Liquidos e sólidos

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Liquidos e sólidos

  1. 1. Algumas propriedades dos líquidos ViscosidadeViscosidade 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 superficialAs moléculas volumosas (aquelas no líquido) são igualmente atraídas pelas suas vizinhas.
  2. 2. Algumas propriedades dos líquidos Viscosidade
  3. 3. Quais as diferenças fundamentais entre fluido e sólido? • Fluido é mole e deformável • Sólido é duro e muito pouco deformável
  4. 4. Passando para uma linguagem científica: A diferença fundamental entre sólido e fluidoestá 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.
  5. 5. Fluidos:Líquidos e GasesLíquidos: - Assumem a forma dos recipientes que os contém;- Apresentam um volume próprio (constante);- Podem apresentar uma superfície livre;
  6. 6. Fluidos:Líquidos e Gases 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.
  7. 7. Teoria Cinética Molecular“Qualquer substância podeapresentar-se sob qualquer dostrês estados físicosfundamentais, dependendo dascondições ambientais em que seencontrarem”
  8. 8. Estados Físicos da Matéria
  9. 9. FluidosDe uma maneira geral, o fluido é caracterizadopela relativa mobilidade de suas moléculas que,além de apresentarem os movimentos derotação e vibração, possuem movimento detranslação e portanto não apresentam umaposição média fixa no corpo do fluido.
  10. 10. Fluidos x SólidosA principal distinção entre sólido e fluido, é pelocomportamento que apresentam em face àsforças 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.
  11. 11. Fatores importantes nadiferenciação entre sólido e fluido O fluido não resiste a esforços tangenciais por menores que estes sejam, o que implica que se deformam continuamente. F
  12. 12. Fatores importantes na diferenciação entre sólido e fluidoJá os sólidos, aoserem solicitados por esforços, podem resistir,deformar-se e ou até mesmo cisalhar.
  13. 13. Fluidos x SólidosOs sólidos resistem às forças de cisalhamento atéo seu limite elástico ser alcançado (este valor édenominado tensão crítica de cisalhamento), apartir da qual experimentam uma deformaçãoirreversível, enquanto que os fluidos sãoimediatamente deformados irreversivelmente,mesmo para pequenos valores da tensão decisalhamento.
  14. 14. Fluidos: outra definiçãoUm fluido pode ser definido como umasubstância que muda continuamente deforma enquanto existir uma tensão decisalhamento, ainda que seja pequena.
  15. 15. Propriedades dos fluidos•Massa específica -  massa m   volume VÉ a razão entre a massa do fluidoe o volume que contém essamassa (pode ser denominada dedensidade absoluta)
  16. 16. Propriedades dos fluidos•Massa específica - Nos sistemas usuais:Sistema SI............................Kg/m3Sistema CGS.........................g/cm3Sistema MKfS........................Kgf.m-4.s2
  17. 17. Massas específicas de alguns fluidos Fluido  (Kg/m3)Água destilada a 4 oC 1000Água do mar a 15 oC 1022 a 1030Ar atmosférico à pressão 1,29atmosférica e 0 oCAr atmosférico à pressão 1,22atmosférica e 15,6 oCMercúrio 13590 a 13650Petróleo 880
  18. 18. 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.
  19. 19. Aditivos para lubrificantes
  20. 20. 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)
  21. 21. 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.
  22. 22. • 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 .
  23. 23. Algumas propriedades dos líquidos Tensão superficial
  24. 24. Algumas propriedades dos líquidos Tensão superficialAs 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.
  25. 25. Algumas propriedades dos líquidos Tensão superficialMenisco 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.
  26. 26. Representação de meniscos
  27. 27. Mudanças de faseAs 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.
  28. 28. Mudanças de fase
  29. 29. Mudanças de fase Variações de energia acompanhado as mudanças de faseSublimação: 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).
  30. 30. Mudanças de fase Variações de energia acompanhando as mudanças de faseGeralmente 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.
  31. 31. Mudanças de fase
  32. 32. Mudanças de fase Variações de energia acompanhando as mudanças de faseTodas 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.
  33. 33. Mudanças de fase Curvas de aquecimentoO 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.
  34. 34. Mudanças de fase
  35. 35. Mudanças de fase Temperatura e pressão críticasOs 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.
  36. 36. Mudanças de faseTemperatura e pressão críticas
  37. 37. Pressão do vapor Explicando a pressão de vapor no nível molecularAlgumas 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.
  38. 38. Pressão do vaporExplicando a pressão de vapor no nível molecular
  39. 39. Pressão do vapor Explicando a pressão de vapor no nível molecularEquilíbrio 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 temperaturaSe o equilíbrio nunca é estabelecido, então o líquido evapora.As substâncias voláteis evaporam rapidamente ( P.E)
  40. 40. Pressão do vapor Volatilidade, pressão de vapor e temperaturaQuanto mais alta for a temperatura, mais alta a energia cinética média, mais rapidamente o líquido evaporará.
  41. 41. Pressão do vaporVolatilidade, pressão de vapor e temperatura
  42. 42. Pressão do vapor
  43. 43. Pressão do vapor Pressão de vapor e ponto de ebuliçãoOs 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.
  44. 44. Pressão do vapor Pressão de vapor e ponto de ebuliçãoDuas 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).
  45. 45. Efeito Tonoscópico Consiste na diminuição da pressão de vapor do solvente quando adiciona-se um soluto não-volátil ! Pressão devapor é aquelaexercida pelas moléculas (de interface líquido/vapormaior energia) do solvente, contra a Pvaporinterface para passar ao estado de vapor.
  46. 46. TONOSCOPIA Com a adição de Pvapor partículas de soluto (íons ou moléculas) intensificam-se as forças atrativasmoleculares e diminuia pressão de vapor do solvente. Pvapor soluto
  47. 47. Representação gráfica A pressão de vapor da solução é menor do que a do solvente puro.
  48. 48. Diagrama de fasesDiagrama 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.
  49. 49. Diagrama de fasesCaracterísticas 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.
  50. 50. Diagrama de fases
  51. 51. Diagrama de fasesDiagramas de fases de H2O e CO2
  52. 52. Diagrama de fases Diagramas de fases de H2O e CO2Água: – 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 0,0098C e a 4,58 mmHg. – O ponto de fusão (congelamento) é 0C. – O ponto de ebulição normal é 100C. – O ponto crítico é 374C e 218 atm.
  53. 53. Diagrama de fases Diagramas de fases de H2O e CO2Dióxido de carbono: – O ponto triplo ocorre a -56,4C e a 5,11 atm. – O ponto de sublimação normal é -78,5C. (A 1 atm, o CO2 sublima, ele não funde.) – O ponto crítico ocorre a 31,1C e a 73 atm.
  54. 54. Estruturas dos sólidos Células unitáriasSólido 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.
  55. 55. Estruturas dos sólidos Célula unitária
  56. 56. Estruturas dos sólidos Células unitáriasTrês 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.
  57. 57. Estruturas dos sólidos Células unitárias
  58. 58. Estruturas dos sólidos Células unitárias
  59. 59. Estruturas dos sólidos Células unitárias
  60. 60. Estruturas dos sólidos A estrutura cristalina do cloreto de sódioDuas 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+.
  61. 61. Estruturas dos sólidosA estrutura cristalina do cloreto de sódio
  62. 62. Estruturas dos sólidosA estrutura cristalina do cloreto de sódio
  63. 63. Estruturas dos sólidos Empacotamento denso de esferasOs 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.
  64. 64. Estruturas dos sólidos Empacotamento denso de esferasQuando 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.
  65. 65. Estruturas dos sólidos Empacotamento denso de esferasExistem 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).
  66. 66. Estruturas dos sólidosEmpacotamento denso de esferas
  67. 67. Estruturas dos sólidos Empacotamento denso de esferasCada 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.
  68. 68. Difração de Raios - X Lei de Bragg 2d senθ = λ
  69. 69. Ligações nos sólidosExistem 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.
  70. 70. Ligações nos sólidos
  71. 71. Ligações nos sólidos Sólidos molecularesForças 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).
  72. 72. Benzeno Tolueno Fenol (Hidróxi-Benzeno)
  73. 73. Spectra Shield – Polietileno de densidade ultraelevada  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.
  74. 74. Ligações nos sólidos Sólidos covalentesForças 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).
  75. 75. Ligações nos sólidos Sólidos covalentes
  76. 76. Ligações nos sólidos Sólidos covalentesNo 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).
  77. 77. Ligações nos sólidos Sólidos iônicosÍons (esféricos) mantidos unidos por forças eletrostáticas de atração.Há algumas classificações simples para tipos de rede iônica.
  78. 78. Ligações nos sólidos Sólidos iônicos
  79. 79. Ligações nos sólidos Sólidos iônicosA 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.
  80. 80. Ligações nos sólidos Sólidos iônicosEstrutura 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.
  81. 81. Ligações nos sólidos Sólidos iônicosEstrutura 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.
  82. 82. Ligações nos sólidos Sólidos metálicosOs 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.
  83. 83. Ligações nos sólidos

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