Sente-se em uma sala enquanto alguém faz café ao lado. Logo você consegue cheirar, mesmo do outro lado da sala. Como? Tudo ao seu redor é feito de partículas minúsculas, muito…
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1.1
The three states of matter · Os três estados da matéria
Syllabus · Programa
English
Core
Supplement
1 State the distinguishing properties of solids, liquids and gases
2 Describe the structures of solids, liquids and gases in terms of particle separation, arrangement and motion
3 Describe changes of state in terms of melting, boiling, evaporating, freezing and condensing
5 Explain changes of state in terms of kinetic particle theory, including the interpretation of heating and cooling curves
4 Describe the effects of temperature and pressure on the volume of a gas
6 Explain, in terms of kinetic particle theory, the effects of temperature and pressure on the volume of a gas
Português
Central
Suplementar
1 Enunciar as propriedades distintivas de sólidos, líquidos e gases
2 Descrever as estruturas de sólidos, líquidos e gases em termos de separação de partículas, arranjo e movimento
3 Descreva alterações de estado em termos de fusão, ebulição, evaporação, congelamento e condensação
5 Explique as alterações de estado em termos da teoria cinética das partículas, incluindo a interpretação de curvas de aquecimento e resfriamento
4 Descreva os efeitos da temperatura e da pressão sobre o volume de um gás
6 Explique, em termos da teoria cinética das partículas, os efeitos da temperatura e da pressão sobre o volume de um gás
Source: Cambridge International syllabus · Fonte: Programa Cambridge International
English
Solid, liquid, gas: particle motion
Everything around you is made of tiny particles 粒子 — these can be atoms 原子, molecules 分子, or ions 离子. The kinetic particle theory 粒子动理论 says these particles are always moving. How close the particles are, how they are arranged, and how they move decides whether matter is a solid 固体, a liquid 液体, or a gas 气体.
Properties you can observe
You do not need a microscope to tell the three states apart. They behave in different ways:
A solid has a fixed shape and a fixed volume 体积. It does not flow and you cannot compress 压缩 it (squeeze it smaller).
A liquid has a fixed volume but no fixed shape. It flows and takes the shape of its container. It is almost impossible to compress.
A gas has no fixed shape and no fixed volume. It flows and spreads out to fill the whole container. A gas is easy to compress.
The table below sums up these properties. Density 密度 means how much mass 质量 is packed into a given volume.
Property
Solid
Liquid
Gas
Shape
fixed
takes the shape of the container
fills the whole container
Volume
fixed
fixed
fills the whole container
Can it be compressed?
no
almost none
yes, easily
Does it flow?
no
yes
yes
Density
high
high
low
The particle picture
The kinetic particle theory explains these properties by looking at three things: the separation 间距 of the particles (how far apart they are), their arrangement 排列 (the pattern), and their motion 运动 (how they move).
Solid
Liquid
Gas
Separation
touching, very close
close together
far apart
Arrangement
regular 规则 pattern
random, no pattern
random, no pattern
Motion
vibrate 振动 about fixed positions
move and slide past each other
move quickly in all directions
Strong forces of attraction 引力 hold the particles together. In a solid these forces are strong enough to hold every particle in place, so a solid keeps its shape. In a liquid the forces are weaker, so particles can move around. In a gas the particles move so fast that the forces hardly act at all, so the gas spreads out.
Português
Sólido, líquido, gás: movimento das partículas
Tudo ao seu redor é feito de pequenas partículas 粒子 — estas podem ser átomos 原子, moléculas 分子 ou íons 离子. A teoria cinética das partículas 粒子动理论 diz que essas partículas estão sempre em movimento. Como as partículas estão próximas, como são organizadas e como se movem decide se a matéria é um sólido 固体, um líquido 液体 ou um gás 气体.
Propriedades observáveis
Você não precisa de um microscópio para diferenciar os três estados. Eles se comportam de maneira diferente:
Um sólido tem forma fixa e volume 体积 fixo. Não flui e você não pode compress 压缩 (apertá-lo para menores).
Um líquido tem volume fixo, mas não tem forma fixa. Flui e assume a forma de seu recipiente. É quase impossível comprimi-lo.
Um gás não tem forma fixa nem volume fixo. Flui e espalha-se para preencher todo o recipiente. Um gás é fácil de comprimir.
A tabela abaixo resume essas propriedades. Densidade 密度 significa quanto massa 质量 está compactada em um determinado volume.
Propriedade
Sólido
Líquido
Gás
Forma
fixa
assume a forma do recipiente
preenche todo o recipiente
Volume
fixo
fixo
preenche todo o recipiente
Pode ser comprimido?
não
quase nada
sim, facilmente
Flui?
não
sim
sim
Densidade
alta
alta
baixa
A imagem das partículas
A teoria cinética das partículas explica essas propriedades olhando para três coisas: a separação 间距 das partículas (o quão distantes estão), sua arranjo 排列 (o padrão) e seu movimento 运动 (como se movem).
Sólido
Líquido
Gás
Separação
tocando, muito próximas
juntas
distantes
Arranjo
padrão regular 规则
aleatório, sem padrão
aleatório, sem padrão
Movimento
vibram 振动 em posições fixas
movem-se e deslizam umas pelas outras
movem-se rapidamente em todas as direções
Fortes forças de atração 引力 mantêm as partículas unidas. Em um sólido, essas forças são fortes o suficiente para manter cada partícula no lugar, então um sólido mantém sua forma. Em um líquido, as forças são mais fracas, então as partículas podem se mover. Em um gás, as partículas movem-se tão rápido que as forças praticamente não atuam, então o gás se espalha.
As partículas são empacotadas e regulares em um sólido, próximas e aleatórias em um líquido, e distantes em um gás
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Estados da matéria
Aqueça a caixa e observe as partículas se soltarem: um sólido vibrante derrete em um líquido fluente, depois se espalha como um gás. Mesmas partículas — apenas mais energia.
When you heat or cool a substance, it can change from one state to another. You must know the name of each change.
Change
What happens
Name
solid → liquid
melting 熔化
melting
liquid → solid
freezing 凝固
freezing
liquid → gas (at the surface, below the boiling point)
evaporating 蒸发
evaporation
liquid → gas (all through the liquid)
boiling 沸腾
boiling
gas → liquid
condensing 凝结
condensation
A pure solid melts at one fixed temperature, the melting point 熔点. A pure liquid boils at one fixed temperature, the boiling point 沸点. The same substance freezes at its melting point and condenses at its boiling point.
A few substances change straight from solid to gas without melting first. This is called sublimation 升华. In the photo below, warmed solid iodine in a beaker turns directly into a purple gas; the gas then cools on the round flask of ice above and turns back into a solid.
Explaining changes of state with the particle theory
Each change of state is really a change in the energy 能量 of the particles.
When you heat a solid, the particles gain energy and vibrate faster. At the melting point the particles have enough energy to break away from their fixed places and slide around — the solid melts.
When you heat a liquid, the particles move faster. At the boiling point they have enough energy to fully escape the forces of attraction and become a gas.
Cooling does the opposite. The particles lose energy, move more slowly, and the forces of attraction pull them back together.
During a change of state the energy goes into breaking the forces of attraction, not into making the particles move faster. This is why the temperature stays the same while a substance is melting or boiling.
Heating and cooling curves
A heating curve 加热曲线 is a graph of temperature against time as you heat a substance steadily. A cooling curve 冷却曲线 is the same graph as the substance cools.
On a heating curve there are two flat (level) parts:
The first flat part is at the melting point. Here solid and liquid are both present. The heat energy breaks the forces holding the solid together, so the temperature does not rise.
The second flat part is at the boiling point. Here liquid and gas are both present, and the temperature again stays constant.
A cooling curve is the reverse. It has a flat part at the boiling point (the gas condenses) and a flat part at the melting point (the liquid freezes). As the particles slow down, thermal energy 热能 is released to the surroundings.
Português
Gelo derretendo em água: uma mudança de estado à medida que o sólido aquece.
Ao aquecer ou esfriar uma substância, ela pode mudar de um estado para outro. Você precisa saber o nome de cada mudança.
Mudança
O que acontece
Nome
sólido → líquido
derretimento 熔化
fusão
líquido → sólido
congelamento 凝固
congelamento
líquido → gás (na superfície, abaixo do ponto de ebulição)
evaporação 蒸发
evaporação
líquido → gás (por todo o líquido)
ebulição 沸腾
ebulição
gás → líquido
condensação 凝结
condensação
Um sólido puro derrete a uma temperatura fixa, o ponto de fusão 熔点. Um líquido puro ebule a uma temperatura fixa, o ponto de ebulição 沸点. A mesma substância congela em seu ponto de fusão e condensa em seu ponto de ebulição.
Aquecimento: sólido → líquido → gás; resfriamento inverte cada mudança
Alguns poucos substâncias mudam diretamente de sólido para gás sem primeiro derreter. Isso é chamado de sublimação 升华. Na foto abaixo, iodo sólido aquecido em um béquer transforma-se diretamente em gás roxo; o gás então esfria no balão redondo de gelo acima e volta a ser sólido.
Iodo sólido aquecido transforma-se diretamente em um gás roxo (sublimação)O exemplo cotidiano: o gelo seco é dióxido de carbono sólido, e ele sublima também — nunca deixa uma poça
Explicando mudanças de estado com a teoria das partículas
Cada mudança de estado é realmente uma mudança na energia 能量 das partículas.
Quando você aquece um sólido, as partículas ganham energia e vibram mais rápido. No ponto de fusão, as partículas têm energia suficiente para se soltar de seus lugares fixos e deslizar ao redor — o sólido derrete.
Quando você aquece um líquido, as partículas se movem mais rápido. No ponto de ebulição, elas têm energia suficiente para escapar completamente das forças de atração e se tornarem um gás.
O resfriamento faz o oposto. As partículas perdem energia, movem-se mais lentamente e as forças de atração as puxam de volta para junto.
Durante uma mudança de estado, a energia é usada para romper as forças de atração, não para fazer as partículas se moverem mais rápido. É por isso que a temperatura permanece constante enquanto uma substância está derretendo ou fervendo.
Curvas de aquecimento e resfriamento
Uma curva de aquecimento 加热曲线 é um gráfico de temperatura contra tempo à medida que você aquece uma substância uniformemente. Uma curva de resfriamento 冷却曲线 é o mesmo gráfico, mas enquanto a substância esfria.
Em uma curva de aquecimento, há duas partes planas (horizontais):
A primeira parte plana está no ponto de fusão. Aqui, sólido e líquido estão ambos presentes. A energia térmica rompe as forças que mantêm o sólido unido, então a temperatura não sobe.
A segunda parte plana está no ponto de ebulição. Aqui, líquido e gás estão ambos presentes, e a temperatura novamente permanece constante.
Uma curva de resfriamento é o inverso. Ela tem uma parte plana no ponto de ebulição (o gás condensa) e uma parte plana no ponto de fusão (o líquido congela). À medida que as partículas desaceleram, energia térmica 热能 é liberada para o ambiente.
A temperatura permanece constante nos pontos de fusão e ebulição enquanto as forças de atração são rompidas
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Aquecendo uma substância através de seus estados
Aumente a temperatura. Adicionar calor dá mais energia às partículas até que elas se soltem — e a temperatura pausa em cada mudança de estado enquanto a energia realiza esse trabalho.
Gases: temperature, pressure and volume · Gases: temperatura, pressão e volume
English
A gas pushes on the walls of its container. This push, spread over the area of the wall, is the pressure 压强 of the gas. Pressure comes from the gas particles hitting the walls.
Effect of temperature
If you heat a fixed mass of gas while keeping the pressure the same, its volume increases.
Using the particle theory: heating gives the particles more kinetic energy 动能, so they move faster. They hit the walls harder and more often. To keep the pressure the same, the gas must take up more space, so the volume gets bigger.
If instead the volume is fixed (a sealed, rigid container), heating the gas makes the pressure rise, because the faster particles collide 碰撞 with the walls harder and more often.
Effect of pressure
If you increase the pressure on a fixed mass of gas while keeping the temperature the same, its volume decreases. Squeezing the gas into a smaller space means the particles hit the walls more often, which is what a higher pressure means.
Português
Um gás empurra as paredes do seu recipiente. Esse empurrão, distribuído sobre a área da parede, é a pressão 压强 do gás. A pressão vem das partículas do gás batendo nas paredes.
Efeito da temperatura
Se você aquecer uma massa fixa de gás mantendo a pressão constante, seu volume aumentará.
Um gás aquecido: partículas mais rápidas se espalham e ocupam mais espaço
Usando a teoria das partículas: aquecer dá às partículas mais energia cinética 动能, então elas se movem mais rápido. Elas batem nas paredes com mais força e frequência. Para manter a pressão constante, o gás deve ocupar mais espaço, então o volume fica maior.
Se, em vez disso, o volume for fixo (um recipiente selado e rígido), aquecer o gás aumenta a pressão, porque as partículas mais rápidas colidem 碰撞 com as paredes com mais força e frequência.
Efeito da pressão
Se você aumentar a pressão sobre uma massa fixa de gás mantendo a temperatura constante, seu volume diminuirá. Apertar o gás em um espaço menor significa que as partículas batem nas paredes com mais frequência, o que é o que significa uma pressão maior.
Apertar um gás em um volume menor faz as partículas baterem nas paredes com mais frequência, assim a pressão aumenta
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Gases, pressão & volume
p = k / V
Comprima o volume e a pressão sobe (Lei de Boyle).
1 Describe and explain diffusion in terms of kinetic particle theory
2 Describe and explain the effect of relative molecular mass on the rate of diffusion of gases
Português
Central
Suplementar
1 Descreva e explique a difusão em termos da teoria cinética das partículas
2 Descreva e explique o efeito da massa molecular relativa na taxa de difusão de gases
Source: Cambridge International syllabus · Fonte: Programa Cambridge International
English
Diffusion: random motion, one-way flow
Diffusion 扩散 is the spreading of particles from a region where they are crowded to a region where they are spread out — that is, from high concentration 浓度 to low concentration. It happens because particles are always moving in random directions.
Diffusion explains why you can smell food from across a room: the smell particles move and mix with the air until they reach your nose. Diffusion happens in gases and in liquids, but not in solids, because solid particles cannot move from place to place.
Rate of diffusion and molecular mass
Lighter gas particles move faster than heavier ones at the same temperature. So a gas with a smaller relative molecular mass 相对分子质量 (a smaller mass for each molecule) has a faster rate 速率 of diffusion.
A classic experiment shows this. Cotton wool soaked in ammonia 氨气 ($\text{NH}_3$) is put at one end of a long glass tube. Cotton wool soaked in hydrogen chloride 氯化氢 ($\text{HCl}$) is put at the other end. Both gases diffuse along the tube and meet to form a white ring of ammonium chloride 氯化铵 ($\text{NH}_4\text{Cl}$).
Ammonia has $M_r = 17$ and hydrogen chloride has $M_r = 36.5$. Ammonia is lighter, so it diffuses faster and travels further along the tube. The white ring forms nearer the hydrogen chloride end.
Worked example. Bromine ($M_r = 160$) and ammonia ($M_r = 17$) are released at the same moment from opposite ends of a long tube. Which travels further before they meet? Compare the relative molecular masses. Ammonia's $M_r$ is far smaller, so its molecules move faster at the same temperature and it diffuses more quickly. Ammonia therefore travels the greater distance, and the two gases meet nearer the bromine end. The rule is always "lighter means faster" - argue from $M_r$, never from how big the formula looks on paper.
Português
Difusão: movimento aleatório, fluxo unidirecional
Difusão 扩散 é a dispersão de partículas de uma região onde estão aglomeradas para uma região onde estão espalhadas — isto é, de alta concentração 浓度 para baixa concentração. Isso acontece porque as partículas estão sempre se movendo em direções aleatórias.
As partículas difundem de alta para baixa concentração até ficarem uniformemente espalhadas
A difusão explica por que você pode cheirar comida do outro lado de uma sala: as partículas do odor se movem e se misturam com o ar até chegarem ao seu nariz. A difusão ocorre em gases e líquidos, mas não em sólidos, porque as partículas sólidas não podem se mover de um lugar para outro.
Taxa de difusão e massa molecular
Partículas de gás mais leves movem-se mais rápido que as mais pesadas na mesma temperatura. Portanto, um gás com menor massa molecular relativa 相对分子质量 (uma massa menor para cada molécula) tem uma taxa 速率 de difusão mais rápida.
Um experimento clássico mostra isso. Algodão embebido em amônia 氨气 ($\text{NH}_3$) é colocado em uma extremidade de um tubo de vidro longo. Algodão embebido em cloreto de hidrogênio 氯化氢 ($\text{HCl}$) é colocado na outra extremidade. Ambos os gases difundem ao longo do tubo e se encontram formando um anel branco de cloreto de amônio 氯化铵 ($\text{NH}_4\text{Cl}$).
A amônia tem $M_r = 17$ e o cloreto de hidrogênio tem $M_r = 36.5$. A amônia é mais leve, então ela difunde mais rápido e percorre uma distância maior ao longo do tubo. O anel branco forma-se mais próximo da extremidade do cloreto de hidrogênio.
A amônia ($M_r=17$) é mais leve, então difunde mais rápido e mais longe; o anel branco forma-se mais próximo da extremidade HCl
Exemplo resolvido. Bromo ($M_r = 160$) e amônia ($M_r = 17$) são liberados simultaneamente das extremidades opostas de um tubo longo. Qual percorre uma distância maior antes de se encontrarem? Compare as massas moleculares relativas. A massa molecular relativa da amônia ⟨$M_r$⟩ é muito menor, então suas moléculas se movem mais rápido na mesma temperatura e difundem mais rapidamente. Portanto, a amônia percorre uma distância maior, e os dois gases se encontram mais próximo da extremidade do bromo. A regra é sempre "mais leve significa mais rápido" - argumente com base em $M_r$, nunca no tamanho da fórmula no papel.
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Difusão
Libere a nuvem e as partículas se espalham sozinhas do canto lotado até preencherem a caixa uniformemente — difusão, acelerada pelo calor.
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Difusão
Defina a concentração em cada lado. As partículas espalham-se da concentração alta para a baixa até ficarem uniformemente misturadas.
During melting and boiling the temperature stays constant (the flat parts of a heating curve), because the energy breaks the forces between particles instead of making them move faster.
Evaporation happens only at the surface and at any temperature; boiling happens throughout the liquid at one fixed temperature.
Explain gas behaviour with the particle theory: heating a gas at fixed volume raises the pressure because the particles hit the walls harder and more often — the particles themselves do not get bigger.
Diffusion is faster for lighter particles (smaller $M_r$) and cannot happen in solids. In the ammonia/hydrogen chloride tube the lighter ammonia travels further, so the white ring forms nearer the HCl end.
Português
Durante a fusão e ebulição, a temperatura permanece constante (as partes planas de uma curva de aquecimento), porque a energia rompe as forças entre as partículas em vez de fazê-las se moverem mais rápido.
A evaporação ocorre apenas na superfície e a qualquer temperatura; a ebulição ocorre em todo o líquido a uma temperatura fixa.
Explique o comportamento dos gases usando a teoria das partículas: aquecer um gás a volume constante eleva a pressão porque as partículas batem nas paredes com mais força e frequência — as próprias partículas não ficam maiores.
A difusão é mais rápida para partículas mais leves (menor $M_r$) e não pode ocorrer em sólidos. No tubo de amônia/cloreto de hidrogênio, a amônia mais leve percorre mais distância, então o anel branco forma-se mais próximo da extremidade HCl.
Interactive lessons on this topic · Aulas interativas sobre este tópico
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