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>/td>  br> misturaeutecticabr> depressão do ponto de congelação*br> diagrama de fasesbr>solute |
(Nota: Se já conhece os potenciais químicos, pode estar interessado nesta explicação termodinâmica alternativa.)
Duas coisas acontecem quando o gelo e a água são colocados em contacto:
- Moléculas na superfície do gelo escapam para a água(derretimento), e
- moléculas de água são capturadas na superfície do gelo (congelamento).
Quando a taxa de congelamento é igual à taxa de fusão, a quantidade de gelo e a quantidade de água não mudam em média (embora haja flutuações de curto prazo na superfície do gelo). O equilíbrio entre congelamento e fusão pode ser mantido a 0°C, o ponto de fusão da água, a menos que as condições mudem de forma a favorecer um dos processos em relação ao outro.
Se não vir a animação acima, está disponível uma versão não animada; ou pode descarregar o plugin Flash gratuito da Macromedia.
O equilíbrio entre os processos de congelação e fusão pode ser facilmente perturbado. Se a mistura gelo/água for arrefecida, as moléculas movem-se mais lentamente. As moléculas de movimento mais lento são mais facilmente capturadas pelo gelo, e o congelamento ocorre a uma maior velocidade do que o derretimento. Pode ver uma demonstração disto clicando na temperatura na animação e fixando-a num valor mais baixo (digamos, -10).
Conversamente, o aquecimento da mistura faz com que as moléculas se movam mais rapidamente em média, e o derretimento é favorecido. Reinicie a animação e depois introduza um valor mais alto para a temperatura (digamos 10) e veja o que acontece.
Adicionar sal ao sistema irá também perturbar o equilíbrio. Considere substituir algumas das moléculas de água por moléculas de alguma outra substância. As moléculas estranhas dissolvem-se na água, mas não se embalam facilmente no conjunto de moléculas no sólido. Tente pressionar o botão “Adicionar Soluto” na animação acima. Repare que há menos moléculas de água no lado líquido porque a parte da água foi substituída por sal. O número total de águas capturadas pelo gelo por segundo diminui, pelo que a taxa de congelamento diminui. A taxa de derretimento mantém-se inalterada pela presença do material estranho, pelo que o derretimento ocorre mais rapidamente do que o congelamento.
É por isso que o sal derrete o gelo.
Para restabelecer o equilíbrio, é necessário arrefecer a mistura gelo-água salgada até abaixo do ponto de fusão habitual da água. Por exemplo, o ponto de congelação de uma solução de NaCl de 1 M é aproximadamente -3,4°C. Quanto maior for a concentração de sal, maior será a depressão do ponto de congelação .
Mas será que nenhuma substância estranha provocará uma depressão do ponto de congelação, de acordo com este modelo? Sim! Para cada verruga de partículas estranhas dissolvidas num quilograma de água, o ponto de congelação desce cerca de 1,7-1,9°C. O açúcar, álcool ou outros sais também baixam o ponto de congelação e derretem o gelo. O sal é utilizado em estradas e passadiços porque é barato e facilmente disponível.
É importante perceber que a depressão do ponto de congelação ocorre porque a concentração de moléculas de água numa solução é menor do que a concentração em água pura. A natureza do soluto não importa. Pode-se esperar do diagrama acima que os solutos com moléculas grandes são melhores para bloquear moléculas de água que viajam em direcção à superfície do gelo. A hipótese de que os solutos com moléculas grandes causam uma depressão com maior ponto de congelação do que aqueles com moléculas mais pequenas não está de acordo com os dados experimentais! O equívoco surge porque o diagrama não pode ser desenhado à escala; o tamanho das moléculas é muito pequeno comparado com a distância entre elas.
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Mapa da fase da água salgada. Extraído de um diagrama por R. E. Dickerson (Nota 3)
quando o gelo começa a congelar fora da água salgada, a fracção de água na solução torna-se mais baixa e o ponto de congelação cai ainda mais. A temperatura mais baixa possível para a solução líquida de sal é de -21,1°C. A essa temperatura, o sal começa a cristalizar fora da solução (como NaCl-2 H2O), juntamente com o gelo, até a solução congelar completamente. A solução congelada é uma mistura de cristais separados de NaCl-2H2O e cristais de gelo, e não uma mistura homogénea de sal e água. Esta mistura heterogénea é chamada uma mistura eutética.
h3>Referências e Notas
- Nota que quando a fusão estiver completa, pode demorar algum tempo até que o gelo comece a formar-se novamente, mesmo que a temperatura seja bastante baixa. Um “cristal de semente” de gelo deve formar por acaso colisões antes de o crescimento do cristal começar realmente. Podem existir líquidos reais durante algum tempo abaixo dos seus pontos normais de fusão.
- Para uma explicação termodinâmica da depressão do ponto de congelação, ver Como pode a depressão do ponto de congelação ser explicada em termos de energias livres?
- O diagrama de fase de água salgada é baseado na Figura 6-59, p. 376 de R. E. Dickerson’s Molecular Thermodynamics (Pasadena, Califórnia), 1969.
Autor: Fred Senese [email protected]