Editora Ática & Scipione by denis queiroz

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unidade

Luis Moura/Arquivo da editora

Modelando os materiais

Visando a compreensão de nosso mundo, a Ciência elabora modelos: em (A), modelo para a transformação da água do estado líquido para o de vapor. Nele, o conjunto de esferas representa moléculas de água (H 2O). A esfera maior representa um átomo de oxigênio ligado a dois átomos de hidrogênio (esferas menores). Em (B), modelo produzido para explicar a pressão do ar em um pneu de bicicleta. As esferas representam as partículas dos vários constituintes do ar atmosférico. Esse modelo destaca o movimento dessas partículas em todas as direções, resultando em colisões com as paredes do pneu e, consequentemente, a pressão do ar. Em (C), modelo de eletrização de materiais, como o pente atritado, que ao ser aproximado de pedaços de papel os atrai. Nesse caso, as forças de atração são interpretadas como decorrentes do acúmulo e separação de cargas elétricas dos materiais.

Nesta unidade vamos falar sobre um modelo cinético molecular, a natureza elétrica dos materiais, as partículas que constituem os átomos e como elas se organizam. 1. Como são as partículas que compõem os materiais? 2. Como os modelos podem nos ajudar a entender as propriedades dos materiais? 3. Por que alguns materiais são condutores e outros não?

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GIPhotoStock/Latinstock

C Ilustrações: Antonio Robson/Arquivo da editora

Alamy/Other Images

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capítulo

O mundo que não vemos Analise as fotos e a legenda do experimento a seguir. Como poderíamos responder a essas questões? Para respondê-las, a Ciência propõe modelos sobre a constituição dos materiais.

Vamos tratar de:

• Interpretação de fenômenos por meio de um modelo para o que não vemos

• Existência de espaços vazios

• Reconhecimento das propriedades específicas dos materiais

As fotos ilustram um experimento que mostra a expansão do ar quando é aquecido. A evidência disso é o deslocamento do êmbolo da seringa. Mas por que isso acontece? Do que o ar é feito e o que muda quando sua temperatura se altera?

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A provisoriedade dos modelos

ocê já sabe que modelo é um conjunto de ideias e representações que criamos com o intuito de explicar e prever fenômenos, além do mundo observado. Já estudou também os modelos criados ao longo da História para explicar o cosmo e o movimento dos astros. Agora, vai conhecer um pouco sobre os modelos criados para explicar a constituição dos materiais, suas propriedades e transformações. Já faz muito tempo que a diversidade dos materiais tem fascinado os seres humanos. Esse fascínio aguça a curiosidade e resulta em estudos mais aprofundados das características e propriedades dos materiais. Curiosidade, estudo e desejo de entender despertam a imaginação e a criatividade do ser humano. Inúmeras perguntas, as mais diversas respostas, vários modelos e representações foram e continuam sendo formulados na tentativa de entender do que são feitos os diferentes materiais. Contudo, nunca estamos certos de que nossas representações e modelos correspondem aos objetos reais que tentamos compreender. Muitas vezes essas construções mentais nos permitem explicar, entender e até fazer previsões sobre o que acontecerá a certos objetos sob determinadas condições. Outras vezes vão perdendo sua força explicativa diante de novos questionamentos e novas evidências. Os modelos são sempre provisórios, por mais refinada e sofisticada que seja a forma que eles assumam. Na história das Ciências, é comum alguns modelos serem substituídos por outros considerados mais adequados para compreender o mundo em que vivemos. A utilidade e a validade de um modelo científico são julgadas pelo número de fenômenos conhecidos que ele é capaz de explicar e de fenômenos novos que é capaz de prever. Pelo estudo, pela investigação incansável e, especialmente, por sua capacidade de imaginar, o ser humano vai aos poucos revelando as sutilezas dos materiais “vistos por dentro”.

trocando ideias O que os olhos não veem Do que é formada a água? Se fosse possível observar uma gota de água, usando um microscópio potente, o que você esperaria enxergar? Discuta isso com seus colegas. Faça representações por meio de desenhos.

Uma imagem da constituição dos materiais Ao longo da história da Ciência, vários modelos foram e continuam a ser propostos para explicar a constituição dos materiais. Os modelos aceitos pela Ciência baseiam-se em algumas ideias fundamentais. São elas:

• Os materiais são formados de um grande número de pequeníssimas partículas. • Entre as partículas existem espaços vazios. • As partículas movimentam-se sem cessar e em todas as direções. • As partículas interagem entre si.

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Sérgio Berezovsky/Arquivo da editora

Esse modelo em que se baseiam outros modelos científicos sobre a matéria é chamado modelo cinético molecular ou simplesmente modelo de partículas. Para percebermos o alcance e o poder das ideias que estão por trás desse modelo, vamos entender o significado de cada uma delas e como nos ajudam a compreender o mundo à nossa volta.

Brinquedos, sacos, sacolas e várias embalagens, como a de leite da foto ao lado, são constituídas de polietileno, um tipo de polímero, representado ao lado por meio de computação gráfica. As esferas escuras representam o elemento químico carbono (C); as esferas claras, o elemento químico hidrogênio (H).

Os materiais: um grande número de pequeníssimas partículas

Luis Moura/Arquivo da editora

Uma das mais importantes ideias produzidas pela Ciência foi supor que a imensa diversidade de materiais à nossa volta pudesse resultar da combinação de algumas partículas. Por exemplo, podemos dizer que a água contida em um copo é composta de um grande número de partículas chamadas moléculas. As moléculas de água, por sua vez, são formadas pelos elementos químicos hidrogênio e oxigênio. Já os elementos químicos são formados por partículas do mesmo tipo, as quais são chamadas átomos. Assim, podemos dizer que a água é um aglomerado de moléculas constituídas por átomos de dois elementos químicos diferentes. Uma molécula de água é formada por dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio, e costumamos representá-la pela fórmula química H2O. Mas a substância água, tão importante para a nossa sobrevivência, é formada por muitas dessas moléculas. O

Acima , molécula de água representada por computação gráfica. A substância água é formada por um aglomerado dessas moléculas. As cores utilizadas são apenas recursos para representação (cores fantasia).

Dynamic Graphics/Arquivo da editora

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SPL/Latinstock

Os átomos são como peças de um joguinho de montar, que formam peças maiores. Desse modo, tudo à nossa volta, e até mesmo nós, somos formados de átomos. Os seres vivos são compostos, principalmente, de átomos de quatro elementos químicos: carbono (C), oxigênio (O), hidrogênio (H) e nitrogênio (N). Grande parte das moléculas tem uma dimensão comparável com a de um átomo, mas existem macromoléculas formadas de longas cadeias de milhares de átomos. É o caso das moléculas de DNA, que contêm a informação genética. Alguns estudantes acreditam, incorretamenRepresentação esquemática, em cores fantasia, de macromolécula de te, que os átomos de chumbo são densos, que DNA: longa cadeia de milhares de átomos. as partículas que constituem o permanganato de potássio (um sólido roxo) são roxas e que, quando uma barra de ferro se funde, os átomos de ferro também se fundem. Mas preste atenção: todas essas conclusões estão erradas. As partículas (sejam elas átomos, sejam moléculas) não têm as propriedades da substância à qual elas pertencem. Assim, o colorido que você vê nos desenhos desta página é um recurso utilizado apenas para diferenciar a representação de um átomo da de outro. Portanto, sempre que você encontrar modelos mostrando partículas coloridas, lembre-se de que as cores utilizadas são cores fantasia.

Ao propor modelos para o ar, podemos pensar em diversas maneiras de representar seus componentes. Apresentamos, ao lado e na página seguinte, quatro desenhos, feitos por estudantes, que expressam diferentes modelos para representar a dilatação do ar antes e depois de aquecido. Os dois primeiros modelos, (A) e (B), apresentam uma visão do ar como algo contínuo. O ar aparece como uma nuvem. No modelo (A), ele apenas muda de lugar depois de aquecido, mas seu volume total não se altera. O modelo (B) explica a dilatação do ar supondo que a “nuvem” que o representa pode ficar mais “concentrada” ou mais “distribuída”. Nos modelos (A) e (B) os estudantes não admitem a existência de partículas. Mas sabemos que o ar é uma mistura de diferentes substâncias, como gás nitrogênio, oxigênio e outros. Os modelos (C) e (D) sugerem a natureza descontínua dos gases, ao contrário dos modelos (A) e (B), que apresentam uma visão do ar como algo contínuo. Em (C) o ar é representado por pequenas bolinhas, e podemos supor que cada uma delas representa uma partícula das substâncias do ar. Nesse modelo, as bolinhas aumentam de tamanho quando o ar é aquecido e diminuem quando ele é resfriado. Os modelos (C) e (D) sugerem explicações diferentes para o fenômeno da dilatação. Para o modelo (C), são as partículas que se dilatam. Para o modelo (D), as partículas não sofrem modificação no tamanho quando aquecidas.

Ilustrações: Acervo dos autores/Arquivo da editora

Entre as partículas existem espaços vazios A

antes de aquecer

depois de aquecido

Você acha que, em (A), o ar está somente na parte superior ou também espalhado por todo o espaço dentro da garrafa e do balão?

antes de aquecer

depois de aquecido

Quais seriam as diferenças entre essas substâncias? Seriam elas tipos distintos de “nuvens”? O que aconteceria se o ar ou um gás qualquer se liquefizesse? Será que podemos responder a essa pergunta usando o modelo (B)?

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Mas o que existe entre as bolinhas indicadas nos modelos (C) e (D)? Lembre-se de que, no modelo cinético molecular, cada partícula que compõe o ar é muito pequena. As partículas não têm as propriedades das substâncias. Os materiais sofrem dilatação quando são aquecidos. Mas as partículas não se contraem nem se dilatam. É importante que esta atividade seja realizada de acordo com a discussão feita nos textos anteriores e complementada no Manual do Professor, para que seus resultados sejam corretamente interpretados e ganhem significado.

Atenção! Esta atividade será realizada exclusivamente por seu professor, pois envolve a manipulação de água quente. O uso de luvas térmicas é indispensável.

na rede

antes de aquecer

depois de aquecido

antes de aquecer

depois de aquecido

Ilustrações: Acervo dos autores/Arquivo da editora

Elas apenas se afastam umas das outras, o que significa dizer que passam a existir maiores espaços vazios entre elas. Como decidir qual modelo, entre (C) e (D), melhor representa a dilatação do gás? Ambos parecem razoáveis. Qual deles você escolheria?

vamos pesquisar Enchendo um balão sem soprar Seu professor vai precisar de:

• Uma bacia de água quente, uma bacia de água gelada, uma garrafa de vidro vazia, um balão de aniversário e um pedaço de barbante.

Como fazer:

• Colocar o balão no gargalo da garrafa e amarrar com um pedaço de barbante.

• Colocar a garrafa na bacia de água quente. Observar o que acontece e anotar no caderno.

Alfredo Luis Mateus, Dimitri Bruno Pereira e Gilberto do Vale Rodrigues/Arquivo da editora

Conheça o modelo que explica as partículas e as forças fundamentais, do que o mundo é feito e o que o mantém unido. Veja também as evidências experimentais que levaram os cientistas a produzir a teoria <http://www.sprace.org.br/ AventuraDasParticulas/>. Acesso em: 6 dez. 2011.

• Transferir a garrafa da bacia com água quente para a outra contendo água gelada. Anotar as observações no caderno.

Interpretando a atividade 1. Como você poderia explicar o que ocorreu com o sistema (garrafa + balão) quando foi colocado na água quente? 2. Como você poderia explicar o que ocorreu com o sistema (garrafa + balão) quando foi colocado na água gelada? 3. Com o auxílio de um modelo de partículas, represente no caderno as partículas do ar dentro do sistema (garrafa + balão) quando colocado na água quente e, depois, na água gelada.

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Os modelos científicos não atribuem às partículas propriedades que são dos materiais, como cor, aparência, textura e dilatação. O modelo (C) faz isso, atribuindo às partículas a propriedade de dilatar, que é própria dos materiais e objetos do mundo macroscópico. Por isso, a representação (D) é mais compatível com o modelo científico de partículas. Desse modo, quando a garrafa é mergulhada na água quente, os espaços entre as partículas do ar aumentam. O ar dentro da garrafa passa a ocupar um espaço maior e, consequentemente, o volume ocupado por ele aumenta, o que explica o fato de o balão inflar. Os gases podem também sofrer compressão com facilidade. Isso acontece quando baixamos sua temperatura ou quando aumentamos a pressão exercida sobre eles. Interpretamos essas mudanças admitindo que, nesses casos, os espaços entre as partículas de ar diminuem. As bolinhas dos modelos representam as substâncias que compõem o ar. Entre elas existem apenas espaços vazios. Ao longo da história da Ciência, não foi fácil admitir a existência do vazio. Da mesma forma essa ideia pode parecer estranha para você. Entretanto, o modelo cinético molecular, também chamado modelo de partículas, foi desenvolvido admitindo-se que existem espaços vazios entre as partículas e que as partículas que compõem os materiais não variam de tamanho em uma transformação. Ou seja, o que varia são os espaços vazios entre elas. Em geral, os sólidos, quando são aquecidos, dilatam-se e, quando são resfriados, contraem-se. Entre as partículas de um pedaço de ferro, de um pedaço de madeira, da água que bebemos e do ar que respiramos existem espaços vazios que podem aumentar ou diminuir em razão da variação da temperatura e da pressão. Diferentes materiais apresentam dilatações distintas. O mercúrio, por exemplo, dilata-se com muita facilidade e, por isso, é utilizado na fabricação de termômetros.

na rede O que acontece com um balão cheio de ar quando entra em contato com nitrogênio líquido? Veja a resposta no vídeo sobre esse experimento. <http://pontociencia.org. br/experimentos-interna. php?experimento=647&BRI NCANDO+COM+NITROGENI O+LIQUIDO+BALOES#top>. Acesso em: 6 dez. 2011.

vamos pesquisar Quando 50 mL mais 50 mL não são 100 mL Você vai precisar de:

• Duas provetas graduadas (de 100 mL), água e álcool.

Como fazer:

• Com o auxílio de uma proveta, meça 50 mL de água e, em separado, 50 mL de • Coloque o álcool na

proveta que contém a água sem derramá-lo, como mostra a foto (B).

• Misture os dois

líquidos, tomando cuidado para não derramá-los. Observe o volume final.

A 50 mL de álcool 50 mL de água

Fotos: Alfredo Luis Mateus, Dimitri Bruno Pereira e Gilberto do Vale Rodrigues/Arquivo da editora

álcool, como mostra a foto (A).

Atenção! Este experimento envolve manipulação de álcool, portanto evite acidentes! Mantenha o recipiente contendo álcool tampado, em local seguro e longe de fontes de calor.

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Interpretando a atividade 1. A massa dos líquidos, após a mistura, aumentou, diminuiu ou permaneceu constante? Como você concluiu isso? Explique no caderno. 2. Ao observar o volume final da mistura, o que você pode constatar? Utilize o modelo de partículas para explicar sua observação. Registre sua explicação no caderno.

As partículas movimentam-se sem cessar e em todas as direções Você já deve ter observado que ninguém consegue esconder que está descascando uma mexerica, fruta também conhecida por tangerina ou bergamota. Tão logo começamos a descascá-la, o aroma se espalha de tal modo que pode ser percebido mesmo por quem está distante. O aroma é resultado de partículas que se propagam pelo ambiente e alcançam nossas narinas, nas quais se localizam células nervosas capazes de percebê-las. Mas como as partículas aromáticas da mexerica chegam até as pessoas que se encontram mais distantes? Somos levados a admitir que, ao se desprenderem da casca, as partículas das substâncias voláteis (que se evaporam facilmente) se movem em todas as direções e se espalham por todo o ambiente e, até mesmo, para fora dele. Por isso dizemos que as partículas aromáticas da mexerica se difundiram pelo ar.

vamos pesquisar Na falta de uma mexerica você pode usar um perfume. A estratégia é descascar uma mexerica ou colocar um lenço embebido no perfume sobre a mesa e os estudantes medirem o tempo necessário para sentir seu aroma.

Tem alguém descascando mexerica Chamamos de difusão a mistura espontânea de substâncias. Ela acontece com os gases – incluindo os que formam a atmosfera – e com os líquidos. A difusão é uma evidência de que as partículas que compõem os materiais estão em constante movimento.

Você vai precisar de:

• Um copo com água à temperatura ambiente, um copo com água gelada,

um cronômetro (ou relógio), comprimidos de permanganato de potássio (encontrados em farmácias) e uma mexerica.

Como fazer:

• Descasque a mexerica em algum canto da sala. Anote no caderno o tempo

necessário para que uma pessoa, em outro canto da classe, sinta seu cheiro. Compare suas anotações com as dos colegas.

• Coloque um comprimido de permanganato de potássio no copo com água à temperatura ambiente e outro comprimido idêntico no copo com água gelada. Mantenha os copos parados sobre a mesa, sem agitar. O que você espera que aconteça com a cor da água com permanganato?

• Observe e anote em seu caderno as mudanças de coloração da água à temperatura ambiente e da água gelada à medida que o tempo passa.

Interpretando a atividade 1. O modelo cinético molecular propõe que as partículas dos materiais estão em constante movimento. Utilize essa ideia para explicar, no caderno, o que ocorre com as partículas aromáticas da mexerica que nos aguçam o olfato.

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2. Utilize essa mesma ideia para explicar, no caderno, a dissolução do permanganato de potássio em água.

Osni de oliveira/Arquivo da Editora

O modelo de partículas ou modelo cinético molecular supõe que as partículas dos gases se movimentam ao acaso e em todas as direções. Cada partícula só modifica a direção de seu movimento quando se choca com outra. Lembre-se de que as partículas são muito pequenas e de que existe um grande número delas em um pequeno volume. Ao se chocarem umas com as outras, as partículas se movimentam em zigue-zague, vão se espalhando, o que significa que as substâncias presentes no ar estão se misturando. O espalhamento das substâncias gasosas em um lugar aberto será mais rápido quanto maior for a temperatura ambiente. Se o ar estiver a uma temperatura mais alta, o cheiro se espalhará mais rapidamente. Esse fato pode ser interpretado como uma evidência de que a temperatura dos materiais está ligada à velocidade das partículas que os compõem. Por estar relacionado à temperatura dos materiais, o movimento das partículas é também denominado “agitação térmica”. Os líquidos também se misturam espontaneamente. Ao olharmos um copo com água, não somos capazes de ver os deslocamentos das pequenas partículas do líquido. Entretanto, podemos evidenciar esse movimento observando o espalhamento da cor violeta do permanganato de potássio. Ele se dissolve Perfume no fundo de um copo com água indicando que suas partículas se movem. Isso ocorre mesmo que o copo esteja parado e que a água não seja agitada com um 02_03_i019_9CCaS [SUBSTITUIR_partículas bastão ou uma colher. de perfume se espalhando pelo ar, ao lado de uma mulher. Arte: utilizar a figura da p. As partículas dos sólidos também apresentam 67 do 9CC PNLD2011 como referência para movimentos, sem cessar. A rapidez desse movimenilustração, alterar traço] to depende da temperatura do material. Nos sólidos as partículas não se movem de um lugar para outro como nos líquidos e nos gases, mas vibram continuamente em torno de um ponto fixo. Quanto maior for a temperatura de um material sólido, maior será a vibração de suas partículas. A temperatura de um material é a medida da energia cinética de suas partículas. Um copo com água a uma temperatura de 20 ºC tem certa quantidade de energia associada ao movimento de suas perfume partículas. Se aquecermos a água, elevando sua temperatura a 50 ºC, ela passará a ter maior quantidade Ilustração em cores fantasia representando o movimento de energia associada ao movimento de suas partícualeatório de partículas de perfume (esferas azuis) que se espalham em um ambiente cheio de partículas de ar (outras las. Esse copo de água quente, ao ser resfriado, transesferas, de diferentes cores). As partículas saem do frasco fere energia para o ar à sua volta. A velocidade das à medida que o perfume evapora. Ao se espalharem pelo partículas da água diminui enquanto a velocidade ambiente, essas partículas podem alcançar o nariz de uma das partículas do ar aumenta. pessoa, permitindo que ela sinta o aroma dele.

Jean-Pierre Lescourret/Corbis/Latinstock

3. Com base nas observações experimentais, o que você pode dizer sobre a velocidade de difusão de partículas em gases e em líquidos submetidos a diferentes temperaturas? No caderno, cite dois exemplos e justifique utilizando o modelo de partículas estudado.

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Faça em seu caderno As partículas se movimentam

Antonio Robson/Arquivo da editora

1. Veja a figura a seguir:

Qual é a diferença entre as partículas do ar “quente” e do ar “frio” contido em uma garrafa fechada? 2. Que relação você estabelece entre o movimento de partículas e o espaço vazio entre elas? 3. Mesmo a baixas temperaturas e em um recipiente em repouso, a cor violeta do permanganato de potássio dissolvido na água se espalha. Como você explica esse fenômeno? 4. O modelo de partículas também explica o aquecimento dos objetos quando são atritados. Quando atritamos duas peças ou quando esfregamos as mãos uma contra a outra, percebemos uma elevação de temperatura. Como você explica esse fenômeno utilizando o modelo de partículas?

ampliação: 10×

Fabio Colombini/Acervo do fotógrafo

As partículas interagem entre si

A superfície da água funciona como uma espécie de película elástica. Graças a essa propriedade, muitos insetos são capazes de se mover sobre a água, onde se alimentam e se reproduzem.

Um gás espalha-se naturalmente em todas as direções ocupando todo o espaço disponível. É o que ocorre quando o gás de cozinha escapa por um vazamento. Depois de algum tempo, sentimos o cheiro do gás pela cozinha e, em seguida, por toda a casa. Isso ocorre de modo diferente nos líquidos e nos sólidos. Como o modelo de partículas explica essa diferença? Se as partículas dos líquidos e dos sólidos se encontram em movimento ao acaso, por que elas não se afastam umas das outras como nos gases? No modelo de partículas, supõe-se que, nos sólidos, as partículas interagem entre si mais fortemente do que nos líquidos e nos gases. A tensão superficial é um exemplo de interação entre partículas que ocorre na superfície dos líquidos, mais particularmente na água. Nesse caso, forma-se uma película elástica na área de contato entre o líquido e o ar.

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Para conhecer mais A Linha Férrea de Outubro Que comprimento tem a Linha Férrea de Outubro, que liga São Petersburgo a Moscou? Seiscentos e quarenta quilômetros aproximadamente. No verão ela é uns trezentos metros mais longa que no inverno. Essa resposta não é tão absurda quanto parece. Se admitirmos que o comprimento da linha férrea é igual à soma dos comprimentos dos trilhos, no verão ele tem de ser, efetivamente, maior do que no inverno. Os trilhos aumentam em mais ou menos um centésimo do milésimo de seu comprimento para cada grau Celsius de elevação de temperatura. Durante os dias quentes de verão, os trilhos atingem temperaturas acima de 30 ºC. Às vezes o sol esquenta tanto os trilhos que eles podem queimar as mãos de quem os toca. As baixas temperaturas de inverno, em certas regiões, esfriam esses trilhos até –25 ºC. A diferença entre a temperatura de verão e a de inverno é algo em torno de 55 ºC. A dilatação dos trilhos depende de três fatores:

• do seu comprimento inicial; • do material de que são feitos; • da variação de temperatura a que são submetidos. A Linha Férrea de Outubro pode apresentar uma grande dilatação, pois é muito longa, é feita de ferro (material que se dilata significativamente) e está sujeita a grandes variações de temperatura. Contudo, para que o aumento dos comprimentos de cada segmento de trilho não resultasse no aumento de trezentos metros no tamanho da estrada, os construtores, já prevendo essa dilatação, deixaram espaços entre os trilhos para que estes não fossem danificados com o aquecimento causado pelas variações de temperatura ao longo do ano.

credito

Traduzido e adaptado de: PERELMAN, Yakov. Física recreativa. Moscou: Editorial Mir, 1975. p. 113.

A foto mostra a deformação de uma linha férrea em que não foi prevista a dilatação dos trilhos.

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Um “modelo de partículas” geral para sólidos, líquidos e gases

Ao contrário dos sólidos, os líquidos podem escoar. Isso sugere que suas partículas se movem sem uma organização fixa.

Alfredo Luis Mateus, Dimitri Bruno Pereira e Gilberto do Vale Rodrigues/Arquivo da editora

Os materiais podem existir nos estados sólido, líquido e gasoso. Um mesmo material pode se apresentar nesses três estados físicos, dependendo das condições de pressão e temperatura a que for submetido. Mas o que distingue um mesmo material em diferentes estados (sólido, líquido ou gasoso)? Por que os sólidos, os líquidos e os gases se comportam de maneira tão diversa quando comparados entre si? O modelo de partículas afirma que a natureza das partículas de um dado material não se modifica quando ele passa de um estado físico para outro. O que se altera, nesses casos, é apenas o modo como as partículas se organizam, se movimentam e interagem entre si. Existem grandes espaços vazios entre as partículas que constituem os gases. Por essa razão, eles são pouco densos. Além disso, as interações entre essas partículas são muito fracas, permitindo que os gases se expandam com maior facilidade e ocupem todo o volume disponível. Pelo mesmo motivo os gases são facilmente compressíveis, diferentemente de líquidos e sólidos. Nos líquidos, as partículas encontram-se mais próximas umas das outras do que nos gases, e as forças de interação entre elas são mais intensas. Isso faz com que as partículas que formam os líquidos tenham menor liberdade de movimento do que as que compõem os gases. Um líquido em um recipiente adquire a forma desse recipiente, mas não se expande ocupando todo o espaço disponível, como acontece com os gases.

Os sólidos apresentam máxima organização interna, e muitos deles têm um arranjo geométrico definido das partículas que os constituem. Uma intensa interação entre as partículas as mantêm unidas. Os movimentos das partículas, embora incessantes, restringem-se à vibração em torno de um ponto. Por isso, quando aquecidos, os sólidos se dilatam bem menos que os líquidos e muito menos ainda que os gases. O quadro a seguir sintetiza as características do modelo de partículas para os materiais em geral, nos estados sólido, líquido e gasoso.

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Características do modelo de partículas para os materiais nos estados sólido, líquido e gasoso

Organização das partículas

Movimento das partículas

Distância entre as partículas

Gasoso Rogério Carneiro/Arquivo da editora

Líquido AP/Wide World Photos

Ilustrações: Antonio Robson/Arquivo da editora

Representação esquemática do modelo

Sólido

Dynamic Graphics/Arquivo da editora

Materiais/ Características

organizado

desorganizado

Movimento de vibração em torno de um ponto fixo.

Movimentos de vibração e deslocamento de umas sobre as outras.

Movimento de vibração e movimento ao acaso em todas as direções.

Pouca liberdade de movimento.

Liberdade intermediária.

Grande liberdade de movimento.

Muito próximas umas das outras.

Muito afastadas umas das outras Muito próximas, embora ligeiramente quando comparamos a distância mais afastadas do que nos materiais entre as partículas com o tamanho de sólidos. cada uma delas.

Faça em seu caderno O modelo de partículas 1. Ao tentar ver a água com o auxílio do microscópio, um estudante lembra-se do que disse a raposa ao Pequeno Príncipe, na fábula de Antoine de Saint-Exupéry, e diz a seu colega que: “o essencial é invisível para os olhos”. O que o estudante quis dizer com isso? Explique no caderno. 2. Alguns líquidos, à mesma temperatura que outros, evaporam-se com mais facilidade. Essa propriedade é denominada volatilidade. Assim, o álcool é mais volátil do que a água e menos volátil do que a acetona. Baseando-se nessas informações e no modelo de partículas, como se comparam as forças de interação entre as partículas de água, de álcool e de acetona? Justifique sua resposta no caderno. 3. Represente em um desenho as partículas de uma barra metálica antes e depois de a barra se dilatar. 4. Entre São Petersburgo e Moscou, a cada inverno, desaparece, sem deixar pistas, meio quilômetro de fios telefônicos e de telégrafo. Contudo não há ladrões, pois, quando chega o verão, os quinhentos metros de fio reaparecem. Explique, no caderno, esse mistério.

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Fotos: Alfredo Luis Mateus, Dimitri Bruno Pereira e Gilberto do Vale Rodrigues/Arquivo da editora

5. Uma gota de líquido tende a apresentar-se em formato esférico. Em queda, ela fica mais alongada (A) e, quando apoiada em uma superfície (B), fica mais achatada. Explique a razão dessa tendência ao formato esférico.

Interpretando fenômenos com auxílio do modelo de partículas Até agora analisamos vários fenômenos utilizando o modelo de partículas. Podemos dizer que os modelos servem para explicar fenômenos já conhecidos e prever novos fenômenos. Vejamos outros exemplos. Quando fornecemos calor a uma quantidade de água em uma panela, sua temperatura se elevará até que comece a ferver. Entretanto, mesmo com a chama acesa, a temperatura da água em ebulição não se altera. Como podemos explicar isso? Para onde estaria indo a energia fornecida pela chama à água? Podemos supor que essa energia esteja sendo transferida ao vapor formado, mas, ao medirmos a temperatura do vapor, veremos que ela é igual à temperatura da água em ebulição. Quanto maior é a temperatura de um material, maior é a velocidade média das partículas que o constituem. Podemos, então, dizer que, enquanto a água esquenta, a energia que ela recebe é utilizada para aumentar a velocidade das partículas que a compõem. Contudo, quando a água começa a evaporar, a temperatura fica constante e a energia é usada para converter a água líquida em vapor de água. Para entender como isso funciona, você deve se lembrar de que as partículas de água no estado líquido interagem mais fortemente do que quando elas se encontram no estado gasoso. Por isso, quando é fornecida energia às partículas da água líquida, elas conseguem romper as forças de interação. Mesmo se houver um aumento da chama, a temperatura da água se manterá constante, mas a quantidade de vapor produzido em determinado intervalo de tempo aumentará. Isso pode ser explicado da seguinte forma: a energia fornecida é utilizada para separar as partículas de água quando esta passa do estado líquido para o gasoso. A experiência mostra que, durante as mudanças de estado físico – de sólido para líquido, de líquido para gás ou vice-versa –, a temperatura da substância que está mudando de estado não varia, ou seja, permanece constante. Esse comportamento, em geral, não é válido para as misturas, ele é válido somente para as substâncias puras. Em todos esses casos, a energia envolvida na transformação está relacionada com a separação das partículas.

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Fotos: Alfredo Luis Mateus, Dimitri Bruno Pereira e Gilberto do Vale Rodrigues/Arquivo da editora

Durante a fusão do gelo, a temperatura do sistema (água + gelo) permanece constante. Na foto, a fusão do gelo está sendo monitorada por um termômetro digital.

Durante a ebulição, a temperatura do líquido e do vapor é a mesma. Em Belo Horizonte (MG), essa temperatura apresenta o valor de 98 ºC e permanece constante, embora o líquido esteja recebendo energia da fonte de calor. Como explicar isso?

Vejamos o que ocorre quando acompanhamos a fusão de um cubo de gelo. Para fundir o gelo é necessário fornecer calor a ele. Entretanto, ele não se funde todo de uma só vez, apresentando uma parte líquida e uma parte sólida, que permanecem à mesma temperatura, 0 ºC, durante o processo. Por que isso ocorre? Porque a energia absorvida durante a fusão é usada para romper a estrutura cristalina do gelo, resultando na água líquida.

trocando ideias A condensação SPL/Latinstock

Ao retirar uma lata de refrigerante da geladeira e deixá-la por algum tempo em cima da mesa em temperatura ambiente, você poderá notar o aparecimento de gotas de água na parte externa da lata.

• O que aconteceu na superfície da lata de refrigerante? De onde vieram essas gotas? Discuta com seus colegas e explique, com o auxílio do modelo de partículas, esse fenômeno.

• Com a ajuda de seu professor prepare

uma apresentação das conclusões do seu grupo para a turma.

Gotas de água condensadas em uma superfície fria.

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ciência em movimento Cozinhando em banho-maria

André Moura/Arquivo da editora

Jorge Butsuem/Arquivo da editora

Alguns pratos que fazemos na cozinha exigem um aquecimento ou mesmo um cozimento especial. São imersos em água numa vasilha e assim são levados ao fogo ou ao forno. O pudim de leite, a cobertura de chocolate para bombons (fotos a seguir), as conservas depois de envasadas e mesmo o aquecimento de sopas de bebês e marmitas são feitos usando essa técnica, conhecida como banho-maria. Empregamos esse processo porque a água, quando aquecida, não ultrapassa a temperatura de ebulição, já que a partir dessa temperatura muda de fase. O banho-maria é também utilizado em laboratórios quando não é recomendável que se faça aquecimento direto. Alguns historiadores afirmam que o banho-maria foi concebido, aproximadamente, no ano 300 d.C. por uma alquimista egípcio-caldaica de nome Maria, a Judia.

vamos pesquisar Água fervendo não ferve água

Atenção! Esta atividade será realizada exclusivamente por seu professor. Ao aquecer a água do tubo em banho-maria, cuidar para que o recipiente esteja posicionado de modo que não projete água quente nas pessoas. O uso de luvas térmicas é indispensável.

Este experimento torna clara a necessidade de transferência de energia para que ocorram mudanças de estado físico.

Seu professor vai precisar de:

• Um béquer (ou panela), um tubo de ensaio (ou pote de sopa de bebê

industrializada), uma garra longa de madeira, luvas térmicas, um termômetro de laboratório e uma fonte de calor (lamparina, bico de Bunsen ou chapa elétrica).

Como fazer:

• Colocar o béquer com água sobre a fonte de calor. Pôr o tubo de ensaio, com um pouco de água, imerso no béquer, suspenso pela garra de madeira.

• Esperar até que a água do béquer comece a ferver. Verificar se o mesmo está ocorrendo com a água do tubo de ensaio.

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• Com o termômetro, medir a temperatura da água do béquer e do tubo de ensaio. O estudante deve anotar os valores em seu caderno.

Interpretando a atividade

• Procure explicar, no caderno, por que a água do tubo não ferve, apesar de sua temperatura ser a mesma da água do béquer, que entra em ebulição.

Muito nada e pouco nada: uma questão de densidade Admitir a existência de espaços vazios entre as partículas que compõem um material nos permite interpretar algumas de suas propriedades, como é o caso da densidade. E como se admitir não bastasse, também falamos que em algumas situações existe “muito nada” enquanto em outras existe “pouco nada”. Quando temos “pouco nada” entre as partículas, queremos dizer que elas estão muito próximas umas das outras e que, portanto, há muita massa concentrada em um determinado volume. É o caso dos materiais muito densos, como o chumbo e o ferro. Assim, se algum colega perguntar o que pesa mais, 1 kg de chumbo ou 1 kg de isopor, você já sabe que se trata de uma brincadeira. Por outro lado, quando temos “muito nada”, isto é, um material com muito espaço sem nada para preenchê-lo, dizemos que ele é pouco denso. Um pedaço de isopor seria um exemplo de “muito nada” por unidade de volume. Em outras palavras, as partículas estão mais afastadas umas das outras, comparando com o caso do chumbo e do ferro. Um outro exemplo são os colchões de espuma, os quais são vendidos tendo como referência a densidade. Assim, um colchão D33 tem “pouco nada” se comparado com um D28.

trocando ideias Qual modelo explica o comportamento da água líquida e do gelo? Você já deve ter observado o que acontece quando colocamos garrafas fechadas de refrigerantes no congelador e as deixamos lá por muitas horas. O líquido congela e, caso a garrafa esteja muito cheia, ela arrebenta. Considerando que a quantidade em massa de refrigerante contido dentro da garrafa fechada não aumentou nem diminuiu, a quebra da garrafa só pode ser resultado do aumento do volume do líquido quando este solidificou. Você pode se certificar disso colocando certa quantidade de água dentro de um copo no congelador. Use uma fita adesiva ou uma caneta para marcar o volume da água líquida antes de congelar. Compare o volume da água congelada com o da água em estado líquido. Discuta com seus colegas. Em seguida, proponham, em seu caderno, um modelo para as partículas de água na fase sólida e líquida. Nesse modelo vocês deverão se preocupar com a distância e com a organização dessas partículas. As observações feitas sobre o volume ocupado pela mesma massa de água nos estados sólido e líquido devem ser explicadas pelo modelo proposto.

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Aplicando o que aprendemos O mundo que não vemos 1. Reproduza, em seu caderno, o quadro a seguir. Depois, preencha-o com o que você aprendeu sobre a “estrutura” da água nos estados sólido, líquido e gasoso. Lembre-se de que um cubo de gelo fica flutuando quando colocado em uma jarra com água ou suco. Água no estado líquido Dynamic Graphics/ Arquivo da editora

Representação esquemática do modelo

Água no estado gasoso

Organização das partículas

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Movimento das partículas

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Distância entre as partículas

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Densidade

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Alamy/Other Images

Água no estado sólido Christopher Stevenson/ zefa/Corbis/Latinstock

Estado físico/ características

2. O modelo de partículas baseia-se em quatro suposições básicas: 1. Os materiais são formados por um grande número de pequeníssimas partículas. 2. Entre as partículas existe espaço vazio. 3. As partículas movimentam-se sem cessar e em todas as direções. 4. A s partículas interagem entre si. Essas quatro hipóteses são usadas em conjunto, permitindo interpretar e prever fenômenos. Em razão dessas suposições, transcreva em seu caderno a sentença incorreta entre as apresentadas a seguir, corrigindo-a. Quanto mais rapidamente as partículas se movimentarem, maior será a força de interação entre elas.

• • Quanto menor for a distância entre as partículas, maior será a força de interação entre elas. • Quanto maior for a temperatura do material, mais rápido será o movimento de suas partículas. • Quanto menor for a força de interação entre as partículas, maior será a desorganização delas.

3. Os estados físicos dos materiais podem ser caracterizados segundo o modelo de partículas. Com base nesse modelo, transcreva em seu caderno a sentença incorreta, corrigindo-a. Nos gases, as partículas encontram-se mais afastadas umas das outras, sendo menor a força de interação entre elas.

•

• Nos gases, prevalece a expansão provocada pela maior liberdade de movimento de suas partículas. • As forças de interação entre as partículas de um líquido são desprezíveis. • Em um sólido, as partículas efetuam movimentos de vibração em torno de um ponto de equilíbrio.

4. Uma chapa de ferro foi aquecida até se tornar incandescente e, depois, abandonada sobre uma superfície. Após certo tempo, a temperatura da chapa passou a ser igual à temperatura do ar à sua volta, de 25 ºC. Transcreva em seu caderno a afirmação correta com relação à situação apresentada. Com o aquecimento, as partículas do ferro passaram a se movimentar, voltando ao repouso depois que a chapa retornou à temperatura ambiente.

•

• Com o aquecimento, as partículas do metal aumentaram de volume, causando a dilatação da chapa. • Com o aquecimento, o ferro se dilata, pois suas partículas estão muito ligadas umas às outras.

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• Durante o resfriamento, a chapa transferiu energia do movimento de suas partículas para o movimento das partículas do ar e de uma mesa à sua volta.

5. O ar contido nos pneus de um carro exerce pressão. Em dias muito quentes, observa-se que a pressão do ar nos pneus aumenta, embora a quantidade de ar em seu interior seja a mesma. Transcreva em seu caderno a sentença que explica esse fato. As partículas do ar aquecido exercem maior força de interação entre si.

• • As partículas do ar aumentam de volume, pressionando assim o pneu. • As partículas do ar aquecido movimentam-se mais intensamente do que as do ar frio. • As partículas do ar, que estavam em repouso, passam a se mover, exercendo pressão.

6. Um estudante faz o seguinte experimento: enche de ar um balão de borracha, mede com um barbante seu diâmetro máximo e o coloca dentro do congelador de uma geladeira doméstica. Horas depois, ao abrir o congelador, ele vê que o balão apresenta um volume menor do que o inicial. Transcreva em seu caderno a afirmação incorreta em relação à situação apresentada, corrigindo-a. Depois de resfriado, as partículas do ar encontram-se mais próximas umas das outras.

• • Depois de resfriado, a densidade do ar aumenta. • O ar frio, no interior do congelador, não se movimenta. • O tamanho das partículas do ar não se altera quando ele é aquecido ou resfriado.

7. Um guia turístico, ao ser indagado sobre a altura da Torre Eiffel, monumento francês feito de estrutura metálica, responde com outra pergunta: “No inverno ou no verão?”. Explique por que ele deu essa resposta. 8. É comum os especialistas em automóveis recomendarem o abastecimento em postos de gasolina no início da manhã, que geralmente é a parte menos quente do dia. Explique, em seu caderno, o porquê dessa recomendação. 9. Água e álcool etílico (álcool comum) são dois líquidos miscíveis (se misturam). Água e óleo são dois líquidos imiscíveis (não se misturam). Reproduza em seu caderno os dois quadros a seguir e represente, em cada um deles, por meio do modelo de partículas, os sistemas acima citados. Utilize legendas para indicar, em seus modelos, os líquidos.

água + álcool etílico

água + óleo

10. Um material é sólido à temperatura ambiente e gasoso a 150 ºC. Responda: a) Quando esse material é colocado em um forno que está a uma temperatura de 300 ºC, quais mudanças de estado físico ocorrem? b) Essas mudanças acontecem com absorção ou liberação de energia? c) Explique as mudanças ocorridas utilizando os seguintes critérios: organização das partículas, movimento das partículas, distância e interação entre as partículas e densidade. 11. Um estudante adicionou o conteúdo de um pacote de suco de morango em pó a um litro de água. Ele não agitou o sistema, deixando-o em repouso por cerca de quatro horas. Quando foi verificar o que havia acontecido, ficou espantado: o suco em pó havia se dissolvido e espalhado completamente. Explique, utilizando as noções relativas ao modelo de partículas (interação e movimento de partículas), por que o pó do suco espalhou-se, mesmo sem agitação externa.

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