Equilíbrio Metaestável

O equilíbrio que não está em equilíbrio. O fiel da balança que está muito mal indicando um estado que não é verdadeiro. Um engodo da natureza. É disso que se trata do equilíbrio metaestável, quando algo que parece muito bem arrumadinho, de repente reage de modo muitas vezes violento, pois a Química e a Física estão se lixando para você, seu macaco sem rabo!

Esqueça o que foi dito, o que pensa que sabe. Deixa isso pra lá, vem pra cá, tudo bem. Abra o Livro dos Por quês e me acompanhe mais uma vez.

No mundo, as coisas nem sempre são lindas e equilibradas. Quando vemos coisas que nosso senso comum atesta como sendo bizarras, nosso cérebro se recusa a aceitar que as coisas possam ser daquele jeito. Equilíbrio é apenas um estado, uma situação, um momento no tempo. Equilíbrio não é uma entidade mágica. Quando vemos uma cerveja estupidamente gelada, não paramos dois segundos para pensar “Se ela estava no congelador, porque não passou para o estado sólido?”. Mas quando colocamos a mão e ela se congela na nossa frente, normalmente temos um desses dois pensamentos:

1) Caraca! Eu sou o Bob Drake!

2) WTF???

É o estado de equilíbrio metaestável que proporciona isso (ou quase), e liga intimamente o estado de nossa cerveja até o rastro branco que um avião deixa no céu, a observação de uma certa quantidade de água previamente aquecida num microondas “explodindo” ao se colocar pó de café ou o fenômeno do chamado “gelo quente”. Tudo isso tem a ver como as moléculas se comportam.

Como você aprendeu no colégio, o modo como as moléculas se arranjam definirá como será a estrutura do material (se cristalino ou amorfo, além de outras propriedades físicas). Define também como será seu estado físico. Voltando aos tempos da escola da tia Teteca, corpos em estado gasoso possuem moléculas em plena agitação, chocando-se mutuamente, sem parar. O choque das moléculas com determinada área do recipiente que as contém definirá sua pressão (pressão = força aplicada numa determinada área).

Líquidos possuem moléculas ainda em agitação, mas de modo bem mais lento, e mais próximas entre si. A bem da verdade, se você aumentar a pressão (normalmente, diminuindo o volume do frasco que contém o referido gás), o gás passará para o estado líquido, pois as moléculas ficarão mais próximas. Este fenômeno é exotérmico, e se abrirmos a válvula, permitindo que a pressão diminua, o líquido passará para o estado gasoso, absorvendo o calor ao seu redor. Este é o princípio dos refrigeradores, freezers e armazéns frigoríficos. Contudo, ao aumentarmos a pressão sobre o líquido, ele não se transformará em sólido. E sim, esta é uma explicação simplória, pois coisas mais complicadas não são relevantes perante o que quero abordar. Apesar de simplória, não deixa de ser representativa à primeira vista e não estamos querendo falar sobre energia livre, saltos quânticos ou sobre o porque de ainda existir programas como o Big Brother. São mistérios da Natureza.

Quando você coloca sua cervejinha pra gelar, sua temperatura desce cada vez mais (se aumentasse, seria sinal que você guardou no forno). As moléculas estão em seu movimento e como não há nenhum fator externo em ação, o conjunto acaba atingindo temperaturas mais baixas, mesmo sem a parte líquida passar para o estado sólido. Quando você a retira do freezer e a serve num copo, o movimento faz com que as moléculas se agitem, adquirindo energia cinética, o que faz com que o estado de equilíbrio sofra um baque. A água (sim, sua cerveja tem maior quantidade de água do que de álcool. Lamento informar) passa rapidamente para o estado sólido e daí, vira meio um sacolé de cerveja. Muito dificilmente isso acontecerá com vodka, pois o alto teor de álcool que ela possui faz com que o ponto de fusão do líquido como um todo seja muito baixo, a uma temperatura que os congeladores normais não alcançam.

Saindo da cerveja e indo pros céus (sem nenhuma alusão a “ficar alto”, mas tendo cuidado com a Lei Seca), vemos caso semelhante no rastro que muitas vezes vemos os aviões deixarem atrás de si. Aquilo não é fumaça nem CO2. Aquilo é tão comente água. Naquela altitude, a água está sob a forma de vapor, mas não deveria, já que a baixíssima temperatura (coisa de uns — 50 ºC) deveria tê-la solidificado. Mas não. A água está sob a forma metaestável na forma gasosa. Ao passar um avião, ele perturba o equilíbrio, fazendo com que ela se condense e passe para o estado sólido. Só que a água não tem massa suficiente para cair, e ela permanece lá, suspensa. Então, se você é burro o suficiente para achar que o CO2 não pode subir, pois ele é mais denso que o ar, favor estudar mais. De preferência, no Livro dos Porquês.

Mas e o processo inverso? Pode um corpo estar em equilíbrio metaestável em temperaturas elevadas? Resposta curta e grossa: Sim!

Muito provavelmente, você já recebeu algum e-mail dizendo que um copo de água explodiu porque foi colocado num microondas. Acredite, pode ter um fundo de verdade. Mas, primeiro, vamos entender o que é um forno de microondas.

Um forno de microondas baseia-se em usar microondas (d’oh!) para ceder energia, não no alimento como um todo, mas às moléculas de água contidas nele. É por isso que se você colocar um pote vazio e seco no forno e ativar os comandos, o pote ficará dançando lá no prato, mas não aquecerá. O mesmo vale para um prato de vidro ou louça. Entretanto, se você colocar algo “molhado” (aka, comida e não um pano úmido) , a energia radiante das microondas irá para as moléculas de água. Estas começarão a vibrar e se mexer rapidamente, gerando calor. O calor gerado aquece o alimento como um todo e você poderá curtir a sua buchada de bode.

Bem, se você colocar um copo de água destilada no forno de microondas, possivelmente (mas isso não é obrigatório) ela não entrará em ebulição. A energia radiante irá para as moléculas e estas armazenarão esta energia, mas sem entrar em ebulição. Ao perturbar o meio, como ao colocar uma colher de café solúvel, o calor será liberado de uma vez, formar-se-á bolhas de água em estado de vapor, que se expandirá rapidamente por causa da temperatura e isso fará com que se derrame água fervendo na sua mão. Eu enfatizei água destilada, pois a água da torneira não contém apenas água, mas várias substâncias também, e estas substâncias ajudarão a~não entrar em equilíbrio, sofrendo superaquecimento. Para evitar acidentes, recomendam colocar uma colherzinha dentro da água (de preferência que não seja de metal, pois podem soltar faíscas), de modo que a água possa passar para o estado de vapor sem risco. Abaixo, vemos um vídeo dos Caçadores de Mitos sobre o tema:

http://www.overstream.net/swf/player/oplx?oid=upuprimvsmao&noplay=1

Para finalizar, vejamos o caso do “gelo quente”. Ele é produzido mediante um líquido que sofre perturbação, se “congela” e libera uma boa quantidade de calor. Acontece que aquilo lá não é bem um líquido, não se congela, mas realmente libera calor. Veja o vídeo abaixo:

O que temos ali é uma solução supersaturada. No artigo sobre Soluções e Dispersões que um determinado volume de água pode conter uma quantidade bem definida de soluto. Algumas substâncias são muito solúveis em água, pouco solúveis, minimamente solúveis ou completamente insolúveis. Numa determinada faixa de temperatura e pressão, a solubilidade de uma substância é uma de suas características físicas. Ao variar a temperatura e/ou a pressão, esta solubilidade sofrerá alteração (ou não). Por exemplo, digamos que em 1 atm, a solubilidade da substância X é de 50 g/100 mL de água a 50 ºC. Nesta temperatura, por mais que você adicione maior quantidade da substância X, pode agitar o quanto quiser, APENAS 50 gramas serão dissolvidas para cada 100 mL de água. Fim, sem discussão. A 100 ºC, a substância X possui solubilidade de 100 g/ 100mL de água. Logo, poderei adicionar mais 50 gramas. Em vias normais, ao acabarmos de dissolver os 100 gramas de X nos 100 mL de água a 100 ºC, ele permanecerá estável, totalmente dissolvido e pronto; no entanto, ao abaixarmos a temperatura até 50 ºC, a solubilidade será de 50 g apenas, e os outros 50 g se depositarão no fundo. É um processo chamado “cristalização” e pode ser empregada para purificar misturas, pois cada substância possui um coeficiente de solubilidade diferente. O processo de separação é chamado “Cristalização Fracionada”.

Há casos (e isso é raro) em que substâncias como o acetato de sódio podem se permitir a ser dissolvidas cada vez mais, mediante o aumento da temperatura. Entretanto, se deixarmos que a temperatura abaixe lentamente, o excesso de soluto NÃO SE DEPOSITA no fundo. Ele continua dissolvido, formando uma solução supersaturada, mantendo-se graças a um equilíbrio metaestável. Qualquer perturbação ali, ou apenas deixando cair um mísero cristalzinho de acetato de sódio, por exemplo, fará com que haja precipitação imediata, liberando a energia que era necessária para manter tudo equilibrado, sob a forma de calor. É a mecânica das bolsas de água quente reutilizáveis. Depois que o sal se deposita e liberou calor por vários minutos, você pode colocar a bolsa numa panela com água fervendo, de forma a fazer o sal dissolver-se de novo, e reutilizar quantas vezes quiser.

Sem mágica, sem mistério. Não é feitiçaria, é Ciência!

26 comentários em “Equilíbrio Metaestável

  1. Ótimo artigo, esses conceitos são um pouco complicados mesmo pra quem fez ensino médio bem, heheeh.

    Sugestão de correção:
    “Muito provavelmente, você já recebeu algum e-mail dizendo que colocar um copo de água explodiu porque foi colocado num microondas.”

    Abs

      1. @André, fiz uma solução de cloreto de sódio PA e H2O d.d. sem satura-lá. Depois coloquei alguns cristais do cloreto, fazendo com que vários outros cristais que já estavam homogêneos na mistura se saturassem e decantassem no fundo do erlenmeyer.

          1. @André agora entendi. É que sou apenas um Técnico em Químca “pela-saco”, eu não estudei. :oops: Valeu.

  2. Perturbar o equilíbrio. Força… George Lucas deve ter assistido muitas aulas de química pra criar a saga Star Wars… :-)

    Muito bom o texto. Eu antes achava serem milagres do nosso sinhô gezus cristo.

  3. Então a questão é sobre equilíbrio estável,mas sensível a pequenas perturbações.O sistema vai para um equilíbrio mais estável após esta agitação pelo que entendi… :cool:

    1. Então a questão é sobre equilíbrio estável,mas sensível a pequenas perturbações.

      Se é sujeito a perturbações pequenas, não é estável. É metaestável.

      O sistema vai para um equilíbrio mais estável após esta agitação pelo que entendi…

      Não. Ele vai para um estado genuinamente estável.

      1. @André, Seria então o equilíbrio metaestável como um mínimo local em uma função de potencial e o equilíbrio estável o mínimo global desta mesma função… :smile:

  4. Vou dedicar um pouco do meu tempo pra estudar química. Agora que ela está começando a me interessar de verdade. :razz:

      1. Sobre o livro, a biblioteca aqui está numa feia situação. Fui pegar o livro “Ponto pálido azul” e, os caras nem faziam idéia de quem era Carl Sagan. Sobre o documentário, já está no meu senhor torrent, quase concluído.

        Aí eu misturo o livro, documentário, mais a série Breaking Bad, e, daqui a algum tempo estarei manjando um pouco em química.

        Obrigado pela indicação e, Yo-oh-oh!

  5. Olá André Carvalho, espero que ainda esteja no blog, esse post é antigo. haha..
    Bom eu fiquei com uma dúvida, que possivelmente poderia confundir mais leitores também.
    Quando vc explica o processo de recristalização de uma susbtancia X, vc acaba criando um exemplo em que a solubilização do mesmo aumenta de forma gradual ou linear, isso me fez pensar… “Isso pode ocorrer na forma experimental?”
    Claro que vou pesquisar alguns exemplos para obter a resposta, mas para futuros leitores, acho que usando um exemplo com números não tão “redondos”, poderiam não passar uma ideia errada, supondo que a solubilidade não cresça de forma gradual.
    E parabéns pelo artigo, adorei lê-lo.

    1. Olá André Carvalho, espero que ainda esteja no blog, esse post é antigo. haha..

      I’m Infinite! I’m eternal!

      Quando vc explica o processo de recristalização de uma susbtancia X, vc acaba criando um exemplo em que a solubilização do mesmo aumenta de forma gradual ou linear, isso me fez pensar… “Isso pode ocorrer na forma experimental?”

      Nem sempre é linear. Às vezes, a curva pode ser exponencial

      E sim, claro que pode ser testado em laboratório. É de lá que vêm estes valores.

      Claro que vou pesquisar alguns exemplos para obter a resposta, mas para futuros leitores, acho que usando um exemplo com números não tão “redondos”, poderiam não passar uma ideia errada, supondo que a solubilidade não cresça de forma gradual.

      Cresce ou não. Cada substância tem a sua curva de solubilidade própria, e só dela. Por ser mais pronunciada ou não. Pode até quase não variar ou variar muitíssimo pouco.

      Aqui você aprenderá mais: https://ceticismo.net/2014/07/22/o-que-e-supersaturacao/

      E parabéns pelo artigo, adorei lê-lo.

      Servimos bem para servir sempre.

Deixe um comentário, mas lembre-se que ele precisa ser aprovado para aparecer.

Preencha os seus dados abaixo ou clique em um ícone para log in:

Logotipo do WordPress.com

Você está comentando utilizando sua conta WordPress.com. Sair /  Alterar )

Foto do Google

Você está comentando utilizando sua conta Google. Sair /  Alterar )

Imagem do Twitter

Você está comentando utilizando sua conta Twitter. Sair /  Alterar )

Foto do Facebook

Você está comentando utilizando sua conta Facebook. Sair /  Alterar )

Conectando a %s