Transformações da Matéria - Apostilas - Engenharia Quimica, Notas de estudo de Engenharia Química. Universidade Federal de Alagoas (UFAL)
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Roberto_8805 de Março de 2013

Transformações da Matéria - Apostilas - Engenharia Quimica, Notas de estudo de Engenharia Química. Universidade Federal de Alagoas (UFAL)

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Apostilas de engenharia quimica sobre o estudo das transformações da matéria, classificação da matéria, mistura eutética e mistura azeotrópica, processos de separação de misturas.
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Matéria e suas transformações

A matéria pode ser definida como sendo tudo aquilo que tem massa e ocupa lugar no espaço, ela é formada por pequenas partículas, designadas átomos e esses podem se unir de várias maneiras, formando as moléculas. Toda e qualquer modificação que ocorre com a matéria pode ser considerada um fenômeno, e eles são classificados em fenômenos físicos e químicos.

Fenômenos Físicos: a substância pela qual a matéria é formada não passa por transformação alguma, ou seja, não passa por mudanças. Sendo assim, sua forma, seu tamanho, sua aparência, podem mudar, mas não sua composição.

Fenômenos Químicos: a composição da matéria passa por mudanças, ou seja, uma ou mais substâncias se alteram dando origem a compostos diferentes.

Mas como saber se uma determinada matéria passou por alguma transformação química. É fácil! A formação de uma nova substância pode ser identificada pelos seguintes fenômenos:

Classificação da matéria

A matéria pode se agrupar através dos átomos e formar os mais variados produtos que se classificam em: substâncias e misturas.

As substâncias se diferem em dois tipos, de acordo com suas composições:

Substâncias simples: essas apresentam apenas um elemento, ou seja, apenas um tipo de átomo que pode estar agrupado em moléculas ou isolado.

Exemplos: Hidrogênio (H2) e Hélio (He). Repare que o nome da substância simples pode ser o mesmo do elemento que a constitui ou pode ser diferente, como é o caso do Gás Ozônio (O3).

Substâncias compostas: também chamadas de compostos, essas substâncias são formadas por mais de um elemento químico.

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Misturas: quando a molécula apresenta mais de uma substância pura é chamada de mistura. A água oxigenada é um exemplo, pois ela contém água (H2O) e peróxido de hidrogênio (H2O2). As misturas podem se classificar em Misturas homogêneas ou heterogêneas.

Misturas homogêneas: essas misturas apresentam uma única fase. Quando misturamos água e álcool, nem com o auxílio de um microscópico poderíamos ver a separação dos dois líquidos, dizemos então que a mistura possui uma só fase, ou seja, é uma mistura homogênea.

Misturas heterogêneas: são misturas que apresentam mais de uma fase, temos o exemplo da água e do óleo quando se misturam. Seria fácil perceber nesse caso, o aspecto visual heterogêneo - a água se separa completamente do óleo - sendo assim, a mistura se torna heterogênea porque vemos nela duas fases.

Mistura Eutética e Mistura Azeotrópica

Uma mistura eutética tem o comportamento igual ao de substâncias puras quando submetidas à fusão, apesar de serem formadas por dois elementos ou compostos distintos. O nome da mistura vem do grego eutekos = facilmente fundida. Em se tratando de fusão, logo percebemos que diz respeito à substâncias sólidas.

O melhor exemplo de misturas eutéticas são as ligas metálicas como a solda, o bronze, entre outras. Para quem não sabe, o bronze é obtido através da mistura eutética de cobre (Cu) e estanho (Sn), e a solda é uma liga de estanho e chumbo (Pb).

As misturas azeotrópicas se caracterizam pelo comportamento diferenciado quando submetidas à ebulição.

Em se tratando da mistura azeotrópica, esta se comporta como se fosse substância pura em relação à ebulição, apesar de ter em sua composição duas substâncias diferentes. A temperatura mantém-se inalterada do início ao fim da ebulição (PE constante).

Processos de Separação de Misturas

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Separação magnética - Trata-se de um método de separação específico das misturas com um componente ferromagnético como o cobalto, o níquel e, principalmente, o ferro. Estes materiais são extraídos pelos ímãs, fenômeno que se pode aplicar para reter as suas partículas ou para desviar a sua queda.

Separação por sublimação - A sublimação é a passagem direta de sólido a gás que sofrem algumas substâncias como o iodo, em determinadas condições de pressão e temperatura. A sublimação pode-se aplicar às soluções sólidas e às misturas, sempre uma das substâncias possa sofrer este fenômeno. Basta aquecer a mistura ou solução à temperatura adequada e recolher os vapores que, quando arrefecem, se veem submetidos a uma sublimação regressiva, ou seja, passam diretamente de gás a sólido.

Separação por solução e filtragem - Para separar uma mistura sólida, pode recorrer-se a um solvente seletivo e, portanto, à separação por solução. Às vezes é possível encontrar um bom solvente para um dos componentes da mistura que, no entanto, não dissolve o outro ou os outros componentes, obtendo-se uma suspensão.

Filtragem – quando uma suspensão passa através de um papel de filtro, as suas partículas ficam retidas se o diâmetro da malha que forma o papel for suficientemente pequeno.

No caso das partículas sólidas serem muito pequenas pode recorrer-se a um filtro de porcelana porosa. O mais corrente é o filtro de papel, que se dobra em quatro partes, formando-se um cone que se adapta à forma do funil. Existem também filtro de areia, argila e carvão.

Decantação - Trata-se da separação de dois líquidos ou de um líquido e de um sólido, aproveitando a sua diferença de densidade. Para separar um líquido de um sólido de maior densidade deixa-se repousar durante certo tempo, para que o sólido se deposite no fundo do recipiente. Se as partículas sólidas forem muito pequenas, esse tempo pode prolongar-se por horas ou até mesmo dias. A partir do momento em que se depositou totalmente, inclina-se o recipiente com cuidado até se verter o líquido sem que o sólido seja arrastado. Para a obtenção de melhores resultados pode também ser utilizada uma vareta de vidro como material auxiliar.

A decantação é muito utilizada para separar líquidos imiscíveis, ou seja, líquidos que não se misturam. Para isso, coloca-se a mistura a ser separada num funil de separação (ou funil de decantação ou funil de bromo). Quando a superfície de separação das camadas líquidas estiver bem nítida, abre-se a torneira e deixa-se escoar o líquido da camada inferior, conforme o desenho:

Centrifugação - Quando numa mistura de sólidos e líquidos, os sólidos possuem uma dimensão muito pequena, não são úteis nem a filtragem nem a decantação. O pequeno tamanho das partículas sólidas provoca uma obstrução dos poros do filtro, tornando a filtragem muito lenta mesmo que se produza vácuo por meio de uma bomba no interior do recipiente, para acelerar a

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filtragem. Por outro lado, a pequena dimensão das partículas faz com que sejam retidas pelo líquido, de modo que podem demorar muito tempo a depositar-se no fundo do recipiente, tornando ineficaz a decantação. Neste caso, introduz-se a mistura em tubos de ensaio que, colocados numa centrífuga, giram em posição quase horizontal a grande velocidade, aumentando assim a rapidez com que se deposita o sólido compactado no fundo do tubo. Verte- se o líquido que sobrenada e fica completa a separação.

Dessecação - Produz-se aquecendo a amostra diretamente à chama, com um aquecedor elétrico ou numa estufa adequada, com o fim de evaporar o líquido volátil que empapa ou dissolve o sólido. Este permanece no recipiente. A dessecação termina quando se pesa o recipiente com pequenos intervalos de tempo e o seu peso não se altera.

Cristalização - Quando se deseja separar um componente sólido de uma solução líquido-sólido, pode deixar-se evaporar o líquido até que a solução fique saturada. A partir desse momento, o sólido ir-se-á separando em cristais. Pode-se acelerar este processo aumentando a temperatura e o contacto com o ar. Os cristais húmidos podem ser secados com um papel de filtro ou numa estufa, ou por filtragem ou decantação, quando a quantidade de líquido for muito grande.

Destilação - A destilação é eficaz na separação de dois ou mais líquidos solúveis entre si. Cada líquido possui uma temperatura de ebulição própria. Os líquidos podem ser separados por meio de um destilador. Ferve-se uma solução formada por líquidos num destilador, sendo a primeira fração de líquido que se recolhe a que corresponde ao líquido mais volátil, dado que foi o primeiro a entrar em ebulição. Pode utilizar-se eficazmente sempre que os líquidos misturados ou dissolvidos não possuam temperaturas de ebulição muito parecidas. Em caso contrário é preciso utilizar destilações muito mais complexas.

Destilação fracionada - para a separação dos componentes das misturas homogêneas líquido- líquido, recorre-se muitas vezes à destilação fracionada. Ao aquecer a mistura num balão de destilação, os líquidos destilam-se na ordem crescente de seus pontos de ebulição e podem ser separados. O petróleo é separado em suas frações por destilação fracionada, tal como mostra na figura:

Flutuação - Aplica-se a uma mistura com um líquido de densidade intermediária em relação às dos componentes. O componente menos denso que o líquido flutuará, separando-se assim do componente mais denso, que se depositará. O líquido utilizado não deve, contudo, dissolver os componentes. Também é denominado por sedimentação fracionada.

Energia

O conceito de energia está relacionado à capacidade de produzir trabalho. A energia causa modificações na matéria e, em muitos casos, de forma irreversível.

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A energia elétrica é a forma de energia mais utilizada no mundo. Ela pode ser obtida de várias maneiras, mas a principal fonte provém das usinas hidrelétricas. Como o próprio nome (hidrelétrica) já indica, a força da água é responsável pela geração de energia, e o processo consiste em grandes volumes de águas represadas que caem pelas tubulações fazendo girar turbinas acopladas a um gerador, produzindo assim energia elétrica. As redes de transmissão são responsáveis pela distribuição da energia elétrica para as diferentes regiões do país.

Outras formas de obtenção de energia:

Energia solar: é proveniente de uma fonte inesgotável: o Sol. Os painéis solares possuem células fotoelétricas que transformam a energia proveniente dos raios solares em energia elétrica. Tem a vantagem de não produzir danos ao meio ambiente.

Energia nuclear: energia térmica transformada em energia elétrica, é produzida nas usinas nucleares por meio de processos físico-químicos.

Energia eólica (ar em movimento): ela já foi utilizada para produzir energia mecânica nos moinhos. Atualmente é usada com o auxílio de turbinas, para produzir energia elétrica. É atraente por não causar danos ambientais e ter custo de produção baixo em relação a outras fontes alternativas de energia.

Energia térmica: quando vamos passar roupas, a energia elétrica é transformada em energia térmica através do ferro de passar.

Energia sonora e energia luminosa: recebemos iluminação em casa pela transformação da energia elétrica que, ao passar por uma lâmpada, torna-se incandescente, e o televisor nos permite receber a energia sonora.

Energia mecânica: usada nas indústrias automobilísticas para trabalhos pesados.

Princípio de Conservação de Energia. Calor e Temperatura.

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CONSERVAÇÃO DE ENERGIA - A energia existe sob várias formas – mecânica, elétrica, térmica, química e luminosa – podendo ser convertida de uma delas à outra. Entretanto, sempre que ocorre uma diminuição de energia sob dada forma, haverá o aparecimento dessa mesma quantidade de energia em outras formas, de modo que a energia total do universo, ou de qualquer sistema isolado seja conservada. Esse é o principio de conservação de energia. Desde que foi formulado, na metade do século passado, não se observou nenhum processo no qual esse principio tenha sido violado.

Temperatura e calor são dois conceitos diferentes e que muitas pessoas acreditam ser a mesma coisa. No entanto, o entendimento desses dois conceitos se faz necessário para o estudo da termologia. Também chamada de termofísica, a termologia é um ramo da física que estuda as relações de troca de calor e as manifestações de qualquer tipo de energia que é capaz de produzir aquecimento, resfriamento ou mudanças de estado físico dos corpos, quando esses ganham ou cedem calor.

Temperatura - é a grandeza física associada ao estado de movimento ou à agitação das partículas que compõem os corpos. No cotidiano é muito comum as pessoas medirem o grau de agitação dessas partículas através da sensação de quente ou frio que se sente ao tocar outro corpo. No entanto não podemos confiar na sensação térmica. Para isso existem os termômetros, que são graduados para medir a temperatura dos corpos.

Calor - É muito comum ver pessoas falando que estão com calor, no entanto, fisicamente falando, essa fala está errada. Calor é definido como sendo energia térmica em trânsito e que flui de um corpo para outro em razão da diferença de temperatura existente entre eles, sempre do corpo mais quente para o corpo mais frio.

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