Os 3 Estados Físicos Da Matéria – Informações Essenciais Que Cada Um Te Fornece

Foi-me ensinado na escola, já há muitos anos, que apenas há 3 estados físicos da matéria. Mais tarde, já na universidade, é que percebi que isto não era verdade, mas que havia muitos mais. Aliás, se fores à página da Wikipedia sobre os estados físicos da matéria verás que existem, pelo menos 26. Da grande maioria destes outros estados da matéria não se ouve falar, pura e simplesmente porque só acontecem em condições muito específicas e não estamos, normalmente, expostos a eles.

Mas não foi apenas isso que me levou a escrever este artigo. Recentemente fizeram-me uma pergunta sobre o estado físico de algo que nunca me tinha perguntado (mesmo que esteja exposto a isto praticamente todos os dias).

A pergunta foi a seguinte: “Qual o estado físico do fogo?”.

Vai lendo, respondo mais à frente.

Voltando aos estados físicos que não nos ensinam sempre: Adivinhas qual é o quarto estado físico da matéria? Já vamos a isso.

Se te perguntarem na escola, provavelmente terás de responder que realmente só há 3 (corrijam-me nos comentários, se estiver errado, por favor) e, por esta razão, vou explicar-te primeiro esses 3. Depois vou falar um pouco de alguns outros estados físicos aos quais não estamos (ou estaremos?) habituados.

Sabes porque é que algo se encontra num determinado estado físico?

Todas as partículas têm uma propriedade chamada de Energia Interna, que se traduz em movimento – todas as partículas se movem, até num sólido. Esta energia interna traduz-se na Temperatura, mas para uma partícula mudar de estado físico a sua energia interna mudar. Se a energia interna das partículas aumentar mais que as forças de atração que as mantêm juntas, elas mudam para um estado físico em que se podem mexer mais. [1] Essas forças de atração vão desde as Forças de Van Der Waals e as Pontes de Hidrogénio (ambas dependem de polos que se formam entre as partículas) à carga das partículas envolvidas. [2] Partículas com cargas opostas têm tendência a serem mais atraídas umas pelas outras e manterem-se no estado sólido.

A energia interna das partículas pode ser alterada de várias formas.

Uma delas é pela transferência de calor – como as partículas colidem entre si quando duas substâncias entram em contacto uma com a outra a que tem temperatura mais alta, ou seja, energia interna mais alta, vai transferir alguma da sua energia para a partícula de temperatura mais baixa.

Outra forma é pelo aumento da pressão – força que está distribuída sob uma área (em oposição a uma força aplicada a um ponto ou a um corpo, à qual chamamos simplesmente Força). A pressão atmosférica é um bom exemplo com o qual contactamos a toda a hora – é a força que o ar da atmosfera exerce sob a superfície da Terra devido à sua massa. Se aumentarmos a pressão sob um gás, as partículas deste vão ser empurradas para mais próximo umas das outras, ultrapassando as forças de repulsão entre elas, mudando para o estado líquido, e depois para o estado sólido.
[1]

Figura 1 – Ilustração do aumento de energia interna num gás quando se aplica uma força (F) ou quando se expõe a uma fonte de calor. A temperatura final não depende do método pelo qual se aumenta a energia interna das partículas. Tanto pode ser aumentada pela aplicação de uma força produz Trabalho (W) e aumenta a velocidade de colisão das partículas como pode ser aumentada por transferir Calor (Q) para as partículas, aumentando a sua velocidade. Imagem de [1].
Figura 1 – Ilustração do aumento de energia interna num gás quando se aplica uma força (F) ou quando se expõe a uma fonte de calor. A temperatura final não depende do método pelo qual se aumenta a energia interna das partículas. Tanto pode ser aumentada pela aplicação de uma força produz Trabalho (W) e aumenta a velocidade de colisão das partículas como pode ser aumentada por transferir Calor (Q) para as partículas, aumentando a sua velocidade. Imagem de [1].

 Que estados físicos da matéria conheces?

Vamos começar com os 3 clássicos: os estados sólido, líquido e gasoso.

Uma substancia que se encontra no estado sólido basicamente tem energia interna mais fraca que as forças de interação que mantêm as partículas juntas, fazendo com que estas tenham um volume e forma mais ou menos constantes.

Por exemplo, muitos dos metais têm temperaturas de fusão (temperatura a que a substância passa do estado sólido ao líquido) e de ebulição (do estado líquido ao gasoso) muito altas. Porquê? Porque as ligações metálicas são bastante fortes, mantendo os átomos no seu sítio e permitindo-lhes apenas vibrar. No caso da água, quando atinge a temperatura de congelação (quando passa ao estado sólido, duh!) as suas moléculas param de se mexer (tanto, pelo menos). Para se deixarem mesmo de mexer a temperatura teria de chegar ao 0 absoluto – 0 Kelvin (-273,15˚C) – que é apenas teórica, só conseguimos chegar muito, muito perto.

Este processo, na maior parte das substâncias, aumenta a sua densidade, porque as moléculas ficam mais próximas umas das outras. Na água, este processo diminui a sua densidade, porque quando as partículas param de se mexer, organizam-se num cristal muito particular, em que as pontes de hidrogénio ligam as moléculas umas às outras, deixando um espaço hexagonal entre elas (Figura 2). Não é um processo único, outras moléculas, como algumas criadas usando a nanotecnologia (Fulerenos e nanotubos de carbono, por exemplo) também criam espaços entre elas e podem até aprisionar outras substâncias nesses espaços.

Figura 2 – Forma como as moléculas de água se organizam com a congelação. A tracejado estão representadas as Pontes de Hidrogénio que as moléculas formam entre si. Imagem de [3].
Figura 2 – Forma como as moléculas de água se organizam com a congelação. A tracejado estão representadas as Pontes de Hidrogénio que as moléculas formam entre si. Imagem de [3].

À medida que se aumenta a temperatura, as ligações entre as moléculas vão ficando mais fracas até ao sólido se tornar líquido. Ou seja, as forças de atração mais fracas (como as pontes de hidrogénio) são enfraquecidas o suficiente para as partículas terem mais liberdade e se poderem movimentar – as partículas passam a vibrar o suficiente para se soltarem umas das outras. [4] Neste estado as partículas tocam-se, como nos sólidos, e por isso não podem ser comprimidas, mas podem-se movimentar em volta umas das outras. Como as partículas se podem movimentar umas à volta das outras, a substância adquire a forma do recipiente que a contem. [4]

Quando a temperatura está elevada o suficiente (para algumas substâncias, como o Azoto, esta temperatura é muito baixa à pressão atmosférica, mesmo assim), o líquido começa a transformar-se num gás. Isto quer dizer as partículas começam a movimentar-se o suficiente para quebrar as forças de atração que as mantém mais ou menos a tocar-se e afastam-se umas das outras. As bolhas formam-se quando as partículas se afastam o suficiente para passarem de líquido a gás, mas ainda estão envoltas de líquido. A temperatura de ebulição mantém-se até todo o líquido passar a gás – a energia que se está a dar às partículas está a servir para ultrapassar as forças de atração que mantêm as partículas próximas umas das outras sob a forma de líquido.

E assim tens os 3 estados físicos da matéria que normalmente conhecemos e com os quais contactamos todos os dias.

No entanto, como já referi antes, há muitos mais. Um dos mais bem descritos e para o qual já temos aplicações é o plasma.

Já ouviste falar de plasma? Não o do sangue, mas o estado físico! Aparece muitas vezes no mundo da ficção científica, mas se calhar não sabes o que é?

Este estado físico da matéria (chamado às vezes “quarto estado físico da matéria”) atinge-se quando se aquece um gás a uma temperatura tal que os seus eletrões “fogem” dos átomos a que pertencem. Ou seja, movem-se tanto que conseguem resistir às forças de atração dos núcleos dos átomos e andar livres – o plasma é esta coleção de iões e eletrões livres. Aqui, a maioria das interações que se dão são entre iões carregados – como os iões e os eletrões do plasma estão separados, vão ter tendência a interagir mais com outras substâncias. Principalmente para os iões obterem eletrões de outra fonte e para os eletrões se agregarem a outros átomos ou iões. Nós aproveitamos estas propriedade para fazer circuitos, expondo um componente do circuito a um plasma, que vai depositar sobre este circuito e fica ligado a ele.

Se te estás a perguntar com que é que se parece um plasma, podes pensar numa Aurora Boreal (Figura 3), que é, basicamente, um plasma que se forma na atmosfera quando as partículas expelidas pelo Sol atingem a atmosfera. [5]  A Terra está protegida por um forte campo magnético que envia estas partículas para os polos e, por isso, é que só se vê perto dos mesmos. Nós produzimos plasmas através da aplicação de uma corrente elétrica, do aumento de temperatura e diminuição da pressão ou da aplicação de determinados tipos de luz (determinados comprimentos de onda na ordem do ultravioleta ou de um laser). [6]

Figura 3 – Aurora Boreal. Fonte desconhecida.
Figura 3 – Aurora Boreal. Fonte desconhecida.

BONUS

Outro estado físico pouco conhecido que também tem aplicações na nossa vida atual é o estado de fluído supercrítico.

Este estado físico ocorre quando se aumenta tanto a temperatura como a pressão de um líquido. Quando estas são suficientes (depende de cada substância) o líquido adquire tanto as propriedades dos líquidos como dos gases, permitindo que este líquido passe, por exemplo, por dentro de um sólido por onde passaria um gás, mas não um líquido. No entanto, este fluído supercrítico continua a servir como solvente, permitindo que se dissolvam coisas nele, por exemplo, seria possível dissolver sal em água supercrítica.

Uma das aplicações dos líquidos supercríticos é, por exemplo, a extração de cafeína do café. Não é usada em todos os cafés descafeinados, mas aos de melhor qualidade a cafeína é extraída com dióxido de carbono supercrítico. Este método tem a vantagem de usar compostos que não são tóxicos (CO2) e que têm uma capacidade de dissolver a cafeína muito elevada, tornando o processo mais eficiente. [7] Outros métodos para obter o mesmo efeito passam pela utilização de carvão ativado, solventes orgânicos (que capturam a cafeina mais seletivamente que o carvão ativado, que mais substâncias do café). [8]

Houve também outro estado físico recentemente confirmado, os condensados de Bose-Einstein, que não vou explicar agora, fica para outra altura. Já foi utilizado para diminuir a velocidade de um feixe de luz dos seus incríveis 300 000 000 de metros por segundo para 60 quilómetros por hora – a velocidade de um carro – e conseguiram até pará-la. [9] A velocidade da luz altera-se dependendo do meio em que se encontra, por exemplo na água diminui para 225 000 000 de metros por segundo, mas nos condensados de Bose-Einstein esta diminuição é muito mais acentuada. Vamos ver que aplicações se descobrem para este novo estado físico. =)

Já te perguntaste em que estado físico está o fogo?

Um amigo meu, recentemente perguntou-me esta questão, à qual não lhe soube responder corretamente, pelo que fiquei a pensar no assunto… (na realidade foi o que me levou a escrever este artigo)

Por isso fui explorar e a conclusão a que cheguei é que o fogo não está em estado físico nenhum em particular, mas podes (discutivelmente) dizer que está no estado gasoso – é composto por uma mistura de gases incandescentes, ou seja, a chama que vemos é a libertação de energia de uma reação química entre várias substâncias. Foi dada à reação uma energia inicial (a energia de ativação), que a iniciou e, como ela produz energia por si mesma, sustem-se a si própria. Quando a chama é quente o suficiente, a mistura de gases torna-se uma mistura de plasmas.

“Qual é a diferença?”, perguntas tu.

Bem, a diferença é que o fogo pode ser derivado de muitas substâncias. Tipicamente, o que vemos é a reação entre o carbono da madeira e o oxigénio do ar.

Por poder ser constituído por várias substâncias, cada fogo tem a sua própria química. Já viste certamente que um fogo de óleo não pode ser apagado com água, porque a água ferve quando atinge o óleo, salpicando óleo por todo o lado.

Diferentes chamas comportam-se de maneiras diferentes, porque são quimicamente diferentes!

Parabéns! Se leste o artigo até ao fim, ficaste a conhecer mais dois estados físicos da matéria. E que o fogo é a libertação de energia de uma reação química.

Se tiveres mais dúvidas clica aqui e contacta-me através do e-mail nessa página.

 

Referências

  1. Nave, R. Heat. Available from: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heat.html.
  2. ; Available from: https://www.boundless.com/chemistry/textbooks/boundless-chemistry-textbook/mass-relationships-and-chemical-equations-3/molar-mass-41/avogadro-s-number-and-the-mole-220-3701/.
  3. Nave, R. The Expansion of Water Upon Freezing. Available from: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/chemical/waterdens.html.
  4. Science. Nature Of Matter. States of Matter; Available from: http://science.jrank.org/pages/6454/States-Matter-Nature-matter.html.
  5. Perspectives on Plasmas. 1994; Available from: http://www.plasmas.org/what-are-plasmas.htm.
  6. Nave, R. Plasma. Available from: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/chemical/plasma.html.
  7. Harrison, L., T. Mustain, and B. Williams. Supercritical CO2 Extraction. 1997; Available from: http://www.calpoly.edu/~ceenve/enve/supercrit.html.
  8. Scientific American. How is caffeine removed to produce decaffeinated coffee? 1999; Available from: http://www.scientificamerican.com/article/how-is-caffeine-removed-t/.
  9. American Physical Society. Lene Hau. Physics Central 2016; Available from: http://www.physicscentral.com/explore/people/hau.cfm.

 

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