Matéria mole: Entre os sólidos e os líquidos

Fases da matéria

A matéria no nosso dia-a-dia apresenta-se em três fases ou estados diferentes: sólido, líquido e gás. Os sólidos são rígidos, i.e. mantém o volume e a forma, os líquidos flúem mantendo o volume e os gases ocupam todo o volume disponível.

Glaciar

Géiser

Por exemplo a água existe à nossa volta em várias fases. O nevoeiro e o vapor de água, em particular o dos geisers, são exemplos de moléculas de água na fase gasosa. A água que bebemos e que usamos para nos lavarmos está na fase líquida. O gelo que usamos para arrefecer as bebidas, assim como a neve e os icebergs, estão na fase sólida.

A molécula é a partícula mais pequena de uma substância ou composto químico. Uma molécula de água (H₂O) é constituída por um único átomo de oxigénio ligado a dois átomos de hidrogénio. Há milhões e milhões (da ordem de 10²⁰ ou seja 10 000 0000 000 000 000 000) de moléculas de água numa única gota. As molécula são demasiado pequenas, da ordem das décimas de nanómetro (1 nm = 10^-9 m ou seja 0.000 000 001 m), para serem vistas sem a ajuda dos microscópios mais poderosos (microscópio electrónico, microscópio de efeito de túnel e microscópio de força atómica).

A experiência mostra-nos que estados diferentes têm propriedades físicas diferentes e que estas são determinadas essencialmente pela ordem ou arranjo molecular de cada estado (à qual os físicos chamam simetria). Por exemplo o diamante e a grafite são ambos sólidos à temperatura ambiente e têm a mesma composição química (carbono), porém têm propriedades físicas diferentes, as quais se devem exclusivamente a um arranjo molecular (ou simetria) diferente.

As moléculas organizam-se de formas diferentes nos sólidos, nos líquidos e nos gases. Por exemplo a água líquida tem uma estrutura parcialmente ordenada (a pequenas distâncias) caracterizada por ligações dinâmicas que se formam e partem constantemente. A desordem aumenta à medida que a temperatura aumenta como se encontra ilustrado nos dois vídeos seguintes: água com gelo e água a ferver (source). No líquido, uma molécula está ligada em média a 3.4 outras moléculas mas devido ao carácter dinâmico destas ligações os vizinhos de uma molécula mudam constantemente. O gelo tem uma estrutura com ordem de longo alcance, caracterizada por uma rede cristalina (source) rígida, onde cada molécula está ligada a 4 outras moléculas de água.

Água no estado sólido.

Água no estado líquido.

As duas estruturas podem ser comparadas na imagem onde é evidente a ordem de longo alcance do gelo e o espaço vazio que esta ordem implica, razão pela qual o gelo é menos denso que a água líquida ao contrário do que acontece com a maior parte das outras substâncias (a densidade do gelo é 0.931 g/cm³ e a densidade da água líquida é 1.00 g/cm³ a 4.01 °C).