Fusão: o que é, como funciona e quando acontece

Em um dia quente e ensolarado, nada melhor do que um bebida gelada, certo? Já reparou que quando tomamos um suco ou refrigerante com gelo a um tempo ele fica com um sabor um tanto “aguado”? Isso acontece porque o gelo que está dentro da bebida derrete, em termos físicos, aconteceu uma fusão.

O que aconteceu com o gelo neste exemplo foi a transformação da matéria (água) do estado sólido (cubo de gelo) para o estado líquido. Esse fenômeno de transformação da matéria de um estado físico para outro ocorre quanto uma substância recebe calor de uma fonte, e é desse fenômeno que vamos tratar ao longo desse texto.

O que é fusão?

Segundo o dicionário, fusão pode ser entendida como o “ato ou efeito de fundir”, “derretimento de metais ou de outros sólidos pela ação do calor” e entre outros significados: “agem de um corpo do estado sólido ao líquido”.

E é precisamente nesta segunda definição que iremos traçar nosso estudo de hoje: a fusão enquanto transformação física da matéria do seu estado sólido para o líquido. Esse processo ocorre quando a matéria é exposta a uma determinada pressão, que recebe calor (energia) e sua temperatura alcança um valor. 

Quando ocorre o fenômeno da fusão?

O momento em que a fusão ocorre é definido pelo intervalo em que a temperatura começa a derreter o primeiro cristal (de gelo) de determinada substância até que essa temperatura funda o último cristal, fazendo com que ele desapareça e toda a substância esteja em um estado físico homogêneo.

A partir disso, entendemos que o derretimento de determinado elemento ocorre em uma faixa de temperatura. Essa faixa, ou intervalo, de temperatura está relacionada ao calor latente de fusão do elemento, que é a quantidade de calor necessária para derreter 1g (grama) da substância sólida.

Desse modo, os matérias que possuem temperaturas de fusão baixas têm menor calor de fusão e aquelas com temperaturas altas de fusão têm alto calor de fusão. Isso se deve aos tipos de ligação presentes na estrutura molecular do elemento.

Por exemplo, o cloreto de sódio (material iônico), que comumente chamamos de sal, derrete a 801 °C e tem calor de fusão de 124 cal/g. Enquanto isso, a parafina, que contém interações mais fracas entre as moléculas, derrete a 52 °C e tem calor de fusão de 35,1 cal/g.

Para entender um pouco melhor sobre como essa mudança de estado físico da matéria é algo importante de se aprender, será necessário conhecer outros dois conceitos: pontos de fusão e ebulição.

Pontos de Fusão e Ebulição

Em resumo, entende-se por ponto de fusão a temperatura em que uma substância sólida muda do estado sólido para o estado líquido. Enquanto que o ponto de ebulição é a temperatura que uma substância líquida a do estado líquido para o gasoso, em determinada pressão.

Para entender estes pontos o material usado para exemplo mais corrente é a água. Considere que a água pura muda do estado sólido para o líquido sob pressão de 1 atm (atmosfera – unidade de medida de pressão) e à temperatura 0°C. Então, temos que o ponto de fusão da água pura é 0°C.

E quando essa água em estado líquido a para o estado gasoso, sob a mesma pressão, em temperatura de 100°C. A partir disso, temos que o ponto de ebulição da água pura é 100°C.

Reparou que no exemplo anterior nos referimos a água como uma substância pura? Por que isso é importante? Porque isso significa que essa substância possui ponto de fusão constante, a uma determinada pressão.

Então, entendemos que o ponto de fusão estável é uma propriedade típica de um composto puro, por isso que essa propriedade é muito utilizada na química orgânica para verificar a pureza de determinada substância. Cientificamente, o critério utilizado para medir a pureza de uma substância é: se durante o processo de fusão houver variações de temperatura superiores a 1°C, essa substância não pode ser tida como pura.

E o quão maior for a pureza da amostra, menor é o intervalo da temperatura de fusão (0,5-1,0 °C). Esse referencial é muito usado na análise de fármacos, uma vez que, a partir dele é possível fazer uma comparação com o resultado obtido de forma experimental, com o padrão de referência da substância em análise.

 No caso de substâncias com possíveis impurezas, o intervalo de fusão se torna maior que o esperado. A presença de impurezas altera as forças de interação entre as partículas da estrutura do material, adotando-se um intervalo com limite de 2 °C para amostras puras.

Em outras palavras, uma substância pura não está misturada com outra, que façam com que o ponto de fusão varie. E o fato desses fatores serem constantes é importante e facilita o desenvolvimento de métodos de análise para essa substância.

Entender esse conceito também é importante para a química, uma vez que a temperatura nas quais os elementos periódicos entram em fusão também são funções periódicas de seus números atômicos. Em outras palavras, a temperatura muda periodicamente a medida em que o número atômico aumenta.

Esse padrão pode ser observado na tabela periódica, nas famílias os pontos de fusão e ebulição aumentam, no sentido de cima para baixo, com exceção das famílias 1A e 2ª, que é ocorre no sentido de baixo para cima.

Formas de medir a pureza de uma substância pelo ponto de fusão

Existe uma gama de métodos e recursos que auxiliam na verificação da pureza de determinada substância.

Algumas delas é feita a partir da mistura da amostra com a substância padrão (ou referencial – aquela que está sendo verificada), em quantidades iguais. Caso seja verificada alterações consideráveis no intervalo de fusão, entende-se que existe a presença de impurezas ou que os componentes da mistura não são o mesmo composto. 

O processo para fazer essa medição é feita da seguinte forma:

1. Empacota-se uma pequena quantidade do material sólido, seco e cristalino em um tubo fino de vidro com uma das extremidades selada;
2. Em seguida, esse tudo é aquecido na proporção de 1°C/min;
3. É muito importante que o calor seja distribuído de forma igual por todo o tudo, para que a faixa de fusão seja observada com precisão e que se tenha resultados reprodutíveis.

Tecnologia

Dos instrumentos digitais automáticos usados para medir o ponto de fusão que existem no mercado, há um que utiliza um forno e uma câmera de vídeo para observar a mudança na transmissão de luz sobre a temperatura medida no forno para identificar o ponto de fusão.

No forno, ao longo do aquecimento uma luz que é transmitida através da amostra muda, quando a fusão está em andamento. Quando o material é sólido e opaco, menos luz a por ele, inversamente, um material líquido e transparente permite mais transmissão de luz.

Quando a medição é feita dessa forma, digital, a influência do operador é consideravelmente reduzida, dado que essa transmissão da luz é verificada por uma câmera de vídeo, tornando esse método muito confiável para detectar o ponto de fusão de uma substância.

Rústico

Por fim, temos um método alternativo e simples que também pode ser utilizado para determinar o ponto de fusão de uma substância sem a necessidade de equipamentos eletrônicos. Se trata de uma vidraria chama tubo de Thiele.

Neste instrumento, um banho de óleo mineral ou de silicone é aquecido por um Bico de Bunsen. Essa substância é usada para transferir calor para o tubo capitar onde está presente amostra a ser verificada, que fica fixada junto a um termômetro na abertura do tubo.

A pessoa que está fazendo o teste precisa observar a mudança de fase da amostra e registrar as temperaturas indicadas no termômetro, manualmente. Comparado com os métodos anteriores, ao Tubo de Thiele o analista corre o risco de não ter um resultado tão preciso de valores de faixa de fusão.

Leis da fusão

As leis da fusão são determinadas a partir de uma substância cristalina, elementos cuja organização interna dos átomos se configuram de forma geométrica. Substâncias desse tipo se fundem bruscamente a uma determinada temperatura.

A mudança de estado físico de uma substância cristalina, em processos de fusão ou solidificação, é bem evidente de uma para outra, em outras palavras, a mudança do elemento para estado sólido e líquido é bem definida.

Ao o que uma substância não cristalina, ou amorfa, o processo de derretimento tem outra etapa, na qual ela vai amolecendo progressivamente durante a fusão, tomando uma forma pastosa para em seguida liquefazer-se completamente.

No processo de fusão, uma substância cristalina cumpre às seguintes leis:

• 1ª Lei: ao manter a pressão constante, a temperatura durante todo o processo de fusão também permanece constante.
• 2ª Lei: para uma dada pressão, cada substância tem a sua temperatura de fusão específica. Essa quantidade de calor por unidade de massa necessária para aquecer a substância é chamada de calor latente de fusão.

Portanto, entendemos que a temperatura de fusão de cada elemento varia de acordo com a mudança de pressão.

Apesar de não ser uma lei, é interessante observar que grande parte das substâncias, quando no processo de fusão, sofrem aumento de volume. Mas há aquelas substâncias que se comportam de maneira inversa, que perdem volume durante a fusão, como a água, o bismuto, o ferro e o antimônio.

O processo de fusão

Vamos ampliar nosso microscópio para entender o que e como acontece o processo de fusão no interior da substância?

Primeiro temos o elemento no estado sólido, nesse estado a substância está coesa, com os átomos bem organizados formando uma estrutura que chamamos de rede cristalina. Para iniciar a fusão damos energia (calor) a esta substância.

Essa energia recebida será transformada em energia cinética, que é uma energia associada a velocidade/movimento, que vai ocasionar a vibração e a elevação da temperatura dos átomos da substância.

A movimentação gerada pela energia começa a romper a rede cristalina, que vai se desfazendo e transformando o elemento, até que ele se torne totalmente líquido.

Para as substâncias puras, que são aquelas constituídas por somente um tipo de molécula, esse processo de transformação ocorre sob uma temperatura constate. Enquanto que nas misturas, a temperatura tende a sofrer variações. Vale ressaltar que nos dois casos, a pressão atmosférica é mantida constante.

Calor latente

Na sessão sobre as leis de fusão mencionamos o calor latente, também chamado de calor de transformação, que podemos definir como a quantidade de calor necessária para uma substância mudar de estado físico de acordo com sua massa.

Chamamos esse calor de latente justamente porque para chegar nele o calor é cedido progressivamente sob o elemento até que ele seja capaz de romper a rede cristalina, quando isso ocorre interrompe-se o processo transferência de energia e conseguimos o valor do calor latente.

Equação do calor latente

Para encontrar o valor do calor latente (L) é necessário dividir a quantidade de calor (Q) que o elemento precisa dar ou receber para que ele sofra mudança de estado pela sua própria massa (m), desse modo temos:

L = Q / m

A saber:

• a unidade de medida do calor (Q) é em calorias (cal) ou joules (J);
• a unidade de medida de massa (m) é em gramas (g) ou quilogramas (Kg); e
• calor latente (L) e o resultado da equação sempre representado em (cal/g) ou (J/Kg).

Repare que essa fórmula não leva em consideração a variação de temperatura, dado que ela permanece constante em todo o processo.

Aplicação da Fórmula da fusão

No tópico anterior vimos como calcular o calor latente de determinada substância. Usando a mesma equação é possível desenvolver a fórmula da fusão, desse modo temos que: quantidade de calor é igual a massa vezes o calor latente, em termos matemáticos:

Q = m . L

Vamos ver essa fórmula em ação?

Para derreter totalmente 200g de prata, qual a quantidade de calor necessária? Sabendo que o calor latente da prata é igual a 21cal/g. Temos: Q = 200×21 = 4.200 cal ou 4,2 kcal.

Algo a considerar na conclusão do resultado é que, caso a substância esteja recebendo calor, o valor será positivo (processo endotérmico), o que ocorre na fusão e na vaporização. Ao o que, se ela estiver cedendo calor, o valor será negativo (processo exotérmico) como ocorre na solidificação e liquefação.

Pressão

Ao longo do processo de fusão a substância se “dilata”, ou seja, seu volume aumenta. Esse fenômeno acontece porque quando recebe calor, o grau de agitação térmica das partículas do elemento sobre, fazendo com que seu volume expanda.

Outro fator que pode ocasionar o aumento do volume de determinada substância é colocar mais pressão sobre ele, elevando também a temperatura. Para os elementos que possuem volume reduzido esse processo é inverso, a temperatura é diminuída.

Curva de Aquecimento

Do que se trata uma curva de aquecimento e o que isso tem a ver com a fusão?

As curvas de aquecimento, ou resfriamento, indicam a mudança da temperatura com o ar do tempo, à medida que o elemento perde ou recebe energia, fazendo com que seu estado físico seja alterado.

Isso posto, quando temos um caso em que uma substância recebe (ou ganha) calor, o que ocorre em processos de fusão, tratamos de uma curva de aquecimento.

Mudanças de estado físico

No meio ambiente, podemos encontrar as substâncias em três estados físicos: sólido, líquido e gasoso. E para cada um desses estados existem pelo menos dois processos de transição e transformação de um estado físico da matéria, para o outro e vice versa.

Os processos, fora a fusão, são: solidificação (líquido > sólido), vaporização (líquido > gasoso), sublimação (gasoso > sólido) e condensação ou liquefação (gasoso> líquido).

Lembrando que, essas transformações do estado físico dos elementos estão sujeitas a fatores específicos, relacionados com a qualidade da matéria, como: temperatura, à pressão, e à quantidade de energia evolvida no processo.

Condensação

Quando uma substância muda do estado gasoso para o líquido, significa que ocorreu o fenômeno da condensação. Essa mudança ocorre pelo arrefecimento (perda de calor) de um gás, que tente a condensar e liquefazer-se.

Esse tipo de transformação pode ser observado quando a água em estado gasoso se choca em uma superfície fria, como por exemplo, uma janela ou a parte externa de uma garrafa de refrigerante.

Solidificação

Podemos considerar que a solidificação é o processo inverso da fusão, que é quando um elemento a do estado líquido para o sólido. Para isso acontecer, uma substância em estado líquido precisa ser resfriada até tornar-se sólida.

Sabe-se que para a água começa a solidificar-se a partir da temperatura 0°C. Outro exemplo da aplicação desse fenômeno no cotidiana é a fabricação dos picolés.

Fusão

Ao longo do texto vimos como ocorre, e outros detalhes, do processo de fusão, que é a mudança do estado sólido para o líquido.

Sabemos que para que esse processo aconteça é necessário que a substância receba uma quantidade de energia de uma fonte de calor que leve a movimentação interna das moléculas, ao o que o nível de agitação das moléculas aumenta, progressivamente esse sólido se liquefaz.

Além do derretimento da água, que ocorre a partir de 0 °C, também podemos citar o exemplo de um sorvete. O calor da nossa mão na superfície onde o alimento está faz com que ele e do estado sólido para o líquido.

Vaporização

Depois da fusão temos a vaporização, que trata da mudança de uma substância do estado líquido para o gasoso. Esse processo pode se dar de duas maneiras: por ebulição, que é um aquecimento rápido ou por evaporação, que é um processo de aquecimento lento.

A água, por exemplo, apresenta-se em estado líquido a partir de 1 °C até 100 °C. Um evento cotidiano no qual podemos observar o processo de vaporização é na secagem de roupas num varal, os tecidos secam devido a evaporação da água.

Sublimação

Por último temos a sublimação é a agem do estado sólido para o gasoso e do estado gasoso para o sólido, que também pode ser chamada de ressublimação.

Para que essa transformação aconteça, a substância depende de determinadas condições de pressão e temperatura. Essas duas grandezas, quando relacionadas em um gráfico, formando um diagrama de fases.

Esse diagrama permite a verificação de um estado físico de uma substância em determinado instante segundo sua temperatura e pressão. Essa medição é feita em laboratório, para que se tenha resultados precisos.

O diagrama é dividido em três regiões onde podemos observar as curvas de fusão (corresponde aos estados sólido e líquido), vaporização (separa as áreas que equivalem as fases líquida e vapor) e sublimação (as fases sólida e vapor) de um elemento.

Dentro desse gráfico de curvas há linhas que delimitam essas três regiões e indicam os valores de pressão e temperatura que as substâncias podem estar em dois estados. Além disso outros dois pontos são especificados em um diagrama de fases:

• Ponto triplo: ponto de interseção das três curvas (fusão, vaporização e sublimação), que indica os valores de temperatura e pressão que a substância pode simultaneamente estar nos três estados.
• Ponto crítico: aponta a maior temperatura quando a substância é vapor. A partir desse ponto não é mais possível distinguir os estados líquido e vapor de uma substância, e quando temos temperaturas acima do ponto crítico a infere-se que o elemento a a ser um gás.

Estados físicos da água

Dado que a água costuma ser muito usada como exemplo para entender esses processos de mudança de estado físico de um elemento, vamos pontuar neste último tópico as características físicas dessa substância.

A água é facilmente encontrada na natureza em seus três estados físicos: sólido, líquido e gasoso. E para a transição de um estado físico para outro ocorre segundo variações de temperatura e pressão.

Sob pressão normal (1atm), a água entra em fusão a 0 °C, então até -1°C as moléculas dessa substância se encontram em estado sólido e a partir dos zero graus ela a para o estado líquido.

E para que a água se torne vapor, continuamos a transferir calor para suas moléculas até que ela e do estado líquido para o gasoso totalmente, isso ocorre à 100°C, que chamamos esse processo de ebulição.

Vídeos sobre fusão

Densidade; temperaturas de fusão e ebulição

No primeiro subtópico desse texto falamos sobre o ponto de fusão, que é uma propriedade periódica. Caso queira aprofundar um pouco mais no entendimento desse conteúdo, recomendamos este vídeo do Professor Max, que além de explicar os conceitos mostra aplicações com cálculos sobre esse conceito para você praticar um pouco.

Estado amorfo e Estado Cristalino

Quando tratamos das leis da fusão mencionamos o conceito de substância cristalina e substância amorfa. Caso tenha ficado alguma dúvida, ou você queria aprofundar um pouco mais o conteúdo desse tema, dê uma conferida nesse vídeo do Professor Alceu.

Além de explicar esses conceitos, o professor entra em mais detalhes sobre eles e como eles se desdobram em outras características que são típicas dos elementos.

Mudança de Estado Físico da Matéria – um nome para cada transformação

Neste vídeo com o Professor Bill temos um panorama e todos os processos de transformação do estado físico da matéria, com animações ilustrativas que tornarão o conteúdo mais concreto, que ajudam a entender melhor os conceitos e definições.