CAPÍTULO

6 Transformações dos materiais

Observe as fotos a seguir.

Diferentes etapas (imagens A e B) do processamento do metal alumínio ($\mathrm{A}\mathrm{\ell }$) em uma fábrica em Komarom, Hungria, em 2018.

Professor, professora: Os símbolos dos elementos químicos e as fórmulas químicas das substâncias serão apresentados na primeira ocorrência, por capítulo.

Questão 1. Qual é a principal diferença do material apresentado nas imagens A e B?

Resposta nas orientações ao professor.

Os materiais podem se apresentar em diferentes estados físicos, como sólido, líquido e gasoso. Além disso, eles podem sofrer diversas transformações, como de formato, de estado físico e até mesmo de composição.

Dependendo das características dessas transformações, elas podem ser classificadas em físicas ou químicas. É sobre esse assunto que vamos estudar a seguir.

Transformações físicas da matéria

Ao responder à questão anterior, você deve ter citado que uma das diferenças entre os materiais das imagens A e B diz respeito ao estado físico do alumínio. No processamento desse material, ele é submetido a diferentes condições de temperatura e de pressão, por exemplo, que fazem com que ele se apresente no estado líquido (imagem A) ou no estado sólido (imagem B).

Quando um material sofre uma mudança de estado físico, sua composição não se modifica. Por exemplo, o alumínio líquido tem a mesma constituição do alumínio sólido. Além disso, não se observa a formação de novos materiais. Nesse caso, temos uma transformação física da matéria.

As mudanças de estado físico são exemplos de transformações físicas da matéria. Em nosso dia a dia podemos perceber essas mudanças em diversas situações. Durante o ciclo da água na Terra, por exemplo, ocorrem diversas mudanças no estado físico da água. Observe a seguir.

Fonte de pesquisa: USGS. O ciclo d'água. Disponível em: https://oeds.link/fMt5yg. Acesso em: 28 fev. 2022.

Questão 2. Observando o esquema, descreva com suas palavras o que ocorre em cada etapa (1 a 5) do ciclo da água no ambiente. Em seguida, liste em seu caderno as mudanças de estado físico da água que você identificar.

Resposta nas orientações ao professor.

Cada uma das mudanças de estado físico da matéria recebe um nome. Observe a seguir.

Questão 3. Escreva no caderno, na mesma lista que você fez para a questão de análise do esquema do ciclo da água, o nome de cada uma das mudanças de estado físico da água que você identificou.

Resposta: Espera-se que os alunos identifiquem a vaporização – mudança do estado físico líquido para o gasoso; a condensação – mudança do estado físico gasoso para o líquido; e a solidificação – mudança do estado físico líquido para o sólido.

A seguir, vamos conhecer com mais detalhes cada uma dessas mudanças de estado físico.

Fusão

É provável que você já tenha ouvido falar que a intensificação do efeito estufa – provocada, entre outros motivos, pelo aumento na emissão de gases poluentes na atmosfera – tem como consequência o aumento da temperatura média da Terra. Um dos efeitos desse aumento de temperatura é o derretimento das calotas polares^✚.

Glossário

Questão 4. Cite pelo menos uma situação de seu dia a dia que envolva a fusão.

Resposta pessoal. Os alunos podem citar situações como o derretimento de gelo e de picolés.

Questão 5. Considerando condições de pressão constante, que fator é responsável pelas mudanças de estado físico da matéria, como a representada na imagem?

Resposta: O objetivo da questão é instigar os alunos a retomar conhecimentos a respeito das condições que causam as transformações da matéria. Espera-se que eles respondam que o fator responsável por essas mudanças é a temperatura, mais especificamente seu aumento ou sua redução.

Ao receber energia térmica de uma fonte de calor, a matéria que estava no estado sólido torna-se líquida. Essa mudança de estado físico é chamada fusão. A matéria no estado líquido não apresenta formato definido, adquirindo o formato do recipiente que a contém.

Nas fábricas de processamento de alumínio, como a apresentada anteriormente, esse metal é aquecido. Ao atingir cerca de $660°\mathrm{C}$, ao nível do mar, o alumínio passa do estado sólido para o líquido, para então ser despejado nas formas que conferem o formato do objeto.

A temperatura em que a matéria muda do estado físico sólido para o estado líquido é chamada temperatura de fusão. Cada substância tem um ponto de fusão específico. Ao nível do mar, a temperatura de fusão da água, por exemplo, é $0°\mathrm{C}$.

Vaporização

Observe as situações a seguir.

Questão 6. Qual é o principal agente responsável pela mudança de estado físico da água em cada uma das situações?

Resposta: Espera-se que os alunos respondam que na situação A é a luz solar, mais especificamente o calor que ela fornece. Já na situação B, é o calor proveniente da chama do fogão.

Questão 7. Por que, na situação B, formam-se bolhas na água?

Resposta: O objetivo desta questão é levantar os conhecimentos prévios dos alunos sobre a ebulição. Espera-se que os alunos respondam que as bolhas se formam em razão do aquecimento da água. Esse aquecimento favorece o desprendimento de gases, presentes na água, os quais são liberados como bolhas.

Nas situações A e B, ao receber energia térmica da luz solar e da chama do fogão, respectivamente, a água líquida tende a passar para o estado gasoso e se espalhar para a atmosfera terrestre. Essa situação é exemplo de uma mudança de estado físico da matéria conhecida como vaporização.

A transformação da matéria nas situações A e B, apresentadas na página anterior, se dá de maneira um pouco distinta. Isso porque a vaporização pode ocorrer de duas maneiras, por meio da evaporação ou da ebulição.

Na evaporação, a passagem da matéria do estado líquido para o estado gasoso ocorre lentamente. Nesse caso, o processo de vaporização ocorre na superfície do líquido, como representado na situação A da página anterior.

Na ebulição a matéria no estado líquido recebe calor e a vaporização ocorre por todo o líquido de forma rápida, não somente na superfície. A ebulição pode ser observada na situação B da página anterior.

Cada substância entra em ebulição a determinada temperatura, a qual é chamada temperatura de ebulição. A água, por exemplo, ao nível do mar, entra em ebulição a $100°\mathrm{C}$.

Condensação

Observe a foto a seguir.

Questão 8. Ao tomar banho com água aquecida, principalmente em dias frios, você possivelmente vivenciou uma situação semelhante à apresentada na foto. Explique por que isso ocorre.

Resposta: O objetivo desta questão é levantar os conhecimentos prévios dos alunos sobre a condensação. Eles podem responder que a água no estado gasoso do ambiente se condensa em algumas superfícies do banheiro que estão a menor temperatura, como os vidros e os espelhos, transformando-se em gotículas de água no estado líquido. Essas gotículas deixam a aparência embaçada nos espelhos.

Ao entrar em contato com corpos de menor temperatura, a matéria no estado físico gasoso cede energia térmica a eles, até ocorrer a condensação da matéria, que torna-se líquida.

É o que acontece na situação representada na foto. O vapor de água, liberado no ambiente do banheiro pelo chuveiro aquecido, se condensa na superfície do espelho, por ela estar com uma temperatura menor do que a temperatura do vapor.

Solidificação

Para o preparo do sorvete mostrado na foto, basta colocar suco de fruta dentro de saquinhos, amarrar a extremidade e mantê-los no congelador por algumas horas, até que o líquido se solidifique.

Quando a matéria no estado líquido cede energia térmica para o ambiente ou para outro corpo, ela sofre redução de sua temperatura. Ao atingir determinada temperatura, essa matéria torna-se sólida. É o que acontece quando colocamos o saquinho com suco de frutas no estado líquido em um congelador por algumas horas. Nesse caso, o líquido cede energia térmica para o refrigerador, tornando-se sólido, ou seja, ocorre a solidificação do suco.

Cada substância passa do estado líquido para o sólido a determinada temperatura, conhecida como temperatura de solidificação. No caso da água pura, ao nível do mar, a temperatura de solidificação é $0°\mathrm{C}$.

Sublimação

Observe a foto a seguir.

O gelo-seco, como o apresentado na foto, é constituído de gás carbônico (${\mathrm{C}\mathrm{O}}_2$) no estado sólido e é usado, por exemplo, para refrigerar alimentos e vacinas.

Ao receber calor do ambiente, o gelo-seco passa diretamente do estado sólido para o estado gasoso. Essa mudança de estado físico, do sólido para o gasoso, é chamada sublimação.

O processo inverso, ou seja, a passagem direta da matéria do estado gasoso para o estado sólido, é chamado deposição.

Atividades

Faça as atividades no caderno.

1. O esquema a seguir representa alguns dos estados físicos da matéria e suas possíveis mudanças.

2. Em relação à atividade anterior, quais mudanças de estado físico identificadas ocorrem em razão do aquecimento da matéria e quais ocorrem por causa do resfriamento da matéria?

Resposta: Espera-se que os alunos respondam que o aquecimento da matéria é responsável pelas mudanças de estado físico identificadas pelas letras A, B e C. Já as mudanças resultantes do resfriamento da matéria estão representadas pelas letras D, E e F.

3. A cidade do Rio de Janeiro encontra-se ao nível do mar. Já a cidade de La Paz, capital da Bolívia, encontra-se a cerca de $3.700\mathrm{m}$ de altitude.

Explique em qual dessas cidades a água entra em ebulição em menor temperatura.

Resposta nas orientações ao professor.

4. Após a lavagem de suas roupas, uma pessoa está em dúvida a respeito do ambiente adequado para secá-las mais rapidamente.

a) Qual dos ambientes apresentados a seguir é mais adequado ao objetivo da pessoa? Copie o item correto em seu caderno.

Ambiente protegido da ação dos ventos e da incidência direta de luz solar.

Ambiente protegido da ação dos ventos e exposto diretamente à incidência de luz solar.

Ambiente exposto à ação dos ventos e à incidência direta de luz solar.

b) De acordo com o que você estudou, como a luz solar auxilia na secagem das roupas?

c) Pesquise como o vento auxilia a secagem da roupa.

Respostas nas orientações ao professor.

5. Observe a foto a seguir.

a) Qual é o nome da mudança de estado físico da água que ocorre durante a utilização do equipamento apresentado na foto?

Resposta: Vaporização, ou, mais especificamente, evaporação.

b) Como esse equipamento ajuda a secar os cabelos?

Resposta: Espera-se que os alunos respondam que o secador de cabelos promove a evaporação da água presente nos cabelos molhados tanto pela liberação de ar quente, que aquece os fios de cabelo e promove a evaporação da água, quanto pelo vento, que acelera esse processo de secagem. Mesmo que utilizado na função "frio", o vento liberado pelo secador acelera a evaporação da água dos cabelos.

6. Leia e reflita sobre as duas situações a seguir

a) Em qual das situações (A ou B), o período de tempo necessário para a vaporização de toda a água foi menor? Por quê?

Resposta: Espera-se que os alunos respondam que o período de tempo necessário para a vaporização de toda a água foi menor na situação B, pois a tigela e, consequentemente, a água em seu interior, receberam energia mais rapidamente – proveniente da chama do fogão. Essa energia provocou a passagem do estado líquido para o estado gasoso mais rapidamente.

b) Como é chamado o processo de vaporização envolvido nas situações A e B?

Resposta: Espera-se que os alunos respondam que o processo de vaporização na situação A recebe o nome de evaporação. Já na situação B, recebe o nome de ebulição.

c) Cite as principais diferenças entre os processos de vaporização citados no item b.

Resposta nas orientações ao professor.

Transformações químicas da matéria

Para iniciarmos o estudo sobre as transformações químicas, observe as imagens a seguir e responda às questões.

Questão 9. Descreva a aparência da massa do bolo na foto A e na foto B.

Questão 10. Além de alterações na aparência, que outras características do bolo possivelmente mudaram após ele ser assado no forno?

Questão 11. O que provocou o aumento no volume do bolo, após ser assado no forno?

Questão 12. Sabendo que o preparo de um bolo envolve transformações químicas, como você definiria esse tipo de transformação da matéria?

Respostas nas orientações ao professor.

Além das transformações físicas, que você estudou anteriormente, a matéria pode sofrer transformações químicas.

A transformação química é também chamada reação química. Nesse tipo de transformação, a matéria passa por alterações em sua composição, originando uma ou mais substâncias que não apresentam as mesmas características das originais.

Se fizéssemos uma comparação com o preparo do bolo, os ingredientes seriam os componentes originais que, ao interagirem entre si, formam os produtos da transformação, que são a massa e as substâncias que conferem sabor, aroma etc.

No preparo de um bolo ocorrem diversas transformações químicas, tanto na mistura dos ingredientes quanto no período em que ele é assado no forno. Entre elas, podemos citar a do fermento químico, que resulta, entre outros produtos, na formação do gás carbônico, principal responsável pelo crescimento da massa assada.

Questão 13. Se retirarmos o bolo da assadeira e o cortarmos em pedaços, estamos diante de uma transformação química ou física? Por quê?

Resposta: Espera-se que os alunos respondam que o ato de cortar o bolo é uma transformação física da matéria, pois não serão produzidos novos materiais, ele apenas sofrerá alteração em seu formato e dimensões.

Em uma transformação química, as substâncias que reagem e dão origem a novas substâncias são chamadas reagentes. Já as novas substâncias formadas, com base nos reagentes, são chamadas produtos. A formação do produto ocorre pelo rearranjo dos átomos dos reagentes e a transformação química é simbolizada por uma seta. Observe a seguir.

Afinal, como saber se estamos diante de uma transformação química? Em alguns casos, essa transformação não é evidente visualmente, pois não é possível perceber a formação de um novo material. Contudo, em muitos casos, é possível identificar evidências de que houve uma reação química. Entre elas, podemos citar a mudança de coloração, a formação de gases, a exalação de odores, a formação de um precipitado^✚, a liberação ou a absorção de calor e a emissão de luz.

Glossário

As transformações químicas ocorrem em diversas situações de nosso cotidiano. Observe as imagens a seguir.

Questão 14. Que características é possível identificar nas imagens A e B que evidenciam a ocorrência de reações químicas?

Resposta: Espera-se que os alunos respondam que as evidências da ocorrência de reação química nas imagens A e B são, respectivamente, formação de gás e mudança de coloração.

Ao responder à questão sobre as evidências de que houve reação química, você deve ter citado que, na imagem A, é possível identificar a formação de gás.

O vinagre é um tempero utilizado no preparo de saladas e consiste em uma solução de ácido acético (${\text{C}}_2{\text{H}}_4{\text{O}}_2$) diluído. O bicarbonato de sódio, por sua vez, é um sólido branco utilizado na produção do fermento.

Ao misturar a solução de ácido acético e o bicarbonato de sódio, considerados os reagentes da reação química, formam-se três produtos: a água, o acetato de sódio (${\text{NaC}}_2{\text{H}}_3{\text{O}}_2$) e o gás carbônico. A formação desse gás pode ser percebida pela formação das bolhas.

Na imagem B, você deve ter citado a formação de uma nova substância, que está relacionada à mudança de cor do material.

Quando um objeto de ferro ($\text{Fe}$) fica exposto ao ar atmosférico, o gás oxigênio (${\text{O}}_2$) e a água existentes nesse ar podem reagir com o ferro. Essa reação química resulta na formação de outro material, o óxido de ferro($\mathrm{I}\mathrm{I}\mathrm{I}$) (${\text{Fe}}_2{\text{O}}_3$), conhecido popularmente por ferrugem, que pode ser percebido pela mudança na coloração do material.

Professor, professora: Comente com os alunos que, muitas vezes, a formação de ferrugem pode danificar o objeto, comprometendo sua resistência e estrutura, como no caso de pontes metálicas.

Nos ambientes, também ocorrem transformações químicas da matéria. Muitas delas são essenciais à vida na Terra, como a fotossíntese, a respiração celular e a decomposição da matéria orgânica.

A fotossíntese é um processo realizado pela maioria dos vegetais e um exemplo de transformação química. Com o auxílio da energia da luz solar, os vegetais transformam gás carbônico e água em açúcar e gás oxigênio.

Parte do açúcar produzido é utilizada pela planta, enquanto o restante é armazenado nos tecidos e pode ser transferido aos seres vivos que se alimentam dessa planta.

Parte do gás oxigênio produzido durante a fotossíntese é liberado no ambiente e utilizado por diversos seres vivos, inclusive os seres humanos, em processos como a respiração celular.

A respiração celular é outro exemplo de transformação química. Na presença do gás oxigênio, alguns seres vivos transformam nutrientes dos alimentos, como a glicose em gás carbônico, água e energia. Essa energia é utilizada pelos seres vivos para crescer, se desenvolver e realizar atividades diversas.

A decomposição da matéria orgânica também é um exemplo de transformação química. Essa reação química ocorre por ação de bactérias e fungos decompositores e resulta na liberação de nutrientes presentes na matéria orgânica para o ambiente.

Esses nutrientes ficam disponíveis no ambiente, podendo ser reaproveitados por seres vivos, como as plantas.

Taxa de desenvolvimento das transformações químicas

Quando colocamos um comprimido efervescente em um copo com certa quantidade de água, ocorre uma reação química que resulta na dissolução do comprimido. Um dos produtos dessa reação química é o gás carbônico, responsável pela efervescência do comprimido.

Agora, observe a imagem a seguir.

Questão 15. Em qual situação (A, B ou C) o comprimido efervescente se dissolve mais rapidamente na água? Justifique sua resposta.

Resposta: O objetivo desta questão é levantar os conhecimentos prévios dos alunos a respeito da influência da área superficial na rapidez com que ocorrem as reações químicas. Espera-se que eles respondam que a reação química que resulta na dissolução do comprimido efervescente ocorrerá mais rapidamente quando este estiver triturado (C), pois nesse caso há maior área de contato do comprimido com a água, quando comparado com os casos A e B.

Algumas transformações químicas ocorrem de forma mais rápida que outras. Essa característica depende, basicamente, da natureza dos reagentes. Por exemplo, a decomposição de alguns tecidos, como pele e músculo, ocorre mais rapidamente que a decomposição de ossos e pelos.

Outros fatores podem influenciar no desenvolvimento das transformações químicas, como a área de contato entre os reagentes e a temperatura na qual elas ocorrem.

Área de contato

Para que ocorra uma reação química, é necessário que as partículas dos reagentes entrem em contato entre si e que elas tenham capacidade de transformar-se em outra substância. Quanto maior a área superficial entre os reagentes, maior a taxa de desenvolvimento da reação química.

Por esse motivo, ao responder à questão sobre o comprimido efervescente na página anterior, você deve ter percebido que quando trituramos o comprimido efervescente, aumentamos a área de contato dele com a água e, consequentemente, a taxa de desenvolvimento da reação química.

Assim, se considerarmos dois copos com o mesmo volume de água e, em um deles, colocarmos um comprimido efervescente triturado e, no outro, um comprimido inteiro, a reação química ocorrerá com maior rapidez no caso do comprimido triturado. Apesar dessa diferença, a reação química é a mesma em ambos os casos.

Temperatura

A temperatura é outro fator que influencia na taxa de desenvolvimento das reações químicas, diminuindo ou aumentando a rapidez dessas reações.

Para estudarmos esse tema, considere três copos com o mesmo volume de água, mas com temperaturas diferentes: copo 1 a $25°\mathrm{C}$; copo 2 a $\text{10}°\mathrm{C}$; copo 3 a $\text{40}°\mathrm{C}$.

Questão 16. Se em cada um dos copos for adicionado, simultaneamente, um comprimido efervescente, em qual dos copos (1, 2 ou 3) o comprimido se dissolverá mais rapidamente? Explique.

Resposta nas orientações ao professor.

Em temperatura ambiente ($25°\mathrm{C}$), a reação química que causa a dissolução do comprimido efervescente ocorre a determinada taxa de desenvolvimento. No entanto, temperaturas mais elevadas, como a do copo 3, provocam maior agitação entre as partículas dos reagentes, fazendo com que elas se choquem com mais frequência. Como resultado, a reação química ocorre mais rapidamente.

Por outro lado, temperaturas mais baixas, como a do copo 2, reduzem a agitação das partículas dos reagentes fazendo com que elas se choquem com menos frequência. Como resultado, a reação química ocorre mais lentamente, quando comparada com as que ocorrem nos copos 1 e 3.

Algo semelhante ocorre ao assarmos um bolo no forno. A reação química responsável pela formação de novos componentes, entre eles, o gás carbônico, ocorre a determinada taxa de desenvolvimento à temperatura ambiente.

Quando a massa do bolo é colocada no forno, o aumento da temperatura provoca maior agitação entre as partículas dos reagentes, fazendo que elas se choquem com mais frequência. Dessa forma, a taxa de desenvolvimento da reação química se eleva e o bolo cresce rapidamente.

Atividades

Faça as atividades no caderno.

1. Observe as situações a seguir.

a) Escreva em seu caderno quais dessas situações representam transformação química da matéria.

Resposta: Espera-se que os alunos citem as situações B e C.

b) Justifique suas escolhas no item a citando as evidências da transformação química que você observou em cada caso.

Resposta nas orientações ao professor.

2. Em uma atividade da escola, Joana montou um modelo que representa um vulcão em erupção. Leia os procedimentos que ela realizou.

a) No procedimento A que Joana realizou, ocorreu uma transformação química ou física? Justifique.

Resposta: Uma transformação física, pois houve apenas a mudança de formato da argila.

b) No procedimento C ocorreu uma transformação física ou química? Justifique.

Resposta: Espera-se que alunos respondam que houve uma transformação química, pois o material que foi expelido no cone do vulcão é resultado da reação química entre o vinagre e o bicarbonato de sódio, liberando gás carbônico e outras substâncias.

3. Marcelo cortou uma maçã, comeu parte dela e deixou o restante sobre a mesa da cozinha para comer mais tarde. Após quatro horas, ao retornar à cozinha, ele percebeu que o restante da maçã estava com uma coloração escura.

a) Pesquise e explique o que ocorreu com o pedaço de maçã após as quatro horas. Trata-se de uma transformação química ou física?

b) O que Marcelo poderia ter feito para evitar ou reduzir o aparecimento da coloração escura no pedaço de maçã?

Respostas nas orientações ao professor.

4. A parafina é uma mistura de substâncias compostas de carbono ($\text{C}$) e de hidrogênio ($\text{H}$). Quando acendemos o pavio da vela, o calor derrete parte da parafina que está próximo à chama e ela se vaporiza. O vapor de parafina reage com o gás oxigênio do ar, formando gás carbônico, vapor de água e energia na forma de luz e calor. Além disso, parte da parafina passa por um processo incompleto de combustão, formando fuligem.

a) Cite uma transformação química que ocorre ao acender a vela.

Resposta: Os alunos podem citar a transformação química que ocorre entre as substâncias da parafina e o gás oxigênio, que tem como produtos o gás carbônico e a água.

b) Essa transformação ocorreria em um ambiente sem gás oxigênio? Justifique sua resposta.

Resposta nas orientações ao professor.

c) Com a ajuda de um adulto, elabore uma atividade prática que permita investigar o que você respondeu no item b.

Resposta nas orientações ao professor.