Propriedades da matéria: estados físicos, propriedades, substâncias, misturas e transformações

Tudo o que ocupa lugar no espaço e tem massa é matéria: a água de um copo, o ar de uma sala, o ferro de uma panela, o próprio corpo humano. As diferenças entre esses materiais são descritas por suas propriedades. Algumas valem para toda matéria, como ter massa e ocupar espaço; outras permitem identificar um material específico, como a densidade do ouro ou a temperatura de ebulição da água.

Este artigo parte dos estados físicos e do modelo de partículas que os explica, passa pelas mudanças de estado e pelos gráficos que as registram, apresenta as propriedades gerais e específicas da matéria, distingue substâncias puras de misturas e termina na diferença entre transformações físicas e químicas. A mesma pergunta atravessa todo o texto: o que muda e o que se conserva quando a matéria se transforma?

1. Estados físicos da matéria

1.1 Características macroscópicas

Estado	Forma	Volume	Compressibilidade	Exemplos
Sólido	Definida	Definido	Praticamente incompressível	Gelo, ferro, sal de cozinha
Líquido	Variável: a do recipiente	Definido	Muito pouco compressível	Água, óleo, mercúrio
Gasoso	Variável	Variável: ocupa todo o recipiente	Muito compressível	Ar, vapor-d'água, gás de cozinha

Os líquidos escoam e tomam a forma do recipiente, mas mantêm o volume; os gases se expandem até ocupar todo o espaço disponível.

1.2 Modelo cinético-molecular

O comportamento macroscópico dos estados físicos é explicado por um modelo de partículas, baseado em quatro ideias: toda matéria é formada por partículas muito pequenas, átomos, moléculas ou íons; entre as partículas há espaços vazios; as partículas estão em movimento constante, e quanto maior a temperatura, maior sua agitação média; e entre elas atuam forças de atração, que dependem da distância e da natureza da substância.

Estado	Organização das partículas	Movimento	Atração entre partículas
Sólido	Próximas, em posições fixas, muitas vezes em arranjo ordenado	Vibram em torno de posições fixas	Intensa
Líquido	Próximas, sem posições fixas	Deslizam umas sobre as outras	Intermediária
Gasoso	Muito afastadas, em desordem	Movimento livre e rápido, em todas as direções	Muito fraca

O sólido tem forma definida porque as partículas não mudam de posição. O líquido escoa porque as partículas deslizam, mas mantém o volume porque continuam próximas. O gás é compressível porque há muito espaço vazio entre as partículas.

1.3 Mudanças de estado

Mudança	Passagem	Energia	Exemplo
Fusão	Sólido → líquido	Absorvida	Gelo derretendo
Solidificação	Líquido → sólido	Liberada	Água congelando no freezer
Vaporização	Líquido → gasoso	Absorvida	Água fervendo; roupa secando
Condensação (liquefação)	Gasoso → líquido	Liberada	Gotas na parte externa de um copo gelado
Sublimação	Sólido → gasoso	Absorvida	Naftalina diminuindo; gelo-seco (CO₂ sólido)
Ressublimação	Gasoso → sólido	Liberada	Formação de geada

Mudanças que absorvem energia são endotérmicas: fusão, vaporização e sublimação; nelas, a energia afasta as partículas. Mudanças que liberam energia são exotérmicas: solidificação, condensação e ressublimação. O termo liquefação é usado principalmente para a passagem ao estado líquido de substâncias que, em condições ambientes, são gases, como o gás de cozinha comprimido nos botijões.

A vaporização ocorre de três formas. A evaporação ocorre apenas na superfície do líquido, em qualquer temperatura, de forma lenta, como no varal. A ebulição ocorre em todo o líquido, com bolhas de vapor no interior, a uma temperatura definida, o ponto de ebulição. A calefação é a vaporização muito rápida de um líquido em contato com uma superfície muito acima de seu ponto de ebulição, como uma gota de água em uma chapa muito quente.

1.4 Gráficos de mudança de estado

Quando uma substância pura é aquecida, sua temperatura sobe até atingir o ponto de fusão. Durante a fusão, a temperatura permanece constante, formando um patamar no gráfico, e só volta a subir quando todo o sólido tiver fundido. O mesmo ocorre no ponto de ebulição.

A curva de resfriamento percorre o caminho inverso, com patamares nas mesmas temperaturas: condensação a 100 °C e solidificação a 0 °C.

2. Propriedades gerais da matéria

As propriedades gerais são comuns a toda matéria e, por isso, não servem para identificar uma substância.

Propriedade	Definição	Exemplo
Massa	Quantidade de matéria de um corpo; também é a medida de sua inércia. Unidade no SI: kg	Um saco de arroz de 5 kg
Volume	Espaço ocupado por um corpo	1 L = 1 dm³; 1 mL = 1 cm³
Extensão	Propriedade de ocupar lugar no espaço, medida pelo volume	Todo corpo tem dimensões
Inércia	Tendência de um corpo manter seu estado de repouso ou de movimento	O passageiro projetado para a frente quando o ônibus freia
Impenetrabilidade	Dois corpos não ocupam o mesmo lugar no espaço ao mesmo tempo	Uma pedra colocada em um copo cheio faz a água transbordar
Divisibilidade	A matéria pode ser dividida em porções menores sem perder suas propriedades, até certo limite	Um cristal de açúcar moído continua sendo açúcar
Compressibilidade	O volume pode diminuir sob pressão	Ar comprimido em uma seringa tampada
Elasticidade	Após sofrer deformação, o corpo pode voltar à forma original quando a força deixa de atuar, dentro de um limite	Elástico, mola, bola de borracha
Indestrutibilidade	A matéria não pode ser criada nem destruída, apenas transformada	Na queima de papel, a matéria se converte em gases e cinzas
Descontinuidade	Existem espaços vazios entre as partículas da matéria	Um gás pode ser comprimido; o açúcar "desaparece" na água

3. Propriedades específicas da matéria

As propriedades específicas variam de um material para outro e permitem identificar substâncias. Dividem-se em físicas, como densidade, pontos de fusão e ebulição, solubilidade, dureza e condutividade; químicas, como a capacidade de queimar ou enferrujar; e organolépticas, percebidas pelos sentidos, como cor, brilho e odor.

3.1 Densidade

A densidade é uma propriedade intensiva: não depende da quantidade de material. Um grama ou uma tonelada de alumínio têm a mesma densidade, 2,7 g/cm³. Massa e volume, ao contrário, são extensivos.

Material	Densidade aproximada (g/cm³, perto de 20 °C)
Ar (ao nível do mar)	0,0012
Etanol	0,79
Gelo	0,92
Óleo de soja	0,92
Água	1,00
Água do mar	1,03
Alumínio	2,7
Ferro	7,9
Chumbo	11,3
Mercúrio	13,6
Ouro	19,3

Flutuação. Um objeto maciço flutua em um líquido quando é menos denso que ele e afunda quando é mais denso: o óleo fica sobre a água, e uma bola de ferro afunda na água, mas flutua no mercúrio. Um navio de aço flutua porque sua forma inclui um grande volume de ar, e a densidade média do conjunto é menor que a da água.

Aplicações. A densidade do leite fica em torno de 1,03 g/mL, e a adição de água reduz esse valor, o que ajuda a detectar fraudes. Nos postos de combustível, o densímetro do etanol hidratado permite ao consumidor verificar se o produto está dentro das especificações. O relato tradicional atribui a Arquimedes a verificação de que uma coroa não era de ouro puro a partir de seu volume, medido pela água deslocada; a ideia é válida, pois uma coroa de 1.000 g com volume de 60 cm³ tem densidade de cerca de 16,7 g/cm³, menor que a do ouro. Na reciclagem, plásticos de densidades diferentes podem ser separados em líquidos nos quais uns flutuam e outros afundam.

3.2 Ponto de fusão e ponto de ebulição

O ponto de fusão (PF) é a temperatura em que uma substância pura passa do estado sólido para o líquido, igual à de solidificação. O ponto de ebulição (PE) é a temperatura em que ela ferve, igual à de condensação. Para uma substância pura, a uma pressão definida, PF e PE são constantes e servem para identificá-la.

Substância	PF (°C)	PE (°C)
Oxigênio	−219	−183
Etanol	−114	78
Mercúrio	−39	357
Água	0	100
Cloreto de sódio	801	1.413
Ferro	1.538	2.862
Tungstênio	3.422	≈ 5.500

Valores ao nível do mar, sob pressão de 1 atm.

O ponto de ebulição depende da pressão. Em locais de grande altitude, a pressão atmosférica é menor, e a água ferve abaixo de 100 °C, o que torna o cozimento mais lento. Na panela de pressão, o vapor retido aumenta a pressão interna, e a água ferve acima de 100 °C, em torno de 120 °C, o que acelera o cozimento. O tungstênio é usado em filamentos de lâmpadas incandescentes por ter o maior ponto de fusão entre os metais.

3.3 Solubilidade

A solubilidade é a quantidade máxima de uma substância, o soluto, que se dissolve em uma quantidade fixa de outra, o solvente, a uma temperatura definida. É expressa pelo coeficiente de solubilidade, geralmente em gramas de soluto por 100 g de água. A 20 °C, o do cloreto de sódio é cerca de 36 g por 100 g de água.

Conforme a quantidade dissolvida, a solução pode ser insaturada, com menos soluto que o máximo; saturada, com o máximo de soluto dissolvido, e o excesso fica no fundo como corpo de fundo; ou supersaturada, com mais soluto dissolvido que o limite, de forma instável: uma pequena perturbação faz o excesso cristalizar.

Para a maioria dos sólidos, a solubilidade aumenta com a temperatura: o nitrato de potássio dissolve cerca de 32 g em 100 g de água a 20 °C e cerca de 110 g a 60 °C. Para os gases, a solubilidade diminui com o aumento da temperatura: um refrigerante quente perde gás mais depressa, e a água aquecida de rios e lagos contém menos oxigênio dissolvido.

"Semelhante dissolve semelhante." Substâncias polares e iônicas tendem a se dissolver em solventes polares, como a água, e substâncias apolares, em solventes apolares. Por isso o sal se dissolve na água, e o óleo não.

3.4 Dureza

A dureza é a resistência de um material a ser riscado: o material mais duro risca o mais mole. A escala de Mohs, proposta pelo mineralogista Friedrich Mohs no início do século XIX, ordena dez minerais de referência.

Dureza	Mineral	Referência cotidiana aproximada
1	Talco	Riscado pela unha
2	Gipsita	Riscada pela unha (≈ 2,5)
3	Calcita	Riscada por uma moeda de cobre
4	Fluorita
5	Apatita	Riscada por uma lâmina de aço
6	Ortoclásio	Risca o vidro (≈ 5,5)
7	Quartzo
8	Topázio
9	Coríndon
10	Diamante	O material natural mais duro

3.5 Brilho, cor e odor

As propriedades organolépticas são percebidas pelos sentidos: cor, brilho, odor, sabor e textura. O brilho metálico é característico dos metais polidos; a cor do enxofre é amarela, e a do sulfato de cobre hidratado, azul; o odor do vinagre se deve ao ácido acético. Essas propriedades ajudam na identificação, mas não bastam sozinhas, porque muitas substâncias diferentes têm a mesma cor, e algumas são tóxicas. Por segurança, nunca se prova ou se cheira diretamente uma substância desconhecida em laboratório.

3.6 Condutividade térmica e elétrica

Metais são bons condutores térmicos e elétricos, porque têm elétrons com grande liberdade de movimento: o cobre é usado em fios elétricos, e o alumínio, em panelas. Isolantes térmicos, como madeira, plástico, isopor e o próprio ar parado, são usados em cabos de panelas, garrafas térmicas e agasalhos. Soluções iônicas, como a água com sal dissolvido, também conduzem eletricidade, porque têm íons livres, enquanto a água pura conduz muito pouco. O grafite, um não metal, é bom condutor elétrico, uma exceção importante.

3.7 Maleabilidade e ductilidade

Maleabilidade é a capacidade de ser transformado em lâminas finas sem se romper, como o ouro batido em folhas finíssimas e o alumínio laminado em papel-alumínio. Ductilidade é a capacidade de ser transformado em fios, como o cobre estirado em fios elétricos. As duas são típicas dos metais. O oposto é a fragilidade, característica de materiais como o vidro e a cerâmica, que se quebram em vez de se deformar.

4. Substâncias puras e misturas

4.1 Substância pura

Uma substância pura tem composição fixa e propriedades específicas constantes, como densidade, PF e PE definidos a uma dada pressão. A substância simples é formada por átomos de um único elemento químico, como o gás oxigênio (O₂), o ozônio (O₃), o gás nitrogênio (N₂), o ferro (Fe) e o hélio (He). A substância composta é formada por átomos de dois ou mais elementos, como a água (H₂O), o gás carbônico (CO₂), o cloreto de sódio (NaCl) e a glicose (C₆H₁₂O₆). Um mesmo elemento pode formar substâncias simples diferentes, como O₂ e O₃, ou diamante e grafite: é a alotropia, estudada no artigo de Atomística.

4.2 Misturas

Uma mistura reúne duas ou mais substâncias, os componentes, que mantêm suas características, com composição variável. As misturas se classificam pelo número de fases, regiões com aspecto uniforme e as mesmas propriedades em todos os pontos. A mistura homogênea apresenta uma única fase, mesmo ao microscópio comum, e também é chamada de solução: água com sal dissolvido, álcool e água, ar filtrado, ligas metálicas como o bronze e o aço. A mistura heterogênea apresenta duas ou mais fases: água e óleo, água e areia, granito, que tem três fases visíveis (quartzo, feldspato e mica).

4.3 Diferenciação por gráficos de mudança de estado

Material	Fusão	Ebulição	Exemplo
Substância pura	Temperatura constante (patamar)	Temperatura constante (patamar)	Água destilada
Mistura comum	Faixa de temperatura	Faixa de temperatura	Água com sal
Mistura eutética	Temperatura constante	Faixa de temperatura	Solda de estanho e chumbo (63% e 37%), que funde a 183 °C
Mistura azeotrópica	Faixa de temperatura	Temperatura constante	Álcool comercial a cerca de 96%, etanol e água

Nas misturas comuns, a temperatura continua subindo durante a mudança de estado, porque a composição da parte que ainda não mudou de estado se altera ao longo do processo. As misturas eutéticas e azeotrópicas se comportam como substâncias puras em uma das mudanças de estado, mas não na outra.

5. Transformações físicas e químicas

5.1 Transformações físicas

Uma transformação física altera o estado, a forma ou o tamanho de um material, sem alterar sua composição: as substâncias continuam as mesmas. São exemplos a fusão do gelo, a evaporação da água, a dissolução de açúcar na água, amassar uma lata, quebrar um vidro, moer café e esticar um elástico. A dissolução é física: o açúcar dissolvido continua sendo açúcar e pode ser recuperado evaporando a água.

5.2 Transformações químicas

Uma transformação química, ou reação química, produz substâncias novas, com propriedades diferentes das originais: os átomos se reorganizam, ligações são rompidas e novas ligações se formam. São exemplos a queima do papel, a formação da ferrugem, o cozimento do ovo, a fermentação da massa de pão, o leite azedando, o comprimido efervescente em água, em que um ácido reage com bicarbonato e libera gás carbônico, a fotossíntese e a respiração celular.

As principais evidências de transformação química são a mudança de cor não explicada por diluição ou mistura; a liberação de gás, com efervescência, sem aquecimento até a ebulição; a formação de precipitado, um sólido insolúvel que surge da mistura de duas soluções; a liberação ou absorção de energia, como calor, luz ou som; e o surgimento de odor característico.

5.3 Exemplos cotidianos e reversibilidade

Situação	Tipo	Justificativa
Gelo derretendo	Física	A água continua sendo água
Açúcar dissolvendo no café	Física	O açúcar pode ser recuperado
Vela acesa	Física e química	A parafina funde (física) e queima (química)
Pão assando	Química	Formam-se novas substâncias na massa e na crosta
Palha de aço enferrujando	Química	Forma-se óxido de ferro
Vapor embaçando o espelho	Física	É condensação
Fogos de artifício	Química	Há combustão, com liberação de luz, calor e gases
Queimar açúcar (caramelizar)	Química	A cor muda, e o sabor e o odor são novos

6. Exemplos resolvidos

7. Erros conceituais frequentes

Erro	Por que está errado	Forma correta
As moléculas do gelo são sólidas	Partículas não mudam de estado	Mudam distância, organização e movimento
Evaporação só ocorre a 100 °C	Evaporação ocorre em qualquer temperatura	A ebulição ocorre no PE
Durante a fervura, a temperatura continua subindo	Em substância pura, fica constante	A energia afasta as partículas
A água sempre ferve a 100 °C	O PE depende da pressão	100 °C a 1 atm
Propriedades gerais identificam substâncias	São comuns a toda matéria	Usar propriedades específicas
Um objeto pesado sempre afunda	Depende da densidade, não da massa	Flutua se for menos denso que o líquido
Densidade depende da quantidade	É propriedade intensiva	1 g e 1 t de alumínio têm a mesma densidade
Heterogêneo é sempre mistura	Água com gelo é substância pura com duas fases	Fases ≠ componentes
Leite é mistura homogênea	Ao microscópio, tem fases distintas	É heterogêneo
Dissolução é transformação química	O soluto não muda de composição	É física
Toda liberação de gás indica reação	A ebulição libera vapor sem reação	Verificar se surgem substâncias novas
Transformações químicas são sempre irreversíveis	Algumas são revertidas, como a recarga de baterias	O critério é a composição
Diamante é indestrutível	É duro, mas não tenaz, e queima em alta temperatura	Dureza ≠ resistência a impacto
Queimar papel "destrói" matéria	Os gases escapam	Em sistema fechado, a massa se conserva

8. Distinções importantes

Evaporação e ebulição. A evaporação ocorre na superfície, em qualquer temperatura, de forma lenta; a ebulição ocorre em todo o líquido, no ponto de ebulição, com bolhas.

Propriedades gerais e específicas. As gerais são comuns a toda matéria; as específicas variam entre materiais e permitem identificá-los.

Propriedades intensivas e extensivas. As intensivas não dependem da quantidade (densidade, PF, PE, cor); as extensivas dependem (massa, volume).

Massa e densidade. A massa é a quantidade de matéria; a densidade é a massa por unidade de volume.

Dureza e tenacidade. A dureza é a resistência a ser riscado; a tenacidade é a resistência à quebra por impacto.

Maleabilidade e ductilidade. Maleável é o material que forma lâminas; dúctil é o que forma fios.

Substância simples e composta. A simples tem um só elemento; a composta tem dois ou mais.

Substância pura e mistura. A substância pura tem composição fixa e PF e PE constantes; a mistura tem composição variável e, em geral, faixas de fusão e ebulição.

Mistura homogênea e heterogênea. A homogênea tem uma fase; a heterogênea tem duas ou mais.

Componente e fase. Componente é cada substância presente; fase é cada região de aspecto uniforme.

Mistura eutética e azeotrópica. A eutética funde a temperatura constante; a azeotrópica ferve a temperatura constante.

Transformação física e química. A física não muda a composição; a química forma substâncias novas.

Elemento químico e substância simples. O elemento é um tipo de átomo, como o oxigênio; a substância simples é o material formado por esse elemento, como o gás O₂ ou o ozônio O₃.

9. Perguntas frequentes

O ar é matéria?

Sim. Tem massa e ocupa espaço: um balão cheio de ar pesa um pouco mais que vazio, e o ar comprimido em um pneu sustenta um carro.

Por que a temperatura da água não passa de 100 °C enquanto ela ferve em uma panela aberta?

Porque, durante a ebulição, a energia recebida é usada para transformar o líquido em vapor, e não para aquecê-lo. Aumentar o fogo faz a água ferver mais depressa, mas não mais quente, e por isso, depois que a água ferve, fogo baixo basta para cozinhar.

O vidro é um líquido que escoa muito lentamente?

Não. O vidro é um sólido amorfo: suas partículas não formam arranjo ordenado, mas estão fixas. Vitrais antigos às vezes são mais grossos embaixo por causa dos métodos de fabricação da época, e não porque o vidro tenha escoado ao longo de séculos.

Por que o sal é jogado nas estradas em países frios?

Porque a água com sal dissolvido congela a uma temperatura mais baixa que a água pura, e o gelo derrete mesmo abaixo de 0 °C. Esse efeito, chamado de propriedade coligativa, é estudado em Físico-Química.

Como o gelo-seco "desaparece" sem deixar água?

O gelo-seco é gás carbônico sólido. À pressão atmosférica, ele passa diretamente do estado sólido ao gasoso, por sublimação, sem passar pelo líquido.

Por que a roupa seca mais depressa em dias de vento?

O vento remove o vapor-d'água que se acumula junto ao tecido, o que favorece a evaporação. Calor e baixa umidade do ar também aceleram o processo.

Toda mistura homogênea é líquida?

Não. O ar filtrado é uma mistura homogênea gasosa, e ligas metálicas como o bronze, de cobre e estanho, são misturas homogêneas sólidas.

O diamante queima?

Sim. O diamante é carbono e, aquecido a centenas de graus em presença de oxigênio, reage formando gás carbônico. A dureza extrema não o protege de reações químicas.

11. Síntese

A matéria tem massa e ocupa espaço e se apresenta em três estados físicos principais: o sólido, com forma e volume definidos; o líquido, com volume definido e forma variável; e o gasoso, com forma e volume variáveis. O modelo cinético-molecular explica esses estados pela distância, pela organização, pelo movimento e pela atração entre partículas, que não mudam de estado. As mudanças de estado absorvem energia (fusão, vaporização e sublimação) ou a liberam (solidificação, condensação e ressublimação), e em uma substância pura a temperatura fica constante durante a mudança, formando patamares no gráfico.

As propriedades gerais são comuns a toda matéria. As propriedades específicas identificam os materiais: a densidade, d = m/V, determina se um corpo flutua; o PF e o PE indicam o estado em cada temperatura e dependem da pressão; a solubilidade varia com a temperatura; a dureza é medida pela escala de Mohs; e a condutividade, a maleabilidade e a ductilidade caracterizam os metais.

As substâncias puras têm composição fixa e podem ser simples ou compostas; as misturas têm composição variável e podem ser homogêneas ou heterogêneas. Nas curvas de aquecimento, a substância pura tem dois patamares, a mistura comum nenhum, a eutética patamar na fusão, e a azeotrópica na ebulição.

As transformações físicas mudam estado, forma ou tamanho sem alterar a composição; as químicas formam substâncias novas e costumam ser acompanhadas de mudança de cor, liberação de gás, formação de precipitado ou troca de energia, evidências que sugerem, mas não provam, uma reação. Em sistema fechado, a massa total se conserva em qualquer transformação.

12. Glossário

Termo	Significado
Calor latente	Energia necessária para mudar o estado de uma unidade de massa sem variar a temperatura
Coeficiente de solubilidade	Massa máxima de soluto que se dissolve em uma quantidade de solvente, a uma temperatura
Componente	Cada substância presente em uma mistura
Corpo de fundo	Excesso de soluto não dissolvido em uma solução saturada
Densidade	Massa por unidade de volume
Ductilidade	Capacidade de ser transformado em fios
Dureza	Resistência de um material a ser riscado
Endotérmico	Processo que absorve energia
Exotérmico	Processo que libera energia
Fase	Região de um sistema com aspecto e propriedades uniformes
Maleabilidade	Capacidade de ser transformado em lâminas
Mistura azeotrópica	Mistura que ferve a temperatura constante
Mistura eutética	Mistura que funde a temperatura constante
Ponto de ebulição	Temperatura em que uma substância ferve, a uma dada pressão
Ponto de fusão	Temperatura em que uma substância funde, a uma dada pressão
Precipitado	Sólido insolúvel que se forma em uma reação em solução
Propriedade intensiva	Propriedade que não depende da quantidade de material
Solução	Mistura homogênea
Substância composta	Substância formada por dois ou mais elementos químicos
Substância simples	Substância formada por um único elemento químico
Sublimação	Passagem direta do estado sólido para o gasoso