Propriedades e estados da matéria (física): uma visão geral

As propriedades físicas da matéria fundamentam grande parte da física. Além de compreender os estados da matéria, as mudanças de fase e as propriedades químicas, ao discutir o assunto, é importante compreender as quantidades físicas, como densidade (massa por unidade de volume), massa (quantidade de matéria) e pressão (força por unidade área).

A matéria cotidiana com a qual você está familiarizado é feita de átomos. É por isso que os átomos são comumente chamados de blocos de construção da matéria. Existem mais de 109 tipos diferentes de átomos e eles representam todos os elementos da tabela periódica.

As duas partes principais do átomo são o núcleo e a camada de elétrons. O núcleo é de longe a parte mais pesada do átomo e é onde está a maior parte da massa. É uma região fortemente ligada no centro do átomo e, apesar de sua massa, ocupa relativamente pouco espaço em comparação com o resto do átomo. No núcleo estão os prótons (partículas com carga positiva) e os nêutrons (partículas com carga negativa). O número de prótons no núcleo determina qual elemento é o átomo, e diferentes números de nêutrons correspondem a diferentes isótopos desse elemento.

Os elétrons são partículas carregadas negativamente que formam uma nuvem difusa ou camada ao redor do núcleo. Em um átomo com carga neutra, o número de elétrons é igual ao número de prótons. Se o número for diferente, o átomo é chamado de íon.

Moléculas são átomos mantidos juntos por ligações químicas. Existem três tipos principais de ligações químicas: iônica, covalente e metálica. As ligações iônicas ocorrem quando um íon negativo e um íon positivo são atraídos um pelo outro. Uma ligação covalente é uma ligação na qual dois átomos compartilham elétrons. Ligações metálicas são ligações nas quais os átomos agem como íons positivos embutidos em um mar de elétrons livres.

As propriedades microscópicas dos átomos e moléculas dão origem às propriedades macroscópicas que determinam o comportamento da matéria. A resposta das moléculas às mudanças de temperatura, a força das ligações e assim por diante levam a propriedades como capacidade térmica específica, flexibilidade, reatividade, condutividade e muitas outras.

Um estado da matéria é uma das muitas formas distintas possíveis nas quais a matéria pode existir. Existem quatro estados da matéria: sólido, líquido, gasoso e plasma. Cada estado tem propriedades distintas que o distinguem dos outros estados, e há processos de transição de fase pelos quais a matéria muda de um estado para outro.

Quando você pensa em um sólido, provavelmente pensa em algo duro ou firme de alguma forma. Mas os sólidos também podem ser flexíveis, deformáveis ​​e maleáveis.

Os sólidos são diferenciados por suas moléculas fortemente ligadas. A matéria em seu estado sólido tende a ser mais densa do que quando está em seu estado líquido (embora haja exceções, principalmente a água). Os sólidos mantêm sua forma e têm um volume fixo.

Um tipo de sólido é umcristalinosólido. Em um sólido cristalino, as moléculas são organizadas em um padrão repetitivo em todo o material. Os cristais são facilmente identificáveis ​​por sua geometria macroscópica e simetrias.

Outro tipo de sólido é umamorfosólido. Este é um sólido no qual as moléculas não estão organizadas em uma estrutura cristalina. UMApolicristalinosólido está em algum lugar no meio. Muitas vezes é composto de pequenas estruturas de cristal único, mas sem um padrão de repetição.

Os líquidos são feitos de moléculas que podem passar facilmente umas pelas outras. A água que você bebe, o óleo com que cozinha e a gasolina do carro são todos líquidos. Ao contrário dos sólidos, os líquidos assumem a forma do fundo do recipiente.

Embora os líquidos possam se expandir e contrair em diferentes temperaturas e pressões, essas mudanças geralmente são pequenas e, para a maioria dos propósitos práticos, pode-se presumir que os líquidos também tenham um volume fixo. As moléculas de um líquido podem passar umas pelas outras.

A propensão de um líquido a ser ligeiramente "pegajoso" quando ligado a uma superfície é chamadaadesão, e a capacidade das moléculas líquidas de se unirem (como quando uma gota de água forma uma bola em uma folha) é chamadacoesão​.

Em um líquido, a pressão depende da profundidade e, por causa disso, objetos submersos ou parcialmente submersos sentirão uma força de empuxo devido à diferença de pressão na parte superior e inferior do objeto. O princípio de Arquimedes descreve esse efeito e explica como os objetos flutuam ou afundam nos líquidos. Pode ser resumido pela afirmação de que "a força de empuxo é igual ao peso do líquido deslocado." Como tal, a força de empuxo depende da densidade do líquido e do tamanho do objeto. Objetos mais densos do que o líquido afundam e os menos densos flutuam.

Os gases contêm moléculas que podem se mover facilmente entre si. Eles assumem a forma e o volume completos de seu contêiner e se expandem e contraem facilmente. Propriedades importantes de um gás incluem pressão, temperatura e volume. Na verdade, essas três quantidades são suficientes para descrever completamente o estado macroscópico de um gás ideal.

Um gás ideal é um gás em que as moléculas podem ser aproximadas como partículas pontuais e no qual se presume que elas não interagem umas com as outras. A lei dos gases ideais descreve o comportamento de muitos gases e é dada pela fórmula

OndePé pressão,Vé o volume,né o número de moles de uma substância,Ré a constante de gás ideal (R= 8,3145 J / molK) eTé a temperatura.

Uma formulação alternativa desta lei é

OndeNé o número de moléculas eké a constante de Boltzmann (k​ = 1.38065 × 10^-23 J / K). (Um leitor cético pode verificar quenR = Nk​.)

Os gases também exercem forças de flutuação em objetos imersos neles. Enquanto a maioria dos objetos do dia-a-dia são mais densos do que o ar ao nosso redor, tornando essa força de empuxo não muito perceptível, um balão de hélio é um exemplo perfeito disso.

O plasma é um gás que se tornou tão quente que os elétrons tendem a deixar os átomos, deixando íons positivos em um mar de elétrons. Como há um número igual de cargas positivas e negativas no plasma em geral, ele é considerado quase neutro, embora a separação e aglomeração local de cargas façam com que o plasma se comporte de forma muito diferente de um gás regular.

O plasma é influenciado significativamente por campos elétricos e magnéticos. Esses campos também não precisam ser externos, pois as cargas no próprio plasma criam campos elétricos e campos magnéticos à medida que se movem, que se influenciam mutuamente.

Em temperaturas e energias mais baixas, os elétrons e íons querem se recombinar em átomos neutros, portanto, para que um estado de plasma seja mantido, geralmente são necessárias altas temperaturas. No entanto, o chamado plasma não térmico pode ser criado onde os próprios elétrons mantêm uma alta temperatura, enquanto os núcleos ionizados não. Isso acontece no gás de vapor de mercúrio em uma lâmpada fluorescente, por exemplo.

Não há necessariamente um corte distinto entre um gás "normal" e plasma. Os átomos e moléculas em um gás podem ser ionizados em graus, exibindo uma dinâmica mais semelhante ao plasma quanto mais perto o gás chega de ser totalmente ionizado. O plasma se distingue dos gases padrão por sua alta condutividade elétrica, o fato de atuar como um sistema com dois tipos distintos de partículas (íons positivos e elétrons negativos) em oposição a um sistema com um tipo (átomos neutros ou moléculas), e colisões de partículas e interações que são muito mais complexas do que as interações de "bola de bilhar" de 2 corpos em um padrão gás.

Exemplos de plasma incluem relâmpagos, ionosfera da Terra, iluminação fluorescente e gases do sol.

A matéria pode sofrer uma mudança física de uma fase ou estado para outro. Os principais fatores que afetam essa mudança são pressão e temperatura. Como regra geral, um sólido deve ficar mais quente para se transformar em um líquido, um líquido deve ficar mais quente para se transformar em um gás e um gás deve ficar mais quente para se ionizar e se tornar um plasma. As temperaturas nas quais essas transições ocorrem dependem do próprio material e também da pressão. Na verdade, é possível ir direto de um sólido para um gás (isso é chamado de sublimação) ou de um gás para um sólido (deposição) nas condições certas.

Quando um sólido é aquecido até o ponto de fusão, ele se torna um líquido. A energia térmica deve ser adicionada para aquecer o sólido até a temperatura de fusão e, em seguida, calor adicional deve ser adicionado para completar a transição de fase antes que a temperatura possa continuar a subir. Ocalor de fusão latenteé uma constante associada a cada material específico que determina quanta energia é necessária para derreter uma unidade de massa da substância.

Isso também funciona na outra direção. À medida que um líquido esfria, ele deve liberar energia térmica. Uma vez que atinge o ponto de congelamento, ele deve continuar a liberar energia para passar pela transição de fase antes que a temperatura possa continuar a baixar.

Comportamento semelhante ocorre quando um líquido é aquecido até o ponto de ebulição. A energia térmica é adicionada, fazendo com que a temperatura aumente, até que comece a ferver, momento em que a energia térmica adicionada é utilizada para causar a transição de fase, e a temperatura do gás resultante não aumentará até que todo o líquido tenha mudado Estágio. Uma constante chamada deCalor latente de vaporizaçãodetermina, para uma determinada substância, quanta energia é necessária para alterar a fase da substância de líquido para gás por unidade de massa. O calor latente de vaporização de uma substância é geralmente muito maior do que o calor latente de fusão.

As propriedades químicas da matéria determinam quais tipos de reações químicas ou mudanças químicas podem ocorrer. As propriedades químicas são distintas das propriedades físicas porque requerem algum tipo de mudança química para medi-las.

Exemplos de propriedades químicas incluem inflamabilidade (quão fácil é para um material queimar), reatividade (quão facilmente sofre reações químicas), estabilidade (a probabilidade de resistir a mudanças químicas) e tipos de ligações que o material pode formar com outros materiais.

Quando ocorre uma reação química, as ligações entre os átomos são alteradas e novas substâncias são formadas. Tipos comuns de reações químicas incluem combinação (na qual duas ou mais moléculas se combinam para formar uma nova molécula), decomposição (na qual uma molécula se divide em duas ou mais moléculas diferentes) e combustão (na qual os compostos se combinam com o oxigênio, liberando quantidades significativas de calor - mais comumente referido como "queima") para nomear um alguns.