Sala Feynman
Feynman Lectures on Physics

Processos atômicos

Descrevemos, assim, os sólidos, os líquidos e os gases do ponto de vista atômico. Entretanto, a hipótese atômica também descreve processos, de modo que examinaremos agora alguns processos do ponto de vista atômico. O primeiro processo que olharemos está associado à superfície da água.

O que acontece na superfície da água? Tornaremos agora o quadro mais complicado --- e mais realista --- imaginando que a superfície está no ar. A fig.5 mostra a superfície da água no ar.

 Continuamos vendo as moléculas da água, formando um corpo de água líquida, mas agora vemos também a superfície da água. Acima da superfície encontramos várias coisas: em primeiro lugar, moléculas de água, como no vapor. Trata-se de vapor d'água, sempre encontrado sobre a água líquida. (Há um equilíbrio entre o vapor d'água e a água que será descrito adiante.) Além disso, encontramos algumas outras moléculas--- aqui dois átomos de oxigênio que se juntam por si mesmos, formando uma molécula de oxigênio, ali dois átomos de nitrogênio que também se juntaram para formar uma molécula de nitrogênio. O ar consiste quase inteiramente em nitrogênio, oxigênio, algum vapor d'água e quantidades menores de dióxido de carbono, argônio e outras coisas. Assim, sobre a superfície da água está o ar, um gás, contendo algum vapor d'água. O que está acontecendo neste quadro? As moléculas na água estão sempre ziguezagueando. De tempos em tempos, uma molécula na superfície é atingida na superfície com um pouco mais de força do que normalmente e é arremessada par longe. É difícil ver isso acontecendo no quadro, porque é um quadro estático. Mas podemos imaginar que uma molécula perto da superfície acabou de ser atingida e está se afastando. Assim, molécula por molécula, a água desaparece--- ela evapora. Mas se fecharmos o recipiente em cima, após algum tempo encontraremos um grande número de moléculas de água entre as moléculas de ar. De tempos em tempos, uma dessas moléculas de vapor cairá na água e aderirá de novo a ela. Vemos assim que o que parece algo morto e desinteressante--- um copo d'água coberto e no mesmo lugar talvez há vinte anos--- na verdade contém um fenômeno dinâmico e interessante que está prosseguindo o tempo todo. Aos nossos olhos nus, nada está mudando, mas se pudéssemos ampliar o copo um bilhão de vezes, veríamos que de seu próprio ponto de vista está sempre mudando: moléculas estão deixando a superfície, moléculas estão retornando.

Por que não vemos nenhuma mudança? Porque tantas moléculas deixam a superfície quantas estão retornando! A longo prazo, "nada acontece". Se removermos a tampa do recipiente e soprarmos para longe o ar húmido, substituindo-o por ar seco, o número de moléculas a deixar a superfície será o mesmo de antes, porque isso depende do ziguezague da molécula, mas o número das que retornarão será bem menor, pois há muito menos moléculas de água sobre a água. Portanto, deixarão a superfície mais moléculas do que retornarão, e a água evaporará. Conclusão: se quiser evaporar água, ligue o ventilador!

Eis algo diferente: que as moléculas partem? Quando uma molécula parte, isso se deve ao acúmulo acidental extra de energia um pouco acima do normal, que ela necessita para se desgarrar da atração de suas vizinhas. Assim, como as que partem têm mais energia do que a média, as que ficam têm menos movimento do que antes. Desse modo, o líquido gradualmente esfria quando evapora. É claro que, quando uma molécula de vapor vem do ar para a água abaixo, há uma súbita grande atração ao se aproximar da superfície. Isso acelera a molécula que chega e resulta na geração de calor. Assim, quando partem, levam calor embora; ao retornarem, geram calor. Está claro que, quando não há evaporação líquida, o resultado é nada--- a água não está mudando de temperatura. Se soprarmos a água para manter uma preponderância constante do número de moléculas que evaporam, a água se resfriará. Logo, sopre a sopa para esfriá-la!

Perceba que os processos recém-descritos são mais complicados do que indicamos. Não apenas a água vai para o ar, mas também, de tempos em tempos, uma molécula de oxigênio ou nitrogênio chega e "se perde" na massa de moléculas de água, penetrando na água. Assim, o ar se dissolve na água; moléculas de oxigênio e nitrogênio penetram na água e esta conterá ar. Se de repente extrairmos o ar do recipiente, as moléculas de ar partirão mais rapidamente do que chegarão, gerando com isso bolhas. Isto é péssimo para os mergulhadores, como você deve saber.

Passemos agora para outro processo. Na fig.6, vemos, de um ponto de vista atômico, um sólido dissolvendo-se na água. Se mergulharmos um cristal de sal na água, o que acontecerá? O sal é um sólido, um cristal, um arranjo organizado de "átomos de sal".

A fig.7 é uma ilustração da estrutura tridimensional do sal comum, o cloreto de sódio. Estritamente falando, o cristal não é composto de átomos, mas do que denominamos íons. Um íon é um átomo que possui alguns elétrons extras ou que perdeu alguns elétrons. Em um cristal de sal, encontramos íons de cloro (átomos de cloro com um elétron extra) e íons de sódio (átomos de sódio com um elétron faltando). Os íons se unem por atração elétrica no sal sólido; porém, quando mergulhados na água, constatamos que a atração do oxigênio negativo e do hidrogênio positivo pelos íons faz com que alguns destes se soltem. Na fig.6 vemos um íon de cloro se soltando e outros átomos flutuando na água em forma de íons. Esta figura foi feita com certo cuidado. Observe, por exemplo, que as extremidades de hidrogênio das moléculas de água tendem a estar perto do íon de cloro, enquanto perto do íon de sódio tendemos a encontrar a extremidade de oxigênio, porque o sódio é positivo e a extremidade de oxigênio da água é negativa, e eles se atraem eletricamente. Conseguimos distinguir pela figura se o sal está dissolvendo na água ou se cristalizando para fora da água? Claro que não conseguimos, porque, enquanto alguns átomos estão deixando o cristal, outros estão se reunindo a ele. O processo é dinâmico, como no caso da evaporação, e depende de se há mais ou menos sal na água do que a quantidade necessária para o equilíbrio. Por equilíbrio queremos dizer aquela situação em que o grau em que os átomos estão partindo empata com o grau em que estão retornando. Se quase não houver sal na água, partirão mais átomos do que retornarão e o sal se dissolverá. Por outro lado, se houver "átomos de sal" demais, retornarão mais do que partirão e o sal estará se cristalizando. De passagem, mencionamos que o conceito de molécula de uma substância é apenas aproximado e existe somente para certas classes de substâncias. Está claro no caso da água que os três átomos estão realmente unidos. No caso do cloreto de sódio no sólido, não está tão claro. Há apenas um arranjo de íons de sódio e cloro em um padrão cúbico. Não há forma natural de agrupá-los como "moléculas de sal".

Retornando à nossa discussão da solução e precipitação, se aumentarmos a temperatura da solução de sal, a taxa em que os átomos são retirados aumentará, bem como a taxa em que os átomos são trazidos de volta. Descobre-se que é muito difícil, em geral, prever que rumo será tomado, se mais ou menos do sólido se dissolverá. A maioria das substâncias se dissolve mais, mas algumas substâncias se dissolvem menos, à medida que a temperatura aumenta.

Anterior: A matéria é composta de átomos
Próximo: Reações químicas
Lista geral: Conteúdo