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Estados da matéria

Introdução aos estados ou fases da matéria. Versão original criada por Sal Khan.

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Transcrição de vídeo

RKA1JV - Bom, eu acho que já estamos razoavelmente habituados com os três estados da matéria em nosso cotidiano. Em temperaturas altíssimas, existe um quarto estado, mas os três estados com os quais normalmente lidamos, são algo que pode ser um sólido, um líquido, ou que pode ser um gás. Temos essa noção geral e acho que a água é o exemplo que sempre vem, pelo menos à minha mente. O sólido acontece quando as coisas estiverem mais frias. Relativamente mais frias. E, conforme você aquece, você vai para um estado líquido. Conforme você aquece mais ainda, você vai para o estado gasoso. Portanto, você vai do mais frio para o mais quente. No caso da água, quando você for um sólido, você é gelo. Quando for um líquido, algumas pessoas chamariam de água gelada, mas vamos chamar de água líquida. Acho que já sabemos o que é isso. E, quando estiver no estado gasoso, é essencialmente vapor. Ou vapor d'água. Vamos pensar um pouco sobre o que, pelo menos no caso da água, e a analogia vai se estender aos outros tipos de moléculas, mas o que a água tem que a faz sólida quando mais fria? O que ela tem que permite que seja líquida? Vou ser franco, os líquidos são um tanto mais fascinante porque você nunca pode simplificá-los. Eu acho que é a melhor maneira de vê-los. Ou um gás. Vamos desenhar uma molécula de água. Portanto, há oxigênio. Tem algumas ligações de hidrogênio e tem também dois pares de elétrons de valência no oxigênio. Alguns vídeos atrás, dissemos que o oxigênio é muito mais eletronegativo que o hidrogênio. O oxigênio gosta de atrair elétrons, mesmo que isso mostre que estão compartilhando elétrons aqui e aqui. Nas extremidades dessas linhas, você pode ver que o hidrogênio está contribuindo com um elétron. E o oxigênio contribuindo com um elétron nas duas extremidades daquela linha. Sabemos que por causa da eletronegatividade ou a relativa eletronegatividade do oxigênio, ele está atraindo esses elétrons. Então, os elétrons passam muito mais tempo ao redor do oxigênio do que ao redor do hidrogênio. O resultado disso é que, na extremidade do oxigênio da molécula, você vai ter uma carga parcial negativa. Já falamos um pouco sobre isso. Na extremidade do hidrogênio na molécula, você vai ter uma carga ligeiramente positiva. Se essas moléculas tiverem uma energia cinética baixa, elas estão se movimentando muito. Então, as extremidades positivas dos hidrogênios estão bem atraídas pelas extremidades negativas do oxigênio das outras moléculas. Vou desenhar mais algumas moléculas. Quando falamos sobre o estado físico da matéria, estamos pensando, na verdade, sobre como as moléculas estão interagindo umas com as outras. Não apenas sobre como os átomos interagem entre si dentro da molécula. Desenhei somente um oxigênio, vou copiar e colar isso, mas eu poderia desenhar vários oxigênios. E digamos que aquele hidrogênio queira ficar perto deste oxigênio porque este tem uma carga parcial negativa. Este tem uma carga parcial positiva. Então, eu poderia fazer mais um logo ali. Talvez tenhamos, apenas para mostrar o que quero dizer, esses dois hidrogênio aqui, talvez um oxigênio queira ficar ali. Você talvez tenha um oxigênio que queira ficar aqui porque ele tem a carga parcial negativa aqui. E está conectado os dois hidrogênios bem aqui que possuem suas cargas parciais positivas. Você pode perceber uma estrutura em forma de rede, vou desenhar essas ligações. Essas ligações polares que começam a se formar entre as partículas. Essas ligações são chamadas de ligações polares porque as moléculas em si são polares. E você pode ver que elas formam uma estrutura em forma de rede. E, se uma dessas moléculas não tiver muita energia cinética, poderíamos dizer que a energia cinética média dessa matéria é relativamente baixa. Mas o que sabemos sobre a energia cinética média? Isso é temperatura. Então, essa estrutura em forma da rede será sólida, essas moléculas não vão se mover em relação às outras. Eu poderia desenhar muito mais moléculas, mas eu acho que você entendeu que estamos formando uma estrutura fixa. E, quando estamos no estado sólido, conforme adicionamos energia cinética, conforme acrescentamos calor, o que acontecerá com as moléculas é que elas passarão a vibrar um pouquinho. Se eu fosse um cartunista, eu poderia desenhar essas marcações para indicar a vibração. Isso não é muito científico, mas elas vibrariam, começariam a dar uma leve tremida. Estou desenhando flechas para indicar que estão vibrando. Não precisa ser somente para os lados, pode ser também para cima e para baixo. Mas, conforme você vai adicionando mais e mais calor a um sólido, essas moléculas vão manter sua estrutura. Elas não vão se mover em relação às outras, mas elas irão converter esse calor. E o calor é apenas uma forma de energia, em energia cinética, que é expressa como a vibração dessas moléculas. Se você fizer essas moléculas vibraram bastante, e colocar a energia cinética suficiente nessas moléculas, o que acha que acontecerá? Esta molécula está vibrando bastante e ela está vibrando cada vez mais, conforme mais calor for adicionado. Esta molécula está fazendo o mesmo. Em algum momento, essas ligações polares que existem entre elas não serão fortes o bastante para conter as vibrações. Quando isso acontecer, as moléculas, vou desenhar mais algumas. Quando isso acontecer, as moléculas vão começar a se mover entre elas. De repente, a molécula começará a mudar de posição, mas as moléculas ainda se atraem. Talvez, esse lado se mova para cá, e aquele se mova para lá, outras moléculas movem-se naquela direção, mas elas ainda estão atraídas entre si. Mesmo que tenhamos conseguido energia cinética para fazer com que as vibrações rompam as ligações entre as extremidades polares da molécula, nossa vibração ou nossa energia cinética de cada molécula ainda não é forte o bastante para separá-las completamente. Elas estão começando a escorregar entre si. Basicamente é isso que acontece quando você estiver em um estado líquido. Há muitos átomos que querem entrar em contato uns com os outros, mas que estão escorregando. Eles têm energia cinética suficiente para escorregar entre si e romper essa sólida estrutura em forma de rede. E se você adicionar ainda mais energia cinética, ainda mais calor, nesse ponto, já será uma solução. As moléculas não poderão nem ficar juntas, elas não vão poder ficar perto uma das outras. Se você adicionar energia cinética suficiente, as começarão a ter essa aparência. Elas vão separar-se completamente, e, de certa forma, saltitar independentemente. Principalmente, se forem consideradas um gás ideal. Mas, em geral, em gases, elas não estão mais tocando umas nas outras. Talvez, elas possam colidir entre si, mas elas possuem tanta energia cinética própria que elas estão agindo por conta própria. E não estão se tocando. Eu acho que isso é bem intuitivo, se você pensar sobre o que é um gás. Por exemplo, é difícil ver um gás. Porque é difícil ver um gás? Porque as moléculas estão muito longe umas das outras. Elas não sofrem a ação da luz da mesma maneira que um líquido ou um sólido sofreria. E se continuarmos indo ainda mais longe com isso, com o sólido, provavelmente não deveria usar o exemplo do gelo, porque o gelo ou água, é uma das poucas situações em que o sólido é menos denso que o líquido. É por isso que o gelo é flutua, é por isso que usar icebergs não afundam para o fundo do oceano. E os lagos não congelam por completo. Mas você pode imaginar isso porque um líquido é, na maioria dos casos, além da água, menos denso. Esse é um outro motivo que explica por que você pode enxergar através dele um pouco melhor. Ou ele difrata, não vou entrar em muitos detalhes como faz um sólido. Mas com o gás fica mais óbvio, e é válido para a água. A forma líquida é definitivamente mais densa do que a forma gasosa. Na forma gasosa, as moléculas vão pular sem tocar umas nas outras. Por causa disso, mais luz consegue atravessar a substância. Agora a pergunta é: como podemos medir a quantidade de calor necessária para que isso aconteça com a água? Para explicar isso, eu vou desenhar um diagrama de mudança de fase, que é uma maneira elegante de descrever algo bastante simples. Esta é a quantidade de calor adicionada e esta é a temperatura. Falaremos sobre os estados da matéria em segundo. O calor é geralmente representado pela letra "Q". Às vezes, as pessoas vão falar sobre variações de calor e será usada a letra "H" maiúscula e minúscula. O símbolo Δ será colocado antes da letra "H", Δ significa variação e, às vezes, você vai ouvir a palavra entalpia. Vou escrever isso. Eu costumava perguntar o que era entalpia, pode ser confundida com empatia. Mas é um conceito bastante diferente, pelo menos tanto quanto minhas conexões neurais possam identificá-lo. A entalpia está intimamente relacionada ao calor, é o conteúdo de calor. No nosso caso, quando você ouvir alguém dizer variação de entalpia, você deveria pensar apenas em variação de calor. Eu acho que essa palavra foi introduzida somente para confundir os estudantes de Química e introduzir uma palavra não intuitiva em seu vocabulário. A melhor maneira de pensar sobre isso é conteúdo de calor. A variação de entalpia significa apenas variação de calor. E, lembre-se, todas essas coisas falando de calor e energia cinética, energia potencial, entalpia, você vai ouvi-las em contextos diferentes. E pode pensar que deveria ter usado a palavra calor enquanto eles estão falando de entalpia. Todas essas são formas de energia e todas elas são medidas em joules. Elas podem ser medidas de outras formas, mas a forma tradicional é em joules. A energia é a capacidade de realizar trabalho. Qual a unidade para trabalho? É o joule, força vezes distância. Esse é um comentário adicional. É bom conhecer essa palavra entalpia, especialmente, do ponto de vista da Química, porque é usada o tempo todo. E pode ser muito confusa e não intuitiva, porque você pensa que não sabe o que é entalpia em seu cotidiano. Basta pensar nisso como conteúdo de calor, porque isso é realmente o que é. Voltando, nesse eixo, tem o calor. Isto é quando tiver um pouquinho de calor. Estou aumentando o calor e esta é a temperatura. Digamos que em temperaturas baixas, eu esteja aqui. E, ao acrescentar calor, a temperatura vai aumentar. A temperatura é energia cinética média. Digamos que eu esteja no estado sólido aqui, vou usar a cor roxa para o estado sólido. Mas, eu já estava usando o roxo, vou usar magenta. Portanto, ao acrescentar calor, a temperatura vai aumentar. O calor é uma forma de energia, ao acrescentar calor a essas moléculas, como eu fiz nesse exemplo, o que aconteceu? As moléculas começaram a vibrar mais, as moléculas tiveram uma energia cinética maior ou uma energia cinética média maior. A temperatura é uma medida de energia cinética média. Portanto, ao acrescentar calor na fase sólida, a energia cinética média vai aumentar. Vou anotar isso. Isso está em fase sólida ou em estado sólido da matéria. Uma coisa muito interessante acontece. Digamos que isso seja água, então, o que acontece a zero grau? Isso equivale a 273,15 Kelvin. Digamos que seja essa linha, o que acontece com o sólido? Ele se transforma em um líquido, o gelo derrete. Nem todos os sólidos, estamos falando em particular sobre a água, sobre H₂O. Em nosso exemplo, isso é gelo, nem todos os sólidos são gelo. Você poderia pensar em uma rocha como um magma sólido, porque isso é o que ela é. Eu poderia usar essa analogia de várias formas diferentes, mas a coisa interessante é que acontece a zero grau. Mas, dependendo da direção na qual você estiver indo, seja o ponto de congelamento da água ou ponto de fusão do gelo, algo interessante acontece. Ao acrescentar mais calor, a temperatura não aumenta, ao acrescentar mais calor, a temperatura não aumenta durante um pequeno período. Vou desenhar isso. Durante um pequeno período, a temperatura permanece constante. Enquanto a temperatura permanecer constante, ele permanece um sólido. Ainda estamos no estado sólido. Em seguida, nos transformamos finalmente em líquido, digamos, bem aqui. Portanto, adicionamos certa quantidade de calor e ele permaneceu um sólido. Mas chegamos ao ponto do qual o gelo transformou-se em um líquido, ele estava derretendo o tempo todo. Essa é a melhor forma de ver isso. Em seguida, ao continuar acrescentando mais e mais calor, o líquido também aquece. Agora chegamos a temperatura que se torna interessante de novo para a água. Obviamente 100 graus Celsius ou 373 Kelvin. Vou usar Celsius por enquanto. Estamos mais habituados. O que acontece? Essa é a temperatura em que a água vai evaporar ou em que a água vai ferver. Mas algo acontece, as moléculas estão ficando cineticamente ativas. Assim como aconteceu quando passamos do estado sólido para o estado líquido, há uma certa quantidade de energia com a qual é necessário contribuir para o sistema. Na verdade, é uma quantidade significativa nesse ponto no qual a água está se transformando em vapor. Não está ficando mais quente. Portanto, temos que continuar acrescentando calor. Mas você pode perceber que a temperatura não aumentou, falaremos em um segundo sobre o que estava acontecendo naquele momento. Finalmente, depois desse ponto, estamos completamente vaporizados ou em total estado de vapor. Então, podemos começar a aquecer. O vapor pode ficar mais quente à medida que acrescentamos mais e mais calor para o sistema. Portanto, a pergunta interessante, eu acho que é intuitiva, é que, ao acrescentar calor aqui, a temperatura vai aumentar? Mas a coisa interessante é o que estava acontecendo aqui. Estávamos acrescentando o calor aqui. O calor estava se tornando energia cinética, a temperatura é energia cinética média. Mas aqui, o que estava fazendo o calor? O calor não estava adicionando energia cinética para o sistema. A temperatura não estava aumentando, mas o gelo estava indo de gelo para a água. O que estava acontecendo naquele estado é que, a energia cinética, o calor estava sendo usado para quebrar essas ligações. E, basicamente, para trazer as moléculas em um estado de energia mais alto. Você poderia dizer: "O que significa isso, estado de energia mais alto?" Se não houvesse todo esse calor e toda essa energia cinética, essas moléculas querem ficar muito próximas umas das outras. Por exemplo, eu quero ficar perto da superfície da Terra. Quando você me colocar em um avião, você tem que me colocar em um estado de energia mais alto. Eu tenho muito mais energia potencial, eu tenho energia potencial para cair em direção à Terra. Da mesma forma, quando você separar essas moléculas e quando você for de um sólido para um líquido, as moléculas querem cair em direção umas das outras. Por terem tanta energia cinética, elas nunca conseguirão fazê-lo. Mas sua energia aumenta, sua energia potencial é maior, porque elas querem cair em direção umas das outras. Caindo em direção umas das outras, em teoria, elas poderiam realizar trabalho. O que está acontecendo aqui quando estivermos contribuindo com calor? E esta quantidade de calor com a qual estávamos contribuindo é chamada calor de fusão. Pois é a mesma quantidade de calor, independentemente da direção na qual estamos indo. Quando passamos de sólido para líquido, você pode vê-lo como um calor de derretimento. É o calor que você precisa acrescentar para derreter o gelo, tornando-o mais líquido. Quando você estiver indo nessa direção, é o calor que você tem que retirar da água a zero grau para transformá-lo em gelo. Você está retirando essa energia potencial, trazendo as moléculas para cada vez mais perto umas das outras. A maneira de pensar sobre isso é: bem aqui este calor está sendo convertido em energia cinética. Nessa mudança de fase, de sólido para líquido, esse calor está sendo usado para adicionar energia potencial ao sistema. Para separar as moléculas, para lhes dar mais energia potencial. Se você me afastar da Terra, você está me conferindo energia potencial, porque a gravidade quer me puxar de volta para a Terra. Eu poderia realizar trabalho ao cair de volta para a Terra. Uma cachoeira realiza trabalho, ela pode mover uma turbina. Muitos sais caindo poderiam também mover uma turbina. Então, quando você estiver totalmente no estado líquido, o líquido se tornará cada vez mais quente. Mais uma vez, o calor está sendo utilizado para a energia cinética. Você está fazendo com que as moléculas de água se movam sobre as outras cada vez mais rápido. Até algum ponto no qual elas querem dissociar-se completamente umas das outras. Elas nem querem escorregar entre si, mas apenas saltar longe umas das outras. É isso o que acontece bem aqui, esse é o calor de vaporização. Está acontecendo a mesma coisa. Antes, as moléculas estavam escorregando umas perto das outras. Agora, elas estão se separando completamente. Definitivamente, elas poderiam cair perto umas das outras. Após termos acrescentado essa quantidade de calor, agora estamos apenas aquecendo o vapor. Estamos apenas aquecendo a água no estado gasoso que está ficando cada vez mais quente. Mas a coisa interessante, quer dizer, pelo menos interessante para mim, quando eu aprendi isso pela primeira vez, é que sempre que falar em água a zero grau, vou pensar em gelo, mas isso não é necessariamente o caso. Se você começar com água esfriando-a até zero grau, você está basicamente retirando o calor da água. Pode haver água a zero grau que ainda não se transformou em gelo. Da mesma forma, poderia haver água a 100 graus que ainda não se transformou em vapor. Mais energia deve ser adicionada. Pode haver também vapor a 100 graus, pode haver também água a zero grau. Espero que isso lhe dê uma noção sobre os diferentes estados da matéria. No próximo problema, vamos falar sobre a quantidade exata de calor necessária para se mover ao longo dessa linha. E, talvez, possamos resolver alguns problemas relativos a quanto gelo seria necessário para esfriar a nossa bebida.