MUDANÇAS DE ESTADO: TIPOS E SUAS CARACTERÍSTICAS (COM EXEMPLOS) - QUÍMICA - 2025

As mudanças de estado ou fase são onde o material sofre mudanças físicas, fenômeno termodinâmico reversível. Diz-se que é termodinâmica porque ocorre uma transferência de calor entre a matéria e o ambiente; ou o que é o mesmo, há interações entre matéria e energia que induzem um rearranjo das partículas.

As partículas que sofrem a mudança de estado permanecem as mesmas antes e depois dela. Pressão e temperatura são variáveis ​​importantes em como são acomodados em uma fase ou outra. Quando ocorre uma mudança de estado, um sistema bifásico é formado, composto da mesma matéria em dois estados físicos diferentes.

Mudanças de estado. Fonte: Gabriel Bolívar

A imagem acima mostra as principais mudanças de estado pelas quais passa a matéria em condições normais.

Um cubo sólido de uma substância azulada pode se tornar líquido ou gasoso dependendo da temperatura e pressão do ambiente. Por si só, ele representa uma única fase: o sólido. Mas, no momento da fusão, ou seja, fusão, estabelece-se um equilíbrio sólido-líquido denominado fusão (seta vermelha entre o cubo azulado e a gota).

Para que a fusão ocorra, o cubo precisa absorver calor de seus arredores para aumentar sua temperatura; portanto, é um processo endotérmico. Uma vez que o cubo esteja completamente derretido, ele retorna a uma única fase: a do estado líquido.

Essa gota azulada pode continuar a absorver calor, o que aumenta sua temperatura e resulta na formação de bolhas gasosas. Novamente, existem duas fases: uma líquida e a outra gasosa. Quando todo o líquido tiver evaporado até atingir o ponto de ebulição, diz-se que ele ferveu ou vaporizou.

Agora as gotas azuladas se transformaram em nuvens. Até agora, todos os processos foram endotérmicos. O gás azulado pode continuar a absorver calor até ficar quente; no entanto, dadas as condições terrestres, ele tende a esfriar e se condensar de volta no líquido (condensação).

Por outro lado, as nuvens também podem se depositar diretamente em uma fase sólida, formando novamente o cubo sólido (deposição). Esses dois últimos processos são exotérmicos (setas azuis); ou seja, eles liberam calor para o ambiente ou arredores.

Além da condensação e deposição, ocorre uma mudança de estado quando a gota azulada congela em baixas temperaturas (solidificação).

Tipos de mudanças de estado e suas características

A imagem mostra as mudanças típicas para os três (mais comuns) estados da matéria: sólido, líquido e gasoso. As alterações acompanhadas pelas setas vermelhas são endotérmicas, envolvendo a absorção de calor; enquanto aqueles acompanhados pelas setas azuis são exotérmicos, eles liberam calor.

Uma breve descrição de cada uma dessas mudanças será feita a seguir, destacando algumas de suas características do raciocínio molecular e termodinâmico.

- Fusão

A fusão é a mudança de estado de uma substância de sólido para líquido.

No estado sólido, as partículas (íons, moléculas, aglomerados, etc.) são “prisioneiros”, localizados em posições fixas no espaço sem poder se mover livremente. No entanto, eles são capazes de vibrar em frequências diferentes e, se forem muito fortes, a ordem rigorosa imposta pelas forças intermoleculares começará a "desmoronar-se".

Como resultado, obtêm-se duas fases: uma onde as partículas permanecem confinadas (sólidas) e outra onde ficam mais livres (líquidas), o suficiente para aumentar as distâncias que as separam. Para conseguir isso, o sólido deve absorver calor e, portanto, suas partículas vibrarão com maior força.

Por isso a fusão é endotérmica, e quando começa diz-se que ocorre um equilíbrio entre as fases sólido-líquido.

O calor necessário para produzir essa mudança é chamado de calor ou entalpia molar de fusão (ΔH _Fus). Isso expressa a quantidade de calor (energia, principalmente em unidades de kJ) que uma molécula de substância em estado sólido deve absorver para derreter, e não simplesmente aumentar sua temperatura.

Bola de neve

Derretimento de neve com a mão. Fonte: Pixabay

Com isso em mente, entende-se por que uma bola de neve derrete na mão (imagem superior). A neve absorve o calor corporal, que é suficiente para elevar a temperatura da neve acima de 0 ° C.

Os cristais de gelo na neve absorvem apenas o calor suficiente para derreter e para que suas moléculas de água adotem uma estrutura mais confusa. Enquanto a neve derrete, a água formada não aumenta sua temperatura, pois todo o calor da mão é aproveitado pela neve para completar seu derretimento.

- Vaporização

A vaporização é a mudança de estado de uma substância do estado líquido para o gasoso.

Continuando com o exemplo da água, agora colocando um punhado de neve em uma panela e acendendo o fogo, observa-se que a neve derrete rapidamente. À medida que a água esquenta, pequenas bolhas de dióxido de carbono e outras possíveis impurezas gasosas começam a se formar dentro dela.

Água fervendo. Fonte: Pixabay

O calor expande molecularmente as configurações desordenadas da água, expandindo seu volume e aumentando sua pressão de vapor; portanto, existem várias moléculas que escapam da superfície como resultado do aumento da evaporação.

A água líquida aumenta sua temperatura lentamente, devido ao seu alto calor específico (4.184J / ° C ∙ g). Chega um ponto em que o calor que ele absorve não é mais usado para elevar sua temperatura, mas para iniciar o equilíbrio líquido-vapor; ou seja, começa a ferver e todo o líquido vai para o estado gasoso enquanto absorve o calor e mantém a temperatura constante.

É aqui que você vê o borbulhar intenso na superfície da água fervida (imagem superior). O calor que a água líquida absorve de forma que a pressão de vapor de suas bolhas incipientes seja igual à pressão externa é denominado entalpia de vaporização (ΔH _Vap).

O papel da pressão

A pressão também é um fator determinante nas mudanças de estado. Qual é o seu efeito na vaporização? Quanto maior a pressão, maior o calor que a água deve absorver para ferver e, portanto, se vaporiza acima de 100 ° C.

Isso ocorre porque o aumento da pressão dificulta o escape das moléculas de água da fase líquida para a fase gasosa.

As panelas de pressão usam esse fato a seu favor para aquecer os alimentos em água a uma temperatura acima do ponto de ebulição.

Por outro lado, como ocorre o vácuo ou a diminuição da pressão, a água líquida necessita de uma temperatura mais baixa para ferver e passar à fase gasosa. Com alta ou baixa pressão, quando a água ferve, ela precisa absorver seu respectivo calor de vaporização para completar sua mudança de estado.

- Condensação

Condensação é a mudança de estado de uma substância do estado gasoso para o estado líquido.

A água vaporizou. Que segue? O vapor d'água ainda pode aumentar de temperatura, tornando-se uma corrente perigosa capaz de causar queimaduras graves.

No entanto, vamos supor que em vez disso esfrie. Quão? Liberar calor para o ambiente e liberar calor é considerado um processo exotérmico que ocorre.

Ao liberar calor, as moléculas de água gasosa, muito energéticas, começam a desacelerar. Além disso, suas interações se tornam mais eficazes conforme a temperatura do vapor diminui. Primeiro, formar-se-ão gotículas de água, condensadas do vapor, seguidas por gotas maiores que acabam sendo atraídas pela gravidade.

Para condensar completamente uma determinada quantidade de vapor, é necessário liberar a mesma energia, mas com sinal oposto, em ΔH _Vap; ou seja, sua entalpia de condensação ΔH _Cond. Assim, o equilíbrio líquido-vapor inverso é estabelecido.

Janelas úmidas

Condensação de água. Fonte: Pexels

A condensação pode ser vista nas janelas das próprias casas. Em climas frios, o vapor d'água contido no interior da casa colide com a janela, que devido ao seu material possui temperatura mais baixa que as demais superfícies.

Lá, é mais fácil para as moléculas de vapor se agruparem, criando uma fina camada esbranquiçada facilmente removível à mão. À medida que essas moléculas liberam calor (aquecendo o vidro e o ar), elas começam a formar grupos mais numerosos até que as primeiras gotas se condensem (imagem superior).

Quando as gotas ficam muito grandes, elas escorregam pela janela e deixam um rastro de água.

- Solidificação

A solidificação é a mudança de estado de uma substância do estado líquido para o estado sólido.

A solidificação ocorre como resultado do resfriamento; em outras palavras, a água congela. Para congelar, a água deve liberar a mesma quantidade de calor que o gelo absorve para derreter. Mais uma vez, este calor é chamado a entalpia de solidificação ou congelamento, AHV _Cong (-ΔH _Fus).

Conforme as moléculas de água esfriam, elas perdem energia e suas interações intermoleculares se tornam mais fortes e direcionais. Como resultado, eles são organizados graças às suas ligações de hidrogênio e formam os chamados cristais de gelo. O mecanismo pelo qual os cristais de gelo crescem tem impacto sobre sua aparência: transparente ou branco.

Escultura de gelo. Fonte: Pixabay

Se os cristais de gelo crescerem muito lentamente, eles não obstruem as impurezas, como gases que se solubilizam em água a baixas temperaturas. Assim, as bolhas estão escapando e não podem interagir com a luz; e conseqüentemente, você tem um gelo tão transparente quanto o de uma estátua de gelo extraordinária (imagem superior).

A mesma coisa que acontece com o gelo, pode acontecer com qualquer outra substância que se solidifica por resfriamento. Talvez esta seja a mudança física mais complexa nas condições terrestres, uma vez que vários polimorfos podem ser obtidos.

- Sublimação

Sublimação é a mudança de estado de uma substância do estado sólido para o gasoso.

A água pode ser sublimada? Não, pelo menos não em condições normais (T = 25 ° C, P = 1 atm). Para que ocorra a sublimação, ou seja, a mudança de estado de sólido para gasoso, a pressão de vapor do sólido deve ser alta.

Da mesma forma, é essencial que suas forças intermoleculares não sejam muito fortes, de preferência se consistirem apenas em forças de dispersão.

O exemplo mais emblemático é o iodo sólido. É um sólido cristalino com matizes púrpura acinzentado, que apresenta alta pressão de vapor. Tanto que no ato se desprende um vapor púrpura, cujo volume e expansão se tornam perceptíveis quando submetidos ao aquecimento.

Sublimação de iodo. Fonte: Belkina NV, do Wikimedia Commons

A imagem acima mostra um experimento típico onde o iodo sólido é evaporado em um recipiente de vidro. É interessante e impressionante observar como os vapores roxos se difundem, e o aluno iniciado pode verificar a ausência de iodo líquido.

Esta é a principal característica da sublimação: não há presença de fase líquida. Da mesma forma, é endotérmico, pois o sólido absorve calor para aumentar sua pressão de vapor até que se iguale à pressão externa.

- Deposição

Deposição de cristais de iodo. Fonte: Stanislav.nevyhosteny, do Wikimedia Commons

Deposição é a mudança de estado de uma substância do estado gasoso para o estado sólido.

Paralelo ao experimento de sublimação do iodo, existe o de sua deposição. A deposição é a mudança ou transição oposta: a substância passa do estado gasoso para o sólido sem a formação da fase líquida.

Quando os vapores de iodo roxo entram em contato com uma superfície fria, eles liberam calor para aquecê-la, perdendo energia e reagrupando suas moléculas de volta ao sólido roxo-acinzentado (imagem superior). É então um processo exotérmico.

A deposição é amplamente utilizada para a síntese de materiais onde eles são dopados com átomos de metal por técnicas sofisticadas. Se a superfície for muito fria, a troca de calor entre ela e as partículas de vapor é abrupta, omitindo a passagem pela respectiva fase líquida.

O calor ou entalpia de deposição (e não deposição) é o inverso daquele de sublimação (ΔH _Sub = - ΔH _Dep). Em tese, muitas substâncias podem ser sublimadas, mas para isso é necessário manipular pressões e temperaturas, além de ter seu diagrama P vs T em mãos; no qual, suas distantes fases possíveis podem ser visualizadas.

Outras mudanças de status

Embora nenhuma menção seja feita a eles, existem outros estados da matéria. Às vezes, eles se caracterizam por ter "um pouco de cada um" e, portanto, ser uma combinação deles. Para gerá-los, as pressões e temperaturas devem ser manipuladas para magnitudes muito positivas (grandes) ou negativas (pequenas).

Assim, por exemplo, se os gases forem aquecidos excessivamente, eles perderão seus elétrons e seus núcleos carregados positivamente naquela maré negativa constituirão o que é conhecido como plasma. É sinônimo de "gás elétrico", pois apresenta alta condutividade elétrica.

Por outro lado, quando as temperaturas caem muito, a matéria pode se comportar de maneiras inesperadas; ou seja, eles exibem propriedades únicas em torno do zero absoluto (0 K).

Uma dessas propriedades é superfluidez e supercondutividade; bem como a formação de condensados ​​de Bose-Einstein, onde todos os átomos se comportam como um só.

Algumas pesquisas até apontam para a matéria fotônica. Neles, as partículas de radiação eletromagnética, os fótons, se agrupam para formar moléculas fotônicas. Ou seja, seria dar massa aos corpos de luz, teoricamente.

Referências

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6. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Química. (8ª ed.). CENGAGE Learning.