Objectivos de Aprendizagem
- Definir fusão, congelamento e sublimação.
Dependente das condições circundantes, a matéria normal geralmente existe como uma das três fases: sólida, líquida ou gasosa.
Uma mudança de fase é um processo físico no qual uma substância vai de uma fase para outra. Normalmente a mudança ocorre ao adicionar ou remover calor a uma determinada temperatura, conhecida como o ponto de fusão ou o ponto de ebulição da substância. O ponto de fusão é a temperatura na qual a substância vai de um sólido para um líquido (ou de um líquido para um sólido). O ponto de ebulição é a temperatura à qual a substância vai de um líquido para um gás (ou de um gás para um líquido). A natureza da mudança de fase depende da direção da transferência de calor. O calor que entra em uma substância a transforma de um sólido para um líquido, ou de um líquido para um gás. A remoção de calor de uma substância muda um gás para um líquido, ou um líquido para um sólido.
Dois pontos-chave são dignos de destaque. Primeiro, no ponto de fusão ou de ebulição de uma substância, podem existir duas fases simultaneamente. Tomar a água (H2O) como exemplo. Na escala Celsius, H2O tem um ponto de fusão de 0°C e um ponto de ebulição de 100°C. A 0°C, tanto as fases sólida como líquida do H2O podem coexistir. Entretanto, se o calor for adicionado, parte do H2O sólido derreterá e se transformará em H2O líquido. Se o calor for removido, o oposto acontece: parte do H2O líquido se transforma em H2O sólido. Um processo similar pode ocorrer a 100°C: adicionar calor aumenta a quantidade de H2O gasoso, enquanto que remover calor aumenta a quantidade de H2O líquido (Figura \PageIndex{1}}).
Segundo, a temperatura de uma substância não muda conforme a substância vai de uma fase para outra. Em outras palavras, as mudanças de fase são isotérmicas (isotérmicas significa “temperatura constante”). Mais uma vez, considere o H2O como exemplo. A água sólida (gelo) pode existir a 0°C. Se o calor for adicionado ao gelo a 0°C, algumas das mudanças de fase sólida para fazer líquido, que também está a 0°C. Lembre-se, as fases sólida e líquida de H2O podem coexistir a 0°C. Somente após todo o sólido ter derretido em líquido é que a adição de calor altera a temperatura da substância.
Para cada mudança de fase de uma substância, há uma quantidade característica de calor necessária para realizar a mudança de fase por grama (ou por mol) de material. O calor de fusão (ΔHfus) é a quantidade de calor por grama (ou por mol) necessária para uma mudança de fase que ocorre no ponto de fusão. O calor de vaporização (ΔHvap) é a quantidade de calor por grama (ou por toupeira) necessária para uma mudança de fase que ocorra no ponto de ebulição. Se você souber o número total de gramas ou toupeiras de material, você pode usar o ΔHfus ou o ΔHvap para determinar o calor total transferido para a fusão ou solidificação usando estas expressões:
onde \\(n\) é o número de toupeiras e \(ΔH_{fus}}} é expresso em energia/molha ou
onde \(m) é a massa em gramas e \(ΔH_{fus}) é expresso em energia/grama.
Para a ebulição ou condensação, use estas expressões:
Onde {\i}é o número de toupeiras e {\i}(ΔH_{vap}}} é expresso em energia/molho ou
Onde {\i}(m) é a massa em gramas e {\i}(ΔH_{vap}}) é expresso em energia/grama.
Lembrar que uma mudança de fase depende da direcção da transferência de calor. Se houver transferência de calor, os sólidos tornam-se líquidos, e os líquidos tornam-se sólidos nos pontos de fusão e de ebulição, respectivamente. Se o calor for transferido para fora, os líquidos solidificam-se e os gases condensam-se em líquidos.
Exemplo \(\PageIndex{1})
Quanto calor é necessário para derreter 55,8 g de gelo (H2O sólido) a 0°C? O calor de fusão do H2O é 79,9 cal/g.
Solução
Podemos usar a relação entre o calor e o calor de fusão (Eq. \PageIndex{1})b) para determinar quantos joules de calor são necessários para derreter este gelo:
>& = (55.8\: {g}{g})cancelar{g}}esquerda(dfrac{79.9}: cal}{g}{g}{g}{g}{g}{g=4,460}: cal}end{alinhamento*}]
Exercício {1}(PageIndex{1})
Quanto calor é necessário para vaporizar 685 g de H2O a 100°C? O calor de vaporização do H2O é 540 cal/g.
Tabela \\PageIndex{1}\PageIndex{1}) lista os aquecedores de fusão e vaporização para algumas substâncias comuns. Note as unidades nessas quantidades; quando você usar esses valores na resolução de problemas, certifique-se de que as outras variáveis no seu cálculo sejam expressas em unidades consistentes com as unidades nos aquecedores específicos, ou com os aquecedores de fusão e vaporização.
| Substância | ΔHfus (cal/g) | ΔHvap (cal/g) |
|---|---|---|
| alumínio (Al) | 94.0 | 2,602 |
| dourado (Au) | 15.3 | 409 |
| ferro (Fe) | 63.2 | 1,504 |
| água (H2O) | 79.9 | 540 |
| cloreto de sódio (NaCl) | 123.5 | 691 |
| etanol (C2H5OH) | 45.2 | 200.3 |
| benzeno (C6H6) | 30.4 | 94.1 |
Looking Closer: Sublimação
Há também uma mudança de fase em que um sólido vai directamente para um gás:
Esta mudança de fase é chamada sublimação. Cada substância tem um calor característico de sublimação associado a este processo. Por exemplo, o calor de sublimação (ΔHsub) do H2O é 620 cal/g.
Encontramos a sublimação de várias maneiras. Você pode já estar familiarizado com o gelo seco, que é simplesmente dióxido de carbono sólido (CO2). A -78,5°C (-109°F), o dióxido de carbono sólido sublima, passando diretamente da fase sólida para a fase gasosa:
\
O dióxido de carbono sólido é chamado de gelo seco porque não passa pela fase líquida. Ao invés disso, ele vai diretamente para a fase gasosa. (O dióxido de carbono pode existir como líquido mas apenas sob alta pressão.) O gelo seco tem muitos usos práticos, incluindo a conservação a longo prazo de amostras médicas.
Even a temperaturas abaixo de 0°C, o H2O sólido irá lentamente sublimar-se. Por exemplo, uma fina camada de neve ou gelo no solo pode desaparecer lentamente à medida que o H2O sólido sublima, mesmo que a temperatura exterior possa estar abaixo do ponto de congelamento da água. Da mesma forma, os cubos de gelo em um freezer podem ficar menores com o tempo. Embora congelada, a água sólida sublima-se lentamente, redefinindo nos elementos de refrigeração mais frios do congelador, o que requer descongelação periódica (os congeladores sem congelação minimizam esta redefinição). Baixando a temperatura num congelador reduzirá a necessidade de descongelar com a mesma frequência.
Em circunstâncias semelhantes, a água também sublimará os alimentos congelados (por exemplo, carnes ou legumes), dando-lhes um aspecto pouco atraente e manchado chamado de queimadura no congelador. Não é realmente uma “queimadura”, e a comida não se tornou necessariamente má, embora pareça pouco apetitosa. A queima do congelador pode ser minimizada baixando a temperatura do congelador e envolvendo os alimentos de forma apertada para que a água não tenha espaço para se sublimar.
Melting Point
Sólidos são semelhantes aos líquidos na medida em que ambos são estados condensados, com partículas que estão muito mais próximas umas das outras do que as de um gás. Entretanto, enquanto líquidos são fluidos, os sólidos não o são. As partículas da maior parte dos sólidos são embaladas hermeticamente em uma disposição ordenada. O movimento de átomos individuais, íons ou moléculas em um sólido é restrito ao movimento vibracional em torno de um ponto fixo. Os sólidos são quase completamente incompressíveis e são o mais denso dos três estados da matéria.
Como um sólido é aquecido, suas partículas vibram mais rapidamente à medida que o sólido absorve a energia cinética. Eventualmente, a organização das partículas dentro da estrutura sólida começa a decompor-se e o sólido começa a derreter. O ponto de fusão é a temperatura em que um sólido se transforma em líquido. No seu ponto de fusão, as vibrações disruptivas das partículas do sólido superam as forças atractivas que operam dentro do sólido. Como nos pontos de ebulição, o ponto de fusão de um sólido depende da força dessas forças atraentes. O cloreto de sódio é um composto iônico que consiste de uma multiplicidade de fortes ligações iônicas. O cloreto de sódio derrete a 801º/texto (otexto C). O gelo (sólido (H_2O)) é um composto molecular composto de moléculas que são mantidas juntas por ligações de hidrogênio. Embora as ligações de hidrogênio sejam as mais fortes das forças intermoleculares, a força das ligações de hidrogênio é muito menor do que a das ligações iônicas. O ponto de fusão de um sólido é o mesmo que o ponto de congelamento do líquido. A essa temperatura, os estados sólido e líquido da substância estão em equilíbrio. Para a água, este equilíbrio ocorre a \(0^^^texto{o} {C}}.
Tendemos a pensar nos sólidos como aqueles materiais que são sólidos à temperatura ambiente. No entanto, todos os materiais têm pontos de fusão de algum tipo. Os gases tornam-se sólidos a temperaturas extremamente baixas, e os líquidos também se tornarão sólidos se a temperatura for suficientemente baixa. A tabela abaixo dá os pontos de fusão de alguns materiais comuns.
| Materiais | Ponto de fusão (ºC) |
|---|---|
| Hidrogénio | -259 |
| Oxigénio | -219 |
| Éter dietílico | -116 |
| Etanol | -114 |
| Água | 0 |
| Prata pura | 961 |
| Ouro puro | 1063 |
| Iron | 1538 |
Exercicio \(\PageIndex{2})
- Explicar o que acontece quando o calor entra ou sai de uma substância no seu ponto de fusão ou de ebulição.
- Como a quantidade de calor necessária para uma mudança de fase se relaciona com a massa da substância?
Resposta a
A energia vai para a mudança de fase, não a temperatura.
A quantidade de calor é uma constante por grama de substância.
Sumário
- Há uma mudança de energia associada a qualquer mudança de fase.
- Sublimação é a mudança de estado de um sólido para um gás, sem passar pelo estado líquido.
- Deposição é a mudança de estado de um gás para um sólido.
- O dióxido de carbono é um exemplo de um material que facilmente sofre sublimação.
- O ponto de fusão é a temperatura em que um sólido se transforma em líquido.
- Forças intermoleculares têm uma forte influência no ponto de fusão.
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