Estados Físicos da Matéria
Os estados físicos da matéria que aprendemos na escola são sólido, líquido e gasoso, certo? Mas teriam outros além desses? Vamos descobrir.
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O que é matéria?
É considerado como matéria, estruturas formadas por átomos e outras partículas sub-atômicas (férmions) e pelo meio que as mantem coesas (bósons). Matéria é o que apresenta resistência ao ser posta em movimento, exigindo alguma forma de energia para tira-la do estado de inércia.
Férmions não podem ocupar o mesmo espaço, como prótons e nêutrons, tendo massa. Bósons podem ocupar posições simultâneas, como glúons e fótons, que não tem massa.
É o que constitui plantas, animais, rochas e oceanos. Planetas e sóis. Sistemas solares e galáxias. Estima-se que hajam 100 bilhões de galáxias, cada uma contendo 100 bilhões de estrelas cada. No entanto, toda essa quantidade absurda corresponde somente à 4% do total da energia do universo, sendo o restante 26% de matéria escura (que não interage com a matéria comum, mas exerce efeitos gravitacionais) e 75% de energia escura (que expande o universo). Não se tem explicação para 96% de tudo o que existe. A busca por estas respostas ocorrem em diversos laboratórios e envolve um grande número de pesquisadores, mas ainda permanece uma mistério.
Destes 4%, apenas 0,4% formam objetos massivos como planetas e sóis. Os outros 3,6% estão na forma de gás e poeira estelar.
Todas as coisas são compostas de átomos, termo cunhado pelos gregos que significava “não divisível”. Por muito tempo permaneceu assim, até que cientistas descobriram que ele possuía duas partes: o núcleo e a eletrosfera. Depois, descobriram que o núcleo era formado por prótons e nêutrons. Tempos mais tarde, cavaram mais fundo e encontraram os quarks. Há 6 tipos (up, down, top, botton, charm e strange) e 3 “cores” para cada tipo de quark, sendo que apenas os tipos “up” e “down” estão presentes nos átomos da matéria ordinária que conhecemos (prótons têm 2 ups e 1 down, enquanto os nêutrons tem 1 up e 2 downs, que faz com que o primeiro tenha carga +1 e o segundo seja neutro).
Acha que acabou? A teoria das cordas ou super-cordas prevê que os quarks e glúons sejam feitos de minusculas cordas ou membranas vibrando. Tão pequeno que está muito além do que a tecnologia atual pode oferecer. Por enquanto, são só especulações matemáticas.
Estados da matéria
Apenas para reforçar, o que será escrito daqui em diante, refere-se aos 4% do que conhecemos.
Basicamente é a configuração espacial da matéria, baseada no grau de agitação de elementos que a compõe, determinada pela temperatura e características intrínsecas dos átomos (tamanho do núcleo, número de prótons e nêutrons e distribuição geométrica dos elétrons).
Os três estados físicos da matéria mais conhecidos são:
Sólido:
Moléculas em posições relativas fixas ou com pouca liberdade de movimento, ficam bem próximas uma das outras, com forte ligação entre elas, mantendo o formato e tendo volume estático, como pedras e cristais.
Líquido:
Moléculas possuem certa liberdade de movimento e se movem com maior velocidade. As ligações moleculares são mais fracas, mas ainda mantêm seu volume e massa, porém o formato é determinado pelo meio que as contêm, como água em um copo ou em um prato (mesma massa e volume, mas formatos diferentes).
Gasoso:
Moléculas se movimentam freneticamente, colidindo e se repelindo, com fracas ligações entre si. Não tem forma definida e o volume pode variar consideravelmente. Ar.
Até onde se sabe, todas as elementos químicos podem apresentar esses 3 estados básicos, mas as condições para que isso ocorram variam tremendamente, exigindo temperaturas e pressões diferentes. A água se apresenta líquida na temperatura ambiente e pressão atmosférica normal. Baixando a temperatura, torna-se sólido e, aumentando, vapor de água.
Os dois estados físicos da matéria menos conhecidos
Há mais dois estados devidamente comprovados. Vejamos quais são:
Plasma
O plasma é similar ao gás, porém muito mais aquecido, aumentando dramaticamente a velocidade das colisões. Em condições de alta temperatura duas coisas ocorrem: moléculas são quebradas, deixando os átomos livres e há uma perda e ganho de elétrons entre eles, ou seja, ficando ionizado ou magneticamente carregado. Apesar de não ter volume definido como o gás, pode ser moldado e conduzido através de campos magnéticos. O plasma é o estado mais comum da matéria conhecida. Isso mesmo, dos 0,4% que constituem a matéria aglomerada, a maior parte é de plasma (estrelas).
Apesar de pouco citado nas aulas de ciência do primeiro grau, e não fazer parte do cotidiano da maioria das pessoas, o plasma é bastante utilizado em diversas aplicações como:
- Encontrados em telas de plasma, inclusive TVs.
- Interior de lâmpadas fluorescentes (luz de baixa energia), sinais de neônio. Luzes de neon.
- Exaustão de foguetes e propulsores de íons.
- Pesquisa de energia de fusão nuclear.
- O arco elétrico em uma lâmpada a arco voltaico, um arco de solda ou um maçarico de plasma.
- Arcos produzidos em bobinas de Tesla.
- Plasmas utilizados na fabricação de circuitos integrados.
- Plasmas produzidos por lasers de alta potência, encontrados quando interagem com materiais.
- Plasmas indutivos, tipicamente formados em gás argônio para espectroscopia de emissão óptica ou espectrometria de massa.
Naturalmente ocorrem em:
- Sol e outras estrelas (plasmas aquecidos por fusão nuclear).
- Vento solar.
- O meio interplanetário (espaço entre planetas).
- O meio interestelar (espaço entre sistemas de estrelas).
- O meio intergaláctico (espaço entre galáxias).
- Discos de acreção (área limítrofe de buracos negros).
- Nebulosas interestelares.
Condensado de Bose-Einstein
Em 1924, Albert Einstein e Satyendra Nath Bose previram o “condensado de Bose-Einstein”, por vezes referido como o quinto estado da matéria. Trata-se de uma coleção de milhares de partículas ultra frias ocupando um único estado quântico, ou seja, todos os átomos se comportam como um único e gigantesco átomo. Possui características, de ambos, estado sólido e estado líquido, como supercondutividade e super-fluidez, porém, é encontrado em temperaturas extremamente baixas (próximas ao zero absoluto), o que faz com que suas moléculas entrem em colapso.
Um condensado Bose-Einstein é “mais frio” do que um sólido. Pode ocorrer quando os átomos têm níveis quânticos muito semelhantes (ou o mesmo), em temperaturas muito perto do zero absoluto (-273,15 °C).
Perto deste limite, alguns líquidos formam um segundo estado líquido descrito como superfluido porque tem viscosidade zero ou fluidez infinita. Isso foi descoberto em 1937 para o hélio. Neste estado, ele vai tentar “subir” para fora do recipiente. Difícil até de imaginar! Também tem condutividade térmica infinita, de modo que nenhum gradiente de temperatura pode se formar em um superfluido.
Ainda não tem aplicações práticas, devido a dificuldade de gerar temperaturas tão extremas e sofrer os efeitos gravitacionais da Terra. Um laboratório compacto, montado na ISS (estação espacial internacional), conseguiu melhores resultados devido a micro gravidade (mantiveram o condensado por mais tempo).
Outros Estados Físicos da Matéria
Há quem diga que não se tratam de novos estados físicos da matéria, mas sim pontos de transição entre as fases (mudança de sólido para líquido, por exemplo), ou interações físico-química entre algumas substâncias específicas. Alguns deles são apenas teóricos, mas não menos interessantes.
Fluido supercrítico
É qualquer substância em uma temperatura e pressão acima do seu ponto crítico, no qual não existe mais distinção entre as fases líquida e gasosa. Ele sofre efusão através de sólidos como um gás, e pode dissolver materiais como um líquido.
Além disso, não há tensão superficial em um fluido supercrítico, já que não existe uma divisão entre as fases líquida e gasosa, o que os torna substitutos adequados à solventes orgânicos em uma variedade de processos industriais e laboratoriais. Dióxido de Carbono e água são os fluidos supercríticos mais comumente usados, para descafeinação e geração de eletricidade, respectivamente.
Coloide
De maneira resumida, diz-se que as dispersões coloidais são as intermediárias entre as soluções verdadeiras e os sistemas heterogêneos, sendo que as partículas dispersas são maiores do que as moléculas do meio em que está diluído, mas não suficientemente grandes para se depositar pela ação da gravidade.
Soluções verdadeiras é como colocar açúcar na água que, dependendo da quantidade, praticamente desaparece. Já sistemas heterogêneos é como colocar óleo na água, ficando clara distinção entre as duas substâncias. O Coloide fica no meio termo, nem dissolve totalmente, nem afunda ou boia completamente. Achou estranho? É mais comum do que imagina. Soluções coloidais estão presentes no nosso cotidiano como sabonetes, shampoos e creme dentais; no leite, café, geleia de frutas e manteiga; cerveja e refrigerantes, apenas para citar alguns.
Matéria degenerada
Essa já está fora da nosso dia-a-dia. Ocorre normalmente no interior de estrelas no final de seu ciclo de vida. É um dos estados físicos da matéria mais extremos.
Nas estrelas há uma continua briga entre a gravidade, que tenta esmagar a matéria, e as reações nucleares, que querem expelir a energia gerada. Dependendo da massa, podem acontecer várias coisas quando uma estrela esgota seu combustível: podem explodir como super novas, virar anãs brancas, estrelas de nêutrons ou buracos negros.
Quando a força das reações nucleares não consegue superar a gravidade, os átomos são comprimidos tão absurdamente, que os elétrons se desprendem no núcleo (numa descrição bem rudimentar), pois não podem ocupar o mesmo espaço (devido ao princípio de exclusão de Pauli, mas vamos manter as coisas mais simples). Por isso o nome de matéria degenerada, pois deixou de ter a configuração e propriedades normais dos átomos. Em alguns casos, a estrela se contrai tanto que os elétrons se juntam aos prótons, formando nêutrons (gerando, consequentemente, um estrela de nêutrons). A densidade é na faixa de 10 mil toneladas/cm3 !
Neutrônio
Como vimos, os átomos são compostos por prótons, nêutrons e elétrons, e os elementos químicos simples são diferenciados pelo número de prótons que contêm em seu núcleo. O hidrogênio, o mais leve, tem 1, o hélio tem 2, o lítio tem 3, e assim vai na tabela periódica.
O neutrônio seria um elemento hipotético composto apenas por nêutrons. Seria de número zero da tabela. Talvez exista no interior de estrelas de nêutrons, mas não há a comprovação prática. Não tendo elétrons, não poderia interagir com outros átomos, formando moléculas.
Plasma de quark-glúons
O plasma de quark-glúons é uma fase da cromodinâmica quântica que existe quando a temperatura e/ou a densidade são muito altas. Este estado se compõe de quarks e glúons (quase) livres que são os componentes básicos da matéria. Crê-se que existiu durante os primeiros 20 a 30 microssegundos depois de que o universo nascera no Big Bang.
Os prótons e os nêutrons são compostos por quarks de tipos diferentes, e unidos fortemente pelos gluôns (que vem de “glue”, “cola” em inglês). Não há meio conhecido para tirar um quark de dentro de uma partícula. A energia requerida é absurda e, ao final, o que se consegue é um nova partícula. Como se dividisse uma coisa ao meio e ficasse com duas “coisas inteiras”. No entanto, em pressões absurdas, os quarks não permanecem no núcleo atômico.
Matéria Estranha
Matéria estranha é uma combinação de três tipos de quarks: Up, Down e Strange . A matéria estranha tem o poder de transformar a matéria comum em strangelets (pedaços de matéria estranha).
Semelhante ao Plasma de quark-glúons, muito se discute sobre a origem e até mesmo sobre sua existência. Alguns físicos afirmam que as strangelets podem ter surgido junto com o Big Bang. No entanto, o mais provável é que a matéria estranha se origine nos núcleos de estrelas de nêutrons, nos quais a pressão e a densidade são tamanhas para que os núcleos de átomos são esmagados, de forma que os quarks que formam seus prótons se separarem, se reagrupando em strangelets. Nessa linha de pensamento, a matéria estranha consumiria toda a estrela, de dentro para fora, a transformando em uma pasta, uma estrela estranha, ou algo do tipo.
Já foi pesquisado o caso de haver ou ser gerada matéria estranha na Terra, mas a comunidade científica afirma que a única forma relativamente possível de algo do tipo ocorrer é com uma colisão de estrelas estranhas que acarrete no projetar de strangelets à Terra como meteoritos ou átomos.
Pela lógica, se uma quantidade mínima de matéria estranha fosse jogada na Terra, seria capaz de destruir ou transformar completamente o planeta!
A natureza ainda guarda grandes mistérios para serem resolvidos. Será que haverão outros estados físicos da matéria para serem descobertos? A verdade está lá fora.
Gsotei do maçarico de plasma