Partículas em sólidos, líquidos e gases
As moléculas de nitrogênio no ar ao seu redor, a 30 °C, movem-se a cerca de 519 m/s, mais rápido que um avião de passageiros.
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Ao colocar água em um copo, ela fica no fundo, com uma superfície horizontal. Se a mesma água ferver, o vapor se espalha pelo ambiente. As moléculas não mudaram: H₂O continua sendo H₂O no gelo, na água líquida e no vapor. O que muda é a distância entre as moléculas, a intensidade com que se atraem e a rapidez do movimento. O modelo desta página mostra as mesmas 40 partículas em cada estado para permitir a comparação direta.
Comparação entre os três estados
| Estado | Partículas | Forma e volume |
|---|---|---|
| Sólido | Próximas, em um arranjo regular; vibram no lugar | Forma e volume próprios; quase não diminui ao ser comprimido |
| Líquido | Próximas, mas desordenadas; deslizam umas pelas outras | Assume a forma do recipiente e mantém o volume; quase não diminui ao ser comprimido |
| Gasoso | Distantes; movem-se em linha reta | Preenche o recipiente; diminui bastante ao ser comprimido |
Como as partículas de sólidos e líquidos já estão próximas, uma força maior quase não consegue aproximá-las mais. Por isso, um macaco hidráulico transmite uma força pelo óleo sem que ele diminua de volume. No gás, a maior parte do volume é espaço vazio entre moléculas, então uma bomba de bicicleta consegue comprimir ar dentro de um pneu. As forças entre moléculas também explicam por que líquidos formam gotas e sólidos mantêm sua forma: nos dois casos, as partículas se atraem o suficiente para permanecer juntas. No gás, elas se movem rápido demais e estão distantes demais para essas atrações mantê-las unidas.
A água foge à regra
Na maioria das substâncias, o sólido é mais denso que o líquido. Por isso, um pedaço do sólido afunda na própria substância fundida. A água é diferente. A água líquida a 0 °C tem densidade de 0.99987 g/cm³; ao congelar, sua densidade diminui cerca de 9% (USGS). O gelo flutua com a maior parte do volume submersa, por isso quase todo o iceberg fica escondido. O arranjo aberto das moléculas em um cristal de gelo ocupa mais espaço do que o arranjo desordenado do líquido. A água líquida atinge sua densidade máxima a 4 °C, com 1.00000 g/cm³. Ao aquecer, volta a ficar menos densa, chegando a 0.95865 g/cm³ a 100 °C.
Temperatura e movimento das partículas
A escala Celsius coloca o 0 no ponto de congelamento da água. Isso é prático, mas não tem relação com o movimento das partículas. A escala kelvin começa no zero absoluto, a menor temperatura possível, que corresponde a −273.15 °C. Para converter, some 273.15: 25 °C equivalem a 298.15 K. Nessa escala, a energia cinética média das partículas é diretamente proporcional à temperatura. Assim, um gás a 600 K tem o dobro da energia cinética média do mesmo gás a 300 K.
Para um gás, a velocidade pode ser calculada a partir dessa energia. A velocidade quadrática média é u = √(3RT/M), em que R vale 8.314 J/(mol K), T é a temperatura em kelvins e M é a massa molar em quilogramas por mol. Para o nitrogênio a 30 °C, a OpenStax calcula √(3 × 8.314 × 303 ÷ 0.028) = 519 m/s. Moléculas mais pesadas se movem mais devagar à mesma temperatura: uma molécula de oxigênio a −23 °C tem velocidade média de cerca de 441 m/s. As partículas da imagem acima foram desaceleradas milhões de vezes para você conseguir acompanhá-las.
| Kelvin | °C + 273.15; 0 K é o zero absoluto |
| Velocidade quadrática média | u = √(3RT/M), com M em kg/mol |
| Densidade do gelo | Cerca de 9% menor que a da água líquida, por isso o gelo flutua |
| Água de maior densidade | A 4 °C: 1.00000 g/cm³ |
- Converta 25 °C em kelvins.
- O nitrogênio líquido ferve a 77.34 K (NIST). Quanto isso representa em °C (1 casa decimal)?
- Um gás é aquecido de 300 K a 600 K. Sua energia cinética média…
- dobra
- continua igual
- fica quatro vezes maior
- Calcule a velocidade quadrática média de uma molécula de N₂ (M = 0.028 kg/mol) a 303 K, arredondando para o m/s mais próximo.
- À mesma temperatura, qual se move mais rápido, em média?
- N₂ (28 g/mol)
- O₂ (32 g/mol)
- As duas têm a mesma velocidade
- Por que o ar pode ser comprimido em um pneu, mas a água quase não pode?
- As moléculas do gás estão distantes; as do líquido já estão próximas
- As moléculas de água são mais pesadas
- O ar não é matéria
- A água a 0 °C tem densidade de 0.99987 g/cm³. O gelo é cerca de 9% menos denso. Estime a densidade do gelo (2 casas decimais).
- Em qual temperatura a água líquida é mais densa?
- 4 °C
- 0 °C
- 100 °C
- Em qual estado as partículas estão próximas, mas deslizam umas pelas outras?
- Líquido
- Sólido
- Gasoso
- Ordene os estados, das partículas mais presas às mais livres.
- As moléculas continuam as mesmas; mudam a distância, a atração e a velocidade.
- O gelo é cerca de 9% menos denso que a água, por isso flutua; a água é mais densa a 4 °C.
- K = °C + 273.15; energia cinética média ∝ T em kelvins.
- Velocidade do gás u = √(3RT/M): N₂ a 30 °C ≈ 519 m/s.
Fontes deste curso (8)
- OpenStax Chemistry 2e (openstax.org/books/chemistry-2e): 1.2 Phases and Classification of Matter (matter, three states, plasma, mass and weight, Moon 1/6, conservation of matter, sand and clouds)
- 9.2 gas laws (Boyle's law P1V1 = P2V2, syringe 15.0 mL 13.0 psi to 7.5 mL 26 psi, breathing, divers: every 33 ft of sea water adds 1 atm and halves the air volume at 33 ft, Amontons ~1700, Gay-Lussac ~1800, Charles, STP 273.15 K and 101.325 kPa, -273 °C absolute zero)
- 9.5 kinetic-molecular theory (average kinetic energy proportional to kelvin temperature, KEavg = 3/2 RT, urms = sqrt(3RT/M), N2 at 30 °C 519 m/s, O2 at -23 °C 441 m/s)
- 10.3 phase transitions (vapor pressure, normal boiling point at 1 atm = 101.3 kPa, Leadville 68 kPa about 90 °C, ΔHvap 44.01 kJ/mol at 25 °C and 40.67 kJ/mol at 100 °C, 1.5 L sweat 3600 kJ, ΔHfus 6.01 kJ/mol, ice at -12 °C staying at 0 °C while melting, CO2 sublimation 26.1 kJ/mol, frost is deposition, heating curve example 135 g ice -15 °C to steam 120 °C = 416 kJ with c ice 2.09, water 4.18, steam 1.86 J/g °C, burner turned up does not raise boiling temperature)
- NIST Chemistry WebBook phase change data (webbook.nist.gov: ethanol Tfus 159 K, Tboil 351.5 K; nitrogen Tfus 63.3 K, Tboil 77.34 K; oxygen Tfus 54.8 K, Tboil 90.2 K; mercury Tfus 234.31 K, Tboil 629.81 K; CO2 triple point 216.58 K at 5.185 bar, solid vapour-pressure equation Giauque and Egan 1937 giving 194.7 K at 1 atm)
- USGS Water Science School, Water Density (0.99987 g/cm³ at 0 °C, 1.00000 at 4 °C, 0.95865 at 100 °C; ice about 9% less dense)
- Britannica, Boyle's law (Robert Boyle 1662, air compressed by mercury; Edme Mariotte 1676)
- Boyle's 1662 table (48 spaces at 29 2/16 in, 12 spaces at 117 9/16 in of mercury) as reprinted in J. Appl. Physiol. 87 (1999) 1543.
Data de verificação: 2026-10-17