Química Estados físicos da matéria Curvas de aquecimento e resfriamento Resumos Leia com atenção Dicas Primeiramente leia com calma todo o resumo e caso no final tenha dúvidas, por favor, entre em contato com seu monitor através do Telegram ou Google Class. Logo depois, faça a lista de exercícios com os conhe- cimentos que você adquiriu em nossos resumos. Organize-se bem. Não deixe para estudar de última hora, os conteúdos tendem a ficar um pouco mais fáceis quando você treina sua mente para estudar. Estados físicos da matéria Química Não se assuste se você encontrar escrito como “Estados de agregação da matéria”. É só outra forma de dizer a mesma coisa, ok? Agora, vamos lá. Nesse estado, as partículas da matéria estão em agita- ção térmica mínima. A sua forma e volume são fixos. Uma barra de ferro, por exemplo, se colocada sobre uma jarra tomará a forma da mesma. Seu volume também não so- frerá alteração. No estado líquido, as partículas apresentam maior agi- tação térmica e estão um pouco mais dispersas, quando comparadas ao estado sólido, mas ainda há atrações in- termoleculares suficientes para manter as partículas pró- ximas. Os líquidos apresentam volume definido e podem assumir a forma dos recipientes que os contiverem. Os líquidos são capazes de fluir (ou escoar). A proprieda- de relacionada a essa característica é a viscosidade. Os gases são formados de partículas amplamente se- paradas. A energia cinética das moléculas é maior que qualquer força atrativa existente entre elas. A ausência de forças atrativas apreciáveis faz com que os gases preencham totalmente os recipientes que os contiverem. Gases são altamente compressíveis e seu volume é altamente dependente de pressão e tempera- tura. Fase sólida Fase gasosa Fase líquida Mudanças de estado físico A matéria pode alterar seu estado físico ao sofrer variações de temperatura e pressão Exotérmico é quando ocorre a liberação de calor OBS: A vaporização pode ocorrer de três formas, recebendo nomes especí- ficos: Evaporação: vaporização lenta. Roupa secando no varal; Ebulição: vaporização intermediária, Água fervendo; Calefação: vaporização instantânea. Gotas de água sobre uma chapa quen- te Endotérmico é quando ocorre a absorção de calor de um meio externo para um meio interno. Ex: Quando o gelo está fora da geladeira ele passa pelo processo endotérmico, pois está absorvendo o calor do am- biente, logo, se transformará em líquido. Exotérmico Endotérmico Ponto de fusão e de ebulição Acho que você está pronto para praticar hein.... Ponto de fusão é a temperatura sob a qual uma substância passa do esta- do sólido para o estado líquido. Exemplo, a 1 atm, o PF da água pura é 0°C. Ponto de ebulição é a temperatura na qual uma substância passa do esta- do líquido para o estado gasoso a uma determinada pressão. Exemplo, a 1 atm, o PE da água pura é 100°C. (Enem) Ainda hoje, é muito comum as pessoas utilizarem vasilhames de barro (moringas ou potes de cerâmica não esmaltada) para conser- var água a uma temperatura menor do que a do ambiente. Isso ocorre porque a) o barro isola a água do ambiente, mantendo-a sempre a uma temperatu- ra menor que a dele, como se fosse isopor. b) o barro tem poder de “gelar” a água pela sua composição química. Na reação, a água perde calor. c) o barro é poroso, permitindo que a água passe através dele. Parte dessa água evapora, tomando calor da moringa e do restante da água, que são as- sim resfriadas. d) o barro é poroso, permitindo que a água se deposite na parte de fora da moringa. A água de fora sempre está a uma temperatura maior que a de dentro. e) a moringa é uma espécie de geladeira natural, liberando substâncias hi- groscópicas que diminuem naturalmente a temperatura da água. Diagramas de mudança de estado Volta aqui que chegou numa parte superimportante! (É, tá ligado que supe- rimportante se escreve junto depois do Novo Acordo, não é?) As mudanças de fase de uma substância são geralmente representadas por gráficos (principalmente no Enem que ama gráficos). Estes são conhecidos como diagramas de mudança de estado ou curvas de aquecimento e/ou resfriamento. No equilíbrio entre as fases sólida, líquida e gasosa, a tempe- ratura de uma substância pura não se altera ao receber ou perder calor até que toda a porção dessa substância tenha mu- dado de fase. Assim, nas temperaturas de fusão e de ebulição como existe um equilíbrio entre dois estados físicos. Por isso, nestes gráficos há presença de 2 patamares, 2 trechos cons- tantes! 1 - Curva de aquecimento da água Patamares são as linhas mais retas no gráfico, por exemplo, na imagem acima. Temos o pata- mar na fusão e na ebulição 2 - Curva de resfriamento da água Podemos definir como o calor sensível o que acarreta em mudança de temperatura e o calor latente o que atua na mu- dança de fase. Uma propriedade das misturas é que não apresentam ponto de fusão e ebulição definidos, ou seja não há patamares de valores constante. Assim fica fácil verificar se o gráfico cor- responde a uma mistura, ele fica dessa forma: Obs.: Ah! Existem dois diagramas de misturas bem conhecidos. Neles há presença de T constante para um dos pontos (fusão ou ebulição). Fica mais fácil de entender observando o gráfico: Mistura eutética - comporta-se como se fosse uma substância pura so- mente durante a fusão. Portanto, possui ponto de fusão constante, mas a sua temperatura de ebulição varia Mistura azeotrópica - comporta-se como uma substância pura somente durante a ebulição. Assim, apresenta ponto de ebulição constante, mas a sua temperatura de fusão é variável. 3 - Curva de aquecimento de misturas. 1) O quadro abaixo apresenta a variação de temperatura durante a fu- são e a ebulição dos materiais X, Y, Z e T. Hora de exercitar,não sinta-se desmotivado,vai ser bem fácil, eu prometo. Se estiver com dificuldade em saber o que é uma substância pura, veja nosso resumo ante- rior sobre substâcias, na plataforma. Analisando o quadro, pode-se afrmar que X, Y, Z e T são, respectivamente: a) substância pura, mistura homogênea, mistura eutética, mistura azeotró- pica. b) mistura homogênea, substância pura, mistura eutética, mistura azeotró- pica. c) mistura homogênea, substância pura, mistura azeotrópica, mistura eu- tética. d) substância pura, mistura homogênea, mistura azeotrópica, mistura eu- tética. e) mistura eutética, mistura azeotrópica, mistura homogênea, substância pura. 2) Observe a sequência de quadrinhos abaixo 3) O gráfico mostra a variação de temperatura em função do tempo de uma amostra de álcool etílico. É correto afirmar que: De acordo com os quadrinhos acima, é correto afirmar que as mudanças de estados físicos apresentados na sequência A -> B e B -> C são, respectiva- mente a) fusão e condensação. b) sublimação e liquefação. c) liquefação e vaporização . d) solidificação e condensação. e) fusão e vaporização. a) o vapor formado no final do aquecimento contém apenas álcool etílico. b) a temperatura de ebulição mostra que esse álcool etílico é uma mistura azeotrópica. c) o álcool etílico da amostra é uma substância pura. d) a temperatura de ebulição constante mostra que o álcool etílico da amos- tra não é hidratado e) a temperatura de fusão variável mostra que esse álcool etílico é uma mis- tura eutética. A B C Gabarito. 1 - A, 2 - E, 3 - B Ao estudarmos os conceitos de Calor, vimos que quando dois corpos com temperaturas diferentes são colocados em contato térmico, a temperatura do corpo mais quente começa a diminuir enquanto a do corpo mais frio começa a aumentar. Dessa forma, dizemos que o corpo mais quente perde energia na forma de calor para o corpo com menor energia térmica. Vimos também que a quantidade de calor que um corpo recebe ou perde (calor sensível) é proporcional à sua massa e à variação de temperatura. Já a quantidade de calor que um corpo perde ou cede para fazê-lo mudar de fase é diretamente proporcional à sua massa. Todos esses processos, trocas de calor e mudanças de fase necessitam de acréscimo ou perda de energia térmica na forma de calor. Com informações da quantidade de calor sensível e calor latente de uma substância, temos condições de montar o diagrama de temperatura em função da quantidade de calor absorvida. Imaginemos que, de uma forma constante, fornecemos calor a uma substância de m gramas, que inicialmente encontra-se na fase sólida. As etapas a que esta substância está sujeita são, em ordem: - Aquecimento na fase sólida, desde a temperatura inicial θ0 até seu ponto de fusão (P.F.). - Fusão da substância, ocorre com a temperatura constante no ponto de fusão (P.F.). - Aquecimento na fase líquida, do ponto de fusão (P.F.) até o ponto de vaporização ou ebulição (P.E.). - Vaporização da substância, ocorre com a temperatura constante no ponto de ebulição (P.E.). - Aquecimento na fase gasosa, do ponto de vaporização ou ebulição (P.E.) até uma temperatura final θ. Essas etapas, colocadas no diagrama de temperatura em função da quantidade de calor absorvida, correspondem à curva de aquecimento da substância representada na figura acima. Para se calcular as quantidades de calor absorvidas pela substância, é necessário levar em conta os trechos em que há variação da temperatura (quantidade de calor sensível) ou mudança de fase (quantidade de calor latente). Assim, temos: trecho AB: QS= Q1-0=m .cs .(P.F.- θ0 ) Nos estudos relacionados a mudanças de fase de substâncias, vemos que é possível provocar essa mudança mediante o fornecimento ou a retirada de energia térmica. Os exemplos mais simples dessa ocorrência são as mudanças de estado do sólido para líquido, do líquido para gasoso ou vice-versa. Por exemplo, se aquecermos um pedaço de gelo, ou seja, se fornecermos calor a ele, veremos que ele se funde (ou derrete). Sendo assim, podemos dizer que mudança de estado é uma reorganização interna dos átomos (ou moléculas) de uma substância, causando modificações significativas em suas propriedades. Curvas de aquecimento e de resfriamento: o que ocorre durante uma transição de fase. Curvas de aquecimento ou de resfriamento mostram a variação da temperatura com o tempo à medida que o objeto vai perdendo ou ganhando energia. Vamos considerar uma quantidade de 1kg de gelo com uma temperatura inicial de -20°C (ponto A da figura acima) e que recebe uma taxa de calor constante de 1.000 watts, ou seja, 1.000 J/s. Ao receber essa energia, as moléculas de água que estão organizadas como um sólido começam a oscilar cada vez mais rapidamente, causando um aumento linear na temperatura, que é determinado ela equação: Q = m.c.Δt. Isto ocorre até o instante em que o gelo atinge a temperatura de 0°C, ponto B do gráfico, quando a oscilação das moléculas é tal que as ligações entre elas começam a se romper. Neste instante, o gelo começa a derreter e toda a energia fornecida passa a ser usada para romper as ligações que mantém a estrutura sólida. Por este motivo, a temperatura fica constante até que todo o gelo esteja derretido, mesmo com a energia sendo continuamente fornecida. A energia fornecida durante a transição pode ser obtida da expressão Q = m.L. A partir do instante em que o gelo está completamente derretido (ponto C), a temperatura da água aumenta constantemente. Suas moléculas vibram mais rapidamente até atingirem a temperatura de ebulição (ponto D). O calor recebido a partir desse instante será usado para vaporizar a água, que permanece com temperatura constante até que o líquido tenha evaporado completamente (ponto E). Toda a energia recebida a partir desse ponto será usada para aquecer o vapor. A construção de gráficos deste tipo, a partir de dados experimentais, permite determinar com exatidão as temperaturas de transição e os valores do calor específico e do calor latente. Por Domiciano Marques Graduado em Física |
Como podemos saber se uma substância é pura só observando sua curva de aquecimento ou resfriamento?
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