ESTUDO ORIENTADO DE FQII

Prévia do material em texto

ESTUDO ORIENTADO DE FÍSICO-QUÍMICA II 
ASSUNTO: TRANSFORMAÇÕES FÍSICAS DAS SUBSTÂNCIAS PURAS 
Baseado no Livro do Atkins, P. W. e Júlio de Paula, oitava edição. 
 
Conceitos/Definições importantes: 
Fase: forma de uma substância, uniforme em termos da composição química e estado físico, em toda a sua 
extensão. 
Diagramas de Fases: Os diagramas de fases são a forma esquemática de representar as mudanças de estado 
físico de substâncias puras em função da temperatura e pressão. 
Transição de fase: conversão espontânea de uma fase noutra faz, 
que ocorre a uma temperatura T para uma dada pressão p. 
Temperatura de transição, Ttrs – temperatura em que duas fases 
se encontram em equilíbrio e a energia de Gibbs é mínima, para 
uma dada pressão. 
Fase metaestável – fase que é termodinamicamente instável mas 
que persiste porque a transição tem uma cinética desfavorável 
(transformação muito lenta). Ex: o diamante é uma fase 
metaestável do Carbono a p e T normais. 
Pressão de Vapor de um líquido ou sólido é a pressão exercida 
pelo vapor em equilíbrio com a fase condensada. 
 
1) O que acontece com o líquido aquecido em recipiente aberto? Apresente uma discussão detalhada e uma 
ilustração das etapas do processo no espaço abaixo. Em sua discussão deixe claro a diferença entre os 
conceitos de EVAPORAÇÃO e EBULIÇÃO. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2) A figura abaixo retrata o aquecimento de um líquido no interior de um recipiente rígido e fechado. Neste 
caso o que acontece à medida que o aquecimento prossegue? Discuta de forma detalhada cada etapa. 
 
 
A figura abaixo mostra características gerais 
de um típico diagrama de fases. O diagrama de fases 
mostra as regiões de p e T a que as diversas fases são 
termodinamicamente estáveis. As linhas que 
separam estas regiões são as FRONTEIRAS DE FASE, 
e mostram os valores de T e P a que as duas fases 
coexistem em equilíbrio. Estas linhas também 
recebem à denominação de CURVAS DE EQUILÍBRIO 
(já que descrevem equilíbrios entre 2 ou mais fases). 
Na figura ao lado se observam 3 curvas: Curvas de 
Equilíbrio: sólido-vapor; sólido-líquido e líquido-
vapor. Você consegue identificá-las no diagrama? 
Note que acima de TC (temperatura crítica) 
existe uma fase única e uniforme, designada por 
FLUIDO SUPERCRÍTICO. Ao ponto em que a 
substância se encontra a TC e à correspondente 
pressão designa-se por PONTO CRÍTICO. Outro ponto importante que aparece no diagrama abaixo é o 
chamado PONTO TRIPLO, T3. Na figura abaixo este ponto corresponde ao valor de temperatura e pressão 
em que as 3 fases (sólido, líquido e gás) coexistem em equilíbrio. IMPORTANTE: Ressalta-se que existem 
diversos pontos triplos em um diagrama de fase de uma dada substância, sendo este que foi destacado o de 
maior importância em geral. Contudo, podem ser verificados em outras partes de um diagrama pontos triplos 
que equivalem à equilíbrios do tipo sólido, sólido, sólido. Portanto, o diagrama da figura abaixo, que é um 
esboço geral, mostra apenas características de um diagrama para situações de pressões e temperaturas mais 
corriqueiras (baixos valores). 
 
 
3) Agora sem observar o diagrama mostrado anteriormente desenhe novamente o diagrama no espaço 
abaixo destacando suas características mais gerais. Ainda, com relação ao que se vê no diagrama que 
acabou de desenhar o que você pode dizer sobre os limites de pressão e temperatura para ocorrência de 
ebulição? E no caso da fusão, qual a condição mínima para ocorrência desta transição de fase? 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4) A figura abaixo corresponde ao diagrama de fases experimental para o dióxido de carbono. Com relação 
à este diagrama responda: 
a) Quais são os valores de p e T no ponto Crítico? 
________________________________________________________ 
b) Quais são os valores de p e T do ponto triplo? 
________________________________________________________ 
c) É possível obter CO2 líquido à pressão atmosférica normal? 
Explique sua resposta. 
________________________________________________________ 
________________________________________________________ 
________________________________________________________ 
________________________________________________________ 
________________________________________________________ 
________________________________________________________ 
________________________________________________________ 
________________________________________________________ 
d) Apresente uma descrição a partir da leitura do diagrama acima sobre o que acontece quando coloca-se 
uma pedra de gelo seco (CO2 sólido) nas condições normais de pressão e temperatura de 25oC dentro de um 
béquer? 
 
 
5) A figura abaixo corresponde ao diagrama de fases experimental para a água. Com relação à este 
diagrama responda: 
a) Marque no gráfico a posição do ponto 
crítico, identificando-o com a letra A. 
b) Quantos pontos triplos você consegue 
visualizar no diagrama? _________________ 
c) Trace no diagrama ao lado uma isóbara na 
condição normal de pressão. 
d) Quantas fases sólidas distintas para a água 
podem ser observadas no diagrama 
apresentado?_______________________ 
e) No que se distinguem as diferentes fases 
sólidas da água? 
____________________________________ 
____________________________________ 
____________________________________ 
____________________________________ 
____________________________________ 
____________________________________ 
f) É possível sublimar a água? Explique com detalhes sua resposta. 
 
 
 
 
g) Compare as curvas de equilíbrios sólido-líquido do diagrama do CO2 (exercício anterior) com a da água. 
Que diferenças podem ser observadas nestas curvas e qual é a consequência física destas diferenças. 
 
 
 
 
 
 
h) A figura ao lado apresenta uma configuração da estrutura do 
GELO TIPO I (ver diagrama da água na figura acima). 
h1 - Quantas ligações de hidrogênio cada molécula de água realiza 
nesta fase? ______________________________________ 
h2 - Que tipo de arranjo espacial elas realizam nesta estrutura? 
___________________________________________________ 
h3 - Qual a consequência deste arranjo nas propriedades físico-
químicas macroscópica da água sólida (Gelo tipo I) como volume 
molar e densidade quando comparadas com a da água líquida? 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
h4 - Apresente exemplos de situações cotidianas que podem ser utilizadas como evidências desse arranjo 
espacial da água na fase sólida. 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
A figura ao lado corresponde ao diagrama de 
fases experimental para o 4He. A linha  marca as 
condições em que as duas formas de He líquido se 
encontram em equilíbrio. Note que esta é uma 
particularidade da substância Hélio, ou seja, ela possui 
mais de uma fase líquida, ao contrário das demais 
substâncias conhecidas. 
O diagrama mostra que o He II é um 
superfluido (flui sem viscosidade) e que o He sólido só 
pode existir a pressões superiores a 20 bar. 
Os termos hcp e bcc designam duas fases sólidas 
diferentes, em que os átomos de He se “empacotam” 
de forma diferente (hcp – empacotamento hexagonal 
fechado; bcc – empacotamento cúbico de faces 
centradas). 
6) Com base no diagrama do 4He, responda: 
a) Qual a temperatura de ebulição do Hélio na condição 
de padrão de pressão? ________________ 
b) Qual é a temperatura do ponto triplo? __________ 
c) Que tipo de transição de fase ocorre quando o 4He 
passa de T = 3K para T = 1K sob pressão constante igual à 1 bar? 
_______________________________________________________________________________________ 
d) Qual o equilíbrio que se estabelece no ponto triplo destacado no diagrama? 
_________________________________________________________________________________ 
e) Qual a condição de comportamento físico que permite diferenciar às duas fases do 4He líquidas? 
(Observação tente pesquisar na internet mais características sobre estas duas fases do hélio e descreva no 
espaço abaixo.) 
___________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
___________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
___________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
___________________________________________________________________________________ 
Transições de fase e estabilidade 
Resposta do potencial Químico à variação da temperatura 
 A propriedade termodinâmica central para o tratamento teórico sobre transições de fase e 
estabilidade é o chamado Potencial químico, simbolizado pela letra grega . Para um sistema de um 
componente, o potencial químico é igual à energia de Gibbs molar (para sistemas com mais componentes a 
definição muda um pouco e é mais abrangente como veremos mais tarde). 
𝜇 = (
𝜕𝐺
𝜕𝑛
)
𝑇,𝑃
 
Note que a notação na equação acima é a de derivada parcial. Você sabe explicar o porquê? 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
 
O potencial químico é uma medida potencial que uma substância tem para sofrer alterações 
químicas ou físicas. No caso de um sistema com um único componente sujeito a variações de pressão e 
temperatura,  representa o potencial da substância para sofrer transformações físicas. 
 
 
 
“NO ESTADO DE EQUILÍBRIO O POTENCIAL QUÍMICO DA SUBSTÂNCIA É IQUAL 
EM TODO O SISTEMA, QUALQUER QUE SEJA O NÚMERO DE FASES PRESENTES.” 
 
 
 
 
 
7) Apresente no espaço abaixo a equação fundamental da termodinâmica que permita interpretar os 
acontecimentos que ocorrem com uma substância pura quando sofrem alterações na suas condições de 
equilíbrio de fase dadas pela temperatura, pressão e quantidade de matéria. Em seguida reescreva esta 
equação unicamente em termos de variáveis intensivas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Sabe-se que a temperaturas baixas e pressões não excessivamente baixas, o estado sólido de uma 
substância apresenta o potencial químico mais baixo, ou seja, é a fase mais estável. A estabilidade de uma 
fase em relação à temperatura é dada pela expressão obtida a partir da equação fundamental da 
termodinâmica expressa em termos de variáveis intensivas na condição de pressão constante. De outra 
forma temos, 
(
𝜕𝜇
𝜕𝑇
)
𝑝
= −𝑆𝑚 
Sendo 𝑆𝑚 > 0 para todas as substâncias, por isso o declive (ou de outra forma, a inclinação da reta) no gráfico 
de  versus T é sempre negativo. Além disso, 𝑆𝑚(𝑔) > 𝑆𝑚(𝑙) > 𝑆𝑚(𝑠). 
8) O figura abaixo representa a representação gráfica para a primeira derivada dada por 
(
𝜕𝜇
𝜕𝑇
)
𝑝
= −𝑆𝑚 
Preencha todos os campos (identificação de eixos, curvas e regiões) do gráfico e explique com detalhes 
sobre o seu significado. 
 
 
9) O potencial químico para uma substância pura é a derivada da energia de Gibbs em relação ao número de 
mols presentes no sistema, mantidas constantes as demais variáveis. O potencial químico representa, 
portanto, a tendência que a substância tem de sofrer uma mudança, na sua forma, estrutura, etc, isto é, a 
sua tendência de sofrer uma transformação de fase. Define-se também a situação de equilíbrio num sistema 
como aquela em que as diversas fases possuem o mesmo potencial químico associado. 
Considerando a estreita relação entre potencial químico e o 
diagrama de fase para uma substância pura EXPLIQUE o 
gráfico (a) correlacionando-o com o gráfico (d). Mostre ainda, 
através do preenchimento das figuras (b) e (c) como seria os 
gráficos  x T (P constante) para esta mesma substância 
considerada, na pressão do ponto triplo e numa pressão 
menor do que a do ponto triplo. (Lembre-se, em sua 
discussão, de correlacionar os gráficos (a), (b), (c) com o 
gráfico (d)!) 
 
 
 (a) 
 
 (b) (c) 
 
 (d) 
 
Resposta do potencial químico à pressão aplicada 
 
 O potencial químico de uma substância varia com a pressão de forma proporcional ao volume molar 
da fase 
(
𝜕𝜇
𝜕𝑝
)
𝑇
= 𝑉𝑚 
 
10) Considere as duas figuras abaixo (gráficos a e b) que mostram de forma esquemática o efeito do aumento 
da pressão no potencial químico de duas fases (sólida e líquida) e os efeitos nas temperaturas de fusão. 
 
Explique o comportamento observado no gráfico com base na dependência do potencial químico com a 
pressão. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Efeito da pressão aplicada sobre a fase condensada na pressão de vapor 
 
 Quando se aplica pressão sobre uma fase condensada a sua pressão de vapor aumenta. Você é capaz 
de apresentar uma explicação física para este fato? (Crie e apresente no espaço abaixo sua hipótese para 
este fato observado experimentalmente). 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
_________________________________________________________________________________ 
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 
 
 
 
A pressão pode ser aplicada de diferentes formas (ver figura ao 
lado): 
 
(a) Por compressão direta da fase condensada usando um pistão que 
seja permeável ao vapor para garantir o contato entre as fases; 
 
(b) Por introdução de um gás inerte (note que neste caso a pressão de 
vapor é a pressão parcial de vapor da substância). 
 
O aumento observado da pressão de vapor com a pressão 
exercida sobre a fase condensada é expresso da seguinte forma: 
 
 
 
11) No espaço abaixo apresente a dedução da equação acima a partir das considerações pertinentes da teoria 
termodinâmica. Explique cada passagem da dedução procurando correlacionar os fatos experimentais com 
o modelo teórico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Localização das Curvas de Equilíbrio das Fases 
 
12) Apresente um esboço da chamada curva de resfriamento (ou de aquecimento) para uma substância pura. 
Discuta sobre a correlação destas curvas com o diagrama de fase para uma substância pura. Pesquise ainda, 
e descreva no espaço abaixo sobre algumas técnicas de Análise Térmica, funcionamento e aplicações. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
13) Deduza a chamada equação de Clapeyron para o equilíbrio de fases em sistemas unários e explique como 
a forma final da equação se correlaciona com o diagrama de fase à p versus T para uma substância pura. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
14) Partindo da Equação de Clapeyron, encontre equações que permitam expressar o comportamento de 
fronteira (curva de equilíbrio): 
a) Sólido-Líquido; 
b) Líquido-Vapor; 
c) Sólido-Vapor; 
d) Discuta sobre qual dessas deduções encontra relação com a aula prática realizada em laboratório sobre 
medidas de pressão de vapor da água. 
 
 
 
 
 
 
 
15) Disserte sobre o sistema de Classificação de transições de fase de Ehrenfest destacando as características 
e diferenças das transições denominadas como de 1ª ordem, 2ª ordem e de ordem lambda. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
16) Discuta um pouco sobre as técnicas citadas abaixo detalhando as informações que essas técnicas 
permitem obter sobre o comportamento de fase de substâncias puras (novos materiais). 
 
a) Análise Termogravimétrica (TGA) 
b) Calorimetria Exploratória diferencial ou Calorimetria de varredura diferencial (DSC)