Uma substância sólida tem pressão de vapor de 100 mmHg no ponto de fusão (
). Imaginando que a pressão atmosférica seja igual a 760 mmHg , descreva o comportamento deste sólido quando a temperatura se eleva da temperatura normal até o ponto de fusão.
Passo 1
O enunciado dá as seguintes informações e pede uma descrição do comportamento do sólido ao aquecer:
- Informação 1: a pressão de vapor do sólido no ponto de fusão é
.\n - Informação 2: o ponto de fusão (ponto em que o sólido se transforma em líquido) é
.\n - Informação 3: a pressão atmosférica externa é
.\n - Pedido: descrever o que acontece com o sólido quando a temperatura sobe desde a “temperatura normal” (suponho temperatura ambiente) até
.
Eu vou usar essas informações sem pedir nada a mais.
Passo 2
O que significa “pressão de vapor” e por que ela importa aqui?
- Definição: a pressão de vapor de uma substância a uma dada temperatura é a pressão parcial do vapor da própria substância quando existe equilíbrio dinâmico entre fase condensada (sólido ou líquido) e vapor. Em equilíbrio, a taxa de moléculas saindo da superfície é igual à taxa retornando.\n
- Consequência prática: se a pressão parcial do vapor no ambiente for menor que a pressão de vapor de equilíbrio, haverá tendência de evaporação (ou sublimação) até que a pressão parcial do vapor se aproxime da pressão de vapor de equilíbrio. Se a pressão parcial no ambiente já iguala a pressão de vapor, não há perda líquida de massa por evaporação.\n
- Critério para ebulição/“fervura”: a ebulição (ou vaporização por formação de bolhas no interior) acontece quando a pressão de vapor da substância iguala a pressão externa total (ou a pressão externa local dentro das bolhas). Em termos simples:
vapor pressure = pressão externaé a condição para ebulição.
Passo 3
Diferença entre evaporação/sublimação e ebulição, aplicada a sólidos:
- Evaporação/sublimação: é possível que moléculas escapem da superfície do sólido e transformem-se em vapor mesmo quando a pressão externa total é alta; o processo ocorre até que a pressão parcial do vapor atinja a pressão de vapor de equilíbrio. Para sólidos, quando a transformação direta sólido→vapor ocorre chama-se sublimação.\n
- Ebulição/“vaporizar em massa”: para ocorrer formação de bolhas no interior do material (ou vaporizar maciçamente), a pressão de vapor teria de alcançar a pressão externa (aqui
).\n
Portanto, comparar a pressão de vapor comnos diz se vai haver ebulição/vaporização intensa, não se vai haver alguma evaporação de superfície.
Passo 4
Aplicando os números do enunciado:
- A pressão de vapor do sólido no ponto de fusão
é .\n - A pressão atmosférica externa é
.\n
Como, a pressão de vapor da substância mesmo ao atingir é muito menor que a pressão externa. Logo, não haverá ebulição da substância a sob pressão atmosférica normal.
Passo 5
Consequência para o comportamento ao aquecer (intuição e sequência de eventos):
- Ao aquecer do ambiente até temperaturas menores que
, a pressão de vapor da substância aumenta com a temperatura (isso é físico e pode ser descrito pela equação de Clausius–Clapeyron; vou explicar isso brevemente mais abaixo). Enquanto a pressão parcial do vapor no ar for menor que a pressão de vapor de equilíbrio para aquela temperatura, haverá evaporação/sublimação de superfície, mas em ritmo controlado — não uma vaporização em massa.\n - Ao atingir
(o ponto de fusão dado), o sólido atinge a condição de fusão e, sob pressão ambiente, transforma-se em líquido — ou seja, ele derrete. A razão é que a transição sólida→líquido é governada pela temperatura (ponto de fusão) e pela pressão; aqui o ponto de fusão é e nada no enunciado indica pressão que altere significativamente esse ponto. Como a pressão de vapor da substância é muito menor que a pressão externa, não ocorrerá vaporização em massa no lugar da fusão.\n - Portanto: antes de
o sólido permanece basicamente sólido (com possível perda lenta de massa por sublimação superficial); em ele derrete, formando o líquido correspondente. Não acontece transformação direto para vapor em larga escala.
Passo 6
Breve comentário sobre a equação de Clausius–Clapeyron (para te dar um pouco de ferramenta prática)
- A relação simplificada entre pressão de vapor e temperatura para um processo de vaporização/sublimação pode ser escrita apropriadamente como
onde
são pressões de vapor em duas temperaturas absolutas
(em kelvin),
é a entalpia de vaporização ou sublimação e
é a constante dos gases.\n
- Interpretação simples:
cresce quando aumenta — portanto a pressão de vapor cresce exponencialmente com a temperatura. Mesmo assim, neste caso particular, o valor em é somente , bem abaixo de .
Passo 7
Observações finais e casos especiais (motivação para prova)
- Se a pressão externa fosse muito menor (por exemplo em vácuo), a situação poderia mudar: com pressão ambiente abaixo da pressão de vapor correspondente a uma certa temperatura, a substância pode sublimar rapidamente em vez de derreter. Portanto sempre compare pressão de vapor com a pressão parcial do mesmo componente no ambiente (para evaporação) e com a pressão total do ambiente (para ebulição).\n
- No nosso caso, com atmosfera a
, o resultado é simples e robusto: o sólido atinge e derrete; não há vaporização massiva nem ebulição naquele ponto.
Resposta
Do aquecimento desde a temperatura normal até
o sólido permanece basicamente sólido (pode perder massa lentamente por evaporação/sublimação de superfície). Ao atingir
(ponto de fusão) o sólido derrete formando o líquido correspondente. Não ocorre vaporização/ebulição em massa porque a pressão de vapor à fusão (
) é muito menor que a pressão atmosférica (
).