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UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE
CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA AGROALIMENTAR
UNIDADE ACADÊMICA DE TECNOLOGIA AGROALIMENTAR
PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS E SÓLIDOS
LEIDIANA XAVIER
RITA MARIA DA COSTA
SABRINA FONTES
POMBAL – PB
2009
SUMÁRIO
"1. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS E SÓLIDOS..................... "05 "
"2. "06 "
"LÍQUIDOS......................................................." "
"......................... " "
"3. "07 "
"SÓLIDOS........................................................" "
"......................... " "
"4. REGRA DE "08 "
"TROUTON........................................................" "
".... " "
"5. LEIS DE "09 "
"NEWTON........................................................." "
".......... " "
"5.1 Primeira Lei de "09 "
"Newton........................................................ " "
"5.2 Segunda Lei de Newton ou Princípio Fundamental da " "
"Dinâmica......................................................."10 "
".............................. " "
"5.3 Terceira Lei de "11 "
"Newton........................................................ " "
"6. LEI DE "12 "
"HOOKE.........................................................." "
".............. " "
"7.CARACTERISTICAS DA PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS E " "
"SÓLIDOS........................................................"13 "
".......................... " "
"7.1. Teoria do Estado "13 "
"Líquido................................................... " "
"7.2. "14 "
"Viscosidade...................................................." "
"..................... " "
"7.3 Tensão "15 "
"Superficial...................................................." "
"........... " "
"7.4. Dilatação "17 "
"Térmica........................................................" "
"........ " "
"7.5. Ponto de Fusão, Ponto de Ebulição e Ponto de " "
"Sublimação....................................................."17 "
"............................ " "
"7.6. Pressão de "19 "
"Vapor.........................................................." "
"...... " "
"7.7. Elasticidade e "19 "
"Viscosidade................................................ " "
"7.8. Forças "21 "
"Intermoleculares..............................................." "
"...... " "
"7.9. "22 "
"Reologia......................................................." "
"........................ " "
"8. "23 "
"CONCLUSÃO......................................................" "
".................... " "
"9. REFERÊNCIAS "24 "
"BIBLIOGRÁFICAS........................................ " "
INTRODUÇÃO
Este trabalho teve como motivação inicial a busca do significado e
características das propriedades dos líquidos e sólidos em meio a físico-
química.
Sabemos que num sistema em equilíbrio é possível existir mais de uma
fase simultaneamente. Na fusão do gelo existe a fase sólida da água
juntamente com a fase líquida. Na vaporização têm-se as fases líquido e
vapor.
Vale então, a regra geral de que se as várias fases estão em
equilíbrio, o potencial químico é o mesmo.
Existe uma grande variedade de forças de interação, e que a
caracterização de tais forças é, via de regra, um trabalho de caráter
puramente experimental. Assim, entra em vigor a Lei de Hooke.
Entre as forças de interação que figuram mais frequentemente nos
processos que se desenvolvem ao nosso redor figuram as chamadas forças
elásticas, isto é, forças que são exercidas por sistemas elásticos quando
sofrem deformações.
As moléculas que formam as substâncias se atraem reciprocamente sob a
ação de forças de intensidade variável. Em certas condições físicas, tais
forças impedem o livre deslocamento das moléculas e o corpo por elas
constituído atinge o estado sólido. Se, no entanto, o deslocamento ocorre,
a matéria atinge um estado de transição entre o sólido e o gasoso chamado
líquido, que é o padrão intermediário entre os estados de agregação da
matéria.
A natureza de um sólido depende do tipo de forças que mantém os
átomos, íons ou moléculas juntos. A maioria das coisas que nos rodeia são
sólidas, a exemplo de roupas, móveis, veículos, entre outros. Mesmo com os
microscópios mais potentes, não podemos ver os átomos individuais que
compõem a superfície de um sólido.
Enfim, este trabalho descreve resumidamente as propriedades dos
líquidos e sólidos.
OBJETIVO
O trabalho visa analisar o aparecimento das fases condensadas da
matéria (líquidos e sólidos), via o conceito das distintas forças
intermoleculares.
Terá como principal objetivo a descrição de suas propriedades
introduzindo os parâmetros físico-químicos de pressão de vapor, tensão
superficial e viscosidade, via os fundamentos de forças intermoleculares.
Serão vistas também as principais características envolvidas neste
assunto, tais como: pontos de fusão, ebulição e sublimação, suas
respectivas propriedades reológicas e as leis de Newton, Hooke e regra de
Trouton.
1. PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS E SÓLIDOS
A variação da temperatura da matéria ocasiona os fenômenos conhecidos
como mudanças nos estados de agregação.
Os fenômenos relacionados ao estado líquido são: fusão (passagem de
sólido a líquido), solidificação (processo inverso), vaporização (passagem
do estado líquido ao gasoso) por ebulição ou evaporação e condensação
(passagem do estado gasoso a líquido).
O ponto de fusão, ou seja, temperatura em que ocorre a passagem de
sólido a líquido, é um valor específico e constante para cada substância,
embora variável em função da pressão externa.
Segue abaixo as transições de fases:
Sólido ( Líquido (fusão, solidificação);
Líquido ( Vapor (vaporização, condensação);
Sólido ( Vapor (sublimação).
Genericamente as fases sólidas e líquidas são chamadas de fases
condensadas. Este nome decorre do fato de ambas terem alta densidade
relativa quando comparada com a fase gasosa. A razão entre ambas as
densidades líquido-vapor é da ordem de 1000:1. Depende das condições de
pressão e temperatura.
Nos gases, a energia potencial (capacidade de realizar um trabalho
mecânico em decorrência da posição e massa de um corpo) é desprezível, pois
as moléculas estão distribuídas ao acaso, enquanto os sólidos têm energia
potencial porque seus átomos formam uma rede tridimensional ordenada.
Os líquidos não apresentam a regularidade dos sólidos nem a desordem
molecular dos gases, mas suas moléculas sofrem forças de atração e repulsão
de moderada intensidade. Graças à energia cinética (energia produzida pelo
movimento), cada uma de suas moléculas se movimenta de maneira
relativamente independente das outras. Assim, os líquidos tomam a forma do
recipiente que os contém, embora, em virtude da tensão superficial, tendam
à esfericidade e formem gotas quando seu volume é muito reduzido.
A relação entre sólidos e líquidos foi descoberta no século III a.C.
por Arquimedes. Constatando, ao tomar banho, que se sentia mais leve dentro
d'água, ele formulou o conceito de empuxo, isto é, força vertical de baixo
para cima que o líquido exerce sobre o corpo nele imerso. A intensidade
dessa força equivale ao peso do fluido deslocado.
O empuxo se expressa pela seguinte fórmula:
E = d x V x g
Onde "d" é a densidade do líquido, "V" é o volume imerso do corpo e
"g" a aceleração da gravidade.
Diz-se que um líquido molha a parede de um recipiente que o contém
quando sua superfície forma com ela um ângulo inferior a 90º e fica mais
alto junto à parede do que no centro da superfície livre. Num recipiente
molhado pelo líquido, este sobe espontaneamente na parede porque as forças
que agem entre as moléculas do líquido e as da parede são superiores às
forças intermoleculares do líquido. Os líquidos que não molham formam com a
parede um ângulo de contato maior que 90º, razão pela qual ficam em nível
mais baixo junto da parede do que no centro da superfície livre. Nesse
caso, as forças de atração entre as moléculas são maiores que as existentes
entre o líquido e a parede.
2. LÍQUIDOS
A estrutura e propriedades dos líquidos são em grande parte
determinadas pelas forças intermoleculares. Algumas das propriedades
importantes dos líquidos são a sua tensão superficial, viscosidade e
pressão de vapor.
Líquido é um fluido que sofre a ação de forças de coesão pouco
intensas e se adapta ao recipiente que o contém, embora não possa expandir-
se indefinidamente. Em condições normais, o sólido transforma-se em líquido
quando absorve calor até atingir o ponto de fusão. A densidade do líquido é
em geral pouco menor que a do sólido e a fusão se dá, normalmente, com
aumento de volume. Existem, no entanto, substâncias como o gelo e alguns
compostos de gálio, germânio, silício e bismuto que se contraem no processo
de fusão.
A figura seguinte mostra a variação da pressão de vapor de vários
líquidos com a temperatura.
Figura 1. Pressão de vapor e temperaturas de ebulição normais para
vários líquidos.
3. SÓLIDOS
Segundo a distribuição espacial dos átomos, moléculas ou íons, os
sólidos podem ser classificados em cristalinos e amorfos.
Os cristalinos são compostos por átomos, moléculas ou íons arranjados
de uma forma periódica em três dimensões. As posições ocupadas seguem uma
ordenação que se repete para grandes distâncias atômicas (de longo
alcance). Porção homogênea de matéria com estrutura atômica ordenada e
definida e com forma externa limitada por superfícies planas e uniformes,
simetricamente dispostas. Os cristais formam-se quando um líquido torna-se
lentamente um sólido. Esta formação pode resultar do congelamento do
depósito de matéria dissolvida ou da condensação direta de um gás em um
sólido. O estudo do crescimento, forma e geometria dos cristais chama-se
cristalografia. Existem seis sistemas cristalinos, caracterizados pelo
comprimento e posição de seus eixos (linhas imaginárias que passam pelo
centro do cristal e interceptam as faces, definindo relações de simetria no
cristal). Os minerais de cada sistema dividem algumas características de
simetria e forma cristalina, assim como muitas propriedades ópticas
importantes.
Os amorfos são compostos por átomos, moléculas ou íons que não
apresentam uma ordenação de longo alcance. Podem apresentar ordenação de
curto alcance.
Figura 5. Estrutura da água no estado sólido.
Os sólidos podem ser de vários tipos. Os metálicos são cátions
mantidos unidos por um mar de elétrons, os iônicos são construídos pela
atração mútua de cátions e íons, os sólidos reticulares são átomos ligados
covalentemente, os sólidos moleculares são moléculas mantidas por forças
intermoleculares e os cristais são átomos empilhados em arranjos regulares
(padrão característico do elemento).
O arranjo dos átomos íons e moléculas dentro de um cristal é chamado
de difração de raio X.
4. REGRAS DE TROUTON
A regra de Trouton é uma regra que envolve a vaporização de
substâncias apolares. Ela afirma que para estas substâncias a entalpia
molar de vaporização dividida pela temperatura de ebulição tem um valor
entre 75-80 J/mol °K. Como esta razão é a entropia de ebulição, a regra de
Trouton pode ser escrita como:
Onde R é a constante dos gases ideais. A regra de Trouton não se
aplica a líquidos polares. Ela é uma regra que facilita na destilação
multicomponente, pois estabelece que a condensação de um mol de vapor
acarretará na vaporização de um mol de líquido.
Com base nesta regra, as vazões molares do líquido e do vapor não se
alteram ao longo da coluna simplificando o balanço global da mesma. Isso só
é verdadeiro se todos os componentes da mistura são apolares. Também é
obvio que as vazões mássicas variam ao longo da coluna e a regra de Trouton
não se aplica ao balanço ponderal, apenas ao balanço molar.
No caso de colunas que processam misturas contendo componentes
polares, a regra de Trouton não se aplica e as vazões molares do líquido e
do vapor variam ao longo da coluna. O que se faz neste caso, é iniciar o
cálculo como se tratasse de componentes apolares e corrigir as vazões
usando a equação de balanço energético que inclui as entalpias dos
componentes.
5. LEIS DE NEWTON
5.1. Primeira Lei de Newton
Um corpo que está em movimento, tende a continuar em seu estado de
movimento em linha reta e velocidade constante. E um corpo que está em
repouso tende a continuar em repouso. Primeira Lei de Newton ou Princípio
da Inércia A partir das idéias de inércia de Galileu, Isaac Newton enunciou
sua Primeira Lei com as palavras:
"Todo corpo permanece em seu estado de repouso ou de movimento uniforme em
linha reta, a menos que seja obrigado a mudar seu estado por forças
impressas a ele".
A primeira lei de Newton pode parecer perda de tempo, uma vez que esse
enunciado pode ser deduzido da Segunda Lei:
F = m x a
Se F=0, existe duas opções: ou a massa do corpo é zero ou sua
aceleração. Obviamente como o corpo existe, ele tem massa, logo sua
aceleração é que é zero, e conseqüentemente, sua velocidade é constante. No
entanto, o verdadeiro potencial da primeira lei aparece no quando se
envolve o problema dos referenciais. Numa reformulação mais precisa:
"Se um corpo está em equilíbrio, isto é, a resultante das forças que agem
sobre ele é nula, é possível encontrar ao menos um referencial, denominado
inercial, para o qual esse corpo está em repouso ou em movimento retilíneo
uniforme"
Essa reformulação melhora muito a utilidade da primeira lei de Newton.
Para exemplificar tomemos um carro. Enquanto o carro faz uma curva, os
passageiros têm a impressão de estarem sendo "jogados" para fora da curva.
É o que chamamos de força centrífuga. Se os passageiros possuírem algum
conhecimento de Física tentarão explicar o fenômeno com uma força. No
entanto, se pararem para refletir, verão que tal força é muito suspeita.
Primeiro: ela produz acelerações iguais em corpos de massas
diferentes.
Segundo: não existe lugar nenhum onde a reação dessa força esteja
aplicada, contrariando a 3ª Lei de Newton. Como explicar a misteriosa
força? O erro dos passageiros foi simples. Eles não escolheram um
referencial inercial. Logo, obviamente as leis de Newton falhariam, pois
estas só valem nestes referenciais. Se um referencial inercial fosse
escolhido, como um observador do lado de fora do carro, nada de anormal
seria visto, apenas os passageiros tentando manter sua trajetória em linha
reta e o carro forçando-os a virar. quem estava sob ação de forças era o
carro.
Muitos outros exemplos existem de forças misteriosas que ocorrem por
tomarmos referenciais não-inerciais, podemos citar, além da força
centrifuga, as forças denominadas de Einstein, e a força de Coriolis.Então
é importante lembrar: A principal utilidade da primeira lei de Newton é
estabelecer um referencial com o qual possamos trabalhar.Princípio da
físicadinâmica enunciado pela primeira vez por Galileu Galilei e
desenvolvido mais tarde por Isaac Newton, que descreve o movimento dos
corpos desprezando o efeito do atrito. Pode ser formulado da seguinte
forma:
"Se um corpo se deslocar em linha reta com uma certa velocidade, continuará
indefinidamente em movimento na mesma direção e com a mesma velocidade se
nenhuma força agir sobre ele."
A grande novidade deste princípio foi reconhecer pela primeira vez que
o atrito é uma força a que todos os corpos estão sujeitos, exceto se se
deslocam no vácuo, contrariando frontalmente as teorias de Aristóteles.
5.2. Segunda Lei de Newton ou Princípio Fundamental da Dinâmica
De acordo com o princípio da inércia, se a resultante das forças
atuantes num corpo for nula, o corpo mantém, por inércia, a sua velocidade
constante, ou seja não sofre aceleração. Logo a força consiste num agente
físico capaz de produzir aceleração, alterando o estado de repouso ou de
movimento dos corpos. Quando uma força resultante atua sobre uma partícula,
esta adquire uma aceleração na mesma direção e sentido da força, segundo um
referencial inercial. A relação, neste caso, entre a causa (força
resultante) e o efeito (aceleração) constitui o objetivo principal da
Segunda Lei de Newton, cujo enunciado pode ser simplificado assim:
"A resultante das forças que agem num corpo é igual ao produto da sua massa
pela aceleração adquirida pelo mesmo.Isso significa que, sendo a massa do
corpo constante, a força resultante e aceleração produzida possuem
intensidades diretamente proporcionais."
Resumindo, o segundo princípio consiste em que todo corpo em repouso
precisa de uma força para se movimentar e todo corpo em movimento precisa
de uma força para parar. O corpo adquire a velocidade e sentido de acordo
com a força aplicada. Ou seja, quanto mais intensa for a força resultante,
maior será a aceleração adquirida pelo corpo.
A força resultante aplicada a um corpo é diretamente proporcional ao
produto entre a sua massa inercial e a aceleração adquirida pelo mesmo. Se
a força resultante for nula (F=0) o corpo estará em repouso (equilíbrio
estático) ou em movimento retilíneo uniforme (equilíbrio dinâmico). A força
poderá ser medida em Newton se a massa for medida em kg e a aceleração em
m/s² pelo Sistema Internacional de Unidades de medidas (S.I).
5.3. Terceira Lei de Newton
Se um corpo A aplicar uma força sobre um corpo B, receberá deste uma
força de mesma intensidade, mesma direção e sentido oposto à força que A
aplicou em B.
"Para cada ação há sempre uma reação oposta e de igual intensidade."
As forças de ação e reação têm as seguintes características:
- Estão associadas a uma única interação, ou seja, correspondem às forças
trocadas entre apenas dois corpos;
- Têm sempre a mesma natureza (ambas de contato ou ambas de campo), logo,
possuem o mesmo nome ("de contato" ou "de campo");
- Ação e Reação, mesmo iguais e opostas, não se equilibram, pois agem em
corpos distintos. Cada força que constitui o par tem o seu próprio efeito;
- Ação e Reação são sempre iguais em valor; seus efeitos é que podem ser
diferentes, pois dependerão de outros fatores ( por exemplo, a massa);
- Ação e Reação ocorrem simultaneamente, e não primeiro uma e depois a
outra, de modo que qualquer uma das forças pode ser chamada de ação ou
reação;
- Ação e Reação são iguais e opostas mesmo que o sistema não seja de
equilíbrio.
6. LEI DE HOOKE
Em 1660 o físico inglês R. Hooke (1635-1703), observando o
comportamento mecânico de uma mola, descobriu que as deformações elásticas
obedecem a uma lei muito simples. Hooke descobriu que quanto maior fosse o
peso de um corpo suspenso a uma das extremidades de uma mola (cuja outra
extremidade era presa a um suporte fixo) maior era a deformação (aumento de
comprimento) sofrida pela mola. Analisando outros sistemas elásticos, Hooke
verificou que existia sempre proporcionalidade entre força deformante e
deformação elástica produzida. Pôde então enunciar o resultado das suas
observações sob forma de uma lei geral. Tal lei, que é conhecida atualmente
como lei de Hooke, e que foi publicada por Hooke em 1676, é a seguinte: as
forças deformantes são proporcionais às deformações elásticas produzidas.
Não conhecemos corpos perfeitamente rígidos, uma vez que todos os
experimentados até hoje sofrem deformações mais ou menos apreciáveis quando
submetidos à ação de forças, entendendo-se por deformação de um corpo uma
alteração na forma, ou nas dimensões, ou na forma e, dimensões, do corpo
considerado. Essas deformações podem ser de vários tipos: compressões,
distensões, flexões, torções, entre outras. Estas podem ser elásticas ou
plásticas.
Dizemos que uma deformação é elástica quando desaparece com a retirada
das forças que a originaram, enquanto que uma deformação plástica é uma que
persiste mesmo após a retirada das forças que a originaram.
Dizemos que um sistema é elástico quando são elásticas as deformações
que ele pode experimentar, enquanto que chamamos plástico a um sistema
capaz de sofrer deformações plásticas. Rigorosamente falando, não
conhecemos sistemas nem perfeitamente elásticos, nem perfeitamente
plásticos. No entanto, muitos corpos conhecidos se comportam, com uma boa
aproximação, como se fossem perfeitamente plásticos, enquanto que outros se
comportam como perfeitamente elásticos, com aproximação razoável.
A teoria da plasticidade encontra-se ainda em fase primária, apesar do
enorme estímulo concedido ao seu estudo pelas grandes potências industriais
do momento. Já a teoria da elasticidade está altamente desenvolvida.
7. CARACTERÍSTICAS DAS PROPRIEDADES DOS LÍQUIDOS E SÓLIDOS
7.1. Teoria do Estado Líquido
As teorias relativas aos líquidos baseiam-se em dois modelos
fundamentais:
- O que representa um líquido como se fosse um gás denso, o que permite
calcular suas propriedades termodinâmicas e mecânicas por meio da interação
molecular;
- E o que considera o estado líquido próximo de um estado cristalino
estruturalmente desordenado. Nesse caso, a mínima ordem molecular dos
líquidos é considerada como análoga à dos cristais, mas isto só tem
validade para as pequenas distâncias intermoleculares.
As forças que mantêm a coesão dos líquidos pertencem a seis
categorias:
- As forças de Van der Waals, de curto alcance, características de sistemas
eletricamente neutros, como os gases nobres;
- Interação quadrupolar que ocorre na presença de um quadrupolo, reunião de
dois dipolos ou quatro cargas, de modo que seus efeitos tenderiam a se
cancelar mutuamente, mas não o fazem exatamente, como ocorre no hidrogênio
e oxigênio líquidos;
- Interação coulombiana, forças de longo alcance entre cargas elétricas
existentes nos metais líquidos, como o mercúrio e o sódio líquido;
- Interação dipolar, maior que a de Van der Waals, que ocorre, por exemplo,
no bromo;
- Ligação pelo hidrogênio, mediante a qual as moléculas de água se agrupam
em conglomerados, o que lhes confere propriedades específicas em relação
aos outros líquidos como a notável capacidade de aderir a grande variedade
de substâncias;
- Transição de fase, quando os corpos mudam de estado físico e,
consequentemente, tem alteradas as suas propriedades.
7.2. Viscosidade
A viscosidade de um fluido é uma medida da resistência que esse fluido
oferece ao escoamento.
As unidades de fluido são o Pa x s. Quanto maior a viscosidade mais
lentamente flui o líquido. Os líquidos que têm maiores forças
intermoleculares também apresentam viscosidade mais elevada. A água tem uma
viscosidade superior à de muitos outros líquidos com moléculas de maior
dimensão devido à formação de ligações de hidrogênio.
Outro exemplo interessante é o glicerol, ilustrado na figura abaixo.
Figura 2. Estrutura do glicerol.
As ligações entre os grupos OH explicam a viscosidade elevada para
este líquido.
A viscosidade apresenta resistência ao fluir e as forças
intermoleculares grandes mantêm as moléculas unidas e não deixa que elas se
movimentem com facilidade. A medida da rigidez da superfície é a tensão
superficial (tendência das moléculas da superfície de serem puxadas para
dentro). Sendo assim, a viscosidade e a tensão superficial surgem das
forças intermoleculares.
Quando a força intermolecular é mais forte, a ligação de hidrogênio é
maior que a água que tem mais viscosidade que o benzeno. Sendo assim, este
é maior que as moléculas de água que para se mover é preciso quebrar
ligações de hidrogênio.
As cadeias longas de hidrocarbonetos oleosos e gorduras são
emaranhadas e por causa das forças de London as moléculas se movimentam com
dificuldade.
A viscosidade diminui com o aumento da temperatura.
Como exemplo podemos citar a viscosidade da água que à 100ºC é de 1/6
e o enxofre rômbico que é líquido à 113ºC.
Quando a temperatura aumenta, a viscosidade também aumenta porque os
anéis se rompem e a cadeia forma um emaranhado fazendo com que a mesma se
quebre e a viscosidade caia.
Óleos de máquina viscostáticos contêm moléculas poliméricas longas e
enroladas que se desenrolam quando a temperatura sobe e evitam o fluxo das
moléculas de hidrocarbonetos. Como resultado a viscosidade do óleo não
abaixa tanto quanto um líquido normal faria. Assim, quando o óleo esfria os
polímeros se enrolam novamente e as moléculas de hidrocarboneto fluem com
facilidade.
Em resumo, quanto maior a viscosidade de um líquido mais lentamente
ele flui e esta normalmente abaixa com o aumento da temperatura.
7.3. Tensão Superficial
A tensão superficial surge do desequilíbrio de forças intermoleculares
na superfície de um líquido e é responsável pela tendência de líquidos de
formar gotas e pelo efeito de capilaridade.
É a quantidade de energia necessária para aumentar a área de
superfície de um líquido, de uma unidade.
A unidade de tensão superficial é N/m.
Também é conhecida como uma medida da "força" existente à superfície
de um líquido. Quanto mais fortes as interações intermoleculares maior a
tensão superficial de um líquido.
Uma das características da água, para além das já referidas, é
precisamente a sua elevada tensão superficial, quando comparada com outros
líquidos.
Na figura abaixo compara-se a tensão superficial da água a um líquido
polar com um líquido apolar, um hidrocarboneto.
Figura 3. Diferença de tensão superficial na água e no hidrocarboneto.
No caso da água a atração entre moléculas é grande. Esta tende a
formar gotas sobre a superfície, por exemplo, a superfície metálica de um
carro. No caso dos hidrocarbonetos, a
tensão superficial é baixa e este tende a "espalhar-se" ao longo da
superfície. O mesmo efeito se obtém adicionando surfactantes (detergentes)
a água.
A superfície de um líquido é suave porque a tensão superficial tende a
puxar as moléculas juntas para dentro.
Os líquidos compostos de moléculas com forças intermoleculares altas
têm tensões superficiais altas. Na água, por exemplo, a tensão superficial
é cerca de três vezes maior que a maioria dos líquidos comuns porque as
ligações de hidrogênio são fortes. Já no mercúrio a tensão é seis vezes
maior do que a da água.
Uma gota de água suspensa no ar ou sobre uma superfície encerada é
esférica porque a tensão superficial puxa as moléculas para uma forma mais
compacta. As forças atrativas entre as moléculas de água são maiores do que
entre as moléculas de água e da cera.
Em ambientes livres de gravidade as gotas são esferas perfeitas e
minúsculas de polímero 0,01mm de diâmetro. Elas são obtidas no espaço e
usadas para calibrar tamanhos de partículas.
O menisco de um líquido é a superfície curvada que se forma em um tubo
estreito. Curvado para cima nas bordas, ele tem aparência côncava porque as
forças adesivas entre as moléculas da água e os grupos (–OH) presentes na
superfície do vidro são mais fortes do que as forças coesivas da água.
As bordas do menisco do mercúrio descem pelas paredes do vidro
apresentando aparência convexa maior que as forças adesivas entre os átomos
de mercúrio. Estas paredes de vidro são menores do que as forças coesivas
do mercúrio.
7.4. Dilatação Térmica
Os sólidos têm forma própria e volume definido, mas os líquidos têm
somente volume definido. Assim o estudo da dilatação térmica dos líquidos é
feito somente em relação a dilatação volumétrica. Esta obedece a uma lei
idêntica a dilatação volumétrica de um sólido, ou seja, a dilatação
volumétrica de um líquido poderá ser calculada pelas mesmas fórmulas da
dilatação volumétrica dos sólidos.
Figura 4. Coeficiente de dilatação de alguns líquidos, medido em ºC-¹.
A temperatura mede o grau de agitação das moléculas. Um grau de
agitação maior indica uma temperatura maior. Assim, quando aquecemos um
corpo consequentemente aumenta-se o grau de agitação das moléculas que o
constitui. Esse acontecimento faz com que ocorra um aumento nas dimensões
do corpo, fenômeno esse denominado de dilatação térmica. A diminuição de
temperatura provoca, por consequência, a diminuição nas dimensões do corpo,
chamada de contração térmica.
O que explica a dilatação térmica são as forças intermoleculares,
essas fazem com que a distância entre as moléculas aumente ou diminua. Nos
sólidos, o aumento ou diminuição da temperatura provoca alteração nas
dimensões lineares, como também nas dimensões superficiais e volumétricas.
7.5. Ponto de Fusão, Ponto de Ebulição e Ponto de Sublimação
O ponto de fusão é a temperatura na qual o sólido começa a se tornar
em líquido sob a pressão de uma atmosfera.
Um composto orgânico puro tem um ponto de fusão bem definido com um
intervalo menor de 0,5ºC, presença de impurezas miscíveis ou parcialmente
miscíveis faz com que essa diferença entre a primeira formação do líquido e
a fusão total aumente bastante, também causa o início do ponto de fusão a
uma temperatura mais baixa.
Um composto com alto grau de pureza tem um ponto de fusão bem
definido, com exceção de ser um mistura onde dois sólidos passam do estado
sólido paro o estado líquido ao mesmo tempo.
O ponto de fusão é usado como critério para avaliar o grau de pureza
de um composto ou ajudar na sua identificação através de comparações com
tabelas de pontos de fusão.
Há vários métodos de determinar o ponto de fusão, entre eles alguns
são via experimentos de aquecimentos da solução em banho de aquecimento com
substância de ponto de ebulição maior ou aparelhos de resistência elétrica
equipados com termômetros.
Figura 6. Ponto de fusão - aparelho de resistência elétrica equipado
com termômetro.
Um método comum é o de aquecer uma pequena quantidade de substância
que está num tubo capilar próximo a um termômetro dentro de um banho num
líquido que tenha um ponto de ebulição maior que o ponto de fusão da
substância. Outro método é utilizando um aparelho aquecido eletricamente.
Figura 7. Ponto de fusão - aparelho aquecido eletricamente.
O ponto de ebulição é a temperatura à qual a aplicação de mais calor a
um líquido não provoca qualquer aumento de temperatura e o líquido se
converte em vapor.
No ponto de ebulição, a pressão do vapor saturado de um líquido é
igual à pressão atmosférica (760torr) e, assim, o ponto de ebulição varia
com a altitude e a pressão. Quanto mais baixa for a pressão mais baixo é o
ponto de ebulição, e vice-versa. O ponto de ebulição da água, por exemplo,
é de 100ºC em condições normais.
O sistema utilizado para a determinação do ponto de ebulição é uma
"técnica tradicional" e utiliza-se material simples de laboratório. A
determinação do ponto de ebulição de um líquido através desta técnica não
implica quaisquer fórmulas ou equações, mas apenas a construção de um
gráfico a partir dos diversos valores registrados.
Figura 8. As bolhas de gás formam-se e sobem no seio do líquido porque
a pressão do gás (das moléculas na fase gasosa) vence a resistência
oferecida pela pressão atmosférica.
Sublimação é a passagem direta de uma substância do estado sólido para
o estado de vapor, e vice-versa.
Existem substâncias sólidas, como a naftalina, a cânfora, o benjoim e
o iodo, que nas condições habituais de pressão e temperatura em que vivemos
se transformam espontaneamente em vapor, sem passar pelo estado líquido.
Quando o vapor dessas substâncias se resfria pode ocorrer o fenômeno
inverso, elas podem voltam ao estado sólido. Ambos os fenômenos chamam-se
sublimação.
Figura 9. Ponto de sublimação.
7.6. Pressão de Vapor
Num sistema fechado, a uma dada temperatura, um dado número de
moléculas num líquido apresenta energia cinética suficiente para abandonar
a superfície do líquido (vaporização). Assim que as moléculas abandonam o
líquido, estabelece-se uma fase de vapor.
Para uma determinada temperatura atinge-se o equilíbrio líquido, pois
o vapor pode estar mais deslocado num sentido ou noutro, dependendo da
temperatura.
A pressão exercida pelo vapor de uma substância líquida, em equilíbrio
com a fase líquida, a uma dada temperatura, chama-se pressão de vapor. Esta
aumenta com o aumento da temperatura, pois a energia cinética média das
moléculas eleva-se, provocando uma maior agitação corpuscular. A partir do
instante em que as forças de atração entre as moléculas à superfície do
líquido são vencidas, aumenta-se o número de moléculas na fase gasosa.
Tanto é menor quanto maior a intensidade das forças intermoleculares
de um líquido, a uma dada temperatura.
Para que a solução de um soluto seja involátil, a pressão deve ser
inferior ao vapor do solvente puro, a uma mesma temperatura, uma vez que o
número de moléculas na superfície do líquido que podem passar a fase gasosa
seja menor, ou seja, para uma solução de soluto involátil, é tanto menor
quanto maior o número de partículas de soluto.
7.7. Elasticidade e Viscosidade
O sólido elástico deforma-se e recupera a forma original quando a
força que produziu a deformação é retirada.
Os líquidos podem suportar forças de compressão extremamente altas.
Entretanto, a menos que se encontre em alto grau de pureza, praticamente
não resistem a forças de tração.
Os gases estão sempre submetidos a esforços de compressão e se
diminuirmos a pressão aplicada sobre dada massa gasosa, ela
consequentemente aumentará de volume. Uma porção de fluido num recipiente,
estando submetida a uma pressão (P), ocupa um volume (V) a certa
temperatura (T).
Os líquidos viscosos não possuem forma geométrica definida e escoam
irreversivelmente quando submetidos à forças externas. Por outro lado, os
sólidos elásticos apresentam forma geométrica bem definida e se deformados
pela ação de forças externas, assumem outra forma geométrica de equilíbrio.
Muitos materiais apresentam um comportamento mecânico intermediário
entre estes dois extremos, evidenciando tanto características viscosas como
elásticas e, por este motivo, são conhecidos como viscoelásticos.
7.8. Forças Intermoleculares
Nos gases, quase não há ordenação das moléculas, pois a distância
entre as moléculas é muito grande, logo as ligações intermoleculares são
muito fracas. Também o volume de cada molécula é insignificante consoante o
volume que a amostra ocupa. Isto leva a que qualquer gás seja compressível,
ocorrendo então que as suas moléculas se movem por todo o espaço
disponível.
Nos líquidos, há um grande desordenamento das moléculas podendo,
ocasionalmente, formar estruturas que logo desaparecem (a distância entre
as moléculas é muito menor que nos gases). O volume ocupado pelos líquidos
vai ser então ligeiramente menor que o espaço ocupado, pelo que, devido às
suas moléculas se encontrarem mais agregadas, estes terão menor
compressibilidade e nem sempre se misturam com outros. Deste modo, a forma
líquida depende do recipiente no qual este se encontra.
Quando as forças moleculares vencem os movimentos das moléculas, a
substância apresenta-se no estado sólido, onde os movimentos moleculares se
limitam a vibrações. As substâncias sólidas não ordenadas, isto é, amorfas,
não possuem, portanto, ordenação molecular, diferindo dos líquidos apenas
devido ao número de movimentos das moléculas serem menores.
Os movimentos num sólido, apesar de limitados no espaço, não são
necessariamente pouco energéticos. Pode ocorrer que um movimento molecular
num sólido possua maior energia que num gás.
As forças intermoleculares se classificam em:
- Força dipolo-induzido: causada pelo acúmulo de elétrons em determinada
região da molécula.
As interações intermoleculares presentes nas moléculas apolares são as
dipolo-induzido, mas não ocorre o tempo todo, a distribuição de elétrons na
eletrosfera dessas moléculas é uniforme. Contudo, em algum instante ocorre
um acúmulo de cargas "d+" e "d-" (pólos) nas extremidades, é aí que as
forças dipolo-induzido aparecem. Como o próprio nome já diz, elas induzem
as moléculas vizinhas a também entrarem em desequilíbrio;
- Forças dipolo-dipolo: força intermolecular presente em compostos polares;
- Pontes de hidrogênio: essa é a interação mais forte que ocorre entre
moléculas e é comparada a força dipolo-dipolo bem mais intensificada. Esta
ligação ocorre entre moléculas que contêm átomos de hidrogênio ligados a
átomos de nitrogênio, flúor, oxigênio, ou seja, elementos muito
eletronegativos, por isso os pólos "d+" e "d-" ficam mais acentuados. A
molécula de água é um exemplo clássico das pontes de hidrogênio, onde
átomos de H se unem fortemente aos átomos de H de outras moléculas para
formar a cadeia de H20.
7.9. Reologia
Quanto a reologia das propriedades dos sólidos e líquidos, sabe-se que
esta é o estudo do comportamento deformacional e do fluxo de matéria
submetido a tensões, sob determinadas condições termodinâmicas ao longo de
um intervalo de tempo.
Inclui propriedades como elasticidade, viscosidade e plasticidade.
8. CONCLUSÃO
As várias fases condensadas estando em equilíbrio, o potencial químico
continuará o mesmo.
Existe uma grande variedade de forças de interação, e que a
caracterização de tais forças é, via de regra, um trabalho de caráter
puramente experimental.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. G. W. CASTELLAN, Físico-Química, Vol.1, RJ, Livros Técnicos e
Científicos Ed., 1977, pg.187.
2. A. SOMMERFELD, Thermodynamics and Statistical Thermodynamics, Academic
Press Inc Publ., NY, 1956, Se.9
3. International Critical Tables, Editado por Edward W. Washburn, McGraw-
Hill Book Co.,1927.
4. S. GLASSTONE, Termodinâmica para Químicos, Aguilar SA Ediciones, 1977,
pg 29.
5. G. F. LEAL FERREIRA, Rev. Bras. Ens. Física, 18, 14 (1996).
6. Ref 1, pg 47.
7. R. C. REID, J. M. Prausnitz e T. K. Sherwood, The Properties of Gases
and Liquids, Mc. Graw-Hill Book Co., NY, 1977, Cap.3.
8. G. BRUHAT, Thermodynamique, Masson & Cie, Paris, 1947, Cap.14.
9. CROCKFORD, H. D.; KNIGHT, S. B. Fundamentos de fisico-química. 3 ed. Rio
de Janeiro: LTC, 1993 .
10. SHAW, Duncan J. Introducao a quimica dos coloides e de superficies. São
Paulo: Edgard Blucher, 1975.
11. NETZ, Paulo A;ORTEGA, George Gonzalez. Fundamentos de físico-química :
uma abordagem conceitual para as ciências farmacêuticas. Porto Alegre:
ARTMED, 2005.
12. ATKINS, P. W.; JONES, L. L. Chemistry: molecules, matter, and changes.
New York: 3 Edition, W. H. Freeman and Company, 1997.
13. KOTZ, J. C.; TREICHEL JR., PAUL. Química e reações químicas. 3 ed. Rio
de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 1998, v. 1 e 2 .
14. ATKINS, P. W;PAULA, Júlio de. Físico-química. Traduzido por Edilson
Clemente da Silva; Márcio José Estillac de Mello Cardoso; Oswaldo Esteves
Barcia. 7. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2004. v.2.
15. MARTIN, A.; BUSTAMANTE, P.; CHUN, A .H.C. Physical pharmacy: physical
chemistry principles in the pharmaceutical sciences. New York: 4 Editon.
Lea & Febiger, 1993.
