Estrutura da água e ligações de hidrogênio
Capacidade térmica e calor da vaporização da água. Resfriamento evaporativo. Por que o gelo flutua.
Estrutura da água e ligações de hidrogênio
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O ponto de fusão corresponde à temperatura em que determinado material passa do estado sólido para o líquido; e o ponto de ebulição é a máxima temperatura em que um material pode existir na fase líquida, sob determinada pressão.
Tanto o ponto de fusão como o ponto de ebulição são funções periódicas de seus números atômicos. Por exemplo, veja os quadros abaixo, que relacionam os pontos de fusão e de ebulição de elementos nas mesmas famílias e no mesmo período:
Observe primeiro as duas primeiras tabelas, que relacionam os pontos de fusão e de ebulição dos elementos na mesma família. Os elementos da família 1 têm os seus pontos de ebulição e de fusão diminuídos à medida que o número atômico aumenta, isto é, aumentam de baixo para cima. Já os elementos da família 17, da outra extremidade da tabela periódica, apresentam o efeito contrário, ou seja, à medida que seu número atômico cresce, seus pontos de fusão e ebulição aumentam, de cima para baixo.
Já no que diz respeito aos elementos de um mesmo período, conforme mostrado na terceira tabela acima, de modo geral, os pontos de fusão e ebulição crescem das extremidades para o centro.
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Desse modo, podemos dizer que o ponto de fusão e o ponto de ebulição são propriedades periódicas que crescem nos sentidos mostrados abaixo na tabela periódica:
O carbono está em ênfase na ilustração, porque ele é uma exceção. Por apresentar a propriedade de originar estruturas formadas por um grande número de átomos, ele possui elevados pontos de ebulição (4287 ºC) e de fusão (3550 ºC).
O tungstênio (W) também está destacado, pois ele fica praticamente no centro da tabela, sendo o metal de maior ponto de fusão (3422ºC). Isso significa que ele pode permanecer no estado sólido mesmo em altas temperaturas. Por isso, esse metal é usado em filamentos de lâmpadas incandescentes.
Outra propriedade que se verifica é que, com exceção do hidrogênio, os elementos que possuem menores pontos de ebulição estão situados do lado esquerdo e na parte superior da Tabela Periódica. Esses elementos se apresentam na forma líquida ou gasosa na temperatura ambiente.
O valor da temperatura de ebulição da água, de outros líquidos e de soluções é influenciado pela pressão atmosférica.
É bem sabido que o ponto de ebulição da água ao nível do mar (pressão atmosférica igual a 1 atm ou 760 mmHg e altitude igual a zero) é igual a 100ºC. No entanto, se fervermos a água em Brasília, o valor da temperatura de ebulição será um pouco menor, aproximadamente igual a 98,3ºC. Isso ocorre porque Brasília possui uma altitude acima do nível do mar, possuindo uma pressão atmosférica menor e, com isso, o ponto de ebulição da água também será menor.
O Rio de Janeiro fica ao nível do mar e Brasília fica acima do nível do mar, por isso a água ferve mais rápido nessa última cidade*
Quanto maior a altitude, menor será o ponto de ebulição. Por exemplo, o Monte Everest fica na Cordilheira do Himalaia, cuja altitude é de 8848m e sua pressão atmosférica é de 240 mmHg. Nesse local, a água entra em ebulição muito mais rápido do que ao nível do mar, possuindo um ponto de ebulição de aproximadamente 71°C.
O contrário também ocorre, em lugares que ficam abaixo do nível do mar, a água ferverá a uma temperatura maior do que 100ºC, porque a pressão será maior, como mostra o gráfico abaixo:
Mas por que a pressão atmosférica exerce essa influência no ponto de ebulição?
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Para entender isso, vejamos o que é a ebulição. Quando colocamos a água para aquecer, a energia recebida pelas moléculas possibilita que elas passem para o estado de vapor. Inicialmente podemos ver no fundo do recipiente a formação de bolhas de vapor de água, e só depois de receber mais energia na forma de calor é que essas bolhas sobem e são liberadas na superfície, entrando em ebulição.
As bolhas ficam no fundo do recipiente porque a pressão atmosférica exerce uma força sobre a superfície do líquido, como que empurrando a bolha de vapor para baixo. A pressão dentro da bolha vai aumentando cada vez mais, até que ela se iguala à pressão atmosférica e, dessa forma, sobe, entrando em ebulição. A temperatura no momento em que isso ocorre é o ponto de ebulição.
Assim, quanto maior for a pressão sobre a superfície, mais difícil será para suplantá-la e para o líquido entrar em ebulição, logo, o ponto de ebulição será maior. Por outro lado, se a pressão for menor, será mais fácil entrar em ebulição e o ponto de ebulição será menor.
Isso nos ajuda a entender o princípio de funcionamento da panela de pressão. Dentro dela a pressão sobre a água é bastante elevada, o que faz com que a água permaneça no estado líquido em temperaturas maiores que 100 ºC. Temperaturas mais elevadas aceleram as mudanças físicas e químicas que ocorrem durante o cozimento de alimentos.
No entanto, se quisermos cozinhar algum alimento em lugares de altitude muito elevada, como o Monte Everest, em panelas comuns, será muito difícil. Isso porque a água irá entrar em ebulição e secar antes mesmo que o alimento termine de cozinhar.
* Créditos da imagem de Brasília: gary yim e Shutterstock.com