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CIÊNCIAS DA NATUREZA E SUAS TECNOLOGIAS F B O N L I N E . C O M . B R ////////////////// Professor(a): João Victor assunto: teoria cinética dos Gases frente: Química iii OSG.: 118627/17 AULA 06 EAD – MEDICINA Resumo Teórico Teoria cinética dos gases Os estados de agregação da matéria (sólido, líquido e gasoso) podem ser diferenciados observando seus volumes e suas formas. Por exemplo, os sólidos têm forma e volume definidos. Os líquidos têm volume definido, mas a forma deles varia de acordo com o sistema que o armazena. Já os gases possuem forma e volume variáveis. A partir das observações acerca das propriedades dos gases, e com o objetivo de entender o comportamento dos mesmos, criou-se a teoria cinética dos gases. Os postulados que explicam a teoria cinética dos gases são: 1º) Os gases são formados por partículas (moléculas ou átomos) que se encontram em movimento desordenado e permanente, o que faz com que elas colidam entre si e com as paredes dos recipientes. Figura 01 – movimento desordenado e permanente das moléculas de um gás. 2º) As colisões das partículas dos gases com as paredes do sistema têm como consequência a pressão do gás. P Figura 02 – pressão exercida pelas colisões das partículas gasosas com as paredes do sistema. 3º) As partículas gasosas são infinitamente pequenas se comparadas com os espaços vazios que existem entre elas. Portanto, podemos dizer que os gases são constituídos, em sua grande totalidade, por espaços vazios. 4º) As colisões entre as partículas gasosas e as paredes do recipiente que as contém, são perfeitamente elásticas ( E total = 0), ou seja, ocorrem sem perda de energia cinética total. 5º) A energia cinética translacional média (Ec) para cada molécula é diretamente proporcional à temperatura absoluta (T). Obs.: a temperatura em Kelvin. Ec = 3/2 · K · T Onde K é a constante de Boltzmann que vale 1,38·10-23 j/K. A energia cinética é proporcional ao quadrado da velocidade: Ec = 1/2 · m · v2 Portanto, a velocidade quadrática média por molécula pode ser calculada em função da temperatura do gás: 1 2 3 2 3 32 2mv k T v k T m RT M B B= ⇒ = = Onde M é a massa molecular em kg/mol. Gases que obedecem aos postulados são classificados como gases ideais ou gases perfeitos. Já os gases que fogem ao modelo, são chamados de gases reais. Portanto, percebemos que as duas características que nos ajudam a diferenciar um gás ideal de um gás real são: • A ausência de forças intermoleculares nos gases ideais; • O tamanho desprezível das partículas dos gases ideais. Porém, é importante salientar que um gás só apresenta tal comportamento se estiver expandido e, para isso, precisa estar a baixas pressões e elevadas temperaturas. Variáveis de estado para um gás O comportamento das partículas de um gás se caracteriza quando conhecemos o volume ocupado pelo gás e as condições exatas de temperatura e pressão em que ele se encontra. Logo, podemos dizer que tais grandezas caracterizam o estado de um gás, por isso, são denominadas variáveis de estado. 2F B O N L I N E . C O M . B R ////////////////// Módulo de estudo OSG.: 118627/17 Volume Medido no sistema internacional (SI) em m3. Outros tipos de unidades: decímetro cúbico (dm3), centímetro cúbico (cm3), mililitro (mL), litro (L). Pressão É o resultado das colisões das partículas gasosas contra as paredes do recipiente onde está armazenado. Como já vimos, tais colisões ocorrem sem variação da energia total. Medido no sistema internacional (SI) em newton/m2 (N/m2) ou em pascal (Pa). Temperatura É diretamente proporcional à energia cinética média das partículas que constituem o gás, portanto, podemos dizer, que a temperatura é a medida do grau de agitação das partículas gasosas. Medido no sistema internacional (SI) em Kelvin (K). Outra unidade bem comum é o grau Celsius (°C). T (K) = T (OC) + 273,15 Transformações gasosas Vimos que, o estado de um gás é determinado quando sabemos os valores exatos de seu volume, de sua pressão e de sua temperatura. Quando ocorre alteração em pelo menos uma dessas grandezas, dizemos que o gás sofreu uma transformação que chamamos de transformação gasosa. Transformação isotérmica (Lei de Boyle-Mariotte) Em sistema fechado onde a temperatura é mantida constante, observa-se que determinada massa de gás ocupa volume inversamente proporcional à sua pressão. Dizemos que: P × V = k (onde k é uma constante de proporcionalidade) Logo: P i × V i = P f × V f p (atm) isoterma 10,0 5,0 1 2 2,0 V 2 V (litros) Figura 03 – Sistema isotérmico. Transformação isobárica (Lei de Charles e Gay-Lussac) Em um sistema mantido à pressão constante, o volume ocupado por uma determinada massa de gás é diretamente proporcional à sua temperatura absoluta. Dizemos que: V T k= Onde k é uma constante de proporcionalidade. Logo: V T V T i i f f = V V 2 V 1 T 1 T 2 T K 0 Figura 04 – Sistema isobárico. Transformação isocórica (Lei de Charles) Mantendo-se o volume constante, a pressão que a massa fixa de um gás exerce é diretamente proporcional à temperatura absoluta. Pode ser chamado de transformação isovolumétrica ou isométrica. Dizemos que: P T k= Onde k é uma constante de proporcionalidade. Logo: P T P T i i f f = 4 V (L) T (K) 2 1 100 200 400 Figura 05 – Sistema isocórico. Equação geral dos gases Unindo as três leis vistas (Boyle-Mariotte, Lei de Charles e Gay-Lussac e Lei de Charles), encontramos, para uma massa fixa de gás, uma relação geral. P V T k × = Portanto: P V T P V T 1 1 1 2 2 2 × = × 3 F B O N L I N E . C O M . B R ////////////////// OSG.: 118627/17 Módulo de estudo Exercícios 01. (Fuvest/2014) O rótulo de uma lata de desodorante em aerossol apresenta, entre outras, as seguintes informações: “Propelente: gás butano. Mantenha longe do fogo”. A principal razão dessa advertência é: A) O aumento da temperatura faz aumentar a pressão do gás no interior da lata, o que pode causar uma explosão. B) A lata é feita de alumínio, que, pelo aquecimento, pode reagir com o oxigênio do ar. C) O aquecimento provoca o aumento do volume da lata, com a consequente condensação do gás em seu interior. D) O aumento da temperatura provoca a polimerização do gás butano, inutilizando o produto. E) A lata pode se derreter e reagir com as substâncias contidas em seu interior, inutilizando o produto. 02. (UFU/2011) Em uma atividade experimental, o professor pegou duas garrafas PET vazias e colocou bexigas cheias na boca de cada uma delas. Em seguida, colocou uma das garrafas em uma bacia com água quente e a outra em uma bacia com água fria. Um dos balões murchou e o outro ficou mais cheio. Sobre estes fatos, assinale a alternativa correta. A) O balão que murchou foi colocado em água quente, pois o aumento da temperatura causou uma contração dos gases da bexiga. B) O balão que ficou mais cheio foi colocado em água quente, devido ao aumento da temperatura do sistema e à expansão dos gases presentes na bexiga. C) O volume do balão que foi colocado em água fria diminuiu, porque a pressão do sistema aumentou, reduzindo o choque das partículas de gás com as paredes do balão. D) Em qualquer um dos casos, o volume dos balões foi alterado, porque o tamanho das partículas de gás foi modificado. 03. (Fuvest/2016) Bebidas gaseificadas apresentam o inconveniente de perderem a graça depois de abertas. A pressão do CO2 no interior de uma garrafa de refrigerante, antes de ser aberta, gira em torno de 3,5 atm, e é sabido que, depois de aberta, ele não apresenta as mesmas características iniciais. Considere uma garrafa de refrigerante de 2 litros, sendo aberta e fechada a cada 4 horas, retirando-se de seu interior 250 mL de refrigerante de cada vez. Nessas condições, pode-se afirmar corretamente que, dos gráficos a seguir, o que mais se aproxima do comportamento da pressão dentro da garrafa, em função do tempo éo A) B) C) D) 04. (ITA/2016) Considerando um gás monoatômico ideal, assinale a opção que contém o gráfico que melhor representa como a energia cinética média (E C ) das partículas que compõem este gás varia em função da temperatura absoluta (T) deste gás. A) B) 4F B O N L I N E . C O M . B R ////////////////// Módulo de estudo OSG.: 118627/17 C) D) E) 05. (Unemat-MT) O gás oxigênio utilizado em hospitais é armazenado em cilindros com volume de 60 L e pressão de 150 atm. Se consideramos a temperatura constante, pode-se afirmar que o volume ocupado pelo gás oxigênio sob pressão de 760 mmHg é: A) 9000 B) 24 C) 59,21 D) 0,4 E) 1900 06. (UFC/99) Acidentes com botijões de gás de cozinha são noticiados com bastante frequência. Alguns deles ocorrem devido às más condições de industrialização (botijões defeituosos), e outros por uso inadequado. Dentre esses últimos, um dos mais conhecidos é o armazenamento dos botijões em locais muito quentes. Nessas condições, e assumindo a lei dos gases ideais, é correto afirmar que: A) a pressão dos gases aumenta, e o seu número de mol diminui. B) a pressão dos gases diminui, e o seu número de mol diminui. C) o número de mol permanece constante, e a pressão aumenta. D) a pressão e o número de mol dos gases aumentam. E) a pressão e o número de mol dos gases não são afetados pelo aumento de temperatura. 07. (UFG/2013) Analise o esquema a seguir. Ao se introduzir uma bolha de gás na base do cilindro, ela inicia sua ascensão ao longo da coluna de líquido, à temperatura constante. A pressão interna da bolha e a pressão a que ela está submetida, respectivamente, A) aumenta e diminui. B) diminui e diminui. C) aumenta e permanece a mesma. D) permanece a mesma e diminui. E) diminui e permanece a mesma. 08. (Uern/2013) Um sistema de balões contendo gás hélio (He), nas quantidades e nos volumes apresentados, está ligado por uma torneira (T) que, inicialmente, está fechada. Observe. Considerando que os gases apresentam comportamento ideal e que a temperatura permanece constante, é correto afirmar que A) a pressão em A será a mesma em B. B) ao abrir a torneira, se observará variação na pressão do sistema. C) ao dobrar a pressão nos sistemas A e B, o volume ocupado pelos gases será 1/2 L e 1 L, respectivamente. D) as moléculas do sistema B colidem com mais frequência com a parede do recipiente do que as moléculas do sistema A. 09. A calibração de pneus de um automóvel deve ser feita periodicamente. Sabe-se que o pneu deve ser calibrado a uma pressão de 30 lb/pol2 em um dia quente, a uma temperatura de 27 °C. Supondo que o volume e o número de mol injetados são os mesmos, qual será a pressão de calibração (em atm) nos dias mais frios, em que a temperatura atinge 12 °C? Dado: Considere 1 atm ≅ 15 lb/pol2. A) 1,90 B) 2,11 C) 4,50 D) 0,89 10. (Uece/2016) Em alguns casos, há necessidade de coletar-se o produto de uma reação sob a água para evitar que ele escape e misture-se com o ar atmosférico. Uma amostra de 500 mL de oxigênio foi coletada sob a água a 23 °C e pressão de 1 atm. Sabendo-se que a pressão de vapor da água a 23 °C é 0,028 atm, o volume que o O 2 seco ocupará naquelas condições de temperatura e pressão será A) 243,0 mL B) 486,0 mL C) 364,5 mL D) 729,0 mL 11. (G1 - IFCE/2016) A nossa atmosfera é composta por diferentes gases, dentre eles O 2 , CO 2 e N 2 , estes denominados gases reais. Para estudar o comportamento dos gases, primeiramente estudamos os denominados gases ideais, modelos em que as moléculas se movem ao acaso e são tratadas como moléculas de tamanho desprezível, nas quais a força de interação elétrica entre as partículas é nula. De acordo com o modelo dos gases ideais, quando o número de mols de um gás permanece constante, a Lei dos Gases Ideais é expressa pela equação P · V = n · R · T, onde: P = pressão; V = volume; n = número de mols; R = constante dos gases ideais; T = temperatura em Kelvin. 5 F B O N L I N E . C O M . B R ////////////////// OSG.: 118627/17 Módulo de estudo De acordo com esta equação é verdadeiro afirmar-se que A) a pressão de um gás é inversamente proporcional à temperatura absoluta se o volume se mantiver constante. B) a pressão é inversamente proporcional ao volume. Ou seja, ao diminuirmos a pressão de um gás nas condições ideais e com o número de mols constante e temperatura constante, o volume aumenta. C) pressão e volume do gás ideal independem da temperatura do mesmo. D) o número de mols de um gás varia de acordo com a pressão e o volume que este gás apresenta. E) a temperatura de um gás é sempre constante. 12. (PUC-RS/2016) Para responder à questão, analise o texto a seguir. A energia eólica é a energia dos ventos, mas sua origem é a energia solar. Estima-se que 1 a 2% da energia solar converta-se em energia eólica. Isso porque a terra é aquecida pelo sol de forma irregular, gerando diferentes pressões atmosféricas em lugares distintos. O vento é o movimento do ar dos lugares com pressão mais alta para os de pressão mais baixa. O aproveitamento da energia eólica em aerogeradores é possível porque A) o ar puro e seco é constituído de moléculas de gases, cujas massas molares tendem a zero, tornando a sua densidade muito baixa. B) a energia fornecida pelo vento ao colidir com a hélice depende da velocidade dessa colisão, mas não da composição química do ar. C) no vento existem moléculas de elementos do segundo período da Tabela Periódica, as quais, por estarem em movimento, transportam energia. D) o vapor de água é constituído de moléculas que colidem sobre as hélices das turbinas e têm mais massa do que os demais gases que compõem o ar. E) o ar contém nitrogênio e oxigênio, que reagem entre si produzindo compostos que colidem mais intensamente com as hélices do aerogerador. 13. (Upe-SSA2/2016) Cada vez mais conhecido no Nordeste, o futebol americano se consolida em Pernambuco. Entre as regras desse esporte, um lance chama a atenção dos espectadores, o chute de campo (Field goal). Para o chute valer 3 pontos, a bola, de formato oval e confeccionada com couro natural ou sintético, tem de passar pelo meio da trave em Y, que fica no final do campo (endzone). O recorde de distância do field goal é de 64 jardas e pertence a Matt Prater, então jogador do time americano do Denver Broncos. Tanto o referido chute quanto os outros dois maiores, ambos de 63 jardas, ocorreram em Denver, no Colorado, a 1700 metros de altitude e com temperatura média anual de 10 °C. A ocorrência de maiores distâncias de field goals em Denver reside no fato de que A) a temperatura baixa influencia no volume da bola, favorecendo um chute mais preciso. B) a altitude de Denver deixa o ar mais rarefeito, possibilitando uma menor resistência do ar e facilitando o chute. C) a altitude de Denver influencia no metabolismo do atleta de forma positiva, possibilitando chutes mais potentes. D) a temperatura baixa influencia no material usado na fabricação da bola, tornando os chutes mais potentes e precisos. E) a altitude de Denver e a baixa temperatura combinadas fazem nevar o ano inteiro, nessa capital, o que facilita o chute. 14. (PUC-PR/2016) A atmosfera é uma camada de gases que envolve a Terra, sua composição em volume é basicamente feita de gás nitrogênio (78%), gás oxigênio (21%) e 1% de outros gases, e a pressão atmosférica ao nível do mar é de aproximadamente 100000 Pa. A altitude altera a composição do ar, diminui a concentração de oxigênio, tornando-o menos denso, com mais espaços vazios entre as moléculas; consequentemente, a pressão atmosférica diminui. Essa alteração na quantidade de oxigênio dificulta a respiração, caracterizando o estado clínico conhecido como hipóxia, que causa náuseas, dor de cabeça, fadiga muscular e mental, entre outros sintomas. Em La Paz, na Bolívia, capital mais alta do mundo, situada a 3600 metros acima do nível do mar, a pressãoatmosférica é cerca de 60000 Pa e o teor de oxigênio no ar atmosférico é cerca de 40% menor que ao nível do mar. Os 700000 habitantes dessa região estão acostumados ao ar rarefeito da Cordilheira dos Andes e comumente mascam folhas de coca para atenuar os efeitos da altitude. Em La Paz, a pressão parcial do gás oxigênio, em volume, é aproximadamente de: A) 10200 Pa B) 12600 Pa C) 16000 Pa D) 20000 Pa E) 24000 Pa 15. (Mackenzie/2016) Uma mistura gasosa ideal não reagente, formada por 10 g de gás hidrogênio, 10 g de gás hélio e 70 g de gás nitrogênio encontra-se acondicionada em um balão de volume igual a 5 L, sob temperatura de 27 °C. A respeito dessa mistura gasosa, é correto afirmar que Dados: – massas molares (g·mol–1) H = 1, He = 4 e N = 14 – constante universal dos gases ideais (R) , atm L mol= ⋅ ⋅ ⋅− −0 082 1 1K A) há, na mistura, 10 mol de gás hidrogênio, 2,5 mol de gás hélio e 5 mol de gás nitrogênio. B) o gás nitrogênio exerce a maior pressão parcial dentre os gases existentes na mistura. C) a pressão total exercida pela mistura gasosa é de 20 atm. D) a fração em mols do gás hélio é de 25%. E) o volume parcial do gás hidrogênio é de 2 L. Resoluções 01. O aumento da temperatura faz aumentar a pressão do gás no interior da lata, o que pode causar uma explosão do gás butano. Resposta: A 02. Temperatura e pressão de gases são grandezas diretamente proporcionais. Ao colocar o sistema em água quente, a temperatura aumenta, fazendo a velocidade das moléculas aumentarem, aumentando sua pressão e consequentemente a expansão. Resposta: B 03. Em cada abertura da garrafa ocorre o escape de gás carbônico (CO 2 ) e a pressão interna diminui e se iguala à externa, ou seja, 1 atm. Quando a garrafa é novamente fechada, a pressão interna aumenta com a liberação de gás carbônico, porém não atinge o valor inicial de 3,5 atm. 6F B O N L I N E . C O M . B R ////////////////// Módulo de estudo OSG.: 118627/17 Quanto mais gás escapa, menor a pressão interna após cada abertura. Este comportamento é mostrado no gráfico B. Resposta: B 04. A energia cinética média de um gás ideal é dada por: E n R Tc = × × × 3 2 Onde, n: número de mols do gás R: constante universal dos gases ideais T: temperatura na escala Kelvin Supondo-se o número de mols constante, vem: E n R T E a T E y T x y ax equa o de uma ret c cons te c c = × × × = × = 3 2 tan : : ( ��� �� çã aa que passa na origem do sistema) Resposta: E 05. A pressão dada em mmHg equivale a 1 atm. Como a temperatura é constante, temos uma transformação isotérmica. Sendo assim, podemos fazer a relação P i × V i = P f × V f 150 × 60 = 1 × V f V f = 9000 L Resposta: A 06. Armazenar botijões em locais muito quentes é perigoso, pois o aumento da temperatura provoca o aumento da pressão, podendo assim ocasionar um grande acidente. Resposta: C 07. Podemos considerar que a pressão interna do gás é equivalente à pressão externa exercida pela água. Ocorre que, durante a subida, a pressão hidrostática vai diminuindo e, portanto, a pressão interna do gás também sofre diminuição. Nesse caso, estamos desconsiderando o efeito da temperatura, pois a mesma é constante. Resposta: B 08. Como a temperatura e o número de mols é o mesmo em A e B, vem: P V P V P P P P A A B B A B A B × = × × = × = 1 2 2 P V P V P P V V P V P V P P V V A A A A A A A A B B B B B B B B × = × × = × = × = × × = × ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ 1 2 1 2 2 2 ’’ = 1 Resposta: C 09. De acordo com as informações fornecidas no enunciado, percebe-se que se trata de um sistema isovolumétrico: P T P T i i f f = Para chegar ao resultado a pressão inicial precisa ser transformada para atm: 1 atm ------ 15 lb/pol2 X atm ------ 30 lb/pol2 X = 2 atm Logo: P f = 285 x 2 / 300 P f = 1,90 atm Resposta: A 10. T = constanteT cons te P V P V P P P P atm O total vapor da gua O = × = × = − = − tan , 1 1 2 2 2 2 1 0 02 á 88 0 972 500 1 2 2 2 2 atm atm V mL P atm V P V P O total O o O O total = = = = × = × , ?sec VV V V mL O o O o O o 2 2 2 0 972 500 1 486 sec sec sec , × = × = Resposta: B 11. A) Incorreta. A volume constante, a pressão de um gás será diretamente proporcional à temperatura absoluta. B) Correta. A pressão é inversamente proporcional ao volume, ou seja, ao diminuir a pressão o volume aumenta em condições ideais, mantendo constantes: o número de mols e a temperatura. C) Incorreta. A pressão e o volume de gases ideias dependem da temperatura absoluta na qual ele se encontra. D) Incorreta. Aumentando o número de mols de um gás ideal, o volume também aumenta, se T e P permanecem constantes. E) Incorreta. A temperatura somente se mantém constante numa transformação isotérmica. 7 F B O N L I N E . C O M . B R ////////////////// OSG.: 118627/17 Módulo de estudo 12. No vento, existem moléculas de elementos do segundo período da Tabela Periódica (N 2 e O 2 ) as quais, por estarem em movimento, transportam energia. Observações: As massas molares dos gases presentes no ar ( 20% de O 2 e 80% de N 2 ) não tendem a zero. A energia fornecida pelo vento ao colidir com a hélice depende da composição química do ar. E M v v v M M c = ×( ) = 1 2 2 1 2 2 1 ; O vapor de água é constituído por moléculas H 2 O, cuja massa é de 18 u, menor do que a massa média ponderada do ar. O nitrogênio e o oxigênio presentes no ar reagem, apenas, em condições especiais e não quando se chocam intensamente com as hélices do aerogerador. Resposta: C 13. A ocorrência de maiores distâncias de field goals em Denver reside no fato de que na altitude de Denver (1700 m) o ar é mais rarefeito, consequentemente sua resistência é menor. Resposta: B 14. A pressão parcial do gás oxigênio ao nível do mar é igual a 21% da pressão atmosférica do ar, assim temos: O pO O pO Pa 2 2 2 2 0 21 100000 21000 0 21 100000 21000 = ⋅ = = ⋅ = , , Em La Paz, a pressão de O 2 é 40% menor, então: O pO 2 2 0 60 21000 12600 = ⋅ = , Pa Resposta: B 15. Uma mistura gasosa ideal não reagente, formada por 10 g de gás hidrogênio, 10 g de gás hélio e 70 g de gás nitrogênio encontra-se acondicionada em um balão de volume igual a 5 L, sob temperatura de 27 °C, então a partir dos dados, vem: Na mistura, tem-se: n m M g g mol mols n m M g g mol mols n m M H He N 2 2 10 2 5 10 4 2 5 7 1 1 = = ⋅ = = = ⋅ = = = − − , 00 28 2 5 5 2 5 2 5 10 1 g g mol mols n molstotal ⋅ = = + + = − , , , A pressão parcial nas condições citadas no texto é diretamente proporcional ao número de mols parcial. Conclusão: p P n n p P p P n He mistura He total He mistura N mistura = = ⇒ = × = 2 5 10 0 25 2 , , NN total N mistura H mistura H total n p P p P n n 2 2 2 2 2 5 10 0 25 5 10 = ⇒ = × = = , , ⇒⇒ = × = = p P p p p H mistura He N H 2 2 2 0 50 1 2 , T K P V n R T P P mistura total mistura = + = × = × × × = × × 27 273 300 5 10 0 082 300, mmistura atm= 49 2, X p P n n He He mistura He total = = = = = 2 5 10 0 25 25 , , % Resposta: D SUPERVISOR/DIRETOR: Marcelo Pena – AUTOR: João Victor DIG.: Robert – 08/09/17 – REV.: Tereza