Artigo de Referência: Fatos sobre os estados da matéria.

Matéria é o "material" que constitui o universo - tudo o que ocupa espaço e tem massa é matéria. 

Toda matéria é composta de átomos, que por sua vez são compostos de prótons, nêutrons e elétrons. 

Um copo contém H20 em três estados da matéria: gelo (sólido), água (líquido) e vapor (gás). Crédito da imagem: nikkytok | Shutterstock

Os átomos se unem para formar moléculas, que são os blocos de construção de todos os tipos de matéria, de acordo com a Washington State University. Tanto os átomos quanto as moléculas são mantidas juntas por uma forma de energia potencial chamada energia química. Ao contrário da energia cinética, que é a energia de um objeto em movimento, a energia potencial é a energia armazenada em um objeto. 

As cinco fases da matéria

Existem quatro estados naturais da matéria: sólidos, líquidos, gases e plasma. O quinto estado são os condensados de Bose-Einstein feitos pelo homem.

Sólidos

Em um sólido, as partículas são compactadas firmemente juntas, de modo que não se movem muito. Os elétrons de cada átomo estão em constante movimento, então os átomos têm uma pequena vibração, mas estão fixos em sua posição. Por causa disso, as partículas em um sólido têm energia cinética muito baixa.

Os sólidos têm forma definida, bem como massa e volume, e não se adaptam à forma do recipiente em que são colocados. Os sólidos também têm alta densidade, o que significa que as partículas estão compactadas juntas. 

Líquidos

Em um líquido, as partículas são mais frouxamente empacotadas do que em um sólido e são capazes de fluir em torno umas das outras, dando ao líquido uma forma indefinida. Portanto, o líquido se conforma com a forma de seu recipiente.

Muito parecido com os sólidos, os líquidos (a maioria dos quais tem uma densidade mais baixa do que os sólidos) são incrivelmente difíceis de comprimir. 

Gases

Em um gás, as partículas têm um grande espaço entre elas e têm alta energia cinética. Um gás não tem forma ou volume definidos. Se não estiver confinado, as partículas de um gás se espalharão indefinidamente; se confinado, o gás se expandirá para encher seu recipiente. Quando um gás é colocado sob pressão reduzindo o volume do recipiente, o espaço entre as partículas é reduzido e o gás é comprimido. 

Plasma

O plasma não é um estado da matéria comum aqui na Terra, mas pode ser o estado da matéria mais comum no universo, de acordo com o Laboratório Jefferson. As estrelas são essencialmente bolas de plasma superaquecidas. 

O plasma consiste em partículas altamente carregadas com energia cinética extremamente alta. Os gases nobres (hélio, néon, argônio, criptônio, xenônio e radônio) são frequentemente usados para fazer sinais brilhantes usando eletricidade para ionizá-los ao estado de plasma.

Condensado de Bose-Einstein

O condensado de Bose-Einstein (BEC) foi criado por cientistas em 1995. Usando uma combinação de lasers e ímãs, Eric Cornell e Carl Weiman, cientistas do Joint Institute for Lab Astrophysics (JILA) em Boulder, Colorado, resfriaram uma amostra de rubídio dentro de alguns graus de zero absoluto. Nessa temperatura extremamente baixa, o movimento molecular chega muito perto de parar. Como quase não há energia cinética sendo transferida de um átomo para outro, os átomos começam a se agrupar. Não existem mais milhares de átomos separados, apenas um "superatomo". 

Um BEC é usado para estudar a mecânica quântica em um nível macroscópico. A luz parece desacelerar ao passar por um BEC, permitindo que os cientistas estudem o paradoxo partícula/onda. Um BEC também tem muitas das propriedades de um superfluido, ou um fluido que flui sem atrito. BECs também são usados para simular condições que podem existir em buracos negros.

Passando por uma fase

Adicionar ou remover energia da matéria causa uma mudança física conforme a matéria se move de um estado para outro. Por exemplo, adicionar energia térmica (calor) à água líquida faz com que ela se transforme em fumaça ou vapor (um gás). E remover energia da água líquida faz com que ela se transforme em gelo (um sólido). Mudanças físicas também podem ser causadas por movimento e pressão.

Derretendo e congelando

Quando o calor é aplicado a um sólido, suas partículas começam a vibrar mais rápido e se distanciar. Quando a substância atinge uma certa combinação de temperatura e pressão, seu ponto de fusão, o sólido começa a derreter e se transformar em líquido.

Quando dois estados da matéria, como sólido e líquido, estão na temperatura e pressão de equilíbrio, o calor adicional adicionado ao sistema não fará com que a temperatura geral da substância aumente até que toda a amostra atinja o mesmo estado físico. Por exemplo, quando você coloca gelo em um copo de água e o deixa em temperatura ambiente, o gelo e a água acabam chegando à mesma temperatura. À medida que o gelo derrete com o calor proveniente da água, ele permanecerá a zero graus Celsius até que todo o cubo de gelo derreta antes de continuar a aquecer. 

Quando o calor é removido de um líquido, suas partículas diminuem a velocidade e começam a se estabelecer em um local dentro da substância. Quando a substância atinge uma temperatura fria o suficiente a uma certa pressão, o ponto de congelamento, o líquido se torna um sólido.

A maioria dos líquidos se contrai ao congelar. A água, no entanto, se expande quando passa para o estado sólido o gelo, fazendo com que as moléculas se afastem e diminuam a densidade, razão pela qual o gelo flutua sobre a água. 

Adicionar substâncias adicionais, como sal na água, pode alterar os pontos de fusão e congelamento. Por exemplo, adicionar sal à neve diminuirá a temperatura que a água congela nas estradas, tornando-a mais segura para os motoristas.

Há também um ponto, conhecido como ponto triplo, onde sólidos, líquidos e gases existem simultaneamente. Água, por exemplo, existe em todos os três estados a uma temperatura de 273,16 Kelvin e uma pressão de 611,2 pascal.

A maioria dos líquidos se contraem quando congelam, mas a água se expande, tornando-se menos densa quando se transforma em gelo. Esta característica única permite que o gelo flutue na água, como este enorme iceberg na Antártica.  Crédito da imagem: NASA / Operação Ponte de gelo

Sublimação

Quando um sólido é convertido diretamente em um gás sem passar pela fase líquida, o processo é conhecido como sublimação. Isso pode ocorrer quando a temperatura da amostra é rapidamente aumentada além do ponto de ebulição (vaporização instantânea) ou quando uma substância é "liofilizada" por resfriamento sob condições de vácuo de modo que a água na substância sofre sublimação e é removida de a amostra. Algumas substâncias voláteis sofrerão sublimação em temperatura e pressão ambiente, como dióxido de carbono congelado ou gelo seco.

Vaporização

A vaporização é a conversão de um líquido em um gás e pode ocorrer por evaporação ou fervura.

Como as partículas de um líquido estão em movimento constante, elas frequentemente colidem umas com as outras. Cada colisão também faz com que a energia seja transferida e, quando energia suficiente é transferida para as partículas próximas à superfície, elas podem ser completamente afastadas da amostra como partículas de gás livres. Os líquidos esfriam à medida que evaporam porque a energia transferida para as moléculas da superfície, que causa sua fuga, é levada com eles.

O líquido ferve quando calor suficiente é adicionado a um líquido causando a formação de bolhas de vapor abaixo da superfície. Este ponto de ebulição é a temperatura e pressão nas quais um líquido se torna um gás.

Condensação e deposição

A condensação ocorre quando um gás perde energia e se junta para formar um líquido. Por exemplo, o vapor de água se condensa em água líquida.

A deposição ocorre quando um gás se transforma diretamente em sólido, sem passar pela fase líquida. O vapor de água torna-se gelo ou geada quando o ar toca um sólido, como uma folha de grama, que é mais frio do que o resto do ar.

Recursos adicionais:

• Assista: Criação de um condensado de Bose-Einstein, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia. 
• Saiba de onde veio a matéria do universo, com Ask an Astronomer da Cornell University.
• Leia mais sobre matéria, elementos e átomos na Khan Academy. 

Este artigo foi atualizado em 21 de agosto de 2019, por Rachel Ross.

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Referência:

BAGLEY, Mary. Matter: Definition & the Five States of Matter. Live Science, 21, ago. 2019. Disponível em: <https://www.livescience.com/46506-states-of-matter.html>. Acesso em: 22, ago. 2021.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.