Diagrama de fases

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Teoria

Densidade das fases

Como já vimos, uma substância pode estar em três fases: gás, líquido e sólido.

A diferença entre as fases tem muito a ver com a organização das moléculas na substância.

Na fase gás, as moléculas têm mais energia cinética e se movem com velocidade elevada umas em relação às outras. Como nessa fase as interações intermoleculares atrativas são fracas, as moléculas ficam bem afastadas umas das outras e ocupam um volume maior.

Já na fase líquida, as moléculas estão com um pouco menos de energia cinética e com mais forças atrativas entre elas. Por isso, elas ficam um pouco mais juntas, diminuindo o volume ocupado.

Na fase sólida, essas forças atrativas entre as moléculas são suficientes não só para ligá-las umas às outras, mas para mantê-las paradas no lugar. Por isso, a fase sólida é mais “compacta”, porque as moléculas estão menos agitadas e ficam mais próximas umas das outras sem problema.

Se liga nesse esqueminha e vê se fica mais claro pra você:

Ok, mas e a densidade com isso?

d e n s i d a d e = m a s s a v o l u m e

Quando uma substância muda de fase, sua massa continua a mesma (afinal, é o mesmo número de moléculas que estão só se reorganizando). Porém, seu volume varia bastante.

Como as partículas ficam mais próximas, a fase sólida tem um volume menor do que a líquida, que consequentemente, tem um volume menor que a fase gasosa.

Como o volume e a densidade são inversamente proporcionais, as fases tem densidades diferentes.

O sólido é mais denso que o líquido, que, por sua vez, é mais denso que o gás.

A pressão se relaciona com isso porque se aumentarmos a pressão sob uma substância, ela vai preferir ficar na fase que ocupa menos volume (e que, consequentemente, sente menos a pressão!).

Ponto de congelamento

Já vimos que o ponto de ebulição de uma substância é a temperatura na qual sua pressão de vapor se iguala à pressão atmosférica, né?

Mas então, o que seria o ponto de congelamento?

Vamos com calma!

Assim como o gás e o líquido entram em equilíbrio dinâmico (quando a velocidade de conversão entre as fases se iguala), a fase líquida e a fase sólida também entram! Ou seja, quando a velocidade de conversão sólido – líquido se iguala à liquido – sólido, as fases estão em equilíbrio.

O ponto de congelamento é a temperatura em que esse equilíbrio acontece numa dada pressão. Antes desse ponto a substância é líquida e, depois, ela é sólida.

Diagrama de fase de um componente

O diagrama de fase de um componente relaciona as três fases com a pressão e a temperatura! Vamos pegar como exemplo o diagrama de fases da água:

Cada parte do diagrama representa a fase mais estável em cada condição de temperatura e pressão 😊.

Ou seja, dado uma certa temperatura e pressão, eu posso saber em qual fase a água vai estar. Por exemplo: no ponto A (4,6 Torr de pressão e cerca de 80 ° C ), a gente sabe que ela está na fase vapor.

As linhas que separam as fases no diagrama se chamam limites de fase. Os pontos nessas linhas representam os pontos em que duas fases estão em equílibrio dinâmico. O ponto C, por exemplo, representa um ponto onde a fase líquida e sólida estão em equilíbrio dinâmico.

Portanto, todos os pontos no limite de fase entre as fases líquida e vapor são pontos onde o líquido e o vapor estão em equilíbrio dinâmico. Já definimos que a pressão de vapor é a pressão do vapor em equilíbrio dinâmico com o líquido, não é?

O limite de fase das fases líquido – vapor representa a variação da pressão de vapor da substância com a temperatura.

No limite de fase líquido – sólido podemos saber em que temperatura o líquido e o sólido estão em equilíbrio em uma dada pressão – ou seja, temos o ponto de congelamento da substância.

Por exemplo, no ponto C, vemos que a 760 Torr o equilíbrio é atingido à 0 ° C ! Porém, se abaixarmos a pressão, a temperatura no qual o equilíbrio é atingido muda um pouco.

O limite de fase das fases líquido – sólido representa a variação do ponto de congelamento com a pressão.

Outro ponto super importante no diagrama de fases é o ponto triplo. Esse ponto representa a temperatura e a pressão em que as três fases estão em equilíbrio dinâmico, e é a intersecção dos limites de fase.

Muitas informações importantes nesse capítulo, ein! Vamos praticar pra fixar? 😊

Ponto de congelamento

Diagrama de fase de um componente

Exercícios Resolvidos

Exercício Resolvido #1

Levando em consideração a organização das moléculas de uma substância qualquer (menos a água) em cada uma das fases; gás, líquida e sólida:

  1. Organize as fases em ordem crescente de densidade. Justifique.
  2. Observando esse gráfico da estrutura do gelo, explique porque a água é incomum e tem uma ordem de densidade diferente das outras substâncias.

Passo 1

a) Para escrever as densidades em ordem, precisamos lembrar de duas coisas:

  • A definição de densidade:
  • d e n s i d a d e = m a s s a v o l u m e

  • A interação entre as moléculas em cada fase.

Na fase gás, as moléculas estão agitadas e tem pouca interação entre elas, já que as forças atrativas intermoleculares são bem fracas. Na fase líquida as interações já estão um pouco mais fortes, e as moléculas mais perto umas das outras. Já na fase sólida, as forças atrativas intermoleculares estão beeeeem fortes e as moléculas praticamente não se movem umas em relação às outras.

Como as moléculas estão mais próximas, mais “compactas”, o volume que elas ocupam é menor, e, portanto, a densidade é maior se a massa fica constante.

Se só estamos fazendo transições de fase, o número de moléculas envolvida não muda e a massa permanece constante. Assim, o sólido tem uma densidade maior que o líquido, que tem uma densidade maior que o gás.

A ordem fica: g á s   <   l í q u i d o   <   s ó l i d o .

Passo 2

b) A água é um pouco diferente por conta das suas interações intermoleculares. As pontes de hidrogênio que as moléculas fazem no gelo são muito fortes, organizadas e espaçadas (como representadas na imagem do enunciado). Quando a água derrete, algumas dessas pontes de hidrogênio são quebradas e as moléculas podem se aproximar mais umas das outras. Assim, o volume da água na fase líquida é menor do que na fase sólida, porque a fase líquida é mais compacta.

Logo, a densidade da água na fase líquida é maior do que na fase sólida.

Esse comportamento anormal faz com que o gelo boie na água.

Resposta

  1. A ordem crescente de densidade é: g á s   <   l í q u i d o   <   s ó l i d o .
  2. O caso da água é diferente porque as ligações de hidrogênio formadas no estado sólido são muito espaçadas e, portanto, a fase líquida é mais compacta que a sólida. Por isso, a densidade do líquido é maior que a do sólido.

Exercício Resolvido #2

Com referência aos pontos assinalados no diagrama de fases, pode-se afirmar que:

  1. no ponto 3 coexistem somente as fases líquida e sólida.
  2. no ponto 1 só existe a fase vapor.
  3. no ponto 4 coexistem as fases líquida e vapor.
  4. no ponto 2 está localizado o ponto triplo.

Passo 1

Vamos lá! Antes da gente olhar as alternativas pra ver qual é a certa, vamos relembrar como se interpreta um diagrama de fases, beleza?

O diagrama de fases mostra pra gente como uma substância se comporta, em termo do estado físico, em função da temperatura e da pressão. Beleza?

Então a região ali do ponto 1 é a região que representa o estado sólido, que é o estado que as substâncias ficam em temperaturas mais baixas!

A região do meio, em cima desse “V” é a região que representa o estado líquido. É a região intermediária entre o estado sólido e o estado gasoso.

A região do ponto 5 é a região que representa o estado gasoso, que é o estado que as substâncias ficam em temperaturas mais altas!

O ponto 3 é o que a gente chama de ponto triplo: uma condição específica de temperatura e pressão onde as três fases coexistem em equilíbrio.

Agora que a gente já sabe isso tudo, vamos analisar cada letra passo a passo!

Passo 2

  1. no ponto 3 coexistem somente as fases líquida e sólida.
  2. Falso! O ponto 3 é o ponto triplo, onde as três fases coexistem em equilíbrio dinâmico – sólido, líquido e vapor.

    Passo 3

  3. no ponto 1 só existe a fase vapor.
  4. No ponto 1 a fase mais estável é a fase sólida, então essa alternativa está errada também.

    Passo 4

  5. no ponto 4 coexistem as fases líquida e vapor.
  6. Essa está correta! O ponto 4 está no limite de fases líquido – vapor, que representa exatamente isso: um ponto onde as duas fases coexistem em equilíbrio dinâmico.

    Passo 5

  7. no ponto 2 está localizado o ponto triplo.

Essa está errada pelo mesmo motivo da letra a, o ponto 3 é o ponto triplo!

Resposta

Letra c.

Exercício Resolvido #3

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.

Exercício Resolvido #4

Considere o diagrama de fases do dióxido de carbono, representado a seguir. Identifique a(s) proposição(ões) correta(s):

  1. No ponto C, do diagrama, estão em equilíbrio as fases sólida e vapor.
  2. Os valores de pressão e temperatura correspondentes à linha A-C-E representam o equilíbrio entre os estados sólido e vapor.
  3. Este composto é um gás nas condições ambientes.
  4. A - 56,6 ° C e 5,1 atm, tem-se o ponto triplo, para o qual o dióxido de carbono se encontra em equilíbrio nos três estados físicos.
  5. À pressão de 73 atm, o dióxido de carbono é líquido na temperatura de 25 ° C e é sólido na temperatura de - 60 ° C , mantendo a mesma pressão.
  6. O gelo-seco se sublima quando mantido a 1 atm; portanto não é possível conservá-lo em freezers comuns, a - 18 ° C .

Passo 1

Vamos lá! Antes da gente olhar as alternativas pra ver qual é a certa, vamos relembrar como se interpreta um diagrama de fases, beleza?

O diagrama de fases mostra pra gente como uma substância se comporta, em termo do estado físico, em função da temperatura e da pressão. Beleza?

Então a região ali da esquerda é a região que representa o estado sólido, que é o estado que as substâncias ficam em temperaturas mais baixas!

A região do meio, em cima desse “V” é a região que representa o estado líquido. É a região intermediária entre o estado sólido e o estado gasoso.

A região da direita 5 é a região que representa o estado gasoso, que é o estado que as substâncias ficam em temperaturas mais altas!

O ponto A é o que a gente chama de ponto triplo: uma condição específica de temperatura e pressão onde as três fases coexistem em equilíbrio.

Agora que a gente já sabe isso tudo, vamos analisar cada letra passo a passo!

Passo 2

a) No ponto C, do diagrama, estão em equilíbrio as fases sólida e vapor.

A opção a está errada porque as fases que estão em equilíbrio são sólida e líquida.

Passo 3

b) Os valores de pressão e temperatura correspondentes à linha A-C-E representam o equilíbrio entre os estados sólido e vapor.

A opção B também está errada. Os pontos C e E estão no equilíbrio líquido – sólido, e não líquido – vapor.

Já o ponto A é o ponto triplo do dióxido de carbono, isso é, o ponto onde as três fases coexistem em equilíbrio dinâmico.

Passo 4

c) Este composto é um gás nas condições ambientes.

Essa alternativa está certa: se a gente analisar o gráfico, na pressão ambiente (cerca de 1 atm), o C O 2 é vapor para as temperaturas acima de - 70 ° C . Ou seja, na temperatura ambiente o C O 2 é vapor. 😊

Passo 5

d) A - 56,6 ° C e 5,1 atm, tem-se o ponto triplo, para o qual o dióxido de carbono se encontra em equilíbrio nos três estados físicos.

A opção d também está certa! A definição de ponto triplo é exatamente essa, e ele é representado no mapa pelo ponto onde os limites de fase se encontram (nesse caso, o ponto A).

Passo 6

e) À pressão de 73 atm, o dióxido de carbono é líquido na temperatura de 25 ° C e é sólido na temperatura de - 60 ° C , mantendo a mesma pressão.

Essa alternativa também está certa, é só a gente analisar o gráfico! A 73 atm, o dióxido de carbono está na área onde a fase líquida é mais estável a 25 ° C e na área onde a fase sólida é mais estável a - 60 ° C .

Passo 7

f) O gelo-seco se sublima quando mantido a 1 atm; portanto não é possível conservá-lo em freezers comuns, a - 18 ° C .

A opção f também é verdade. Isso porque a 1 atm, a temperatura de sublimação está abaixo de - 70 ° C . Ou seja, a 18 ° C o dióxido de carbono já virou vapor há muito tempo...

Resposta

As alternativas corretas são letra C, D, E e F.

Exercício Resolvido #5

Levando em consideração o diagrama de fases da água, responda:

  1. O que podemos concluir sobre a inclinação do limite de fase sólido – líquido da água?
  2. Qual ponto no diagrama representa o ponto triplo?
  3. O ponto B representa qual equilíbrio dinâmico?
  4. Em qual fase está a água no ponto C?

Passo 1

a) Antes de mais nada, precisamos identificar onde está o limite entre a fase sólida e a fase líquida. Repara que, se a gente pegar a linha na pressão atmosférica (cerca de 760 mmHg), a gente sabe que, até 0°C temos água na fase sólida, depois temos água na fase líquida até 100°C, e depois água na fase vapor.

Então, o limite entre as fases sólida e líquida é a linha que liga os pontos M e T.

Agora, o enunciado nos pede pra explicar aquela inclinação. O que ela indica? Repara que ela tem uma inclinação negativa, o que significa que, conforme abaixamos a pressão, mais temperatura precisamos pra passar do estado sólido pro líquido. Mas isso é meio antiintuitivo porque, normalmente, quanto menor a pressão, maior a tendência das substâncias passarem do estado sólido para o líquido.

Você lembra que, quando aumentamos a pressão, a tendência é que a fase mais estável seja a que ocupa menos volume, né? A fase que ocupa menos volume é a mais densa!

Ou seja, na água, a fase mais densa é a líquida, e não a sólida. Isso difere da maioria das substâncias, e é por isso que o gelo flutua na água! 😊 O pico de densidade da água fica por volta de 4°C!

Passo 2

b) O ponto triplo é o ponto em que as três fases coexistem em equilíbrio dinâmico – vapor, líquido e sólido, e esse ponto no diagrama é o ponto T!

Passo 3

c) O ponto B representa o equilíbrio de fases entre a fase vapor e líquida. Ele está, portanto, no limite de fases líquido – vapor.

Passo 4

d) Como o ponto está na parte do diagrama de fases em que a fase vapor é a mais estável, o ponto C representa a água no estado vapor.

Resposta

a) Podemos concluir que, diferente da maioria das substâncias, na água a fase líquida é mais densa que a fase sólida.

b) O ponto T representa o ponto triplo no diagrama.

c) O equilíbrio líquido – vapor.

d) Ela está na fase vapor.

Exercício Resolvido #6

O iodo, I 2 , sublima sem se fundir, quando aquecido em um recipiente aberto a pressão atmosférica? O que pode ser dito acerca do ponto triplo do I 2 ?

Passo 1

Vamos avaliar o diagrama de fases do iodo:

A fase à esquerda do ponto triplo é a fase sólida, acima é a fase líquida e abaixo é a fase gasosa.

Como podemos ver no eixo vertical, a pressão atmosférica fica acima do ponto triplo, ou seja, o iodo passa pela fase liquida quando aquecido no estado sólido, logo ele não sublima.

Sobre o ponto triplo podemos dizer que abaixo de 0,12 atm de pressão, o iodo é capaz de passar do estado sólido para o estado gasoso.

Resposta

O iodo não sublima na pressão atmosférica.

Sobre o ponto triplo podemos dizer que abaixo de 0,12 atm de pressão, o iodo é capaz de passar do estado sólido para o estado gasoso.

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