Sabemos que as substâncias são formadas por moléculas. Uma simples gota de água possui milhões e milhões de moléculas de água. Desta forma, uma pequena amostra de uma substância pode ser entendida como um amontoado de moléculas dessa substância perto umas das outras. A distância entre as moléculas, ou o quão perto uma estará da outra é que determina seu estado físico.
Quanto mais perto as moléculas se encontrarem, podemos dizer que mais "sólida" a substância será. À medida que as moléculas se distanciam a substância vai se tornando líquida e, distanciando-se ainda mais, torna-se um gás. Entendendo como isso funciona, fica fácil entender as mudanças de estado físico causadas pela mudança de temperatura.
Primeiramente vamos relembrar que, quando uma substância no estado sólido, torna-se líquida, quando um líquido torna-se gás, ou vice-versa, dizemos que houve uma mudança de estado físico. Uma substância pode sofrer dois tipos de transformação: quando ela se transforma em outra substância, diferente da primeira, dizemos que ocorreu uma transformação química; quando ela sofre uma alteração mas continua sendo a mesma substância, dizemos que ocorreu uma transfomação física.
Assim, quando pegamos um pedaço de gelo e deixamos que ele derreta, transformamos água sólida em água líquida. Como não houve nenhuma modificação na substância (que continua sendo água), a transformação é física.
Então, uma mudança de estado físico pode - e deve -ser entendida como uma transformação física que altera a distância entre as moléculas, que modifica a forma com que estão distribuídas na amostra. Pensando dessa forma, conseguimos facilmente entender algumas coisas:
Por que ao aquecermos um sólido ele derrete?
Como vimos, uma substância no estado sólido tem suas moléculas mais próximas umas das outras, mais "aglomeradas". Quando aquecemos uma substância estamos aumentando a energia cinética das moléculas, fazendo com que elas fiquem mais agitadas.
Pense no seguinte exemplo: um grupo de vinte pessoas é colocado em pé em um canto de uma sala. Se as pessoas estiverem paradas ou se movimentando muito discretamente, é perfeitamente possível deixá-las próximas, ocupando pouco espaço. Imagine agora que começe a tocar uma música e as pessoas começem a dançar. Inevitavelmente elas começarão a se chocar e, naturalmente, começarão a ocupar mais espaço e aumentar a distância entre elas.
Com as moléculas, o efeito será o mesmo. Com o aumento da agitação, causado pelo aumento da energia cinética (aquecimento), elas começam a se chocar e a se distanciar mais umas das outras. Quando essa distância atingir um ponto crítico, a substância, antes sólida, torna-se líquida, pelo simples fato de sua distância intermolecular ter aumentado. Perceba que se continuarmos a aumentar a energia cinética, as moléculas ficarão mais e mais agitadas ocupando cada vez mais espaço e distanciando-se cada vez mais uma das outras, o que explica porque um líquido torna-se um gás.
Por que um sólido quando aquecido dilata?
Compreendendo o efeito que o aumento de energia cinética causa nas moléculas - choque e distanciamento - fica fácil compreender porque o sólido se dilata. À medida que a energia da molécula aumenta, ela começa a se chocar nas moléculas vizinhas que por sua vez começa também a ficar mais agitada e se chocará em outra. Se você imaginar uma fila de moléculas perceberá que, quando começarmos a agitar a primeira da fila, esta empurrará a segunda que empurrará a terceira e assim por diante. Quando a fila toda estiver mais agitada (quente) é intuitivo imaginar que a fila estará mais comprida. Isto explica não só a dilatação e contração dos sólidos como também a propagação do calor.
Mas por que a água não se contrai quando congela?
Algum leitor deve ter feito essa pergunta, ao ler a explicação sobre distância e estado físico. Se um sólido tem distância intermolecular menor que um líquido e este tem distância menor que um gás, é bastante lógico imaginar que a mesma quantidade de moléculas de uma substância gasosa ocupa mais espaço do que se transformarmos essa substância em líquido e que um líquido deve ocupar mais espaço que um sólido.
Isso é verdade, tanto é que utilizamos esse conceito para explicar a dilatação e as próprias mudanças de estado. Porém, isso não acontece com a água líquida e sólida. Muita gente já esqueceu uma garrafa com água no congelador e, quando se lembrou, teve a ingrata surpresa de encontrar a garrafa quebrada. Isso ocorre porque a água, ao congelar, ao invés de se contrair, dilata-se.
Geometria da molécula da água
Quem nunca teve essa experiência, não precisa realizá-la para comprovar o que estamos dizendo. Basta pensar no fato de o gelo flutuar na água. Quando congelada, a água se dilata aumentando seu volume. O aumento de volume causa uma diminuição da densidade, fazendo com que o gelo seja menos denso que a água líquida e flutue.
Isso acontece por causa da geometria da molécula da água. As famosas moléculas H2O têm um formato angular e, quando diminuimos sua agitação molecular (resfriamos), elas começam a se agrupar em um formato muito especial, devido à geometria e à atração entre as moléculas, formado cristais que ocupam mais espaço do que as mesmas moléculas ocupariam se estivessem soltas.
Para entender isso, vamos a outra analogia: pense em algumas crianças andando livremente de braços abertos. Imagine agora que elas resolvam se dar as mãos. Você consegue visualizar que elas ocupam menos espaço quando estavam andando do que quando de mão dadas, já que a "roda" formada tem um grande espaço vazio dentro? É o que acontece com a água.
Se tudo o que foi dito é transformação ou fenômeno físico, o que este texto faz na parte de química? Esta dúvida não é acadêmica, mas pode ter surgido quando você leu o texto acima. Lembre-se que, para a química, as interações entre as moléculas são muito importantes. Você verá que a forma com que uma substância se apresenta pode ser determinante em vários aspectos das reações e que essas formas podem ser características das ligações atômicas existentes nas moléculas. Calma, este é um conceito que iremos tornar mais preciso em vários outros temas, por isso ele está na química.
* Fábio Rendelucci é profesor de física e química e diretor do cursinho COC-Universitário, de Santos (SP)
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