Exercícios Resolvidos de Diagrama de fases

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Enunciado

O diagrama de fases do carbono, mostrado a seguir, indica as condições extremas necessárias para formar diamantes a partir da grafita.

  1. Em 2000K, qual é a pressão mínima necessária para que a grafita se transforme em diamante?
  2. Qual é a temperatura mínima na qual o carbono líquido pode existir a pressões abaixo de 10000atm?
  3. Os diamantes são estáveis nas condições normais? Se não, por que as pessoas podem usá-los sem ter que comprimi-los ou aquecê-los?
  4. O que aconteceria se aquecessmos um diamante até que ele mudasse de fase e esperássemos que ele resfriasse naturalmente?

Passo 1

Essa questão é suuuuuper interessante porque podemos ver as duas formas sólidas do carbono, a grafita e o diamante! Ambos são formas alotrópicas do carbono, isso é, conformações estruturais diferentes que o mesmo átomo pode assumir. Isso mesmo, o grafite da sua lapiseira e o diamante super caro das lojas são feitos do mesmo material: o carbono!

A diferença entre eles é a organização dos átomos no sólido. O diamante e a grafita tem uma organização geométrica dos átomos completamente diferentes, e essa organização resulta nas diferentes propriedades de cada um. A forma estrutural do diamante é, evidentemente, a que demanda mais energia para ser formada, e por isso vemos muito mais grafite que diamante por aí! Mas vamos ao que interessa...

a) Tudo que precisamos fazer é olhar no gráfico, a 2000K, qual pressão corresponde ao limite de fase. O limite de fase grafita – diamante é atingido em aproximadamente 6GPa, a 2000K. Então, a pressão mínima é de aproximadamente 6GPa.

Passo 2

b) A pressões abaixo de 10000atm, a grafita é a forma mais estável até aproximadamente 4100K. Ou seja, quando chegamos no limite de fase grafita – líquido, a forma mais estável passa a ser o líquido. Assim, para que o carbono exista abaixo de 10000 atm, a temperatura deve ser superior à 4100K.

Passo 3

c) Só olhando o gráfico podemos ver que nas condições normais de temperatura e pressão a forma mais estável do carbono é a grafita, e não os diamantes. Assim, a tendência dos diamantes nessas condições é realmente se transformar em grafita.

Eles não se transformam em grafite porque a cinética dessa reação é extremamente lenta, e para que um diamante se transforme em grafite pode demorar milhões de anos. Por isso, uma pessoa pode comprar e usar um diamante sem se preocupar que ele vire grafite da noite pro dia.

Passo 4

d) Se aquecessemos um diamante o suficiente para que ele passasse para a forma líquida e depois esperássemos que ele resfriasse nas condições normais de temperatura e pressão ele viraria grafita.

Isso porque, nas CNTP, a forma mais estável do carbono é a grafita, e, quando ele fosse resfriando e se reorganizando durante a transição de fase líquido – sólido, ele o faria em condições onde a grafita é mais estável, e não o diamante. Assim, ele resfriaria como grafita, e não como diamante.

Resposta

  1. Aproximadamente 6GPa
  2. Aproximadamente 4100K
  3. Eles não são estáveis, porém a cinética da reação diamante grafita é extremamente lenta, e, portanto, pode demorar milhões de anos para que o diamante se transforme em grafita (a forma mais estável nessas condições).
  4. Se aquecessemos o diamante até a transição de fase e depois esperássemos que ele resfriasse nas CNTP, ele resfriaria como grafita, a forma mais estável nessas condições.

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