liquidos e sólidos

Viscosidade Viscosidade é a resistência de um líquido em fluir. Um líquido flui através do deslizamento das moléculas sobre outras. Quanto mais fortes são as forças intermoleculares, maior é a

viscosidade. Tensão superficial

As moléculas volumosas (aquelas no líquido) são igualmente atraídas pelas suas vizinhas.

Algumas propriedades dos líquidos

Viscosidade


Quais as diferenças fundamentais entre fluido e sólido?

• Fluido é mole e deformável

• Sólido é duro e muito pouco deformável

Passando para uma linguagem científica:

A diferença fundamental entre sólido e fluido está relacionada com a estrutura molecular:

– Sólido: as moléculas sofrem forte força de

atração (estão muito próximas umas das outras) e é isto que garante que o sólido tem um formato próprio;

– Fluido: apresenta as moléculas com um certo grau de liberdade de movimento (força de atração pequena) e não apresentam um formato próprio.

Fluidos:Líquidos e Gases

Líquidos: - Assumem a forma dos

recipientes que os contém;

- Apresentam um volume próprio (constante);

- Podem apresentar uma superfície livre;

Gases e vapores:

-apresentam forças de atração intermoleculares desprezíveis;

-não apresentam nem um formato próprio e nem um volume próprio;

-ocupam todo o volume do recipiente que os contém.

Fluidos:Líquidos e Gases

Teoria Cinética Molecular

“Qualquer substância pode apresentar-se sob qualquer dos três estados físicos fundamentais, dependendo das condições ambientais em que se encontrarem”

Estados Físicos da Matéria

Fluidos

De uma maneira geral, o fluido é caracterizado pela relativa mobilidade de suas moléculas que, além de apresentarem os movimentos de rotação e vibração, possuem movimento de translação e portanto não apresentam uma posição média fixa no corpo do fluido.

Fluidos x Sólidos

A principal distinção entre sólido e fluido, é pelo comportamento que apresentam em face às forças externas. Por exemplo, se uma força de

compressão fosse usada para distinguir um sólido de um fluido, este último seria inicialmente comprimido, e a partir de um certo ponto ele se comportaria exatamente como se fosse um sólido, isto é, seria incompressível.

Fatores importantes na diferenciação entre sólido e fluido

O fluido não resiste a esforços tangenciais

por menores que estes sejam, o que

implica que se deformam

continuamente.

F

Já os sólidos, ao serem solicitados

por esforços, podem resistir,

deformar-se e ou até mesmo

cisalhar.

Fatores importantes na diferenciação entre sólido e fluido

Fluidos x Sólidos

Os sólidos resistem às forças de cisalhamento até o seu limite elástico ser alcançado (este valor é denominado tensão crítica de cisalhamento), a partir da qual experimentam uma deformação irreversível, enquanto que os fluidos são imediatamente deformados irreversivelmente, mesmo para pequenos valores da tensão de cisalhamento.

Fluidos: outra definição

Um fluido pode ser definido como uma substância que muda continuamente de forma enquanto existir uma tensão de cisalhamento, ainda que seja pequena.

Propriedades dos fluidos

•Massa específica - É a razão entre a massa do fluido e o volume que contém essa massa (pode ser denominada de densidade absoluta)

V

m

volume

massa

Propriedades dos fluidos

•Massa específica - Nos sistemas usuais:

Sistema SI............................Kg/m3

Sistema CGS.........................g/cm3

Sistema MKfS........................Kgf.m-

4.s2

Massas específicas de alguns fluidos

Fluido (Kg/m3)

Água destilada a 4 oC 1000

Água do mar a 15 oC 1022 a 1030

Ar atmosférico à pressão atmosférica e 0 oC

1,29

Ar atmosférico à pressão atmosférica e 15,6 oC

1,22

Mercúrio 13590 a 13650

Petróleo 880

Aditivos para lubrificantes

• Aumentadores do índice de viscosidade;

• Polímeros de elevado peso molecular, longas cadeias

moleculares e altas viscosidades;

• Quanto maior a temperatura, mais as moléculas do

aditivo se distendem, aumentando a sua viscosidade e,

dessa forma, compensando o afinamento do óleo

básico.

• Melhoram as características de temperatura x

viscosidade.

Aditivos para lubrificantes

Determinação da Viscosidade Cinemática em Combustíveis

VISCOSIDADE CINEMÁTICA = C x t

V = Viscosidade da amostra (mm2s-1) C = Constante do tubo (mm2) t= tempo de escoamento entre o primeiro e segundo detector (s)

Ponto de Fluidez

• Ponto de fluidez – é a menor temperatura na qual o óleo ainda pode escoar nas condições do teste.

• Está ligado à facilidade de iniciar a lubrificação quando uma máquina fria é posta em funcionamento. O óleo deve fluir livremente.

• O método para determinação do Ponto de Fluidez, consiste em resfriar uma amostra num ritmo pré-determinado, observando-se a sua fluidez a cada queda de temperatura de 3°C, até que virtualmente a superfície da amostra permaneça imóvel (ponto de congelamento) por 5 segundos, ao se colocar o tubo de ensaio com a amostra, na posição horizontal.

• A temperatura 3oC acima desta é o ponto de mínima fluidez.

• Por exemplo, se um óleo apresentar um ponto de congelamento de -20oC , seu ponto de mínima fluidez será de -17oC .


Tensão superficial

Tensão superficial As moléculas da superfície são atraídas apenas para dentro no

sentido das moléculas volumosas. – Conseqüentemente, as moléculas da superfície estão mais

densamente empacotadas do que as moléculas volumosas. A tensão superficial é a energia necessária para aumentar a área

superficial de um líquido. As forças de coesão ligam as moléculas entre si. As forças de adesão ligam as moléculas a uma superfície.


Tensão superficial Menisco é a forma da superfície do líquido.

– Se as forças de adesão são maiores do que as forças de coesão, a superfície do líquido é atraída para o seu recipiente mais do que as moléculas volumosas. Portanto, o menisco tem formato de U (por exemplo, água em um copo).

– Se as forças de coesão são maiores do que as forças de adesão, o menisco é curvo para baixo.

Ação capilar: Quando um tubo de vidro estreito é colocado em água, o menisco puxa a água para o topo do tubo.


Representação de meniscos

As moléculas da superfície são atraídas apenas para dentro no sentido das moléculas volumosas.

Sublimação: sólido gás. Vaporização: líquido gás. Derretimento ou fusão: sólido líquido. Deposição: gás sólido. Condensação: gás líquido. Congelamento: líquido sólido.

Mudanças de fase

Mudanças de fase

Variações de energia acompanhado

as mudanças de fase Sublimação: Hsub > 0 (endotérmica). Vaporização: Hvap > 0 (endotérmica). Derretimento ou Fusão: Hfus > 0 (endotérmica). Deposição: Hdep < 0 (exotérmica). Condensação: Hcond < 0 (exotérmica). Congelamento: Hcong < 0 (exotérmica).

Mudanças de fase

Variações de energia acompanhando

as mudanças de fase Geralmente o calor de fusão (entalpia de fusão) é menor do que o

calor de vaporização :

– mais energia é gasta para separar completamente as moléculas do que para separá-las parcialmente.

Mudanças de fase

Mudanças de fase

Variações de energia acompanhando

as mudanças de fase Todas as mudanças de fase são possíveis sob as condições corretas. A sequência

aquecer sólido derreter aquecer líquido ferver aquecer gás

é endotérmica. A sequência

resfriar gás condensar resfriar líquido congelar resfriar sólido

é exotérmica.

Mudanças de fase

Curvas de aquecimento O gráfico de variação da temperatura versus calor fornecido é uma

curva de aquecimento. Durante a mudança de fase, a adição de calor não provoca nenhuma

variação na temperatura. – Esses pontos são usados para calcular o Hfus e o Hvap.

Super-resfriamento: ocorre quando um líquido é resfriado abaixo de seu ponto de fusão e ele permanece como um líquido.

Atingido através da manutenção da temperatura baixa e do aumento

da energia cinética para a quebra das forças intermoleculares.

Mudanças de fase

Mudanças de fase

Temperatura e pressão críticas Os gases são liquefeitos sob o aumento da pressão a uma

temperatura. Temperatura crítica: a temperatura mínima para liquefação de um

gás utilizando pressão. Pressão crítica: a pressão necessária para a liquefação.

Mudanças de fase

Temperatura e pressão críticas

Mudanças de fase

Explicando a pressão de vapor

no nível molecular Algumas das moléculas na superfície de um líquido têm energia

suficiente para escaparem da atração do líquido volumoso. Essas moléculas se movimentam na fase gasosa. À medida que aumenta o número de moléculas na fase gasosa,

algumas das moléculas atingem a superfície e retornam ao líquido.

Após algum tempo, a pressão do gás será constante à pressão de vapor.

Pressão do vapor


no nível molecular

Pressão do vapor


no nível molecular Equilíbrio termodinâmico: o ponto em que tantas moléculas

escapam da superfície quanto as que atingem. A pressão de vapor é a pressão exercida quando o líquido e o vapor

estão em equilíbrio dinâmico.

Volatilidade, pressão de vapor e temperatura Se o equilíbrio nunca é estabelecido, então o líquido evapora. As substâncias voláteis evaporam rapidamente ( P.E)

Pressão do vapor

Volatilidade, pressão de

vapor e temperatura Quanto mais alta for a temperatura, mais alta a energia cinética

média, mais rapidamente o líquido evaporará.

Pressão do vapor

Pressão do vapor

Volatilidade, pressão de vapor e temperatura

Pressão do vapor

Pressão de vapor e ponto de ebulição Os líquidos entram em ebulição quando a pressão externa se iguala à

pressão de vapor. A temperatura do ponto de ebulição aumenta à medida que a

pressão aumenta.

Pressão do vapor

Pressão de vapor e ponto de ebulição Duas maneiras de levar um líquido à ebulição: aumentar a

temperatura ou diminuir a pressão. – As panelas de pressão operam a alta pressão. A alta pressão o

ponto de ebulição da água é mais alto do que a 1 atm. Conseqüentemente, há uma temperatura mais alta em que a comida é cozida, reduzindo o tempo necessário de cozimento.

O ponto de ebulição normal é o ponto de ebulição a 760 mmHg (1 atm).

Pressão do vapor

Efeito Tonoscópico

Consiste na diminuição da pressão de vapor do

solvente quando adiciona-se um soluto não-volátil !

Pressão de

vapor é aquela

exercida pelas

moléculas (de

maior energia) do

solvente,

contra a

interface para

passar ao

estado de

vapor.

interface líquido/vapor

Pvapor

TONOSCOPIA

Com a adição de

partículas de soluto

(íons ou moléculas)

intensificam-se as

forças atrativas

moleculares e diminui

a pressão de vapor do

solvente.

Pvapor

Pvapor

soluto

Representação gráfica

A pressão de vapor

da solução é

menor do que a do

solvente puro.

Diagrama de fases: gráfico da pressão versus temperatura resumindo todos os equilíbrios entre as fases.

Dada uma temperatura e uma pressão, os diagramas de fases nos

dizem qual fase existirá. Qualquer combinação de temperatura e pressão que não esteja em

uma curva representa uma fase única.

Diagrama de fases

Características de um diagrama de fases: – Ponto triplo: temperatura e pressão nas quais todas as três

fases estão em equilíbrio. – Curva de vapor-pressão: geralmente, à medida que a pressão

aumenta, a temperatura aumenta. – Ponto crítico: temperatura e pressão críticas para o gás. – Curva de ponto de fusão: à medida que a pressão aumenta, a

fase sólida é favorecida, se o sólido é mais denso do que o líquido.

– Ponto de fusão normal: ponto de fusão a 1 atm.

Diagrama de fases

Diagrama de fases

Diagramas de fases de H2O e CO2

Diagrama de fases

Diagramas de fases de H2O e CO2 Água:

– A curva do ponto de fusão inclina para a esquerda porque o gelo é menos denso do que a água.

– O ponto triplo ocorre a 0,0098C e a 4,58 mmHg. – O ponto de fusão (congelamento) é 0C. – O ponto de ebulição normal é 100C. – O ponto crítico é 374C e 218 atm.

Diagrama de fases

Diagramas de fases de H2O e CO2 Dióxido de carbono:

– O ponto triplo ocorre a -56,4C e a 5,11 atm. – O ponto de sublimação normal é -78,5C. (A 1 atm, o CO2

sublima, ele não funde.) – O ponto crítico ocorre a 31,1C e a 73 atm.

Diagrama de fases

Células unitárias Sólido cristalino: arranjo definido e bem ordenado de moléculas,

átomos ou íons. Os cristais têm uma estrutura ordenada, que se repete. A menor unidade que se repete em um cristal é uma célula unitária. A célula unitária é a menor unidade com toda a simetria de um cristal

inteiro. Uma pilha tridimensional de células unitárias é a rede cristalina.

Estruturas dos sólidos


Célula unitária

Células unitárias

Três tipos comuns de células unitárias. – Cúbica primitiva, átomos nas extremidades de um cubo simples,

cada átomo é compartilhado por oito células unitárias.

– Cúbica de corpo centrado (ccc), átomos nos vértices de um cubo mais um no centro do corpo do cubo.

Os átomos das extremidades são compartilhados por oito células unitárias, e o átomo central está completamente incluso em uma célula unitária.

– Cúbica de face centrada (cfc), átomos nas extremidades de um cubo mais um átomo no centro de cada face do cubo.

os átomos das extremidades são compartilhados por oito células unitárias, e os átomos das faces são compartilhados por duas células unitárias.



Células unitárias

A estrutura cristalina do cloreto de sódio

Duas maneiras equivalentes de definir a célula unitária:

– os íons de Cl- (maiores) estão nas extremidades da célula, ou

– os íons de Na+ (menores) estão nas extremidades da célula.

A proporção cátion-ânion em uma célula unitária é a mesma para o

cristal. No NaCl, cada célula unitária contém o mesmo número de

íons de Na+ e de Cl-.

Observe que a célula unitária para o CaCl2 precisa de duas vezes mais

íons Cl- do que íons Ca2+.


A estrutura cristalina do cloreto de sódio


Empacotamento denso de esferas

Os sólidos têm forças intermoleculares máximas. As moléculas podem ser modeladas por esferas. Os átomos e íons são esferas. Os cristais moleculares são formados através de empacotamento

denso de moléculas. Racionalizamos a força intermolecular máxima em um cristal através

do empacotamento denso de esferas.



Quando as esferas são empacotadas da maneira mais densa possível, há pequenos espaços entre as esferas adjacentes.

Os espaços são denominados orifícios intersticiais. Um cristal é formado pela superposição de camadas de esferas

densamente empacotadas. Existe apenas uma posição para a segunda camada de esferas.



Existem duas opções para a terceira camada de esferas: – A terceira camada fica eclipsada com a primeira (arranjo

ABAB). Esse é chamado de empacotamento denso hexagonal (edh).

– A terceira camada está em uma posição diferente em relação à primeira (arranjo ABCABC). Esse é chamado de empacotamento denso cúbico (edc).



Cada esfera é cercada por 12 outras esferas (6 em um plano, 3 acima e 3 abaixo).

Número de coordenação: é o número de esferas que cerca diretamente uma esfera central.

Os empacotamentos densos hexagonal e cúbico são diferentes das células unitárias cúbicas.

Se são utilizadas esferas de tamanhos diferentes, as esferas menores são colocadas em orifícios intersticiais.


Difração de Raios - X

Lei de Bragg

2d senθ = λ

Existem quatro tipos de sólidos: – Moleculares (formados a partir de moléculas) – normalmente

macios, com pontos de ebulição baixos e condutividade ruim. – Rede covalente (formada de átomos) – muito duros, com

pontos de fusão muito altos e condutividade ruim. – Iônicos (formados de íons) – duros, quebradiços, com pontos

de ebulição altos e condutividade ruim. – Metálicos (formados a partir de átomos de metais) – macios ou

duros, pontos de ebulição altos, boa condutividade, maleáveis e dúcteis.

Ligações nos sólidos

Sólidos moleculares

Forças intermoleculares: dipolo-dipolo, dispersão de London e ligações de H.

Forças intermoleculares fracas dão origem a baixos pontos de fusão. Gases e líquidos à temperatura ambiente normalmente formam

sólidos moleculares em baixa temperatura. O empacotamento denso de moléculas é importante (já que elas não

são esferas regulares).


Benzeno Tolueno Fenol (Hidróxi-Benzeno)

Dez vezes mais resistente que o aço

d = 0,97gcm-3

menor trauma fechado, isto é, menor

aprofundamento do colete sobre o corpo do

usuário (o máximo permitido pelas normas

americanas é de 44 mm), devido a sua maior

velocidade de dissipação de energia do

projétil, de cerca de 13400 m/s.

Spectra Shield – Polietileno de densidade

ultraelevada

Sólidos covalentes

Forças intermoleculares: dipolo-dipolo, dispersão de London e ligações de H.

Átomos mantidos unidos em redes grandes. Exemplos: diamante, grafite, quartzo (SiO2), silicone carbide (SiC) e

nitrito de boro (BN). No diamante:

– Cada átomo de C tem um número de coordenação igual a 4; cada átomo de C é tetraédrico, há um arranjo tridimensional de átomos.

– O diamante é duro e tem um alto ponto de fusão (3550 C).


Sólidos covalentes


Sólidos covalentes

No grafite – cada átomo de C é ordenado em um anel hexagonal plano; – camadas de anéis interconectados são sobrepostas; – a distância entre os átomos de C é próxima à do benzeno (1,42

Å versus 1,395 Å no benzeno); – a distância entre as camadas é grande (3,41 Å); – Os elétrons movimentam-se em orbitais deslocalizados (bom

condutor).


Sólidos iônicos

Íons (esféricos) mantidos unidos por forças eletrostáticas de atração. Há algumas classificações simples para tipos de rede iônica.



Sólidos iônicos

Sólidos iônicos

A estrutura do NaCl Cada íon tem um número de coordenação igual a 6. Rede cúbica de face centrada. A proporção cátion-ânion é 1:1. Exemplos: LiF, KCl, AgCl e CaO.

A estrutura do CsCl O Cs+ tem um número de coordenação igual a 8. Diferente da estrutura do NaCl (o Cs+ é maior que o Na+). A proporção cátion-ânion é 1:1.


Sólidos iônicos

Estrutura da blenda de zinco Exemplo típico é o ZnS. Os íons de S2- adotam um arranjo cfc. Os íons de Zn2+ têm um número de coordenação igual a 4. Os íons de S2- são colocados em um tetraedro em volta dos íons

de Zn2+. Exemplo: CuCl.


Sólidos iônicos

Estrutura da fluorita Exemplo típico CaF2. Os íons de Ca2+ tem um arranjo cfc. Há duas vezes mais íons de F- do que de Ca2+ em cada célula

unitária. Exemplos: BaCl2, PbF2.


Sólidos metálicos

Os sólidos metálicos têm átomos metálicos com arranjos em edh, cfc ou ccc.

O número de coordenação para cada átomo é 8 ou 12. Problema: a ligação é forte demais para a dispersão de London e não

há elétrons suficientes para ligações covalentes. Solução: os núcleos de metal flutuam em um mar de elétrons. Os metais conduzem porque os elétrons estão deslocalizados e são

volúveis.


liquidos e sólidos

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