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Líquidos e gases Professora: Yasmine Micheletto PROPRIEDADES DA MATÉRIA São características que auxiliam a identificação das diversas espécies de matéria, cujas propriedades são divididas em: gerais, funcionais e específicas. Propriedades Gerais: São as que pertencem a todo tipo de matéria. As principais propriedades gerais são: *Massa: Medida da quantidade de matéria. *Extensão: Lugar que a matéria ocupa em determinado espaço. *Impenetrabilidade: Dois corpos não ocupam o mesmo lugar no espaço num mesmo instante. *Inércia: propriedade que a matéria tem em permanecer na situação em que se encontra, seja em movimento ou seja em repouso. *Compressibilidade: A partir da ação de uma força, a matéria pode ter sua forma reduzida. Matéria Propriedades Funcionais: São propriedades comuns a determinados grupos de substâncias que apresentam as mesmas propriedades. Exemplos: ácidos, bases, sais e óxidos. Propriedades Específicas: São propriedades individuais de cada tipo de substâncias e podem ser: *Químicas: São aquelas responsáveis pelos tipos de transformações que ocorrem na estrutura íntima da substância. *Físicas: São propriedades relacionadas aos fenômenos físicos, ou seja, estão ligadas as transformações que não alteram a constituição da matéria, por mais diversas que sejam. *Organolépticas: São propriedades que dependem dos nossos sentidos: visão, paladar, olfato, tato e audição. Propriedades da Matéria Propriedades Físicas: São certos valores encontrados experimentalmente no comportamento de cada material quando submetido a determinadas condições de temperatura e pressão, como, por exemplo, a densidade, os pontos de fusão e de ebulição e a solubilidade. *A densidade (d) é a relação entre a massa (m) de um material e o volume (V) que essa massa ocupa. *Os pontos de fusão e de ebulição são as temperaturas em que os materiais mudam de fase de agregação (o que varia com a pressão local). *A solubilidade é a capacidade que um material (soluto) possui de se espalhar uniformemente (se dissolver) num outro material (solvente). Propriedades da Matéria As diversas propriedades da matéria podem ser classificadas em duas categorias: as extensivas e as intensivas. Propriedades extensivas: são aquelas cujos valores medidos dependem do tamanho ou da extensão da amostra. Massa e volume são exemplos de propriedades extensivas. Propriedades intensivas: não dependem do tamanho da amostra (densidade, temperatura, pressão, etc.). Propriedades da Matéria Estado Físico da Matéria A matéria pode se apresentar nos estados sólido, líquido e gasoso, designados como estados físicos da matéria. Forças atrativas entre moléculas Moléculas polares (dipolo-dipolo) Ligação de hidrogênio Ligações de hidrogênio Fortes (ex.: água) Dipolo-dipolo Intermédias (ex.: acetona) Fonte: http://quimicafv.blogspot.com.br Fonte: http://quimicanocaic.blogspot.com.br Forças atrativas entre moléculas Moléculas apolares-polares (dipolo – dipolo induzido) Dipolo-dipolo induzido Fracas Forças atrativas entre moléculas d+ d- d+ d- Polarização Atração Dipolo instantâneo-dipolo induzido As mais fracas (ex.: petróleo) Moléculas apolares (London): Fonte:http://pt.slideshare.net/filho92/002-agua Outra classificação das forças intermoleculares diz respeito às considerações sobre se as forças que manifestam-se entre espécies químicas iguais ou diferentes. Neste caso teremos uma classificação como: a) Forças de coesão, que ocorrem entre espécies químicas iguais; b) Forças de adesão, que ocorrem entre espécies químicas diferentes. Esta distinção é importante nos estudos de fenômenos de superfície. Líquidos As propriedades mais importantes dos líquidos, como tensão superficial, viscosidade, miscibilidade, pontos de ebubilição e volatilidade dependem significativamente das interações intermoleculares em um líquido. Maiores forças intermoleculares Maiores pontos de ebulição Maiores viscosidades Maiores energias de vaporização Maiores tensões superficiais Volatilidade de um líquido Pode ser medida Pressão de vapor ou pela temperatura de ebulição (ex.: éter etílico) Líquido voltáleis pressão de vapor e temperatura de ebulição Viscosidade de um líquido É a medida da resistência friccional a uma força de cisalhamento Ligações de hidrogênio viscosidade Glicerol X Metanol Acréscimo na viscosidade de um fator de 2 000 Fenômenos de superfícies Tensão superficial Espalhabilidade Ângulo de contato Adsorção http://quest.nasa.gov/space/teachers/microgravity/image/66.gif Tensão superficial http://alfaconnection.net/pag_avsf/fqm0101.htm http://quest.nasa.gov/space/teachers/microgravity/image/66.gif Há uma força resultante dirigida para o interior do líquido, manisfestando-se uma condição de desequilíbrio ou tensão. Isso faz com que o sistema procure o seu estado de menor tensão, resultando em uma contração da superfície. Tensão superficial Para se deslocar uma molécula do interior do líquido para a superfície, é necessário um gasto de energia. Isso implica que o processo de aumento de área superficial está associado a um aumento de energia livre sob condições de pressão e temperatura constantes, o que é termodinamicamente desfavorável. O sistema tenderá a assumir espontanemante uma forma na qual sua superfície seja a menor possível. O que faz a água formar uma gota? http://campanha-gota-dagua.html Equação da tensão superficial Um filme lipídico aplicado sobre uma armação é estirado de uma distânica ∆x, mediante o emprego de uma força f . O trabalho necessário para esse estiramento é uma forma de trabalho útil (não implica uma expansão volumétrica). Aumento de área: A tensão superficial é definida como a razão entre a magnitude da forças exercidas pela superfície do líquido pelo comprimento ao longo da qual são exercidas. Unidade: (N/m) Os hidrocarbonetos saturados, como o hexano, formados por moléculas apolares, têm tensões superficiais muito baixas. Por esta razão, quando colocados sobre a água, conduzem a abaixamento da tensão superficial. Menor tensão superficial Maior tensão superficial Água Água Hexano Capilaridade Um dos efeitos importantes da diferença de pressão causada pela curvatura da interface é o fenômeno da ascensão e da depressão capilar. A tendência dos líquidos para subir num tubo capilar é uma consequência da tensão superficial e designa-se por capilaridade ou ascensão capilar. A capilaridade resulta do jogo entre as forças de tensão superficial e as forças adesivas. O líquido sobe no tubo quando as forças adesivas são maiores que as forças de coesão. Quando o ângulo de contato for menor que 90º e h > 0, o menisco concavo, provaca uma ascensão capilar, como no caso da água. Quando o ângulo de contato for maior que 90º e h < 0, o menisco convexo provoca uma depressão capilar, como no caso do mercúrio dentro de um capilar. R 2r Capilaridade Mercúrio Água Espalhabilidade e molhabilidade Quando duas fases são separadas, a variação de energia livre de Gibbs por unidade de área (ΔG/ΔA) é igual ao trabalho necessário para superaras duas fases também chamada de adesão (wa). No momento da separação de duas porções de uma fase, originam-se duas novas superfícies fase-vapor, de forma que o trabalho de coesão é: Uma propriedade importante ligada às energias livre de adesão e coesão é espalhabilidade. Em líquidos imiscíveis entre si, é possível identificar duas forças: uma de coesão e outra de adesão. No equilíbrio wa e wc, se equivalem: wa = wc A diferença entre ambos define o coeficiente de espalhabilidade (E). O espalhamento de um líquido ou molhabilidade dependem das propriedades da interface e, neste caso, é possível mostrar que o trabalho de adesão depende apenas do ângulo de contato e da tensão superficial do líquido frente ao vapor. Há dois casos limites: se o ângulo for 0 (líquido completamente espalhado, formando uma película), o cosθ é igual a 1, de modo que o trabalho de separação da interface (trabalho de adesão) é igual ao trabalho de coesão do líquido. Se o ângulo for 180º, isso significa que o líquido “não molha” a superfície sólida e cosθ será igual a -1. Nesta situação, o trabalho envolvido na separação da superfície é nulo. http://alfaconnection.net/pag_avsf/fqm0101.htm Substâncias que quando adicionadas a um líquido aumentam a tensão superficial desse (como, por exemplo, ocorre com a adição de glicose ou sal à água) sofrem adsorção negativa e são chamados de tensoiônicos. Substâncias que reduzem a tensão superficial e, portanto, tendem a se concentrar na interface (adsorção positiva). não- eletrólitos ou eletrólitos fracos Tensoativos ou surfactantes Tensão superficial, adsorção e tensoativos Polar Apolar Laurilssulfato de sódio Os tensoativos geralmente são moléculas anfifílicas, isto é, que apresentam na mesma molécula uma região polar e outra apolar, claramente diferenciadas. Em um sistema óleo e água, a molécula de tensoativo tende a se localizar preferencialmente na interface, com sua porção polar direcionada para a fase aquosa e sua porção apolar para a fase oleosa. Polar Apolar Laurilssulfato de sódio O efeito dos tensoativos pode ser ilustrado na sua ação detergente. Em um sistema óleo-água, a molécula de tensoativo tende a se localizar preferencialmente na interface, com sua porção polar direcionada para a fase aquosa e sua porção apolar para fase oleosa. A ação de limpeza-remoção de uma porção de graxa aderida em uma superfície de vidro, por exemplo: nada mais é do que a destruição de uma interface sólido-impureza. Gases GÁS IDEAL O gás não tem volume fixo ou uma pressão fixa. O volume do gás é o volume do recipiente. A pressão do gás depende do tamanho do recipiente. Gás ideal é um gás de densidade baixa (pressão muito baixa). A inexistência de forças intermoleculares garantem a coesão de algum modo entre suas partículas, o que impossibilita sua mudança de estado físico. Movimento Browniano explica de forma macroscópica o comportamento do Gás Características 1. Coleção de partículas em constante movimento; 2. Forças atrativas e repulsivas nulas; choque são elásticos; 3. Espaço entre partículas muito maior do que tamanho das partículas; 4. A velocidade média das partículas aumenta com o aumento da temperatura; Equações de estado: p = f(n, V, T) Suficiente para descrever o estado do sistema A equação de estado de uma substância pura é uma relação entre as variáveis: Pressão (p) Volume (V) Temperatura (T) Quantidade de matéria (n) Variáveis de estado Pressão Definição: A pressão é dada pelo quociente entre a força exercida por área de atuação. A unidade no SI de pressão é o Pascal (Pa) – newton por metro quadrado. Unidades: Nome Símbolo Valor Pasca 1 Pa 1Nm-2, 1Kgm-1s-2 Bar 1 bar 105 Pa Atmosfera 1 atm 101325 Pa Torr 1 torr 101325/760 Pa Milimetro de mercúrio 1mmHg 133,322 Pa Libra por polegada2 1 psi 6,894747 kPa A pressão em um gás confinado é o resultado do impacto das partículas com a fronteira (parede) que o contem. Volume Definição: É simplesmente o espaço ocupado pelas moléculas do gás que estão livres para se movimentar. Unidades: O valor de volume é dado em centimetro cúbico (cm3), no sistema internacional, mas comumente trabalha-se com litro (L) e mililitro (mL). Temperatura É a propriedade que nos informa o sentido do fluxo de energia na forma de calor. A temperatura aumenta no sentido de quem recebe o calor (energia). Existem várias escalas para medida de temperatura. Estas escalas podem ser determinadas pela medida do comprimento de uma coluna líquida ou gasosa. Os limites das escalas são definidos com base no ponto de gelo e ponto de vapor. Medida de Temperatura Fronteira diatérmica Fronteira adiabática Sistemas – Fronteiras - Temperatura Equação de Clapeyron Tendo em vista o conceito de Mol, o físico Frances Paul Émile Clapeyron estabeleceu a seguinte relação matemática entre as variáveis de estado de um gás e o número de mols de determinada massa de gás. PV = nRT Princípio de Avogadro: Volumes iguais de gases, nas mesmas condições de temperatura e pressão, contêm o mesmo número de moléculas. Corresponde a dizer que o volume é proporcional ao número de moles presentes e que a constante de proporcionalidade independe da identidade do gás. nT x ctepV R 8,31451 JK-1mol –1 8,31451 Pa m3 K-1mol –1 8,20578 x 10-2 L atm K-1mol –1 8,31451 x 10-2 L bar K-1mol –1 62,364 L torr K-1mol –1 1,98722 cal K-1mol –1 R 8,31451 JK-1mol –1 8,31451 Pa m3 K-1mol –1 8,20578 x 10-2 L atm K-1mol –1 8,31451 x 10-2 L bar K-1mol –1 62,364 L torr K-1mol –1 1,98722 cal K-1mol –1 Rcte A lei dos Gases Ideais – efeito da massa Lembrando... Número de Avogadro: 6,023 1023 Mol: 1 mol contém 6,023 1023 partículas (átomos, moléculas, elétrons etc.) Massa molar (M): a massa de 1 mol de moléculas, medida em gramas. Número de mols (n): n= m M PV = nRT Descreve o estado de um gás “hipotético”. Um Gás Ideal não existe!!! Entretanto, os gases reais, na pressão atmosférica ou em pressão mais baixa e nas temperaturas ambientes, comportam-se como gases ideais, com boa aproximação, e a Lei dos Gases Ideais é portanto um modelo adequado. Na CNTP, a 0ºC ou 273,15K e sob pressão de 1atm – um mol de gás ocupa o volume de 22,414L, e este volume e chamado de volume molar nas CNTP e R é igual a 0,082. Lei do Gás Ideal (perfeito) Transformações gasosas particulares Essas transformações gasosas particulares ocorrem quando uma das variáveis de estado físico de um gás permanece constante, implicando na modificação das outras duas. 1. Transformação Isotérmica 2. Transformação Isobárica 3. Transformação Isocórica (Isométrica ou Isovolumétrica) Lei de Dalton: A pressão exercida por uma mistura de gases ideias é a soma das pressões parciais dos gases. n i iPP 1 21ttii ti t i i ....P P PxP )(P totalpressão )(P parcial pressão n n x:molar Fração onde: ni = quantidade em mols do gás i. n = quantidade em mols da mistura de gases. Dessa forma temosas relações matemáticas entre pressão total, pressão parcial e fração em mols (e de maneira semelhante ao volume) expressas da seguinte forma: Modelo cinético dos gases A teoria cinética do gás perfeito foi desenvolvida a partir da aplicação das leis da Mecânica de Newton a sistemas microscópicos dos gases, ou seja, às suas partículas. Hipóteses: Algumas hipóteses forma atribuídas ao comportamento das moléculas de um gás perfeito: Todas as moléculas são idênticas, tendo a forma de “esferas rígidas”. Todas as moléculas estão em movimento desordenado, em todas as direções e em contínuo movimento de translação, rotação e vibração. Os choques entre as moléculas e contra as paredes do recipiente são perfeitamente elásticos. As moléculas não exercem forças de ação mútua entre si, exceto durante os choques. As moléculas têm dimensões desprezíveis em comparação com os espaços vazios que as separam.
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