Sólidos, Líquidos e Gases

No mundo material, as diversas substâncias podem apresentar-se em três estados de agregação que designamos por fases: sólida, líquida e gasosa. Por vezes considera-se um quarto estado da matéria, designado por plasma, que é um gás ionizado, isto é, onde alguns dos átomos perderam electrões e se tornaram assim iões positivos.

Em linguagem simples podemos dizer que um sólido tem forma e volume constante, um líquido tem volume constante, mas a sua forma varia com o recipiente que o contém e um gás não tem forma nem volume constantes, ocupando todo o espaço que lhe for oferecido.

Sendo as substâncias formadas por moléculas, as diversas fases distinguem-se por diferentes graus de coesão entre as moléculas.

3FasesÁgua
Os 3 estados (fases) da água

Tomemos como exemplo a água. Na fase sólida – gelo – as moléculas ocupam posições relativamente fixas umas em relação às outras. Se fornecermos calor ao gelo, a sua temperatura irá aumentar, o que ao nível microscópico se manifesta por um aumento da vibração das moléculas. Quando se atinge a temperatura de fusão – que no caso da água corresponde a zero graus Celsius – tem início algo diferente: a energia fornecida passa a ser utilizada para desfazer as ligações entre as moléculas. A ligação quase rígida entre as moléculas desaparece com o aparecimento da fase líquida. As moléculas de água estão agora mais livres para se moverem umas em relação às outras.

Note-se que enquanto decorre o processo de fusão, isto é, enquanto temos a coexistência das fases sólida e líquida, a temperatura se mantêm constante; toda a energia fornecida é utilizada para desfazer mais ligações entre as moléculas que constituem a fase sólida.

TransiçãoFases
Mudanças de fase da água

Quando toda a água se encontra líquida, se continuarmos a fornecer calor faremos com que a temperatura da água comece a aumentar. E esta subida de temperatura vai manter-se até o seu valor atingir um novo patamar, 100 ºC – a temperatura de ebulição.
A esta temperatura tem início uma nova mudança de fase: a água líquida começa a passar a vapor. Bolhas de vapor surgem no interior da massa líquida, sobem até à superfície livre do líquido e rebentam, deixando o vapor difundir na atmosfera ambiente.

[É de notar que as primeiras bolhas que se vêm aparecer são de ar que se encontrava dissolvido na água e que se liberta com o aquecimento, porque a solubilidade dos gases nos líquidos em geral diminui com o aumento da temperatura.]

De modo análogo ao que vimos para a fusão, também durante a ebulição a temperatura se manterá constante enquanto houver líquido presente. Todo a energia que fornecemos está a ser utilizada para quebrar as ligações entre as moléculas do líquido, fazendo passar mais moléculas da fase líquida à fase de vapor.

[Note-se que há passagem de moléculas de líquido a vapor a temperaturas inferiores a 100 ºC, mas esta vaporização ocorre apenas na superfície livre do líquido (ao contrário da ebulição que acontece em toda a massa do líquido). Algumas das moléculas da camada superficial conseguem libertar-se da atracção exercida pelas outras moléculas de líquido e afastar-se da superfície, difundindo na atmosfera vizinha. Se não ocorresse esta vaporização, não existiria vapor de água no ar que respiramos.]

As designações gás e vapor merecem uma pequena explicação. Ambas representam o mesmo estado de agregação da matéria. Usamos a palavra gás quando a substância em causa, à pressão atmosférica e a uma temperatura da ordem de 20 ºC existe no estado gasoso. Fala-se de vapor quando nas condições habituais de pressão e temperatura a substância é um líquido (dizemos por exemplo vapor de água ou vapor de gasolina, porque estas substâncias são líquidos nas condições normais de pressão e temperatura, enquanto ao oxigénio ou ao hidrogénio chamamos gás).

Existem também substâncias capazes de passar directamente do estado sólido ao estado gasoso (chama-se a esta mudança de fase sublimação). É costume indicar como exemplos de substâncias que sublimam a cânfora ou a naftalina, mas em rigor a sublimação é um fenómeno mais generalizado. Todas os materiais que têm cheiro é porque sofreram sublimação, porque o nosso sistema de detecção olfactivo – a glândula pituitária – apenas é sensível a moléculas no estado gasoso. À mudança de fase inversa da sublimação chamamos deposição.

Há um aspecto do comportamento da água que importa referir, que é o facto de, ao contrário do que se passa com a quase totalidade dos materiais, o gelo (água sólida) ser menos denso do que a água líquida. Uma consequência positiva é que quando grandes massas de água (rios, lagos, mares) congelam, o gelo mantém-se à superfície, constituindo um isolante que impede a solidificação da fase líquida por baixo da camada sólida, e permitindo que a vida continue na água líquida.

Outra consequência (esta doméstica, e em geral desagradável) é o que acontece a uma garrafa cheia de água deixada por esquecimento no congelador do frigorífico. Aumentando de volume ao congelar, a pressão exercida pelo gelo sobre o vidro da garrafa vai fazê-la rebentar. O desagrado é certamente ainda maior se se tratar de uma garrafa de vinho…

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Os Frutos Dourados do Sol

O livro com o título acima, da autoria de Ray Bradbury, nº 55 da extinta Colecção Argonauta, vem naturalmente à memória no dia de hoje, em que a sonda Parker, enviada pela NASA, saiu da Terra para uma viagem de 7 anos em que tentará descobrir parte do que ainda não sabemos sobre a estrela em torno da qual giramos.

E pensar que o meu nome VIP_Pass vai nessa viagem!

O Triângulo do Fogo (2)

Antes de passar aos exemplos de utilização do triângulo do fogo, algumas palavras sobre a energia de activação.

Se apenas houvesse necessidade do combustível e do comburente para se dar a combustão, tudo o que pode arder já teria ardido. Desde as florestas ao recheio das nossas casas, vemos materiais combustíveis rodeados de ar (que contém oxigénio).

Numa perspectiva microscópica, que é o nível onde as coisas acontecem, as reacções químicas ocorrem na sequência de choques entre moléculas. Se tivermos uma mistura de combustível e ar dentro de um reservatório, podemos visualizar as moléculas como partículas em movimento incessante, chocando entre si e com as paredes do reservatório. As moléculas possuem energia sob diversas formas: translacção, rotação, vibração e electrónica. Podemos considerar que a temperatura do gás é uma medida da energia cinética (média) de translacção das moléculas.

Para que no choque entre duas (ou mais) moléculas tenha origem uma reacção química é necessário, entre outros factores, que a energia cinética das moléculas reagentes esteja acima de um certo limiar.

A energia de activação é a energia que se fornece a um conjunto inicial de moléculas, suficiente para iniciar uma reacção em cadeia, na qual as moléculas dos produtos da primeira geração são suficientemente energéticas para provocar a reacção de uma segunda geração e assim sucessivamente. Esta energia de activação é em geral concretizada através de um aumento localizado da temperatura (faísca eléctrica, chama piloto, etc.)

EnergiaActivacao
Ilustração do conceito de energia de activação

A energia de activação corresponde desta forma a uma espécie de barreira de potencial (A) que os reagentes têm que ultrapassar para atingirem um nivel de energia mais elevado (estado activado X); este estado activado é instável e dá-se a reacção química, com a libertação de energia (B) característica da combustão.

Esta energia de activação é, no inicio, fornecida ao sistema a partir do exterior: o fósforo com que acendemos a lareira, a faísca que fazemos saltar no isqueiro. Quando o material começa a arder é uma parte da energia libertada na combustão que vai servir de energia de activação, para o combustível ainda não queimado. Note-se que o valor da energia de activação (A) é muito menor do que a energia libertada na combustão (B). Picture4

Regressando ao triãngulo do fogo, para que haja combustão é necessária a presença simultânea dos 3 lados do triângulo. A figura ao lado representa essa situação.

Vamos supor que retiramos o lado do combustível. Isto acontece quando rodamos o botão de um fogão a gás que está aceso, cortando o acesso do gás ao queimador, ou se numa fogueira acesa dispersarmos os pedaços de madeira incandescente e em chamas. Retirar o lado “combustível” ao triângulo [1] provoca a extinção do fogo [2].

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[2]
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[1]
Podemos também visualizar a retirada do comburente (na grande maioria dos casos oxigénio do ar). É o que acontece quando colocamos uma tampa numa frigideira cujo conteúdo pegou fogo, ou quando lançamos areia ou terra sobre uma fogueira acesa. É o que designamos por asfixia ou abafamento.

A terceira hipótese, retirar a energia de activação, verifica-se quando utilizamos a água como agente extintor: a água tem um calor latente de vaporização muito elevado (necessita muita energia para passar de líquido a vapor) e esta energia é “roubada” ao fogo, retirando-lhe assim a energia de activação necessária para dar continuidade à combustão.

O triângulo do fogo é também útil para visualizar as diversas formas de ignição, ou de inicío da combustão.

Consideremos um automóvel no qual o tubo que traz a gasolina do depósito para o motor desenvolve uma fissura, dando origem a um derrame de combustível sobre o motor. Temos 2 lados do triângulo: a energia, materializada no bloco do motor quente, e o ar à volta do motor [1]. Juntamos o terceiro – o combustível – e tem início um incêndio [2].

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[1]
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[2]
 

 

 

 

A forma mais corrente de iniciar a combustão é quando juntamos a energia de activação a dois lados já existentes – combustível e comburente. O fósforo que usamos para acender a lareira, a faísca eléctrica que salta dentro do cilindro do motor e inflama a mistura são exemplos desta forma de ignição.

No contexto de incêndios urbanos, acontece por vezes a acumulação de voláteis combustíveis nas zonas altas do edifício, como sótãos. Temos portanto combustível, e energia de activação, porque esses gases estão a elevada temperatura. A entrada súbita de ar – uma porta que se abre, ou uma janela cujos vidros se partem – provoca o início súbito da combustão, que num espaço confinado assume muitas vezes as características de uma explosão, concretizada no aumento significativo da pressão.

O bosão de Higgs

Numa pausa antes da segunda parte do Triângulo do Fogo, um pequeno conto sobre o bosão de Higgs:

 

A PARTÍCULA DE DEUS

Meu querido neto

Sabes que nunca apreciei o facto de não teres estudado Direito como o teu avô e o teu pai e teres antes escolhido Física, actividade que sempre vi como um pouco estranha e sem utilidade.

Fiquei contente quando arranjaste esse trabalho no CERN, embora continuasse sem perceber a necessidade de construir máquinas tão caras para partir átomos.

Mas o que hoje li no jornal fez-me reconsiderar a minha atitude. Vem na primeira página, em letras garrafais: “No acelerador gigante, cientistas procuram a partícula de Deus”.

Como São Paulo, subitamente vi a luz!

Junto envio uma caixinha em madeira, com o interior forrado de veludo vermelho. Queria pedir-te para meteres lá dentro uma partícula de Deus e me enviares a caixinha de volta. Quero juntá-la às outras relíquias na capela da casa: o fragmento do Santo Lenho, o pedacinho da tíbia de São Francisco, a madeixa do cabelo de Maria Madalena, e o farrapo do hábito da mártir Santa Úrsula, trazidas pelo teu avô das suas andanças pelo mundo. Embora livre-pensador era um bom homem!

Faz esse favor à tua avó, que nunca se esquece de ti nas suas orações.

Um grande beijo.

O Triângulo do Fogo

O triângulo do fogo indica os três factores que devem estar presentes para que a combustão possa ocorrer. A reacção de combustão é uma reacção química, na qual um tipo particular de substância – a que chamamos combustível – se combina com um oxidante, que na maioria dos casos é o oxigénio do ar, resultando dessa combinação os produtos da combustão. E a principal característica da combustão é ser uma reacção exotérmica, isto é, libertar calor.

TriFogo
Triângulo do Fogo

Abrir parêntesis:

O que torna os combustíveis substâncias tão especiais? Podemos considerar que as moléculas de combustível contêm energia – denominada energia química – que, em condições apropriadas, é libertada.

E como adquirem as moléculas de combustível essa energia? Podemos exemplificar com o primeiro combustível usado pela humanidade, a madeira.

O principal constituinte da madeira é a celulose, que é um polímero [Polímero: cadeia de moléculas idênticas] formado por moléculas de glucose.

glucose
Molécula de glucose

A glucose é produzida na reacção de fotosíntese: a planta absorve CO2 (dióxido de carbono) da atmosfera, água (H2O) do solo, e energia solar; os produtos da reacção são glucose e oxigénio.

6CO2 + 6H2O + Energia C6H12O6 + 6O2

É desta forma que a planta cresce (aumenta a biomassa) e podemos dizer que a energia solar fica armazenada na biomassa criada.

fotosintese
A reacção de fotosíntese

A combustão é a reacção inversa da fotosíntese.

C6H12O6 6O2 6CO2 + 6H2O + Energia  Picture1

A glucose combina-se com oxigénio e os produtos da combustão são dióxido de carbono e vapor de água. E a reacção liberta energia, como já falámos.

A quantidade de energia absorvida do sol é igual à quantidade de energia libertada na combustão.

A diferença é que a absorção dá-se ao longo de anos enquanto a libertação na combustão ocorre em minutos!

Pensando noutros combustíveis, a formação do carvão (mineral) é o resultado da transformação, ao longo de milhões de anos, de plantas mortas que foram soterradas por camadas sedimentares.

Quanto ao petróleo e gás natural, eles derivam de uma lenta evolução de matéria orgânica que se foi acumulando e sobre a qual sucessivos sedimentos se foram depositando.

Fechar parêntesis

(continua…)