Atividades de mudanças de estado físico da matéria para a 2ª série do Ensino Médio com gabarito

Na 2ª série, mudanças de estado físico da matéria deixam de ser só fusão e ebulição decoradas e viram cálculo. Quando passo esse conteúdo, percebo que a turma entende bem o que acontece com a água no fogão, mas trava quando precisa relacionar pressão, temperatura e entalpia numa mesma questão. Por isso organizo a aula em torno de situações concretas e só depois entro na equação.

Nas minhas provas, o que mais pesa é a capacidade de usar a lógica da relação entre pressão de vapor e temperatura, não a memorização de tabelas. Este texto reúne o que observo na prática, os erros que aparecem com mais frequência e um conjunto de questões que você pode aplicar direto.

O que o aluno de 2ª série precisa saber sobre Mudanças de estado físico da matéria

Mudança de estado físico é a passagem de uma substância entre sólido, líquido e gasoso sem alteração de sua composição. Nesta série, o foco está em entender que cada transição envolve absorção ou liberação de energia e que a temperatura em que ela acontece depende da pressão externa. A pressão de vapor de um líquido aumenta com a temperatura até igualar a pressão ambiente, e é nesse ponto que ocorre a ebulição. A equação de Clausius-Clapeyron conecta essas grandezas: relaciona o logaritmo da razão entre pressões à variação de temperatura e à entalpia molar de vaporização. Quando o aluno entende que pressão e temperatura de ebulição variam em sentidos ligados, ele para de decorar e passa a prever o resultado de uma situação nova.

O que ele precisa saber antes

Os pré-requisitos que mais fazem diferença são a noção de volume molar e de mols, a leitura de uma reação química balanceada, a teoria da repulsão dos pares eletrônicos para entender a geometria das moléculas e a própria ideia de pressão de vapor e de lei de Raoult. Sem o cálculo de mols, o aluno não consegue transformar o volume de gás em massa. Sem a conversão de Celsius para Kelvin, a equação de Clausius-Clapeyron dá resultados absurdos.

Onde os alunos mais erram

O erro típico que observo é confundir a relação entre pressão e temperatura de ebulição, achando que pressão maior sempre significa ebulição mais alta. Na verdade, a relação é inversa no contexto de pressão externa: quanto menor a pressão, menor a temperatura de ebulição, como acontece com a água em altitudes elevadas. Outro erro frequente é calcular a pressão de vapor da solução como se fosse a da água pura, esquecendo que o soluto diminui a fração molar do solvente. Nas questões de estequiometria, a dificuldade está em tratar a reação como 1:1 quando os coeficientes são diferentes, o que leva a resultados de massa muito fora do esperado.

Como trabalhar em sala

Algumas ideias que funcionam sem material caro:

• Começar com a água fervendo em panelas diferentes e perguntar onde a fervura começa primeiro, antes de qualquer fórmula.
• Fazer a conversão de unidades no quadro com a turma inteira, marcando cada passagem de Celsius para Kelvin.
• Resolver uma questão de estequiometria completa e depois propor uma variação alterando só o volume de gás.
• Pedir que os alunos expliquem em duas frases por que a temperatura de ebulição cai quando a pressão cai.
• Usar a geometria molecular de um composto como IF7 para discutir como as repulsões organizam os átomos ao redor do centro.

Questões prontas de Mudanças de estado físico da matéria para a 2ª série do Ensino Médio (com gabarito comentado)

Questão 1: máscara de oxigênio e estequiometria

Durante a descida de emergência de uma aeronave, máscaras individuais liberam oxigênio por meio de um cartucho químico, evitando que o passageiro respire ar com baixa disponibilidade de O2. O cartucho contém clorato de sódio (NaClO3), que ao aquecer se decompõe, na presença de catalisador, conforme a equação:

2 NaClO3(s) -> 2 NaCl(s) + 3 O2(g)

No manual técnico do equipamento, consta que cada máscara deve fornecer 18 L de O2 (medidos a 1 atm e 25 °C) para cobrir o intervalo até a estabilização do voo. Para essas condições, pode-se adotar o volume molar igual a 24,0 L/mol. Considere a massa molar do NaClO3 igual a 106,5 g/mol.

Considere as informações do texto e determine a massa mínima de NaClO3 que deve se decompor para produzir o volume de O2 requerido por uma máscara.

• ✅ A) 53 g — 18/24 = 0,75 mol O2; n(NaClO3) = (2/3)·0,75 = 0,50 mol; m = 0,50·106,5 ≈ 53 g.
• ❌ B) 80 g — erro de conversão: calcula mols de O2 com volume molar inadequado ou arredondamento grosseiro, elevando a massa. Este é o distrator mais provável.
• ❌ C) 107 g — erro de etapa: calcula corretamente 0,50 mol de NaClO3, mas multiplica por 106,5 como se fosse 1,0 mol.
• ❌ D) 35 g — erro de proporção: usa a razão 2:3 de forma incorreta e subestima os mols de NaClO3 necessários.
• ❌ E) 71 g — erro de coeficientes: trata a reação como 1 mol NaClO3 → 1 mol O2, ignorando a estequiometria 2:3.

Questão 2: geometria do IF7 e repulsão dos pares eletrônicos

Em uma aula de Química, estudantes analisaram um modelo tridimensional da molécula IF7. O átomo de iodo ocupa a posição central e está ligado a sete átomos de flúor. No modelo, cinco átomos de flúor estão distribuídos aproximadamente no mesmo plano, ao redor do iodo, enquanto os outros dois se encontram em posições opostas, acima e abaixo desse plano. De acordo com o modelo da repulsão dos pares eletrônicos da camada de valência, os pares de elétrons ao redor do átomo central se organizam de modo a reduzir ao máximo as repulsões entre si.

Com base no texto e no modelo de repulsão dos pares eletrônicos da camada de valência, qual é a geometria molecular da espécie IF7 e como se organiza a disposição dos átomos ligados ao iodo?

• ❌ A) Geometria octaédrica, com seis átomos distribuídos em posições equivalentes ao redor do átomo central, reduzindo as repulsões eletrônicas. — Esse modelo corresponde a seis posições de ligação, mas o texto informa que há sete átomos de flúor ligados ao iodo. Este é o distrator mais provável.
• ✅ B) Geometria bipiramidal pentagonal, com cinco átomos no plano equatorial e dois átomos em posições axiais opostas, disposição que minimiza as repulsões entre os pares eletrônicos. — O IF7 tem sete átomos ligados ao centro; cinco formam um pentágono no plano e dois ficam sobre um eixo perpendicular, em lados opostos.
• ❌ C) Geometria bipiramidal trigonal, com três átomos no plano central e dois átomos em posições opostas, reduzindo as repulsões eletrônicas. — A bipiramidal trigonal tem cinco posições, não sete.
• ❌ D) Geometria pentagonal plana, com cinco átomos distribuídos ao redor do átomo central em um único plano, reduzindo as repulsões eletrônicas. — Considera só os cinco átomos coplanares e desconsidera os dois localizados acima e abaixo do plano.
• ❌ E) Geometria tetraédrica, com quatro átomos distribuídos ao redor do átomo central em direções equivalentes, reduzindo as repulsões eletrônicas. — A tetraédrica tem quatro posições de ligação, incompatível com os sete átomos indicados.

Questão 3: pressão de vapor de uma solução de NaCl

Uma solução aquosa contém 0,10 mol de NaCl dissolvidos em 1,00 kg de água a 100,0 °C. Admitindo dissociação completa e comportamento ideal, estime a pressão de vapor da água sobre a solução usando a lei de Raoult. Pressão de vapor da água pura a 100 °C: 1,013×10^5 Pa.

• ❌ A) 0,10×10^5 Pa — resultado sem relação com o cálculo da pressão de vapor.
• ❌ B) 2,01×10^5 Pa — magnitude errada, não considera a fração molar correta do solvente.
• ✅ C) 1,01×10^5 Pa — n(H2O) = 1000/18,015 ≈ 55,51 mol; partículas de soluto ≈ 0,10·2 = 0,20 mol; x(H2O) = 55,51/55,71 = 0,9964; P = 0,9964·1,013×10^5 ≈ 1,01×10^5 Pa.
• ❌ D) 1,05×10^5 Pa — sai do valor puro direto, ignora o efeito da dissolução do NaCl. Este é o distrator mais provável.
• ❌ E) 1,00×10^5 Pa — não leva em conta a contribuição do soluto na pressão de vapor.

Questão 4: temperatura de ebulição em 80 kPa

A pressão atmosférica local é 80,0 kPa. Estime a temperatura de ebulição da água nessa pressão, usando ΔHvap = 40,65 kJ·mol⁻¹ e R = 8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹. Considere T1 = 373,15 K a 101,3 kPa.

• ✅ A) T ≈ 366,8 K (≈ 93,7 °C) — usa-se ln(P2/P1) = −ΔHvap/R(1/T2 − 1/T1). Substituindo ln(80/101,3) = −0,2357 e ΔHvap/R ≈ 4892,6, obtém-se T2 ≈ 366,8 K.
• ❌ B) T ≈ 375 K, pois a pressão mais alta aumenta a ebulição. — A relação entre pressão e temperatura de ebulição é direta, e aqui a pressão caiu. Este é o distrator mais provável.
• ❌ C) T ≈ 400 K, pois temperaturas elevadas são esperadas na ebulição. — a equação e os valores não justificam essa temperatura.
• ❌ D) T ≈ 350 K, pois a redução de pressão implica menor temperatura de ebulição. — a conclusão até tem o sentido certo, mas o cálculo não sustenta esse valor.
• ❌ E) T ≈ 380 K, considerando uma pressão constante de 100 kPa. — a pressão local é 80 kPa, não 100 kPa.

Questão 5: entalpia de vaporização a partir de dados experimentais

Dados experimentais: a pressão de vapor de uma substância é P1 = 2,34 kPa a T1 = 290,0 K e P2 = 5,10 kPa a T2 = 310,0 K. Usando a equação de Clausius–Clapeyron aproximadamente linear, calcule a entalpia molar de vaporização ΔHvap em kJ·mol⁻¹ (use R = 8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹).

• ❌ A) 22,8 kJ·mol⁻¹ — cálculo inadequado que não se alinha com a fórmula para ΔHvap. Este é o distrator mais provável.
• ✅ B) 29,1 kJ·mol⁻¹ — ΔHvap = −R·ln(5,10/2,34)/(1/310 − 1/290) ≈ 2,91×10⁴ J·mol⁻¹ = 29,1 kJ·mol⁻¹.
• ❌ C) 10,5 kJ·mol⁻¹ — subestima a entalpia pela falta de aplicação correta da equação.
• ❌ D) 15,2 kJ·mol⁻¹ — não leva em conta a diferença de pressões de vapor.
• ❌ E) 50,0 kJ·mol⁻¹ — superestima drasticamente devido a incorreção no cálculo do logaritmo.

Questão 6: pressão de vapor da água a 350 K

Usando a equação de Clausius–Clapeyron, estime a pressão de vapor do H2O a 350,0 K. Dados: P1 = 101,3 kPa a T1 = 373,0 K; ΔH_vap = 40,65 kJ·mol⁻¹; R = 8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹.

• ✅ A) ≈42,8 kPa — ln(P2/101,3) = −40650/8,314·(1/350 − 1/373) ≈ −0,8619, logo P2 ≈ 101,3·e^−0,8619 ≈ 42,8 kPa.
• ❌ B) 102,0 kPa — subestima a queda de pressão causada pela temperatura mais baixa. Este é o distrator mais provável.
• ❌ C) 10,0 kPa — valor muito baixo para a temperatura dada.
• ❌ D) 80,0 kPa — não reflete a diminuição esperada na pressão de vapor.
• ❌ E) 30,0 kPa — ignora os dados fornecidos e a magnitude real da queda.

Questão 7: temperatura de ebulição da água a 0,5 atm

Usando a forma integrada de Clausius–Clapeyron ln(P2/P1) = −ΔH_vap/R (1/T2 − 1/T1), estime a temperatura de ebulição da água (T2) a P2 = 0,5 atm. Dados: P1 = 1,00 atm, T1 = 373,15 K, ΔH_vap = 40,7 kJ·mol⁻¹, R = 8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹.

• ❌ A) 1/T2 = 1/(373,15 K) + 0,002. — a relação correta envolve subtração, não adição.
• ❌ B) ΔH_vap = 80 kJ·mol⁻¹; T2 = 300 K. — valor de ΔH_vap errado e T2 inconsistente. Este é o distrator mais provável.
• ❌ C) ln(P2/P1) = 0; T2 = 373,15 K. — ln(0,5) é negativo, portanto T2 não é igual a T1.
• ✅ D) ≈354,4 K (≈81,3 °C) — 1/T2 = 1/T1 − (R/ΔH)·ln(P2/P1). Com ΔH = 40.700 J·mol⁻¹ e ln(0,5) = −0,6931, obtém-se T2 ≈ 354,4 K.
• ❌ E) T2 a 0,5 atm é 450 K, muito mais alta que T1. — em baixa pressão a ebulição ocorre em temperatura menor, não maior.

Questão 8: entalpia de vaporização com conversão de temperaturas

Usando a forma integrada da equação de Clausius–Clapeyron, estime a entalpia molar de vaporização (ΔHvap) da água dada a pressão de vapor P1 = 23,8 mmHg a T1 = 25,0 °C e P2 = 42,2 mmHg a T2 = 35,0 °C. Use R = 8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹ e converta temperaturas para K.

• ❌ A) ≈60 kJ·mol⁻¹ — sobrestima, não aplica corretamente a equação.
• ❌ B) ≈70 kJ·mol⁻¹ — cálculo que leva a uma estimativa errada. Este é o distrator mais provável.
• ❌ C) ≈30 kJ·mol⁻¹ — ignora a relação entre pressão e temperatura.
• ✅ D) ≈43,7 kJ·mol⁻¹ — ln(P2/P1) = 0,572; 1/T2 − 1/T1 = −0,00010885 K⁻¹; ΔHvap = −R·ln(P2/P1)/(1/T2 − 1/T1) ≈ 4,37×10⁴ J·mol⁻¹.
• ❌ E) ≈50 kJ·mol⁻¹ — valor não calculado corretamente ao ignorar a diferença de pressões.

Fechamento e próximos passos

Depois de aplicar essas questões, sugiro revisar com a turma os erros de conversão de unidades e de confusão entre pressão e temperatura de ebulição, que são os mais recorrentes. Para ver mais questões da habilidade trabalhada, veja as questões da habilidade EM13CNT101 e as questões da habilidade EM13CNT307. Se quiser montar sua própria prova com esse conteúdo, use o gerador de provas do GeraProva e comece com um cadastro grátis.

Este texto é um apoio para o seu planejamento: adapte as questões ao ritmo da sua turma e confira sempre o gabarito antes de aplicar.