Substâncias e misturas

Uma porção de água com sal pode parecer tão uniforme quanto uma porção de água pura. Já um copo com gelo e água apresenta duas regiões visíveis mesmo quando contém uma única substância. Esses exemplos mostram que composição e aparência respondem a perguntas diferentes.

Para classificar um material, precisamos investigar quais substâncias estão presentes e como elas se distribuem. Transparência, cor e quantidade de camadas ajudam, mas nenhuma delas, isoladamente, determina pureza. A palavra “puro” num anúncio também pode ter sentido comercial diferente do sentido químico.

O que define uma substância?

Uma substância química tem composição definida e propriedades características nas condições consideradas. A água, por exemplo, é representada por $\mathrm{H_2O}$: cada molécula contém dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio. Mudar a quantidade de água não muda essa proporção.

Os átomos de hidrogênio e oxigênio de uma molécula de água não são pequenas porções de gás hidrogênio e gás oxigênio misturadas. Eles integram uma substância com propriedades próprias. Para transformar água nesses gases é necessário um processo químico; não basta filtrar ou deixar em repouso.

Oxigênio, $\mathrm{O_2}$, e ozônio, $\mathrm{O_3}$, são substâncias simples diferentes do mesmo elemento. Esse fenômeno é chamado de alotropia. Portanto, contar elementos não é o mesmo que contar substâncias.

Misturas têm proporções variáveis

Uma mistura reúne duas ou mais substâncias. Podemos preparar água salgada com mais ou menos sal sem criar uma nova substância chamada “água salgada”. A composição da solução varia dentro dos limites de solubilidade e das condições de preparo.

Ar, água do mar e muitos materiais metálicos são misturas. Uma liga pode apresentar uma fase ou várias, dependendo de sua composição e estrutura; não é correto concluir que todas as ligas metálicas são homogêneas. Já uma amostra ideal de cobre puro contém uma substância simples.

Na linguagem escolar, componentes são as substâncias consideradas na composição da mistura. Quando há reações ou equilíbrios químicos, a contagem microscópica exige mais cuidado; nos exemplos desta página, trabalhamos com sistemas simples sem reação entre os materiais.

Fase é uma região uniforme do sistema

Uma fase é uma região com propriedades uniformes, separada de outras fases por uma interface. Uma mistura homogênea tem uma fase; uma mistura heterogênea tem mais de uma.

A contagem de fases não é uma contagem de pedaços. Dez cubos de gelo e água líquida continuam correspondendo a duas fases, se todos os cubos tiverem a mesma composição e estrutura. Da mesma forma, várias gotas do mesmo óleo numa fase aquosa não representam uma fase diferente por gota.

Uma mistura pode parecer uniforme a olho nu e revelar heterogeneidade em outra escala. Leite, por exemplo, contém gotículas e partículas dispersas; sua aparência uniforme não basta para classificá-lo como solução verdadeira.

Exemplo resolvido: água, sal, gelo e areia

Considere um recipiente com água, uma pequena quantidade de sal totalmente dissolvida, gelo e areia idealizada como dióxido de silício. No instante observado, o gelo ainda não derreteu e não há sal sólido depositado.

Primeiro, contamos as substâncias consideradas: água, sal e dióxido de silício, totalizando três componentes. Depois, identificamos regiões distintas: a solução líquida, o gelo e a areia sólida, totalizando três fases. O gelo não acrescenta um componente, porque também é água, mas acrescenta uma fase.

Se todo o gelo derreter e o sal continuar dissolvido, restarão duas fases: solução e areia. A composição global não exige formação de substância nova; o que mudou foi a organização física do sistema.

Como propriedades ajudam a identificar materiais?

Densidade, solubilidade e temperaturas de mudança de estado ajudam a caracterizar substâncias. Para comparar densidades, é preciso informar condições como temperatura, pois o volume pode variar. A expressão $d=m/V$ relaciona massa e volume de uma amostra; dobrar ambos não dobra a densidade.

Sob pressão fixa, uma substância pura em equilíbrio costuma apresentar temperatura definida durante fusão ou ebulição. Misturas comuns apresentam intervalos, mas há exceções: misturas eutéticas podem fundir a temperatura constante e azeotrópicas podem ferver a temperatura constante em determinada composição e pressão. Um único patamar não comprova pureza por si só.

Solubilidade indica quanto soluto pode formar uma solução com determinada quantidade de solvente nas condições informadas. Para muitos gases dissolvidos em água, aquecer diminui a solubilidade, enquanto aumentar a pressão parcial do gás sobre a solução favorece sua dissolução. Isso ajuda a explicar por que uma bebida gaseificada perde gás depois de aberta: a pressão de dióxido de carbono acima do líquido diminui. Essa tendência dos gases não deve ser aplicada automaticamente a todos os sólidos dissolvidos.

Higroscopicidade é a tendência de um material absorver umidade do ambiente. Ela depende da composição do material e das condições de umidade e temperatura. O empedramento de certos sais pode estar relacionado à umidade absorvida; esse comportamento não deve ser confundido com a solubilidade medida ao mergulhar o material em água líquida.

Como ler uma tabela ou curva de mudança de estado?

Compare a temperatura da amostra com os pontos de fusão (PF) e ebulição (PE), medidos na mesma pressão. No modelo usual de uma substância que não se decompõe ao aquecer, abaixo do PF ela está sólida; entre PF e PE, líquida; acima do PE, gasosa. Exatamente na temperatura de uma mudança de estado, a temperatura sozinha não informa a proporção das fases presentes.

Considere duas substâncias hipotéticas em equilíbrio, sob a pressão especificada pelo experimento:

Se X for aquecida até 80 °C e começar a ferver nessa pressão, líquido e vapor podem coexistir. Durante a vaporização, fornecer energia não exige aumento de temperatura: parte da energia transferida está associada à mudança de estado. Na curva de aquecimento idealizada, os trechos inclinados representam aquecimento de uma fase, e os patamares representam mudanças de estado. Verifique as condições e as exceções de misturas antes de usar o formato da curva como diagnóstico de pureza.

Um roteiro de classificação

Identifique o que o enunciado diz sobre composição e dissolução. Conte substâncias separadamente das fases. Verifique se há substância simples ou composta, sem usar esses nomes como sinônimos de homogênea e heterogênea. Por fim, explique qual informação sustenta sua conclusão: a qualidade da justificativa importa mais que decorar exemplos isolados.