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CONCEITOS BÁSICOS
Matéria e Energia
Praticamente tudo o que podemos ver e sentir a nossa volta é classificado como matéria.
A matéria tem massa e ocupa lugar no espaço.
Massa é uma grandeza física que mede quanto de matéria possui um corpo ou objeto. Ocupar lugar no espaço significa ter volume.Como exemplos de matéria podemos considerar: a água, o
leite, o oxigênio, o ar, o ferro, o aço, a madeira, o vidro, a borracha, entre outros. Os diferentes tipos de matéria são comumente denominados de materiais.
Matéria e EnergiaNo mundo atual, muito se fala em energia. Sabe-se que ela é essencial a vida. O
papel do sol, do petróleo e de outros combustíveis é de vital importância para que se consiga a energia que nos mantêm vivos e que faz nossas máquinas e mecanismos funcionarem.
Mas, afinal, o que é energia?
A energia não tem peso e só pode ser medida quando está sendo transformada, ou ao ser liberada ou absorvida. Por isso, a energia não possui unidades físicas próprias, sendo expressa em termos das unidades do trabalho que realiza. Em outras palavras, energia é a capacidade de realizar trabalho.Assim, podemos definir trabalho (T) realizado como o produto da força pelo
deslocamento por meio da expressão:
T = E x S
Matéria e EnergiaA energia pode se manifestar de muitas formas, mas todas elas, em última
análise, estão relacionadas a movimento e/ou posição.
Energia Cinética (Ec) É aquela relacionada ao movimento de um corpo ou objeto. A energia cinética varia em função da massa e/ou da velocidade.
Considerando dois veículos de massas diferentes e velocidades iguais, terá maior energia cinética aquele que tiver maior massa.
Considerando dois veículos de massas iguais e velocidades diferentes, terá maior energia cinética aquele com maior velocidade.
Matéria e EnergiaEnergia potencial (Ep) É aquela armazenada em um corpo ou objeto
quando submetido a certas condições. Sua intensidade varia conforme a massa (m) do corpo e sua posição ou altura (h) em relação a um nível de referência.
Um martelo quando é utilizado para fixar um prego, ao ser suspenso no ar, tomando a cabeça do prego como nível de referência, adquire energia potencial relacionada à gravidade.
Uma flecha posicionada num arco distendido, tomando o arco na posição inicial como nível de referência, adquire energia potencial relacionada à elasticidade.
Matéria x EnergiaAté aqui estivemos discutindo matéria e energia como se fossem duas espécies
inteiramente diversas de realidade. Contudo, as duas estão, em geral, inseparavelmente relacionadas. Cada objeto contém algum tipo de energia, e a idéia de energia quase sempre não apresenta significado, se não puder ser descrita em termos da substância com que está associada. Por exemplo, a energia térmica não existe no vácuo perfeito, e a energia elétrica, na grande maioria dos casos, reside em partículas ou objetos. Em 1905, Einstein exprimiu a relação entre matéria e energia por meio da
célebre fórmula:
Na qual E representa unidades de energia (unidades de trabalho), m é a massa e C a velocidade da luz. Einstein desenvolveu esta fórmula a partir de considerações totalmente teóricas, e na época não havia meios de verificá-la em laboratório. Experiências recentes, todavia, mostraram que a fórmula é correta.
Matéria x EnergiaA fórmula de Einstein estabelece que há uma proporcionalidade entre massa e
energia, isto é, quando uma cresce a outra também aumenta, e quando uma diminui a outra decresce. A fórmula pode ser interpretada como significando que determinada quantidade de massa é equivalente a certa energia.Esta inter-relação faz com que o clássico conceito de matéria – tudo aquilo que tem
massa e ocupa lugar no espaço – seja incompleto. Hoje, é mais correto dizer-se que:
MATÉRIA É A ENERGIA CONDENSADA.
PROPRIEDADES DA MATÉRIA
São características que auxiliam a identificação das diversas espécies de matéria, cujas propriedades são divididas em: gerais, funcionais e específicas. Propriedades Gerais - São as que pertencem a todo tipo de matéria. As
principais propriedades gerais são:
Massa : Medida da quantidade de matéria. Extensão : Lugar que a matéria ocupa em determinado espaço. Impenetrabilidade: Dois corpos não ocupam o mesmo lugar no espaço
num mesmo instante. Divisibilidade: Toda matéria pode ser dividida em porções menores sem
alterar a sua constituição. Compressibilidade: A partir da ação de uma força, a matéria pode ter sua
forma reduzida.
PROPRIEDADES DA MATÉRIA
Propriedades Funcionais - São propriedades comuns a determinados grupos de substâncias que apresentam as mesmas propriedades.
Ex: ácidos, bases, sais e óxidos. Propriedades Específicas - São propriedades individuais de cada tipo de
substâncias e podem ser:
• Químicas : São aquelas responsáveis pelos tipos de transformações que ocorrem na estrutura íntima da substância. • Físicas : São propriedades relacionadas aos fenômenos físicos, ou seja,
estão ligadas as transformações que não alteram a constituição da matéria, por mais diversas que sejam. • Organolépticas : São propriedades que dependem dos nossos sentidos:
visão, paladar, olfato, tato e audição.
OBSERVAÇÃO
Propriedades Físicas
São certos valores encontrados experimentalmente no comportamento de cada material quando submetido a determinadas condições de temperatura e pressão, como, por exemplo, a densidade, os pontos de fusão e de ebulição e a solubilidade.
A densidade ou massa específica (d) é a relação entre a massa (m) de um material e o volume (V) que essa massa ocupa.
Os pontos de fusão e de ebulição são as temperaturas em que os materiais mudam de fase de agregação (o que varia com a pressão local).
A solubilidade é a capacidade que um material (soluto) possui de seespalhar uniformemente (se dissolver) num outro material (solvente).
OBSERVAÇÃO
Ocorre que a solubilidade também depende da temperatura e da pressão e pode ser:Endotérmica: favorecida pelo aumento de temperatura
(à pressão constante).Exotérmica: favorecida pela diminuição de temperatura
(à pressão constante).
Como você acha que cai no VESTIBULAR?
(Fesp-UPE) - Um minério sólido de massa 200,0g, constituído pelas substâncias “A” e “B”, tem densidade 8,0g/mL. A massa de “A", no referido minério, é aproximadamente:Dados: Densidades de A e B são, respectivamente, 16,0g/mL e 4,0g/mL
a) 133,3g. d) 12,58g.
b) 125,8g. e) 118,3g.
c) 7,5x10-3g.
Como você acha que cai no VESTIBULAR?
(UFPE – 2ª FASE) - Uma solução saturada de NH4Cl foi preparada a 80C utilizando-se 200g de água.Posteriormente, esta solução sofre um resfriamento sob agitação até atingir 40C. Determine a massa de sal depositada neste processo. A solubilidade do NH4Cl varia com a temperatura conforme
mostrado no gráfico abaixo :
As diversas propriedades da matéria podem ser classificadas em duas categorias: as extensivas e as intensivas.
Propriedades extensivas – são aquelas cujos valores medidos dependem do tamanho ou da extensão da amostra. Massa e volume são exemplos de propriedades extensivas.
Propriedades intensivas – não dependem do tamanho da amostra (densidade por exemplo).
SISTEMAS
Podemos definir sistema como qualquer porção limitada da matéria utilizada para estudo. É de extrema importância diferenciar sistema do meio ambiente. Se vamos estudar uma barra de ferro (propriedades físicas), falamos que ela é o sistema em estudo, e todo o universo fora dos limites dessa barra passa a ser meio ambiente ou meio externo. Os sistemas foram classificados de acordo com:
D) A relação com o meio ambiente
• Aberto: pode existir troca de matéria e energia com o meio ambiente. • Fechado: pode existir troca de energia com o meio ambiente, mas não poderá
existir troca de matéria. • Isolado: não haverá troca de matéria nem de energia com o meio ambiente.
Quando não há fluxo de calor entre um sistema e seu ambiente, as variações que ocorrem no sistema são denominadas transformações adiabáticas.
SISTEMAS
B) A uniformidade
• Homogêneos: são os sistemas que apresentam características uniformes (densidade, ponto de ebulição, ponto de fusão etc.) em toda sua extensão. Ex.: açúcar dissolvido num copo com água.
Obs.: Todo sistema homogêneo é unifásico ou monofásico.
• Heterogêneos: são os sistemas que não apresentam as mesmas características em toda a sua extensão. São sempre sistemas polifásicos (possuem mais de uma fase) e apresentam superfície de separação. Ex.: óleo de cozinha flutuando sobre a água.
ESTADOS FÍSICOS DA MATÉRIA
A matéria pode se apresentar nos estados sólido, líquido e gasoso, designados como estados físicos da matéria, que se caracterizam pelas seguintes propriedades fundamentais.
• Sólido: Forma e volume determinados. Elevada rigidez e resistência à deformação. • Líquido: Volume determinado e forma indefinida. Toma a forma do
recipiente que o conte,. Pouco compreensível e de pequena expansibilidade. • Gasoso: Forma e volume do recipiente que o contém.
Muito compreensível e de grande expansibilidade.
ESTADOS FÍSICOS DA MATÉRIA
A fase sólida é aquela em que as partículas que formam a matéria estão mais organizadas (têm forma e volume próprios) e possuem a menor energia mecânica total (com mais energia potencial do que cinética).
A fase liquida é aquela em que a matéria possui forma variável e volume próprio. Por exemplo, 1 litro de água (volume) é sempre 1 litro de água nas mesmas condições de pressão e temperatura, mas a forma que esse volume de água irá adquirir depende da forma do recipiente em que for colocado.
A fase gasosa é aquela em que as partículas da matéria possuem forma e volume variáveis, adaptando-se ao formato de qualquer recipiente em que forem colocadas e ocupando todo o seu volume, seja ele de 1 litro, seja de 10 litros, seja de 50 litros.
OBSERVAÇÕES
• Quando queremos que a matéria passe da fase gasosa ou líquida para a fase sólida, temos de diminuir sua temperatura (diminuir a agitação térmica e, conseqüentemente, a energia cinética das partículas).
• Sempre que a energia de um sistema diminui, sua estabilidade aumenta; os sistemas que se encontram na fase sólida são mais estáveis que os que se encontram nas fases líquida e gasosa.
• Todo processo que ocorre com liberação de energia para o meio ambiente é denominado exotérmico. Os processos exotérmicos em geral aumentam a estabilidade do sistema.
• Todo processo que ocorre com absorção de energia do meio ambiente é denominado endotérmico. Os processos endotérmicos em geral diminuem a estabilidade do sistema.
OBSERVAÇÕES
OBSERVAÇÕES
• Na fase líquida as partículas da matéria possuem um grau de organização menor que na fase sólida e maior que na fase gasosa.
• Por outro lado, a energia mecânica das partículas na fase líquida é maior que na fase sólida e menor que na fase gasosa.
• Na fase líquida, as energias cinética e potencial das partículas da matéria equivalem-se em cada temperatura.
• Na fase gasosa as partículas da matéria possuem o menor grau de organização (maior desorganização) e, portanto, a maior energia mecânica, com mais energia cinética que potencial.
• Por isso, quando a matéria passa da fase sólida para a fase líquida e da fase líquida para a fase gasosa — processos endotérmicos —, a temperatura (energia cinética das partículas) aumenta e a estabilidade diminui.
RESUMO
Forças de Coesão Ep Ec Movimento Vibratório Entropia = GRAU DE DESORDEM
Forças de Coesão - MEDIANASEp - MEDIANA Epsol. > Epliq Ec – MEDIANA Ecliq > Ecsol
Entropia = GRAU DE DESORDEM
Forças de Coesão – Partículas Livres Ep Ec Entropia = GRAU DE DESORDEM
Curiosidades
O quarto estado da matéria – Plasma
• Primeira descrição feita por William Crookesem 1879
• Irving Langmuir introduziu a palavra plasma em 1928 para descrever um gás ionizado.
• Trata-se de um gás ionizado constituído de elétrons livres, íons e átomos neutros, em proporções variadas
• No estado de plasma, a temperatura é tão alta que não existem mais átomos, mas apenas íons.
• É intensa a agitação molecular devida à temperatura.• Pesquisadores acreditam que 99% de toda a matéria existente no Universo
esteja sob a forma de plasma.
Curiosidades
O quinto estado da matéria - Os condensados de Bose-Einstein
• Previsto em 1924 pelo físico indiano Satyendra Nath Bose e pelo físico alemão Albert Einstein ao desenvolverem uma teoria que hoje é conhecida como estatística de Bose-Einstein.
• Os condensados de Bose-Eintein são obtidos quando partículas são refrigeradas (chamadas de bóson) até temperaturas extremamente baixas.
• Esses bósons super-frios se juntam formando uma única super-partícula que se comporta mais como uma onda do que como uma partícula ordinária de matéria.
• Os condensados de Bose-Einstein são muito frágeis e, curiosamente, a luz se propaga muito lentamente através deles.
Curiosidades
O sexto estado da matéria - Os condensados fermiônicos
• Produzidos em laboratório em dezembro de 2003 • A maioria das suas propriedades básicas ainda não é conhecida.• Este novo estado da matéria foi criado esfriando uma nuvem de
500000 átomos de potássio-40 (40K) até um temperatura inferior a um milionésimo de grau acima do zero absoluto!
MUDANÇAS NO ESTADO FÍSICO
FENÔMENOS
São muitas as transformações sofridas pela matéria no dia-a-dia. Podemos citar como exemplos a queima da madeira, o derretimento de uma barra de gelo, a decomposição da molécula da água, entre outros. Essas transformações que ocorrem com a matéria são chamadas de fenômenos. Fenômeno é qualquer transformação que ocorre numa porção de matéria em
observação. Os fenômenos são classificados em:
• Fenômeno Físico: É o tipo de fenômeno que se processa sem alterar a natureza do tipo de matéria em estudo; são transformações reversíveis (podem ser desfeitas com facilidade) e contínuas.
• Fenômeno Químico: É o tipo de fenômeno que se processa alterando a natureza do tipo de matéria em estudo; são transformações mais profundas e freqüentemente irreversíveis.
• Fenômeno Físico-Químico: São as transformações que ocorrem alterando a estrutura íntima da matéria, mas apresentando reversibilidade.
FENÔMENOS - OBSERVAÇÕES
1.Fenômenos químicos que ocorrem com liberação de energia são denominados exotérmicos. A matéria que resulta de uma transformação exotérmica é mais estável que aquela que lhe deu origem.
3.Toda combustão é um fenômeno químico exotérmico, e a matéria produzida numa combustão é mais estável do que a matéria que sofreu combustão para formá-la.
5.Fenômenos químicos que ocorrem com absorção de energia são denominados endotérmicos. A matéria que resulta de uma transformação endotérmica é mais instável que aquela que lhe deu origem.
7.Quanto maior a perda de energia que um sistema sofre, maior é a estabilidade que ele adquire.
9.Como todos os fenômenos ocorrem espontaneamente em direção a um aumento de estabilidade e a absorção de energia implica um aumento de instabilidade, os fenômenos químicos endotérmicos não são muito comuns.
FENÔMENOSVESTIBULARES
( ) – Aquecer uma panela de alumínio
( ) – Acender um fósforo
( ) – Ferver água
( ) – Queimar açúcar para fazer caramelo
( ) – Fazer gelo
( ) - Sublimação do gelo seco
( ) – Evaporação da água
( ) – Emissão de luz por uma lâmpada incandescente
( ) – Dissolução do açúcar em água
( ) – Respiração
( ) – Emissão de luz por um vaga-lume
( ) – Crescimento da massa do pão
( ) – produção do iogurte a partir do leite
( ) – Fabricação de vinho a partir do vinho
( ) – explosão de uma panela de pressão
SUBSTÂNCIA PURA
Podemos definir substância pura como sendo aquela formada por um único material e que apresenta composições químicas constantes e físicas bem definidas. As principais propriedades físicas para o reconhecimento de uma substância pura são: densidade, ponto de fusão, ponto de ebulição, calor específico.Exemplo:
Água Pura
Fórmula Molecular: H2O Composição em peso: 11,1% de H e 88,9% de O
P.F. = 0°C (1 ATM) P.E. = 100°C (1 ATM)
Calor específico: 1 cal/g . °C Densidade = 1 g/mL (4 °C)
SUBSTÂNCIA PURA
Quanto ao número de elementos químicos, as substâncias puras podem ser classificadas em: substância pura composta. • Substância Pura Simples: São as substâncias formadas por um único elemento
químico.
• Substância Pura Composta: São as substâncias formadas por dois ou mais elementos químicos.
GRÁFICO
Ao analisar graficamente uma substância pura, verificamos que as mudanças de estados físicos ocorrem sempre à temperatura constante. Isso pode ser comprovado no gráfico de aquecimento de uma substância pura mostrado abaixo:
Calor sensível Provoca variação de T do sistema Q = m x c x
Calor sensível
Calor latente
Calor latente Não provoca variação de T no sistema.Há mudança de estado físico.
ALOTROPIA
Alotropia é quando um mesmo elemento químico forma duas ou mais substâncias simples, denominadas variedades alotrópicas do elemento. As variedades alotrópicas podem ser diferenciadas tanto na atomicidade como no retículo cristalino.
1. Quanto à atomicidade
OxigênioOxigênio
Existem duas variedades alotrópicas do oxigênio, isto é, oxigênio pode formar duas substâncias simples diferentes: o oxigênio comum e o ozônio. As duas substâncias são formadas pelo mesmo elemento (oxigênio): só que, no gás oxigênio, os átomos combinam-se dois a dois, e já no gás ozônio, ligam-se três a três. O gás oxigênio é mais estável do que o ozônio.
OXIGÊNIOO2 – (Gás Oxigênio) Forma Estável
O3 – (Gás Ozônio) Forma Metaestável
ALOTROPIA - OBSERVAÇÕES
Devemos considerar que a tendência natural da substância é passar da forma metaestável para a forma estável.
2 O3 3 O2
Gás Ozônio Gás Oxigênio
Maior Conteúdo ENERGÉTICO
Menor Conteúdo ENERGÉTICO
ALOTROPIA
FósforoFósforo As duas principais variedades alotrópicas do fósforo são: o fósforo branco e o
fósforo vermelho. O fósforo branco é um cristal molecular formado por quatro átomos de fósforo, e o fósforo vermelho é formado por uma grande cadeia de fósforo branco, por isso tem grandeza molecular indeterminada.
FÓSFORO(P4)n – (Fósforo Vermelho) Forma Estável
P4 – (Fósforo Branco) Forma Metaestável
Existem outras formas alotrópicas do fósforo, como: o fósforo violeta, negro, escarlate.
ALOTROPIA
1. Quanto ao Retículo Cristalino
CarbonoCarbono Existem 3 formas alotrópicas do carbono: Carbono Grafita, Carbono Diamante e
Carbono Buck Ball. Elas são formadas por ligações covalentes de vários átomos de carbono, sendo todas representadas pela fórmula C. As diferenças entre as formas alotrópicas do carbono estão na disposição espacial dos átomos de carbono.
CARBONOCn – (Grafita) Forma Estável
Cn – (Diamante) Forma Metaestável
Em 1984, o cientista Richard Smalley descobriu outros alótropos do elemento carbono e chamou-se de buckball e futebolenos.
ALOTROPIA - OBSERVAÇÕES
1. No diamante, o carbono sofre hibridização do tipo sp3 (4 ligações do tipo ). Cada átomo de carbono é rodeado tetraedricamente por outros quatro átomos de carbono.O diamante é o material de maior dureza na escala de Mohs. Possui densidade
igual a 3,51 g/cm3 a 20 °C, ponto de fusão > 3500°C e ponto de ebulição igual a 4 200 °C.
2. Na grafita, os átomos de carbono sofrem hibridização sp2 (3 ligações e 1 ligação ), de modo que cada átomo encontra-se ligado a 3 outros átomos de carbono, formando placas de hexágonos que são mantidas juntas por forças de van der Waals.
3. Como essas placas de hexágonos possuem certa mobilidade - umas em relação às outras -, a grafita apresenta-se como um sólido macio (de baixa dureza) utilizado inclusive como lubrificante. Apresenta densidade igual a 2,26 g/cm3 a 20 °C, ponto de fusão maior que 3 500 °C e ponto de ebulição igual a 4 200 °C.
ALOTROPIA - OBSERVAÇÕES
4. Existe ainda uma forma alotrópica denominada buckminsterfullerene vaporização do carbono grafita em atmosfera de obtida em laboratório pela gás hélio (atmosfera inerte). Nessa substância, os átomos de carbono sofrem hibridização sp2 e encontram-se
ligados a 3 outros átomos de carbono num arranjo geodésico semelhante ao de uma bola de futebol.A forma mais comum dessa nova substância contém 60 átomos de carbono, C60,
dispostos no espaço de modo a formar uma “gaiola” esférica, com 60 vértices e 32 faces constituídas por 12 pentágonos e 20 hexágonos.Nesse caso, em cada vértice do arranjo geodésico encontra-se um átomo de
carbono. As moléculas de C60 podem se agregar de forma amorfa (sem arranjo definido) ou na forma de um cristal de face cúbica centrada. Nos dois casos a interação entre as moléculas é fraca, do tipo van der Waals.As moléculas de buckminsterfullerene também podem conter 70 ou 120 átomos
de carbono. As propriedades dessa substância ainda estão sendo determinadas, mas os grandes centros de pesquisa vislumbram inúmeras possibilidades de aplicação no futuro.
ALOTROPIA
ENXOFRESα – (Enxofre Rômbico) Forma Estável
Sβ – (Enxofre Monoclínico) Forma Estável
EnxofreEnxofre
ALOTROPIA
ENXOFRESα – (Enxofre Rômbico) Forma Estável
Sβ – (Enxofre Monoclínico) Forma Estável
EnxofreEnxofre
MISTURAS
Mistura é todo material constituído pela reunião de duas ou mais substâncias puras, mas, ao contrário destas, apresenta composição química e propriedades físicas variáveis. As misturas podem ser classificadas em dois tipos: misturas heterogêneas e
misturas homogêneas.
MISTURAS - Homogêneas
É toda mistura que constitui sistema homogêneo. As misturas homogêneas são também chamadas de soluções, cujos componentes recebem nomes específicos. O que apresenta maior proporção na mistura recebe o nome de solvente, e o que apresenta menor proporção recebe o nome de soluto. Numa mistura homogênea, o soluto é a substância dissolvida, e o solvente é a substância que dissolve o soluto.Um critério para classificar uma mistura homogênea é observar o número de
fases que ele possui.Cada fase de um material é identificada pelas seguintes características:
• Possui aspecto visual uniforme, mesmo ao ser examinado num ultramicroscópio.
• Possui propriedades específicas constantes em toda a sua extensão.
MISTURAS - Heterogêneas
É toda mistura que constitui um sistema heterogêneo e é sempre constituída de duas ou mais partes homogêneas, cada uma das quais chamadas de fase.As misturas heterogêneas se dividem em dois grupos: dispersões grosseiras e
dispersões coloidais, e os componentes de uma mistura heterogênea, também do ponto de vista prático, são divididos em disperso e dispergente.
• Dispersão grosseira
Em uma dispersão grosseira, as partículas do disperso são grandes agregados de átomos, íons ou moléculas, ou ainda agregados de macromoléculas ou macroíons, cujo diâmetro médio é maior do que 1 000 angstrom ou 1 000 A (1 A = 10-8
cm ou 10-10 m).Nesse caso, as partículas do disperso possuem as seguintes características:• São observadas a olho nu ou com a ajuda de um microscópio comum.• São facilmente separadas do dispergente por um filtro comum.• Sofrem sedimentação espontânea no caso de terem densidade maior que a do dispergente, o que pode ser acelerado pelo uso de uma centrífuga comum.Exemplo: areia em água.
MISTURAS - Heterogêneas
• Dispersão coloidal
O termo dispersão coloidal ou colóide (que em grego significa cola) foi proposto pelo químico escocês Thomas Graham (1805-1869) para indicar misturas com características específicas e, de certa forma, intermediárias às dispersões grosseiras e às soluções.Nas dispersões coloidais, as partículas do disperso são pequenos agregados de
átomos, íons ou moléculas, ou ainda macromoléculas ou macroíons, cujo diâmetro médio varia entre 10 A e 1 000 A. Isso corresponde a partículas maiores do que as de um átomo ou de uma molécula e menores do que as que podem ser vistas a olho nu.Nesse caso, as partículas do disperso possuem as seguintes características:• Só podem ser observadas em um ultramicroscópio.• São separadas do dispergente apenas por um ultrafiltro.• Sofrem sedimentação somente pela ação de uma ultracentrífliga.Exemplo: goma em água (goma arábica).
MISTURAS - OBSERVAÇÕES
O granito apresenta três fases: quartzo, feldspato e mica.
Colóide
GRÁFICO
