Questão 11 (1º dia · Grupo 1) da 2ª etapa da UFG 2008

Resolução comentada

a) O diagrama de fases é um gráfico de pressão (eixo vertical, em atm) contra temperatura (eixo horizontal, em K), com três regiões: sólido, líquido e gasoso.

Para esboçá-lo, siga estes passos:

1. Marque o ponto triplo em (217\ \text{K};\ 5\ \text{atm}), onde sólido, líquido e gás coexistem.
2. Marque o ponto crítico em (304\ \text{K};\ 74\ \text{atm}). Acima dele não se distingue líquido de gás (fluido supercrítico).
3. Trace a curva de sublimação (sólido–gás), que parte da origem e chega ao ponto triplo. Ela fica abaixo de 5\ \text{atm}.
4. Trace a curva de vaporização (líquido–gás), que vai do ponto triplo ao ponto crítico e termina nele.
5. Trace a curva de fusão (sólido–líquido), que sai do ponto triplo inclinada para a direita, isto é, com pressão crescente e temperatura de fusão também crescente.

A inclinação para a direita é a característica do CO_2. Ela decorre de o sólido ser mais denso que o líquido: aumentar a pressão favorece o sólido, e por isso a temperatura de fusão sobe. Na água a curva de fusão seria inclinada para a esquerda.

As regiões ficam assim: sólido à esquerda da curva de fusão e acima da sublimação, líquido entre as curvas de fusão e vaporização, e gás abaixo das curvas de vaporização e sublimação.

Resposta: diagrama P × T com ponto triplo em 217 K e 5 atm, ponto crítico em 304 K e 74 atm, e curva de fusão inclinada para a direita (positiva).

b) A densidade é d = m/V. Na solidificação a massa não muda, então a variação de densidade depende só da variação de volume.

Água: as moléculas se unem por ligações de hidrogênio. No gelo, essas ligações impõem um arranjo cristalino hexagonal aberto, com muitos espaços vazios. O volume aumenta, e o gelo é menos denso que a água líquida. Por isso o gelo flutua e a curva de fusão da água tem inclinação negativa.

CO_2: a molécula é apolar, e as interações entre moléculas são apenas forças de dispersão de London, fracas e não direcionais. No sólido as moléculas se empacotam de forma mais compacta do que no líquido. O volume diminui, e o sólido é mais denso que o líquido. Esse é o comportamento da maioria das substâncias.

Resposta: na água, as ligações de hidrogênio formam no gelo uma estrutura aberta, de maior volume e menor densidade que o líquido. No CO_2, que é apolar, o sólido é um empacotamento mais compacto, de menor volume e maior densidade que o líquido.

Assuntos: Estados físicos e mudanças de estado, Propriedades da matéria e densidade, Forças intermoleculares.

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