Diagrama de fases e pressão de vapor

Nesta aula vamos entender o que representa o diagrama de fases e a pressão de vapor. Além disso, iremos verificar o que ocorre com as substâncias nas suas mudanças de estados físicos. Estude com a gente para mandar bem no Enem!

Então venha estudar conosco e se preparar para a prova do Enem e de outros vestibulares!

Primeiramente, vamos revisar o conteúdo de mudanças de estados físicos, para fixar o conteúdo. Em seguida, estudaremos o diagrama de fases e pressão de vapor. Além disso, verificaremos o que ocorre com as substâncias nas suas mudanças de estado físico.

Mudanças de estado físico

Para começarmos o estudo do diagrama de fases, devemos recordar sobre as mudanças de estados físicos das substâncias. As transformações de estados físicos ocorrem quando se observam alterações na temperatura e na pressão de uma substância.

mudança de estado físico
Imagem 1: Infográfico demonstrando os nomes das mudanças de estado físico. Fusão: de sólido para líquido; vaporização: de líquido para gasoso; condensação ou liquefação: de gasoso para líquido; solidificação: de líquido para sólido; sublimação: de sólido para gasoso; ressublimação: de gasoso para sólido.

O que determina o estado em que a matéria se encontra é a proximidade de suas partículas. No estado sólido, as moléculas estão muito próximas umas das outras. Isso por conta das suas ligações intermoleculares muito fortes, o que dificulta sua separação. Além disso, as moléculas no estado sólido apresentam forma e volume fixo.

Já no estado líquido, as moléculas estão mais afastadas do que no estado sólido. Ademais, apresentam forma variada e volume constante, adquirindo a forma do recipiente que os contêm.

Por fim, as moléculas gasosas se movimentam muito mais do que as moléculas dos estados líquido e sólido. Além disso, elas se encontram muito distantes umas das outras. Por isso, é preciso colocar as moléculas gasosas dentro de um recipiente. Essas moléculas não apresentam forma e volume constante e, assim como no estado líquido, adquirem a forma do recipiente que as contêm.

Em seguida, vamos entender como funciona o diagrama de fases.

Diagrama de fases

O diagrama de fases representa um gráfico formado pela relação entre pressão e temperatura. Assim, ele demonstra como variam os estados físicos de uma substância de acordo com a variação de pressão e temperatura. Além disso, ele mostra como as substâncias passam de um estado físico para outro.

diagrama de fases
Imagem 2: Diagrama de fases. Fonte: manualdaquimica.com.br

Podemos observar que o gráfico acima é formado pelo eixo x, onde está localizada a temperatura (ºC) e pelo eixo y, onde está localizada a pressão (mmHg). Ademais, outro fator importante a ser observado nesse gráfico é que ele possui um ponto central por onde partem 3 linhas. Essas linhas irão representar os estados sólido, líquido e gasoso, que são colocados na sua sequência de sua ocorrência.

Além disso, observamos que cada linha representa uma passagem de estado físico. Assim, a curva de sublimação, representa as substâncias que ocorrem no estado sólido e de vapor. Já a curva de solidificação representa as substâncias que ocorrem no estado sólido e no estado líquido. Por fim, a curva de condensação representa as substâncias que ocorrem no estado líquido e no estado de vapor.

O ponto triplo representa o momento em que uma substância existe nos 3 estados físicos ao mesmo tempo a uma dada temperatura e pressão. Já o ponto crítico representa o momento em que não podemos distinguir os estados líquido e de vapor. Aqui, as substâncias se transformam em gás.

Em seguida, vamos comparar o diagrama de fases da água e do gás carbônico:

Primeiramente, quando há o diagrama de fases em um enunciado, devemos identificar as mudanças de estado físico das substâncias. Antes, observe que nos dois gráficos a posição dos estados físicos é a mesma.

diagrama de fases - água e gás carbônico
Imagem 3: A imagem é uma montagem de dois diagramas de fases. O primeiro é o diagrama do gás carbônico e o segundo é o da água. Fonte: manualdaquimica.com.br

Além disso, a separação entre o estado sólido e líquido muda entre os dois gráficos. No gráfico da água, a curva está deslocada para o lado esquerdo. Já no gráfico do CO2, a curva está deslocada para o lado direito.

Em seguida, perceba que cada substância terá um ponto triplo diferente. Isso porque cada substância apresenta pontos de fusão e de liquefação diferentes das outras substâncias.

Observando o diagrama de fases da água, notamos que ela é a única substância que apresenta a curva do estado sólido para o estado líquido deslocada para a esquerda. Isso explica como conseguimos deslizar sobre uma superfície sólida, ou seja, como conseguimos patinar no gelo.

Quando estamos sob os patins, exercemos uma pressão sobre a camada de gelo, em um ponto específico. Conforme a pressão aumenta, sem variar a temperatura, a água passa do estado sólido para o estado líquido. Isso permite que as pessoas deslizem sobre o gelo. Depois que você passa por esse ponto, a pressão volta ao normal e a água volta para o estado sólido. Em contrapartida, com o CO2 não se pode fazer isso. Isso porque, observando seu diagrama, não há nenhum ponto em que ele passe do estado sólido para líquido com o aumento de pressão.

Em seguida, veja a videoaula abaixo para aprofundar os seus conhecimentos sobre diagrama de fases:

Por fim, lembre-se que as mudanças de estados físicos buscam sempre o equilíbrio dinâmico do sistema. Em seguida, vamos aprender o que é pressão de vapor.

Pressão de vapor

A pressão de vapor representa a pressão exercida pelo vapor sobre seu líquido. Ela está relacionada com o processo de evaporação de um líquido, ou seja, com sua volatilidade. Assim, quanto maior for a pressão de vapor de uma substância, maior será sua volatilidade.

Quando em um sistema fechado ocorre o equilíbrio entre a evaporação e a condensação, temos a pressão máxima de vapor para determinado líquido em certa temperatura.

Além disso, o processo de vaporização pode ocorrer de forma lenta e natural. Nesse caso, ele se verifica na superfície do líquido e é denominado evaporação. Exemplo: quando colocamos as roupas para secar no varal.

Essa mudança de estado pode também ocorrer de forma forçada e rápida, como nos processos de ebulição. Neles, há muita agitação no líquido e formação de bolhas. Assim como na ebulição, o processo de calefação também ocorre de forma forçada e muito rápida. Ele ocorre quando o líquido é posto em contato com uma superfície muito quente. Nesse caso, a vaporização é imediata. 

Fatores que influenciam a pressão de vapor

A pressão de vapor sofre influência da temperatura e das interações intermoleculares, que representam a forma como as moléculas dos compostos interagem entre si. Quanto mais fortes forem as interações intermoleculares das substâncias, mais unidas as moléculas estarão. Além disso, mais difícil será para separá-las. Isso provoca a diminuição da quantidade de vapor com uma menor pressão de vapor. Assim, quanto maior a força intermolecular, menor será a pressão de vapor.

Forças intermoleculares

Caso você não se lembre, as forças intermoleculares são: pontes de hidrogênio > dipolo-dipolo > dipolo induzido.

Ao comparar 3 substâncias, como a água, o éter e o álcool, observamos que das 3 substâncias citadas, o éter evapora muito rápido. Isso porque ele é mais volátil. Vale ressaltar que a volatilidade de uma substância está ligada a intensidade das interações intermoleculares. Portanto, quanto mais fracas forem essas interações, mais volátil será a substância. O éter apresenta interações muito fracas, do tipo dipolo-induzido. Sendo assim, é fácil que as moléculas escapem do estado líquido para o estado gasoso.

Em contrapartida, a molécula de água liga-se por meio da ligação de pontes de hidrogênio, uma interação muito forte entre suas moléculas. Isso faz com que poucas moléculas consigam se desprender do estado líquido e passem ao estado gasoso. Portanto, a água apresenta pouca volatilidade, ou seja, não evapora com a mesma facilidade das outras substâncias.

Por fim, o álcool evapora mais rápido do que a água. Isso porque suas interações são intermediárias.

pressão de vapor gráfico
Imagem 4: Gráfico comparando as pressões de vapor do álcool e da água. Fonte: manualdaquimica.com.br

No gráfico acima, observamos que a uma temperatura de 20ºC, o álcool apresenta uma pressão de vapor igual a 44 mmHg. Ela é muito mais elevada que a da água, equivalente a 17,5 mmHg. Isso porque as forças intermoleculares do álcool são mais fracas que as interações intermoleculares da água. Dessa forma, isso promove a evaporação mais rápida das suas moléculas.

Temperatura

Ainda no mesmo gráfico, observe que o aumento da temperatura favorece a evaporação do líquido. Quanto maior a temperatura, maior a pressão de vapor. Quando se aquece um líquido, a quantidade de vapor aumenta conforme o tempo de aquecimento. Isso faz com que a pressão de vapor também aumente.

O aumento da temperatura provoca a agitação das moléculas, gerando mais colisões entre elas. Assim, mais moléculas passam para o estado gasoso, fazendo com que o líquido evapore mais rápido e provoque o aumento da pressão de vapor.

A ebulição de um líquido ocorre quando a pressão de vapor do líquido é igual à pressão externa na qual o líquido está submetido. Um líquido entra em ebulição quando sua pressão de vapor é igual à pressão externa. Quanto maior for a pressão de vapor de um líquido, mais volátil este será. Quanto mais volátil for um líquido, menor será sua temperatura de ebulição.

gráfico pressão de vapor
Imagem 5: Gráfico comparado a pressão de vapor do éter, do álcool e da água. Fonte: infoescola.com.br

No gráfico cima, podemos observar que quanto mais volátil for o líquido, menor será sua temperatura de ebulição. O éter é a substância que evapora mais rápido em uma temperatura equivalente a 35ºC, menor em relação aos outros 2 compostos. A água é o composto que mais demora para evaporar em uma temperatura equivalente a 100ºC, muito maior em relação aos outros compostos do gráfico.

Nas 3 substâncias, a pressão de vapor aumenta com o aumento da temperatura.

Conforme a temperatura aumenta, o éter evapora mais fácil, por conta de suas forças intermoleculares. Aumenta, também, sua pressão de vapor, alcançando a pressão atmosférica em torno de 35ºC. Assim, sua temperatura de ebulição é de 35ºC.

Em relação à molécula de água, que possui forças intermoleculares mais fortes, não há muita alteração da pressão de vapor com o aumento da temperatura. A temperatura de ebulição da água é de 100ºC, onde a pressão de vapor da água só atinge a pressão atmosférica a 100ºC.

Ponto de ebulição e a altitude

A pressão atmosférica exerce influência no ponto de ebulição.

Sabemos que quanto maior a altitude, menor é a pressão atmosférica. Com isso, mais fácil o líquido evapora.  Consequentemente teremos uma menor temperatura de ebulição, exigindo menos aquecimento. Vamos ver como isso ocorre?

Ao nível do mar, a pressão atmosférica é muito grande. Por isso, a temperatura de ebulição da água ao nível do mar é 100ºC. Em Campos do Jordão, cidade montanhosa do estado de São Paulo, a pressão atmosférica é menor. Além disso, a temperatura de ebulição da água nessa cidade é em torno de 90ºC. Já no pico de Everest, a temperatura de ebulição da água é em torno de 70ºC. Isso porque a pressão atmosférica é menor, exigindo menos energia para que a pressão de vapor do líquido chegue a pressão externa.

relação entre pressão e altitude - aula diagrama de fases
Imagem 6: desenho esquemático. Fonte: alunosonline.uol.com.br
pressão de vapor e temperatura - aula diagrama de fases
Imagem 7: Gráfico comparando a pressão de vapor do álcool e da água. manualdaquimica.com.br

No gráfico acima, observamos que ao nível do mar, onde a pressão de vapor é equivalente a 760 mmHg, o álcool ferve a 78,3ºC e a água ferve a 100ºC. Em nosso dia a dia utilizamos a panela de pressão para cozinhar certos alimentos. Este procedimento está relacionado também com o ponto de ebulição. A pressão interna da panela é mais elevada, para que suas moléculas se acumulem dentro, dificultando a vaporização. Isso provoca o aumento da temperatura de ebulição. Sendo assim, a água na panela de pressão entra em ebulição acima de 100ºC, levando ao cozimento mais rápido dos alimentos.

Em seguida, veja o vídeo sobre pressão de vapor para aumentar seus conhecimentos!

Por fim, vamos fazer alguns exercícios sobre os assuntos que envolvem o diagrama de fases?
01. (UECE – 2009) Observando o diagrama de fase PT mostrado a seguir. Pode-se concluir, corretamente, que uma substância que passou pelo processo de sublimação segue a trajetória:

diagrama de fases - exercício 1

a) X ou Y

b) Y ou U

c) U ou V

d) V ou X

02. (ENEM 1999) A panela de pressão permite que os alimentos sejam cozidos em água muito mais rapidamente do que em panelas convencionais. Sua tampa possui uma borracha de vedação que não deixa o vapor escapar, a não ser através de um orifício central sobre o qual assenta um peso que controla a pressão. Quando em uso, desenvolve-se uma pressão elevada no seu interior. Para a sua operação segura, é necessário observar a limpeza do orifício central e a existência de uma válvula de segurança, normalmente situada na tampa.

O esquema da panela de pressão e um diagrama de fase da água são apresentados abaixo.

A vantagem do uso de panela de pressão é a rapidez para o cozimento de alimentos e isto se deve

a) à pressão no seu interior, que é igual à pressão externa.

b) à temperatura de seu interior, que está acima da temperatura de ebulição da água no local.

c) à quantidade de calor adicional que é transferida à panela.

d) à quantidade de vapor que está sendo liberada pela válvula.

e) à espessura da sua parede, que é maior que a das panelas comuns.

03. (UFSM-RS) Assinale falso (F) ou verdadeiro (V) em cada afirmativa.

( ) A água pode evaporar a uma temperatura menor do que 100°C.

( ) A sensação de frio ocasionada pela evaporação da água sobre a pele deve-se à absorção de energia da pele pelo líquido.

( ) A velocidade de evaporação da água não depende da pressão externa.

A sequência correta é

a) V – V – F.

b) F – F – V.

c) F – F – F.

d) V – F – F.

e) V – V – V.

04. (FATEC-SP) Quando um líquido se encontra em equilíbrio com seu vapor, devem-se cumprir as condições à temperatura constante:

I. não há transferência de moléculas entre o líquido e o vapor.

II. a pressão de vapor tem um valor único.

III. os processos líquido a vapor e vapor a líquido processam-se com a mesma velocidade.

IV. A concentração do vapor depende do tempo.

Quais das seguintes condições são corretas?

a) II e III

b) I e III

c) I, II e III

d) II e IV

e) I e II

05. (FUVEST-SP)  Em um mesmo local, a pressão de vapor de todas as substâncias puras líquidas:

a) tem o mesmo valor à mesma temperatura.

b) tem o mesmo valor nos respectivos pontos de ebulição.

c) tem o mesmo valor nos respectivos pontos de fusão.

d) aumenta com o aumento do volume de líquido (T = cte).

e) diminui com o aumento do volume de líquido (T = cte).

06. (VUNESP-SP)  Comparando duas panelas, simultaneamente sobre dois queimadores iguais de um mesmo fogão, observasse que a pressão dos gases sobre a água fervente na panela de pressão fechada é maior que aquela sobre a água fervente numa panela aberta. Nessa situação, e se elas contêm exatamente as mesmas quantidades de todos os ingredientes, podemos afirmar que, comparando com o que ocorre na panela aberta, o tempo de cozimento na panela de pressão fechada será:

a) menor, pois a temperatura de ebulição será menor.

b) menor, pois a temperatura de ebulição será maior

. c) menor, pois a temperatura de ebulição não varia com a pressão.

d) igual, pois a temperatura de ebulição independe da pressão.

e) maior, pois a pressão será maior.

Gabarito: 1. B (a curva de sublimação separa as áreas que correspondem as fases sólida e de vapor); 2. B; 3. A;  4. A; 5. B; 6. B.

Sobre o(a) autor(a):

Texto elaborado por Roseli Prieto, professora de Química e Biologia da rede estadual de São Paulo. Já atuou em diversas escolas públicas e privadas de Santos (SP). É Gestora Ambiental e Especialista em Planejamento e Gestora de cursos a distância.