Fusão e solidificação

Um béquer com gelo aquecido pelo ar ambiente ficou exatamente a 0 °C por mais de meia hora enquanto o gelo derretia.

Coloque um béquer com gelo a −12 °C sobre a bancada. A OpenStax mostra o que acontece. Após dez minutos, o gelo chega a 0 °C e uma pequena parte derrete. Trinta minutos depois, mais gelo derreteu, mas o termômetro ainda marca 0 °C. Só quando acaba o gelo a temperatura começa a subir, até chegar a 22.2 °C. O gelo absorveu calor do ambiente o tempo todo. Durante a fusão, nada desse calor aumentou a temperatura.

Para onde vai o calor

Em um cristal, cada molécula fica presa pelas vizinhas. Aquecer um sólido faz as moléculas vibrarem com mais intensidade, e a temperatura sobe. No ponto de fusão, as vibrações bastam para tirar moléculas de suas posições fixas. A partir daí, a energia fornecida é usada para romper essas interações, não para acelerar o movimento. A temperatura permanece constante até todo o sólido virar líquido. A energia necessária para fundir um mol de um sólido é sua entalpia de fusão. Para o gelo, ela vale 6.01 kJ/mol, então fundir 18.02 g de gelo exige 6.01 kJ.

Quanto representam 6.01 kJ/mol? Compare com o aquecimento. A água líquida precisa de 4.18 J para aquecer 1 g em 1 °C. Assim, 18.02 g precisam de cerca de 75.3 J por grau. Os 6.01 kJ usados para fundir esse mol de gelo poderiam aquecer a água resultante em 6010 ÷ 75.3 ≈ 80 °C. Por isso uma bebida com gelo fica fria por tanto tempo: cada cubo absorve bastante calor antes de derreter por completo, e a bebida fica perto de 0 °C até lá.

A solidificação faz o caminho inverso. Ao virar gelo, a água líquida a 0 °C libera 6.01 kJ por mol. A fusão absorve calor (é endotérmica); a solidificação libera calor (é exotérmica). Ambas ocorrem na mesma temperatura, então o ponto de fusão do gelo e o ponto de congelamento da água têm o mesmo valor. Em um frasco perfeitamente isolado, uma mistura de gelo e água fica nessa temperatura, com fusão e solidificação ocorrendo à mesma taxa.

Cada substância tem seu ponto de fusão

A temperatura necessária para um sólido fundir depende da intensidade da atração entre suas partículas. Os valores abaixo correspondem à pressão de 1 atm e vêm do NIST Chemistry WebBook. O mercúrio é o único metal da lista que é líquido à temperatura ambiente. Ele congela a −38.84 °C, então um termômetro de mercúrio deixa de funcionar abaixo dessa temperatura. O nitrogênio e o oxigênio, unidos apenas por forças fracas entre as moléculas, fundem a mais de 200 graus abaixo de zero.

Como cada substância pura funde em uma temperatura fixa, o ponto de fusão serve como teste rápido de identificação na química. Uma amostra que começa a fundir abaixo do valor esperado provavelmente não é pura, pois impurezas dissolvidas reduzem o ponto de congelamento. O sal espalhado em uma estrada com gelo funciona assim: uma solução salina congela abaixo de 0 °C, o ponto de congelamento da água pura. Por isso, o gelo derrete mesmo com o ar abaixo de 0 °C (OpenStax 11.4).