1. A matéria e suas propriedades 2. Substâncias puras e misturas 3. Transformações 4. Respostas das questões
Química: Materiais e transformações
Parte 1 : A matéria e suas propriedades
Introdução

A curiosidade natural do homem, o leva a explorar o ambiente que o cerca, observando, analisando, realizando experiências, procurando saber o porquê das coisas. Nesta atividade, exploradora e investigativa, o homem adquire conhecimentos. Muitos desses conhecimentos são usados para melhoria de sua vida.

O homem aprendeu a utilizar o fogo como fonte de luz e calor, a água para mover uma roda, o vapor de água para movimentar máquinas, o vento para movimentar o moinho e barcos a vela, dessa maneira atingiu um conhecimento tecnológico.

Por outro lado, essa curiosidade natural o leva a sistematizar os conhecimentos adquiridos, procurando saber como e porquê acontecem, fazer comparações e analogias, estabelecer relações de causa e efeito, que lhe permitam fazer previsões. Neste caso ele adquire um conhecimento científico dos fatos.

Observando o ambiente

O Universo é constituído de Matéria e Energia

Matéria

Se você observar o ambiente que o rodeia, notará coisas que pode pegar, como uma bola, lápis, caderno, alimentos, outras que pode ver, como a lua, as estrelas, e outras ainda que pode apenas sentir, como o vento, a brisa. Se você colocar algumas destas coisas em uma balança, perceberá que todas elas possuem uma quantidade de massa, medida em relação a um padrão pré-estabelecido.

Todas essas coisas que você observou, comparou e cuja quantidade você mediu, têm características comuns: ocupam lugar no espaço e têm massa.

Tudo que ocupa lugar no espaço e tem massa é matéria.

Energia

O calor que nos aquece, a luz do Sol, de outras estrelas ou das lâmpadas, são formas de energia. Todas as substâncias que formam os materiais que encontramos na Terra, na Lua, nos outros planetas, nos seres vivos, nos alimentos, nos objetos, são formas diferentes de matéria. Todos os seres vivos são feitos de matéria e precisam de energia para que seu organismo funcione, seja ele uma planta, uma bactéria ou um ser humano.

Em nossas atividades cotidianas precisamos de vários tipos de matéria e energia. Para nossa sobrevivência precisamos dos alimentos, para que estes nos forneçam energia para nossas funções vitais. Para o mais leve movimento que realizamos, como um piscar de olhos, precisamos de energia. Além dos alimentos, precisamos de materiais para produzir todos os objetos, utensílios, ferramentas que utilizamos: como um abridor de latas, uma mesa, um copo, uma máquina de lavar roupa, um fogão a gás, um computador, um caminhão. Para que qualquer instrumento, máquina ou ferramenta funcione precisamos de algum tipo de energia, por exemplo, para que um computador funcione precisamos de energia elétrica, para o funcionamento de um abridor de latas precisamos da energia dos nossos músculos.

Além de massa e volume existem outras características comuns a toda matéria e são denominadas propriedades gerais.

Quando um ônibus arranca a partir do repouso, os passageiros tendem a deslocar-se para trás, resistindo ao movimento. Por outro lado, quando o ônibus já em movimento freia, os passageiros deslocam-se para frente, tendendo a permanecer com a velocidade que possuíam, isto é devido a uma outra característica da matéria, a inércia.

* Inércia é a propriedade da matéria de resistir a qualquer variação de seu estado de repouso ou de movimento

É mais fácil empurrar um carro do que um caminhão, porque os corpos que apresentam maior inércia são aqueles que apresentam maior massa.

* Peso : é a força de atração gravitacional que a Terra exerce sobre um corpo

Todos os corpos abandonados próximos à superfície da Terra caem devido aos seus pesos, com velocidades crescentes, sujeitos a uma mesma aceleração, denominada aceleração da gravidade. A aceleração da gravidade é representada pela letra g.

A aceleração da gravidade varia de um local para outro, quanto mais distante do centro da Terra o corpo se encontrar, menor será a ação da atração gravitacional.

Na superfície da Terra, a aceleração da gravidade varia muito pouco e o valor desta é aproximadamente 9,8 m / s2,ou seja, a cada segundo a sua velocidade aumenta em 9.8 m/s.

Peso e massa de um corpo não são a mesma coisa, o peso de um corpo depende do valor local da aceleração da gravidade e a massa é a quantidade de matéria, além de ser uma propriedade exclusiva do corpo, não depende do local onde é medida.

Peso e massa estão relacionados entre si, o peso de um corpo é proporcional a sua massa.

p = mg

Cálculo do peso de um corpo na Terra, na Lua e no Espaço:
 
Na Terra Na Lua No Espaço
massa do corpo (m) 3 kg  3 kg  3 kg 
aceleração da gravidade (g) 9,8 m/s2 1,6 m/s2 aproximadamente 0 m/s2
peso (p = mg) p = 3 x 9,8 = 29,4 N p= 3 x 1,6 = 4,8 N aproximadamente 0 N

  Observação: Peso é praticamente 0 N, porque a força gravitacional é mínima.
 
 

Um objeto na Lua, na Terra e no Espaço possuem a mesma massa, mas possuem peso muito diferentes, porque a ação da força de atração gravitacional da Lua é bem menor, equivalente a 1/6 da força gravitacional da Terra. E no espaço a aceleração da gravidade é quase inexistente.

Se o Super-Homem, viesse de um outro planeta no qual a força gravitacional fosse muito maior que a da Terra, ele daria saltos imensos, nos dando a impressão que estaria voando.

Na Lua seríamos como o super-homem, pois daríamos saltos tão altos que teríamos a sensação de estarmos voando.

Se em um copo completamente cheio com água você colocar uma pedra, notará que a água transbordará, isto ocorre em função de uma outra propriedade da matéria, denominada impenetrabilidade.

* Impenetrabilidade: dois corpos não podem ocupar o mesmo lugar no espaço ao mesmo tempo.

Vamos realizar a experiência:

material : copo de vidro

papel

recipiente com água

Coloque o papel no fundo do copo pressionando-o, em seguida emborque o copo no recipiente contendo água. Nota-se, que após retirar o copo do recipiente, o papel não estará molhado. Isso acontece porque o copo está cheio de ar impedindo que a água molhe o papel, provando desta maneira que o ar é matéria e que dois corpos não podem ocupar o mesmo lugar no espaço ao mesmo tempo.


1- PARA PENSAR: Quando se mergulha uma toalha de banho, em um tanque cheio de água, saem bolhas. Como se explica este fenômeno?        Resposta


 

Estados físicos da matéria

O líquido que forma os lagos, rios e mares; o vapor que sobe das terras e rios ou oceanos aquecidos pelo sol e o gelo que cobre as altas montanhas são constituídos de uma mesma substância só que em três aspectos completamente diferentes. É a água, que pelo observado, pode se apresentar, em função das forças de coesão das partículas que a formam, em três formas diferentes, que são denominados Estados Físicos da Matéria.

* Sólido: possui forma e volume constantes. Neste estado, as partículas que formam a matéria (que podem ser átomos, moléculas ou íons), estão distribuídas regularmente, ocupando posições fixas, formando um arranjo definido. Entre elas surgem forças de atração intensas. Em conseqüência disto, a estrutura é rígida, possui forma e volume constantes e alta resistência à deformações.

* Líquido: possui volume constante e forma variável, dependente do recipiente onde está contido. Neste estado, as forças de atração entre as partículas que formam a matéria são suficientes para manter as partículas unidas, mas não impedem que elas se movimentem para determinadas direções. Em conseqüência disso, os líquidos têm volume constante, mas a forma é do recipiente que o contém.

* Gasoso: possui forma e volume variáveis. As forças de coesão entre as partículas que formam a matéria são muito fracas, de modo que elas se deslocam de maneira desordenada e em alta velocidade. Por isso, o gás não tem forma e volume definidos. O gás tende a ocupar todo o espaço disponível do recipiente onde está contido. Podemos perceber que o gás tende a ocupar todo espaço disponível, através do odor que se espalha rapidamente quando um gás odorífero é colocado em uma sala.


 

Mudanças de estado físico da matéria

A influência de fatores externos, como pressão e temperatura faz com que a matéria se apresente ora em um, ora em outro estado físico.

Se você resfriar a água contida em um recipiente ela pode transformar-se em gelo, por outro lado, se a aquecer, pode se transformar em vapor.

As mudanças de um estado físico para outro recebem denominações específicas:

Nos fenômenos de fusão, vaporização e sublimação de uma substância sempre há recebimento de calor, isto é, aumento da temperatura, e ou diminuição da pressão. Na solidificação, condensação e ressublimação sempre há perda de calor, isto é, diminuição da temperatura, e ou aumento da pressão.

A vaporização, conforme a maneira de se processar recebe denominação particular: evaporação, ebulição e calefação.

As nuvens são formadas de minúsculas gotas de água, no estado de vapor. A formação das nuvens é muito lenta e é conseqüência da transformação da água líquida da superfície dos rios, lagos, oceanos em vapor de água. Essa mudança do estado líquido para o estado de vapor que se processa lenta e espontaneamente, independente da temperatura, e só acontece na superfície do líquido denomina-se evaporação. A evaporação aumenta: pela ação do vento, da superfície de contato com o ambiente e pelo aumento de temperatura.

Nos locais onde não existe estação de tratamento de água, podemos ferver a água para eliminar bactérias. Para isso precisamos fornecer calor a água e esta passa do estado líquido para o estado de vapor. Essa mudança do estado líquido para o estado de vapor de forma não espontânea, tumultuada e com formação de bolhas denomina-se ebulição. A ebulição acontece em todo o líquido.

Se borrifarmos água líquida em uma panela ou em uma chapa de alumínio bem aquecida, a água passará imediatamente para o estado de vapor. A mudança do estado líquido para o gasoso rapidamente e a uma temperatura superior a do ponto de ebulição do líquido denomina-se calefação.

Água borrifada sobre uma chapa ou sobre uma panela de alumínio, aquecida a uma temperatura maior que 1000C.

2) PARA PENSAR: Sabe-se que bolinhas de naftalina (nome comercial do naftaleno), usada para evitar baratas, à temperatura ambiente, tem suas massas diminuidas, terminando por desaparecer sem deixar resíduos. Como este fenômeno pode ser explicado? Como se denomina?

Resposta


 

Identificando e diferenciando as espécies de matéria

Desde a antigüidade o homem utilizava materiais transformando-o em objetos. As escavações realizadas em várias partes da terra mostram utensílios domésticos, ferramentas, colares e outros objetos feitos de pedra, argila, ouro, prata e cobre. O homem da antigüidade fazia essas transformações usando técnicas rudimentares. Até o século XVIII, os metais conhecidos eram o ouro, prata, cobre, ferro, estanho, zinco e chumbo. Isto porque a tecnologia para obtê-los era muito rudimentar e, portanto, eram os únicos disponíveis para a fabricação de ornamentos, utensílios e ferramentas.

Foi só com o desenvolvimento tecnológico que outros metais foram extraídos e isolados. O alumínio, que é abundante na natureza e mais barato que muitos outros metais como o ouro, a prata e o cobre, só foi utilizado para produção de objetos no fim do século XIX porque sua separação do minério chamado bauxita era muito difícil. Essa extração requer a fusão do minério e a extração do alumínio usando a corrente elétrica, numa operação conhecida como eletrólise ígnea.

A influência do desenvolvimento tecnológico é decisiva na utilização de um material para produção de objetos.

Você já notou que para produzir calçados usa-se couro, napa, tecido, plástico e por que não se usa ferro, chumbo e outros metais ? Para produção de utensílios domésticos, como pratos, panelas, canecas usa-se porcelana, ferro, alumínio, vidro, plástico e não se usa tecido, couro, napa, papel ?

Pode-se perceber que a utilização de um determinado material na produção de objetos depende do estado físico do material e das propriedades características deste, sendo essas chamadas propriedades específicas.

Se você observar os objetos do cotidiano, como por exemplo uma mesa, perceberá que esta pode ser constituída de ferro, madeira, fórmica, granito, mármore.

Um copo pode ser constituído de alumínio,vidro, plástico.

O ferro, alumínio, são diferentes espécies da matéria e são chamadas de substâncias químicas.

As diferentes espécies de matéria possuem propriedades que as identificam e diferenciam: são as propriedades específicas da matéria.

* Ponto de Fusão (P.F.): Se você aquecer um certa quantidade de um sólido, depois de um certo tempo você perceberá que este começa a se transformar em líquido, e durante toda a fusão a temperatura permanecerá constante. Esta temperatura na qual uma determinada espécie de matéria passa do estado sólido para o estado líquido, sob determinada pressão, recebe o nome de Ponto de Fusão

* Ponto de Ebulição (P.E.): temperatura na qual uma determinada espécie de matéria passa do estado líquido para o gasoso, sob determinada pressão.

Analisando-se o ponto de fusão(P.F.) e o ponto de ebulição(P.E) das substâncias químicas, pode-se saber as faixas de temperatura nas quais certas espécies de matéria se encontram, no ambiente, no estado sólido, líquido ou gasoso
 
Material P.F.       P.E. Temperatura ambiente Estado físico no ambiente
Ferro 15350C 28850 P.F. maior P.E. maior  Sólido
Água O0C     100o P.F. menor P.E. maior  Líquido
Oxigênio -2180C -1830 P.F. menor P.E. menor  Gasoso

Graus Celsius é escala de medida de temperatura usada em alguns países, como no Brasil. Existem várias escalas termométricas e as mais usadas são: a Escala Kelvin ou Absoluta usada em trabalhos científicos, a Escala Fahrenheit 
usada em outros países como os Estados Unidos da América .Pode-se estabelecer uma relação que permita converter
uma temperatura medida na escala Celsius em Fahrenheit ou Kevin e vice -versa. Por exemplo, a febre de uma pessoa, lida na escala Celsius, é de 40oC; lida na escala Fahrenheit é de 104o F e lida na escala Kelvin é de 313 K.
Quando estamos assistindo uma corrida de fórmula Indy, ouvimos dizer, está muito calor, a temperatura é de 95oF, isto significa que a temperatura lida na escala Celsius seria de 35oC e na escala Kelvin 308K.

Se você separar alguns materiais do ambiente, como um limão, uma moeda, uma rolha, uma tampinha de cerveja, um pedacinho de madeira e colocá-los em um recipiente contendo água, notará que alguns afundarão e outros flutuarão na água: isto ocorrerá em função de uma outra característica de cada substância que é denominada densidade.

Do que depende a densidade de um corpo ?

A densidade de um corpo depende da quantidade de massa e do volume ocupado por este.

Se você comparar 1 kg de chumbo e 1kg de algodão, apesar das massas serem iguais, perceberá que o volume ocupado pelo algodão é muito maior porque a densidade do algodão é muito menor.

A densidade de um corpo é a relação entre a massa (m) e o volume (V) ocupado pelo corpo.
d = mV

A massa das substâncias geralmente é medida em gramas e o volume em cm3.

Para uma substância, em diferentes estados físicos e com massas iguais, o estado sólido é em geral mais denso que o líquido e este mais denso que o gasoso. Isso acontece porque do estado sólido para o estado gasoso as forças de atração entre as partículas que formam a substância diminuem, consequentemente, o volume aumenta e a densidade diminui.

Conclusão maior volume, para uma mesma massa de um mesmo material, densidade menor.

O que é mais leve (menos denso), o ar quente ou o ar frio?

Realize a experiência:

Amarre um saco de papel em cada extremidade de uma vareta. Suspenda a vareta através de um fio. Aqueça um dos sacos com uma vela. O equilíbrio se alterou, porque o ar contido no interior do saco que foi aquecido, se dilata, o volume aumenta e a densidade diminui.

Conclusão: O ar quente é mais leve que o ar frio.

3) PARA PENSAR: O gelo é a água no estado sólido, por que o gelo flutua na água líquida?

Resposta

O que é necessário para que um corpo flutue na água ?

Para que um corpo flutue na água é necessário que a relação entre sua massa e o volume ocupado pelo corpo, isto é, sua densidade, seja menor que 1g/ cm3, que é a densidade da água no estado líquido.

Conclusão: Os materiais que flutuam na água são menos densos que a água e os que afundam são mais densos.

Se colocarmos um prego em água, este afundará, mas como um navio feito de ferro, flutua na água ?

Isto ocorre porque a densidade do prego é maior que a da água e que a do navio. O navio tem grande volume, mas a maior parte deste volume é ocupado pelo ar, cuja massa é muito pequena, por isso a densidade do navio é menor que a do prego. Se substituirmos o espaço ocupado pelo ar por água, o navio afundará, porque a massa aumentará e ficara mais denso que a água.

A água exerce uma força vertical de baixo para cima sobre o navio que é chamada de empuxo.

* Empuxo: Todo corpo imerso total ou parcialmente em um líquido, recebe uma força vertical, de baixo para cima, igual ao peso da porção de líquido deslocada pelo corpo

Realize a experiência:

Mergulhe um ovo cozido em um copo com água, o ovo ficará no fundo do copo. Em seguida acrescente sal de cozinha até saturar a solução, o ovo flutuará.

Conclusão: Quanto maior a densidade do líquido maior o empuxo.

Existem outras propriedades dos materiais, que são utilizadas no cotidiano, para a produção de objetos.

Alguns materiais podem ser transformados em lâminas muito finas como o alumínio, cobre, ouro, a esta característica damos o nome de maleabilidade.

* Maleabilidade : propriedade que alguns materiais possuem de ser transformado em lâmina.

O cobre é um material utilizado na produção de fios para condução de corrente elétrica, isto porque o cobre possui algumas características que o tornam apropriado para este uso, que são a sua grande ductibilidade e condutividade elétrica

* Ductibilidade: propriedade que alguns materiais possuem de ser transformados em fios, por exemplo o ouro que pode ser transformado em jóias delicadas e o cobre para produção de fios.

* Condutividade elétrica: em geral os metais são bons condutores de energia elétrica e calor. Por serem bons condutores de calor, os metais, como por exemplo o alumínio, o cobre, o ferro e o aço são usados na produção de utensílios domésticos, como panelas, canecas, etc.

Uma outra característica importante dos materiais é a de oferecer resistência ao desgaste. Uma aplicação deste propriedade é o uso do giz para escrever em lousa, a lousa desgasta o giz, o papel desgasta o grafite do lápis, por isso, a lousa e o papel são mais duros que o giz e o grafite. Esta propriedade é denominada dureza.

* Dureza: propriedade de alguns materiais de oferecer resistência ao risco (desgaste).

Esta propriedade é utilizada para afiar ferramentas. Por exemplo, o esmeril é usado para desgastar o ferro, o aço e outros metais.

* Cor: alguns materiais possuem cor, isto é, são coloridos, como o ouro, enxofre, iodo. Outros não possuem cor, isto é, são incolores, como água, álcool, éter, etc.

* Sabor: através do paladar percebemos o sabor característico de alguns:materiais como o sal de cozinha, limão, vinagre, leite de magnésia. As substâncias com sabor são chamadas sápidas; outras não possuem sabor, como a água e a parafina e são chamadas insípidas.

* Odor: através do olfato percebemos que alguns materiais possuem odor, como o enxofre, álcool, gasolina, éter e são denominadas, odoríferas; outras como a água, ouro e sal de cozinha não possuem odor e são denominadas inodoras.

Cor, sabor e odor são propriedades características das espécies químicas, perceptíveis através dos órgãos dos sentidos.


 

Comentários - Sugestões - Curiosidades

1- Para introduzir o conceito de empuxo o professor poderá falar sobre Arquimedes. Era um grande matemático que foi incumbido pelo rei de Siracusa para verificar se a coroa entregue pelo ourives era de ouro ou chumbo dourado, sem no entanto destruir a coroa. Arquimedes sabia que a densidade do ouro era diferente da do chumbo, mas como determinar o volume da coroa sem destruí-la? Arquimedes pensava neste problema , quando estava na banheira. De repente sentia o empuxo da água sobre o seu corpo e ocorre-lhe que a força do empuxo para cima é igual ao peso da água deslocada pelo corpo.

Pesando a coroa obteria o peso. Pesando-a dentro da água obteria o peso menos o peso da água deslocada. A diferença entre as duas pesagens daria o peso da água deslocada pela coroa. Como a densidade da água é igual a 1 g/ml, o peso da água deslocada corresponderia ao volume da coroa, podendo assim determinar a densidade da coroa. Ao descobrir a solução para o problema, Arquimedes pulou da banheira e saiu nu para a rua gritando Eureka, Eureka (descobri).

2- Para introduzir os conceitos explorados acima, o professor deverá partir da análise de situações reais; despertando o interesse do aluno, ajudando-o a explorar e compreender os fenômenos que ocorrem em seu cotidiano. O ensino de Ciências não deve se resumir em simples transmissão de conceitos; mas na aquisição por parte do aluno de conteúdos contextualizados, isto é, que tenham significação humana e social. Propõe-se então, que se tome como ponto de partida situações de interesse imediato do aluno, o que ele vive, observa, conhece ou sofre influência e que se atinjam os conhecimentos historicamente elaborados, de modo que lhe permitam analisar criticamente a aplicação destes na sociedade.

3- A densidade do corpo humano e dos demais mamíferos é ligeiramente inferior a da água e o empuxo é exatamente suficiente para manter as narinas fora da água. Aprender a nadar é aprender a manter a calma para que no instante certo boca e nariz estejam fora da água, permitindo a respiração.

4- É mais fácil boiar e flutuar nas águas do mar do que nas dos rios. A água do mar é mais densa do que a água dos rios, isso é uma conseqüência do sal dissolvido na água do mar.

5- A água do Mar Morto, na Palestina, é uma solução saturada, isto é, contém grande quantidade de sal não dissolvido no fundo do mar. Com isto o empuxo sobre um banhista se torna tão grande que ele pode erguer o tronco e ler uma revista sem molhá-la e sem pôr os pés no fundo.

6- Para mostrar como ocorre a sublimação pode-se realizar a experiência

Coloca-se 2 ou 3 bolinhas de naftalina em um vidro de boca larga e cobre-se o vidro com um funil de vidro ou vidro de relógio, como esquematizado abaixo. Em seguida aquece-se o vidro de boca larga até toda naftalina passar para o estado de vapor, isto é, sofre sublimação, ao encontrar a superfície fria do vidro, a naftalina volta novamente para o estado sólido, sofre ressublimação.


 

Questões de Auto-Avaliação

1) O gelo seco é o gás carbônico no estado sólido, este passa para o estado gasoso sem deixar resíduos. Que mudança de estado ocorre com o gelo seco?

2) É considerada matéria

( ) o luar
( ) a música
( ) o ar
( )o brilho do sol
( ) a sombra de uma pessoa

3) Por que os balões, que são constituídos de papel, cola, combustível, pavio, sendo mais densos que o ar atmosférico, sobem?

4) As questões a b e c devem ser respondidas analisando-se o gráfico abaixo, que mostra a variação da massa das substâncias A, B e água, em função da variação do volume à temperatura constante.

5) Para determinação da densidade de uma substância são necessários a medida da quantidade de massa e o volume ocupado por esta quantidade de massa. Qual a densidade do ferro, sabendo-se que uma lâmina de ferro de 5 cm de comprimento, 2 cm de largura e 1 cm de espessura, tem uma massa de 78,6 g?

6) Uma substância é um sólido cristalino, funde a 318oC, é branco, inodoro, tem sabor cáustico adstringente (sabor semelhante ao percebido quando se come banana verde), tem densidade 2,13 g/ml a temperatura ambiente, conduz corrente elétrica no estado fundido e em solução aquosa. Dentre as propriedades acima quais você utilizaria para identificação da soda cáustica.?

7) O éter possui P.F..= -116oC e P.E..= 34oC;a água possui P.F.= 0oC e P.E.= 100oC.à pressão de uma atmosfera (ao nível do mar). Em qual estado físico se encontram o éter e a água em São Paulo, onde a temperatura ambiente é 25oC e no Deserto da Arábia, onde a temperatura ambiente é 50oC ?

Respostas das questões de auto-avaliação- Parte 1



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