderado grau de desordem. Desordem global e
Ordem local. Forças Intermoleculares de moderadas a alta. Densidade de
moderada a alta. Coeficiente de expansão térmico baixo. Energia Cinética
por partícula baixa. Presença de Ligações Ponte de Hidrogênio. Viscosi-
dade de moderada a alta. Tensão Superficial. Ocupa o recipiente que o
contem. Tem volume próprio. As forças de atração e de repulsão são da
mesma ordem de grandeza. As partículas podem se mover com certas
restrições.
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SÓLIDO: Partículas com alto grau de ordem. Forças Intermoleculares in-
tensas. Densidade alta a muito alta. Coeficiente de expansão térmico baixo.
Energia Cinética por partícula muito baixa. Podem ser de natureza metálica
ou iônica ou molecular ou covalente. Viscosidade "quase"infinita. Tem vo-
lume próprio. Predominam as forças de atração sobre as forças de repulsão.
As partículas apenas podem vibrar em torno de suas posições de equilíbrio.
Os sólidos são aproximadamente 20% mais denso que os líquidos e 800
vezes mais densos que os gases.
Densidade (g cm−3)
sólido líquido gasoso ρsólido
ρlíquido
ρsólido
ρgás
N2 1,026 0,808 0,0013 1,270 789
O2 1,426 1,144 0,0014 1,247 997
Ar 1,650 1,400 0,0018 1,179 917
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As propriedades macroscópicas da matéria resultam da combinação das
propriedades moleculares individuais e do seu arranjo coletivo, que re-
sulta das interações intermoleculares, que por sua vez são consequência
das propriedades elétricas das partículas (momentos de dipolo e polariza-
bilidades). A matéria é descontínua ou discreta, formada por um número
extremamente grande de partículas microscópicas, em movimento térmico
contínuo e aleatório.
As partículas se aproximam por forças atrativas e se afastam por forças
repulsivas. A natureza eletrostática dessas forças conhecidas como inte-
rações não-covalentes depende do tipo de interação intermolecular: Van
der Waals (dipolo–dipolo, dipolo–dipolo induzido), Dispersivas de London
(dipolo induzido–dipolo induzido), Ligação Ponte de Hidrogênio e Eletros-
táticas de Coulomb.
A intensidade das forças de London aumentam com a massa molar: o pro-
pano C3H8 é um gás, o pentano C5H12 é um líquido, o penta-decano C15H32
é um líquido viscoso e o octa-decano C18H38 é uma cera sólida.
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Dispersão: É um sistema em que uma substância (disperso) está dissemi-
nada numa outra substância (dispersante). Esse sistema pode ser classifi-
cado nas seguintes categorias:
Solução: É um sistema cujas partículas possuem diâmetros inferiores a
1nm, são homogêneas, não sedimentam por ação da gravidade e não fil-
tram. Nesta faixa de tamanhos o movimento térmico é suficiente para man-
ter a homogeneidade superando os efeitos da atração gravitacional.
Dispersão Coloidal: É um sistema cujas partículas possuem diâmetros en-
tre 10nm e 100nm, estão no limite da homogeneidade e não podem ser
separados por filtração. Os coloides são de natureza instável e podem ser
destruídos por agentes químicos e sedimentar por ação da gravidade. Se
as condições são favoráveis os coloides podem ser muito estáveis.
Suspensão: É um sistema cujas partículas possuem diâmetros superiores
a 100nm, são heterogêneas, sedimentam por ação da gravidade e podem
ser separadas por filtração.
Caraterísticas
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• O sangue é um exemplo de mistura que possui uma parte de solução,
composta pelas sais minerais e ureia, uma parte coloidal representada
pela albumina e fibro-gênio e uma parte suspensão formadas pelos gló-
bulos brancos e vermelhos.
• As propriedades óticas das soluções coloidais dependem do tamanho
das partículas. A dispersão da luz por partículas coloidais gera o Efeito
Tyndall.
• As partículas coloidais seguem trajetórias aleatórias devido ao cons-
tante choque destas com as moléculas do solvente. Este movimento
em ziguezague das partículas e o Movimento Browniano.
• O tamanho pequeno das partículas dos coloides sólidos determina sua
área superficial e carateriza seu comportamento.
Propriedades de Coloides
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• Os coloides são suspensões nas quais as partículas suspensas são
maiores do que as moléculas, mas pequenas demais para saírem da
suspensão devido à gravidade. É um sistema heterogêneo em que as
fases não se separam. A interface entre as fases contínua e dispersa
determina o comportamento e as propriedades do coloide.
• A interação entre ambas fases é de natureza eletrostática, conhecida
como interação não–covalente ou intermolecular. O tamanho e a
forma das partículas determinam a Área da superfície dispersa do co-
loide.
• O tamanho desta área é fundamental nos fenômenos de adsorção su-
perficial. Se as partículas dispersas tem tamanhos diferentes, o sis-
tema coloidal é polidisperso e corresponde à maioria dos coloides. Se
as partículas dispersas tem tamanhos semelhantes sãomonodisperso,
seria o caso de macromoléculas.
Coloides
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Tipo de Coloides
Fases
Contínua Dispersa Nome Comum Exemplos
Gás líquido Aerossol líquido nuvens, névoa
sólido Aerossol sólido fumaça, poeira
Líquido gás Espuma espuma de sabão
líquido Emulsão leite, maionese, cremes
sólido Sol tintas, pasta de dentes
Sólido gás Oclusão isopor, pedra-pomes
líquido Gel gelatina, queijo, geleias
sólido Soluções Sólida pérolas
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Diferenças entre Soluções e Coloides
Propriedade Solução Coloide
Efeito Tyndall Não apresenta Apresenta
Floculação Não Flocula Flocula
Diálise Não Separa Separa
Movimento Browniano Não Apresenta Apresenta
Propriedades Coligativas Sensível Pouco Sensível
Soluções: Propriedades
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• Soluções são misturas homogêneas, com a mesma composição em
toda a mistura.Contêm dois componentes: o soluto (disperso ou fase
dispersa) e o solvente (dispersante ou fase contínua). Qualquer rea-
gente que sofre uma mudança de estado ao formar uma solução é o
soluto. Se nenhum dos componentes da solução sofre mudança de
estado, o componente presente na menor quantidade é o soluto.
• Concentração: É uma medida das quantidades relativas dos compo-
nentes de uma solução. Corresponde a razão entre a quantidade de
soluto e a quantidade de solvente, ou de solução e pode ser expressa
em unidades físicas ou em unidades químicas.
concentração =
quantidade de soluto
quantidade de solvente ou solução
Soluções
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Tipo de Soluções
Fases
Solvente Soluto Exemplo
Gasosa Gasosa ar
Líquida ar úmido
Sólida fumaças leves
Líquida Gasosa Refrigerantes
Líquida Vinagre
Sólida Água do mar
Sólida Gasosa H2 adsorvido em metais
Líquida Sílica–gel saturada
Sólida Ligas metálicas
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• Solubilidade: É a quantidade máxima de um soluto capaz de se dis-
solver totalmente numa quantidade padrão (massa ou volume) de sol-
vente,ou de solução em determinada temperatura. Em geral Solubilida-
des menores que 0,01 mol/L serão consideradas substâncias insolú-
veis.
• Uma solução é Insaturada se a quantidade de soluto dissolvido é infe-
rior a solubilidade, Saturada se a quantidade de soluto dissolvido é igual
a solubilidade e Supersaturada se a quantidade de soluto dissolvido é
superior a solubilidade.
• A solubilidade depende da temperatura. Em geral aumenta com o au-
mento da temperatura, porém também pode diminuir, dependera da na-
tureza termodinâmica do processo de dissolução.
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As propriedades químicas das soluções dependem da quantidade e da na-
tureza do soluto dissolvido. Em termosda natureza do soluto podemos
dizer que uma solução será:
• Eletrolito: O soluto é uma substancia iônica ou muito polar que em
solução dissocia-se totalmente (eletrolito forte) ou parcialmente (eletro-
lito fraco). A concentração total de partículas presentes na solução é
sempre maior que a concentração inicial da substancia a ser dissolvida.
• Não Eletrolito: O soluto é uma substancia não-polar que se dissolve,
mais não se dissocia, permanecendo na condição molecular. Podem
ser voláteis ou não voláteis. A concentração total das partículas na
solução é igual a concentração total da substancia dissolvida.
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Em termos da concentração do soluto, assumindo que uma concentração
inferior a 0,1 mol por litro é diluída, as propriedades das soluções podem
ser:
• Constitutivas: quando as propriedades dependem da natureza e do
número de partículas geradas pelo soluto dissolvido. Exemplo: visco-
sidade, densidade, condutividade elétrica. Em concentrações elevadas
as interações eletrostáticas ou não covalentes são intensas permi-
tindo que íons de cargas opostas formem pares iônicos, diminuindo o
número total de íons livres em solução.
• Coligativas: quando as propriedades dependem apenas do número de
partículas geradas (moléculas, íons, átomos) pela dissolução do soluto.
Exemplo: aumento ebulioscópico, abaixamento crioscópico, pressão os-
mótica, variação da pressão de vapor do solvente. Em soluções sufi-
cientemente diluídas, as interações eletrostáticas são minimizadas, de
maneira que os íons podem se mover na solução como partículas inde-
pendentes.
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Refere-se a forma de expressar a concentração como porcentagem (%) em
termos de: massa/massa, massa/volume e volume/volume. A composição
percentual, é a proporção, em partes, por cada 100 partes dum todo. Apli-
cado a soluções podemos dizer que corresponde ao número de unidades
de massa de soluto por 100 unidades de massa de solução ou de solvente.
O mesmo é valido para volumes.
% (m/m) =
massa do soluto
massa de solvente ou massa de solução
× 100%
% (v/v) =
volume do soluto
volume de solvente ou volume de solução
× 100%
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Uma solução aquosa de NaCl preparada dissolvendo 10,0 gramas de NaCl
em 100 gramas de água terá uma concentração de:
por massa de solvente:
%(m/m) =
10,0 g NaCl
100 g H2O
= 0,100 = 10,0%
por massa de solução:
%(m/m) =
10,0 g NaCl
110 g solução
= 0,091 = 9,09%
massa de soluto por 100 gramas de solvente é muito usada para expressar
solubilidade. A solubilidade do NaCl é de 36,0 gramas de sal por 100
gramas de água.
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O soro fisiológico é uma solução isotônica em relação aos líquidos corporais
que contém 0,9% de cloreto de sódio em água destilada. Ou seja, cada
100mL da solução aquosa contém 0,9g de NaCl a pH 6,0. Calcular a
porcentagem em peso do NaCl de uma solução feita dissolvendo 4,6g de
NaCl em 500g de água destilada.
%(m/m)NaCl =
4,6 gNaCl
504,6 gSolução
× 100% = 0,91%
Se em vez da massa da solução (504,6g) usarmos a massa do solvente
puro (500,0g) podemos calcular a porcentagem e obter um valor de 0,92%,
praticamente igual ao valor anterior. Isto é, em soluções diluídas e muito di-
luídas a densidade da solução e praticamente a mesma do solvente puro.
Quando falamos que o soro fisiológico contém 0,9g de NaCl estamos
dizendo que existem 0,354g de íons Na+(aq) e 0,546g de íons cloreto
Cl–(aq).
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Quando a massa do soluto é dada em mol a concentração da solução es-
tará em unidades químicas. As mais utilizadas em cálculos químicos de
soluções são a concentração molar ou molaridade e amolalidade. Para
cálculos de soluções gasosas é conveniente usar fração molar.
Concentração molar =
mols de soluto
litros de solução
É a unidade mais importante em definições termodinâmicas, cinéticas, entre
outras. Sendo uma unidade de natureza volumétrica, a concentração molar
é sensível a variação de temperatura.
Molalidade =
mols de soluto
quilogramas de solvente
É uma unidade híbrida de natureza gravimétrica, e portanto, independente
da temperatura. Muito usada em definições e cálculos de propriedades
coligativas.
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Partes por milhão ppm (em massa ou volume): Representa o número de
partes de um componente contido em um milhão de partes de uma solução
ou de um solvente.
ppm =
massa do soluto
massa total da solução
× 106
Assim um ppm corresponde à um grama de soluto por milhão de gramas
de solução ou um miligrama de soluto por cada quilograma de solução. Não
existe consenso de quais unidades são apropriadas para exprimir as con-
centrações de substâncias no ar. Consideremos, por exemplo, uma concen-
tração de 2 ppm de qualquer poluente gasoso presente no ar, isto significa
que podemos ter:
• 2 moléculas de poluente em 1 milhão de moléculas de ar.
• 2 mols de poluente por milhão de mols de ar.
• 2× 10−6 atmosferas de pressão parcial de poluente por 1 atmosfera de
pressão total de ar.
Exemplo
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Químicas
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Poluentes: ppm
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• Exemplo
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• Exemplo 03
• Exemplo 04
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Vamos expressar uma concentração de 2 ppm, em moléculas de poluente
por centímetros cúbicos (cm3) de ar, em CNTP. Precisamos conhecer o
volume, em cm3, que 1 milhão de moléculas de ar ocupam e saber quantos
mols estão contidos nessa quantidade de moléculas.
n =
106moléculas
6,022× 1023moléculas/mol
= 1,66× 10−18mol
V =
(1,66× 10−18mol) (0,082 L atmmol−1 K−1)(298K)
1 atm
= 4,06× 10−17 L = 4,06× 10−14 cm3
c =
2 moléculas
4,06× 10−14 cm3
= 4,9× 1013
Ou seja, há 49 trilhões de moléculas de poluente por cm3 de ar. Se o
poluente é uma substância, de massa molar conhecida, podemos expressar
a concentração em miligramas por metro cúbico, mgm−3.
Exemplo
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A legislação trabalhista brasileira, considera que o limite de tolerância (LT)
para uma jornada semanal de 48 horas seja, no caso do monóxido de car-
bono CO de, no máximo 39 ppm. Aproveitando os resultados acima, pode-
mos expressar o LT do CO em mgm−3:
massa de CO = (
39 moléculas de CO
6,022× 1023mol−1
)(28,0 gmol−1)
= 1,814× 10−21 g
massa de CO(g)
volume(m3)
=
1,814× 10−21 g
4,06× 10−20m3
= 0,0447 gm−3
= 44,7mgm−3
Análise Dimensional: Fatores de Conversão
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Qualquer grandeza física de umamesma categoria pode ser expressa como
o produto de um número e a grandeza de referência, chamada unidade:
grandeza física = valor numérico× unidade
Ao realizar cálculos numéricos com as grandezas físicas podemos multipli-
car e dividir as unidades da mesma forma como fazemos com números. Isto
é, as unidades são tratadas como grandezas. Esta metodologia é conhe-
cida como análise dimensional e pode ser descrita de uma forma geral:
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grandeza dada = (número)× unidade dada
grandeza requerida = (número novo)× unidade requerida
fator de conversão =
unidade requerida
unidade dada
grandeza dada× fator de conversão = grandeza requerida
onde o fator de conversão pode ser definido a partir de uma relação equi-
valente ou unidade derivada. Também poder ser derivado como a razão
de duas grandezas físicas. Ele converte uma grandeza expressa numa uni-
dade, na mesma grandeza expressa em outra unidade. Este fator pode
ser unitário se existe um número exato que relacione a grandeza em duas
unidades diferentes.
Fator de Conversão
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Suponhamos, por exemplo, que se deseja exprimir o volume dado em cen-
tímetros cúbicos em litros (L) o fator de conversão unitário será:
relação de equivalência1 L = 103 cm3
fator de conversão unitário =
1 L
103 cm3
=
103 cm3
103 cm3
= 1
Este fator de conversão pode, também, ser definido entre unidades arbi-
trárias, nas quais não existe um número exato que as relacione. Se quere-
mos saber quantos centímetros há em 6,50 milhas serão necessárias varias
transformações unitárias para obter a resposta desejada.
Continuação
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1mi = 5280 ft, 1ft = 12 in, 1in = 2,54 cm
Agora podemos reagrupar os fatores e fazer a conversão:
6, 51✟✟mi×
5280��ft
1✟✟mi×
12✚✚in
1��ft
×
2, 54cm
1✚✚in
= 1,05× 106 cm
A velocidade da luz c é 2,998× 108ms−1 no SI, podemos expressar esta
grandeza no, sistema inglês, usando os fatores unitários anteriores:
2, 998× 108(
m
s
) = (
1in
0, 0254m
)(
1ft
12in
)(
1mi
5280ft
)(
3600s
1h
)
= 6, 7061× 108
mi
h
Exemplos 01 e 02
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1. Ingerimos cerca de 8400kJ por dia, apenas para mantermos vivos. A
que quantidade de energia elétrica isso corresponde?
(
8400 kJ
dia
)(
1000 J
1 kJ
)(
1 dia
86 400 s
) = (96,85
J
s
) = 96,85W
Ou seja, consumindo energia, vivemos e geramos calor como uma lâmpada
incandescente de 100 watts.
2. Calcule o volume (em metros cúbicos) ocupado por 1,278 mols de gás
ideal na pressão de 6,341 atmosferas e temperatura de 25 ◦C.
V =
(1,278mol)(8,3145 Jmol−1 K−1)(298,15K)
(6,341 atm)( 1 atm
101 325 Pa
)( 1 Pa
1 Nm
−2 )
= 4,931× 10−3 JN−1m2
= 4,931× 10−3 NmN−1m2 = 4,931× 10−3m3
Exemplo 03
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3. A promoção mensal de um supermercado é um pacote com 6 garrafas
de refrigerante (garrafas de 12 onças) por R$3,98. Mas a garrafa de 2 litros
custa R$2,58. Qual é mais econômica? A resposta é simples, porém não
direta: não existe conversão direta de onças para litros. Devemos usar o
fator unitário: 1m3 = 33 814 onças líquidas americanas.
1m3(
1000 L
1m3
)(
R$2,58
2 L
) = R$1290, 0
Para o pacote de 6 unidades:
1m3(
33814 onças
1m3
)(
pacote de 6
6x12 onças
)(
R$3,98
pacote de 6
) = R$1870, 0
Portanto a relação de custo indica que a garrafa de 2 litros é 45% mais
barata.
Exemplo 04
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4. Calcule a pressão exercida por uma coluna de mercúrio de 760mm.
P =
força
área
=
mg
A
=
mgh
V
= ρgh
onde m é a massa g é aceleração da gravidade, h é altura da coluna do
líquido, V é o volume e ρ é a densidade do líquido. Substituindo os valores
numéricos temos:
P = (13, 6
g
cm3
)(
10−3 kg
1 g
)(
1 cm3
10−6m3
)(9, 80
m
s2
)(760mm)(
10−3m
1mm
)
= (101328
kgm s−2
m2
) = 101328
N
m2
= 101 328Pa
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