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PROFª: DÉBORA DE ANDRADE SANTANA 1 Substâncias que estão no estado gasoso 2 GASES À ATMOSFERA AMBIENTE 3 OUTROS GASES À TEMPERATURA AMBIENTE 4 Os gases são altamente compressíveis e ocupam o volume total de seus recipientes. ◦ Quando um gás é submetido à pressão, seu volume diminui. Os gases sempre formam misturas homogêneas com outros gases. 5 1. Baseando-se nas diferenças entre os estados sólido, líquido e gasoso. O que você pode concluir sobre a densidade dos gases? 2. São propriedades de qualquer substância no estado gasoso: I – ocupar toda capacidade do recipiente que a contém; II – apresentar densidade bastante inferior à do líquido obtido pela sua condensação. Para ilustrar essa propriedades, utilizou-se um liquidificador em cujo copo foram colocados algumas esferas pequenas, leves e inquebráveis. Explique como esse modelo pode ilustrar as propriedades I e II 6 Vapor: Designação dada à matéria no estado gasoso, quando é capaz de existir em equilíbrio com o líquido ou com o sólido correspondente, podendo sofrer liquefação pelo simples abaixamento de temperatura ou aumento da pressão. Exemplo: vapor d’água. Gás: É o estado fluido da matéria, impossível de ser liquefeito só por um aumento de pressão ou só por uma diminuição de temperatura, o que o diferencia do vapor. Exemplo: gás hidrogênio. 7 Temperatura crítica é a temperatura acima da qual a substância pode existir somente na forma de gás. 8 Gás Vapor Acima da Tc é impossível liquefazer por compressão Abaixo da Tc é possível liquefazer por compressão 3. Das substâncias abaixo, quais são gases a temperatura ambiente de 25ºC? 4. Um balão contém 2,5 mol de gás carbônico. Qual a massa deste gás contida nesse balão? 9 Substâncias T crítica, ºC Água 374 Gás carbônico 31 Oxigênio -119 Hélio - 26 O volume próprio das moléculas comparado com o volume do recipiente é muito pequeno. Entre as moléculas do gás ocorrem interações por forças de van der Walls 10 O volume próprio das moléculas é desprezível em comparação ao volume do recipiente. Entre as moléculas do gás não atuam forças de atração, quaisquer que sejam as condições de T e P Partículas muito afastadas Praticamente não ocorre interação Alto grau de liberdade. Movimentam-se de maneira contínua e desordenada em todas as direções e sentidos. Choques constantes contra as paredes internas do recipiente em que o gás está contido. 11 TEORIA CINÉTICA DOS GASES Ao aquecermos o gás contido no frasco, suas moléculas irão se movimentar com maior velocidade, isto é, ocorrerá um aumento de sua energia cinética (Ecin) média. Dessa forma, a energia cinética média das moléculas do gás é diretamente proporcional à temperatura absoluta, cuja unidade é dada em Kelvin (K). 12 2 2mv EC Há uma mesma temperatura gases diferentes têm a mesma Ec mas não têm a mesma velocidade Para descrever o estado gasoso, são necessárias 4 grandezas Pressão, volume, temperatura e quantidade 13 É diretamente proporcional ao número de choques por unidade de área. 14 COLISÕES 1643, Evangelista Torricelli determinou experimentalmente que a pressão exercida pela atmosfera ao nível do mar SI= N/m2 A pressão atmosférica é medida com um BARÔMETRO. Se um tubo é inserido em um recipiente de mercúrio aberto à atmosfera, o mercúrio subirá 760 mm no tubo. A pressão atmosférica padrão é a pressão necessária para suportar 760 mm de Hg em uma coluna. 15 A pressão de qualquer gás é medida com um MANÔMETRO. 16 1 atm = 760 mmHg = 760 Torr = 14,7 lb/in2 = 1,01325 × 105 Pa = 1,01325 × 106 dinas/cm2 O volume (V) ocupado por um gás corresponde ao volume do recipiente que o contém. As relações entre as unidades de volume mais comuns são: 17 A temperatura está relacionada com o grau de agitação das partículas. A escala termométrica mais comum é a Celsius. Existem outras escalas, como a Kelvin, recomendada pelo SI e conhecida como escala absoluta, que será utilizada no estudo dos gases. A conversão da temperatura de Celsius para Kelvin é dada pela expressão: TK = t°C + 273 18 ISOTÉRMICA (Lei de Boyle) V 1 V 2 P 1 P 2 V P 1 2 P P ( 1 ) ( 2 ) V 1 V 2 2 1 P1.V1 = P2.V2 Isoterma ISOBÁRICA (Lei de Charles) V T V T 1 1 2 2 V T V 1 V 2 T 1 T 2 Isobárica ISOCÓRICA (Lei de Gay-Lussac) P T P T 1 1 2 2 T T 1 T 2 P 1 P 2 P Isocórica 19 Séc. XVII - Robert Boyle (químico irlandês) e Edme Mariotte (físico francês) estudaram independentemente o modo como o volume varia com a pressão. 20 p1 p2 patm patm Hg Hg Volume Volume V1 V2 o A pressão do gás pode ser alterada adicionando-se mercúrio na extremidade aberta, e o volume do gás é medido a cada pressão. Os resultados de uma série de medidas pressão-volume determinados no hidrogênio à temperatura ambiente são dados: Pressão (mmHg) Volume (ml) Pressão x volume (mmHg x ml) 700 25,0 1,75 x 10 4 830 21,1 1,75 x 10 4 890 19,7 1,75 x 10 4 1060 16,5 1,75 x 10 4 Observa-se que: Quando a pressão do gás aumenta, o seu volume diminui; O produto pressão x volume permanece constante. LEI DE BOYLE 21 V x P é um hiperbolóide. V x 1/P deve ser uma linha reta passando pela origem. LEI DE BOYLE 22 o Boyle e Mariotte observaram comportamentos semelhantes com muitos gases. Seus resultados podem ser resumidos em: ( a T e n constantes ) o À temperatura constante, o volume ocupado por uma determinada quantidade de um gás é inversamente proporcional à sua pressão. LEI DE BOYLE 23 o Se o produto PV é uma constante, e P1 eV1 representam a pressão e o volume iniciais de um gás, e P2 e V2 a pressão e o volume finais, então:: P1V1 = C P2V2 = C , logo: P1V1 = P2V2 ( a T e n constantes ) LEI DE BOYLE 24 25 EXERCÍCIO: A massa de um determinado gás, ocupa um volume de 2.000 ml a 1 atm. Qual será o volume deste gás a 2 atm, na mesma temperatura ? V1 = 2.000 mL V2 = ? P1 = 1 atm P2 = 2 atm P1V1 = P2V2 V2 = 1.000 mL o 1800 - Jacques Charles e Joseph Gay-Lussac (físicos franceses) pesquisaram como os gases se expandem quando suas temperaturas aumentam. o Segundo eles a cada grau Celsius de aumento de temperatura, o gás se expande cerca de 1/273 do seu volume. -300 -200 -100 0 100 200 300 0 20 40 60 80 100 120 140 V ol um e (m l) Temperatura ( o C) LEI DE CHARLES 26 27 o As linhas correspondentes a cada amostra correspondem a diferentes quantidades de hidrogênio. o Todas as três linhas, quando extrapoladas para V=0, interceptam o eixo horizontal à mesma temperatura, - 273oC. LEI DE CHARLES 28 LEI DE CHARLES o A equação para cada linha reta pode ser escrita: o V = d (t + 273) V = dT o Lei de Charles: a pressão constante, o volume ocupado por uma quantidade de gás é diretamente proporcional à sua temperatura absoluta. o Se (V/T) = d (V1/T1) = (V2/T2) ( a P e n constantes ) 29 30 Exercício: Certa massa de oxigênio, ocupa um volume de 900 ml a 27o C. Qual o seu voume a 127º C, na mesma pressão? V 1 = 900 mL T1 = 27 OC + 273OK = 300OK V2 = ? T2 = 127 OC +273Ok = 4000K _________ 900 300 = ________ V2 400 V2 = 1200 mL ________ ________ P1 T1 = T2 P2 LEI DE GAY-LUSSAC Se o volume e a massa permanecerem constantes, a pressão exercida pelo gás, varia diretamente com a temperatura absoluta 31 ________ ________ 180 293 = 303 P2 P2 = 186 atm O volume de um gás, contido num cilindro, apresenta 180 atm de pressão à temperatura de 200C. qual será sua pressão, quando o cilindrofor aquecido até 300C? 32 LEI DE GAY-LUSSAC _______ ________ = PV P1V1 T T1 Equação universal dos gases 33 EXERCÍCIO: Em um cilindro com capacidade para 80 l, temos oxigênio a 180 atm de pressão a 15oC de temperatura. qual será o volume de oxigênio disponível, no meio ambiente, ao nível do mar e a temperatura de 20oC. V = 80L P = 180 atm T = 288OK V1 = ? P = 1 atm T = 293 OK V1 = 14 650 L ________ ________ 80 X 180 V1 X 1 288 = 293 34 o volume de 1 mol (0oc e 1 atm) 22,4 l o volume de n moles 22,4 l sendo v o volume da massa gasosa (n moles), numa pressão P e temperatura T, de acordo com a equação universal dos gases podemos escrever: _____ Pv T ______________ 1 atm x 22,4L 273ok = n R n 35 PV = n RT n massa do gás / peso molecular = p = 760 mmhg r = 62,3 mmHgL/K p = 1 atm r = 0,082 atmL/K 36 EXERCÍCIO: Quanto 1 Kg de N2O produzirá de N2O gasoso, ao nível do mar e a uma temperatura de 20oC? MM do N2O = 44g = 1000g/44gmol-1 = 22,7 mol n T = 20OC + 273 = 293k PV = RT n _____________________ V = 22,7 X 62,3 X 293 760 V = 545,4 L 37 EXERCÍCIO Quanto produzirá de vapor, 1 ml de halotano, a 200 C ao nível do mar? d = 1,86 g/mL MM = 197 EQUAÇÃO DE CLAPEYRON PV = nRT CÁLCULO DA MASSA: D = M / V M = D.V 1,86 X 1 = 1,86g CALCULAR NÚMERO DE MOLES: n = M / PM 1,86/197 = 0,0094 CALCULAR O VOLUME GASOSO: PV = nRT V = nRT / P V= 0,0094X62,3X293 / 760 = 0,225 Litros = 225 mL 38 39 A densidade absoluta de um gás é o quociente entre a massa e o volume deste gás medidos em certa temperatura e pressão 40 01) A densidade absoluta do gás oxigênio (O2) a 27ºC e 3 atm de pressão é: Dado: O = 16 u = d x P T x R M d = ? MO2 = 32 u T = 27°C P = 3 atm R = 0,082 atm . L / mol . K + 273 = 300 K 3 32 0,082 300 = x x 96 24,6 3,9 g/L = = Volumes iguais de quaisquer gases, nas mesmas condições de temperatura e pressão, contêm o mesmo número de moléculas Considere os gases abaixo a 0oC (273K) e pressão igual a 1 atm: H2 22,4 L O2 22,4 L CO2 22,4 L 41 42 02) Um balão A contém 8,8g de CO2 e um balão B contém N2. Sabendo que os dois balões têm igual capacidade e apresentam a mesma pressão e temperatura, calcule a massa de N2 no balão B. Dados: C = 12 g/mol; O = 16 g/mol; N = 14 g/mol. balão A balão B CO2 N2 m = 8,8g m = ? VA = VB PA = PB TA = TB nA = nB mB 8,8 44 28 = mB 5,6 g = Uma bola de festas com um certo tempo murcha, isto ocorre porque a bola tem poros e o gás que se encontrava dentro da bola sai por estes poros Este fenômeno denomina-se de EFUSÃO Quando abrimos um recipiente contendo um perfume, após certo tempo sentimos o odor do perfume Isso ocorre porque algumas moléculas do perfume passam para a fase gasosa e se dispersam no ar chegando até nossas narinas Esta dispersão recebe o nome de DIFUSÃO Lei de difusão de Graham (ampliada): a velocidade de difusão de um gás através de outro é inversamente proporcional à raiz quadrada da densidade do gás ou à raiz quadrada da sua massa molecular. Velocidade de difusão = = v A M 1 A = v A d 1 A Gás A Gás B Lei de efusão de Graham: a velocidade de efusão de um gás através de um dado orifício é inversamente proporcional à raiz quadrada da densidade do gás ou à raiz quadrada da sua massa molecular. Nas mesmas condições de temperatura e pressão a relação entre as densidades é igual à relação entre suas massas molares, então: = v v A B M M B A = v v A B d d B A 03) (UEMA) A velocidade de difusão do gás hidrogênio é igual a 27 km/min, em determinadas condições de pressão e temperatura. Nas mesmas condições, a velocidade de difusão do gás oxigênio em km/h é de: Dados: H = 1 g/mol; O = 16 g/mol. = v v H2 O2 M M O2 H2 v v H2 O2 = 27 km/min = 27 km / (1/60) h = ? 27 x 60 v O2 = 32 2 v O2 1620 4 = = 405 km/h Muitos sistemas gasosos são formados por diversos tipos de gases e estas misturas funcionam como se fosse um único gás 48 VA PA TA VB PB TB V P T nA nB nT = nA + nB GÁS A GÁS B MISTURA Fração molar Onde: 49 Podemos estudar a mistura gasosa ou relacionar a mistura gasosa com os gases nas condições iniciais pelas expressões V T = V T P P A x x A A V T P B x B B + P . V = nT . R . T e 50 04) Dois gases perfeitos estão em recipientes diferentes. Um dos gases ocupa volume de 2,0 L sob pressão de 4,0 atm e 127°C. O outro ocupa volume de 6,0 L sob pressão de 8,0 atm a 27°C. Que volume deverá ter um recipiente para que a mistura dos gases a 227°C exerça pressão de 10 atm? V A = 2 L P = 4 atm T = 27°C V = 6 L T = 127 °C P = 8 atm A A B B B V = ? P = 10 atm T = 227 °C GÁS A GÁS B MISTURA V T = V T P P A x x A V T P B x B + 10 x V 500 = + 4 x 2 400 8 x 6 300 V = 9 L 51 Lei de Dalton das pressões parciais: a pressão total exercida por uma mistura de gases é igual à soma das pressões parciais dos gases individuais. Cada gás obedece à equação ideal dos gases: 321total PPPP V RT nP ii 52 Combinando as equações: V RT nnnP 321total Pressões parciais e frações em quantidade de matéria Considere ni a quantidade de matéria de gás i exercendo uma pressão parcial Pi, então totalPP ii onde i é a fração em quantidade de matéria (ni/nt). 53 54 04) Uma mistura de 12g de etano (C2H6) e 2,4g de hélio (He) foi recolhida num balão de volume igual a 22,4 L mantido a 273 K. As pressões parciais, em atm, do C2H6 e do He no interior do balão são, respectivamente: m C2H6 = T = 273 K V = 22,4 L Dados: H = 1g/mol; C = 12g/mol; He = 4g/mol. X = 12g m He = 2,4g n C2H6 = 12 30 = 0,4 mol n He = 2,4 4 = 0,6 mol P 22,4 0,4 0,082 273 C2H6 X X C2H6 = 0,4 atm P He P 0,6 atm X 22,4 0,4 0,082 273 X X = P He = 55 É o volume que um dos componentes da mistura gasosa deve ocupar, na temperatura da mistura, para exercer a pressão da mistura gasosa nRT RTn PV PV AA VxV AA 56 05) Uma mistura gasosa contém 6 mols de gás hidrogênio, 2 mols de gás metano e ocupa um recipiente de 82 L. Calcule os volumes parciais destes dois gases. CH4 n H2 0,75 = V = 82 L H2 CH4 6 mols n = 2 mols = x 6 8 = 0,25 = x 2 8 = x V V’ H2 CH4 CH4 H2 x = = 20,5 L x V V’ x = x V’ H2 = 0,75 = 82 61,5 L CH4 = 20,5 L x V’ = 0,25 82 Média ponderada das massas moleculares dos gases componentes da mistura e suas porcentagens em volume, ou suas pressões parciais ou suas frações em mol 57 .... CCBBAAap xMMxMMxMMMM ntotalmMMap /)( 06) Considere a composição de uma mistura gasosa como sendo 22% de O2 e 78 % de N2 58 Para esse cálculo devemos levar em consideração a massa molecular aparente 59 RT PMM d ap total total V m d 07) Considere o ar seco e não poluído constituído de 21% de oxigênio, 78% de nitrogênio e 1% de argônio, em volume. Calcule a densidade do ar atmosférico a 25ºC e 641 mmHg 60 Contínua entrada e saída do gás Variação da massa, ou do número de mols ou do número de moléculas São constantes o volume e a pressão ( atmosférica) 61 KnT ffii TnTn ffii TmTm 1. Baseando-se nas diferenças entre os estados sólido, líquido e gasoso. O que você pode concluir sobre a densidade dos gases? 2. São propriedades de qualquer substância no estado gasoso: I – ocupar toda capacidade do recipiente que a contém; II – apresentardensidade bastante inferior à do líquido obtido pela sua condensação. Para ilustrar essa propriedades, utilizou-se um liquidificador em cujo copo foram colocados algumas esferas pequenas, leves e inquebráveis. Explique como esse modelo pode ilustrar as propriedades I e II 62 3. Das substâncias abaixo, quais são gases a temperatura ambiente de 25ºC? 4. Um balão contém 2,5 mol de gás carbônico. Qual a massa deste gás contida nesse balão? 5. Quantos litros de ar estão contidos no interior de um quarto com 5m de comprimento, 4m de largura e 3 de altura? 63 Substâncias T crítica, ºC Água 374 Gás carbônico 31 Oxigênio -119 Hélio - 26 6. Um gás se encontra à 27ºC foi aquecido até 37ºC. De quanto variou a T em Kelvin? 7. Por que um líquido ascende num canudo? 8. Qual a relação entre a respiração – processo em que inspiramos e expiramos o ar – e a lei de Boyle? 9. Para que uma amostra gasosa que ocupa um volume de 6,0 L e 1 atm tenha sua pressão modificada para 1140 mmHg, isotermicamente, qual deve ser o volume? 10. Uma certa massa de oxigênio ocupa 40,0 dm3 à 758 torr. Qual o volume ocupado à 635 mmHg mantendo-se a temperatura constante? 64 11. Numa transformação isotérmica quando o volume se reduz a ¾ do inicial, a pressão fica igual a: a) 4/3 da inicial b) ¾ da inicial c) 4/5 da inicial d) 5/4 da inicial e) 3/5 da inicial 12. Uma dada massa de cloro ocupa 38,0cm3 a 20ºC. Determine o seu volume a 45ºC, sendo a pressão mantida constante. 13. 30 mL de gás metano a 25ºC, são aquecidos a 35ºC, isobaricamente. Calcule o novo volume do gás. 65 14. Explique de que forma a lei de Charles serve para justificar o fato de uma bexiga estourar, se exposta a um lugar quente. 15. Certa massa de gás hélio, mantida num recipiente fechado a -33ºC, exerce uma pressão 1,50 atm. Calcule qual temperatura a pressão do gás nesse recipiente será igual a 190 mmHg. 16. Um recipiente fechado com capacidade de 32 L contém CO2 a -23ºC. A que T a pressão do gás se reduzirá a 4/5 da pressão inicial? 17. Um gás está sob pressão de 1 atm e à T= 20ºC, ocupando um volume de 2,93 L. Determine sob que pressão o gás ocupará 1,00 L à T= - 73ºC 66 18. Em um dia frio, num região do hemisfério norte uma pessoa aspira 450 mL de ar por vez, a 756 mmHg e -10ºC. Qual volume deste ar nos pulmões, a 37ºC e 75,2 cmHg. 19. Um gás ocupa um volume de 100L a dada pressão e temperatura. Qual o volume ocupado pela mesma massa de gás quando a pressão do gás se reduzir a ¾ da inicial e a temperatura absoluta se reduzir em 2/5 de inicial? 20. Numa transformação istotérmica de um gás ideal, quando a pressão diminui de 20% o volume: a) Aumenta de 20% b) Diminui de 20% c) Aumenta de 25% d) Diminui de 25% e) Aumenta 12,5% 67 21. Uma certa massa de gás a 50ºC e 785 Torr ocupa um volume de 350 mL. Que volume o gás ocupará nas CNTP? 22. Calcule o volume molar do oxigênio a 546ºC e 3 atm. Qual o volume ocupado por 1,2 x 1024 moléculas desse gás? 23. Calcule a massa de gás hélio (MM = 4,0) contida num balão, sabendo-se que o gás ocupa um volume igual a 5,0 m3 e está a uma temperatura de -23ºC e pressão de 20,5 atm. 24. Qual o número de mols de amônia que ocupa um volume de 5,0 L à temperatura de 67ºC e pressão de 623 mmHg? 68 25. (UNI-RIO) 29,0g de uma substância pura orgânica, no estado gasoso, ocupam o volume de 8,20 L à temperatura de 127ºC e à pressão de 1520 mmHg. A fórmula molecular do provável gás é: a) C2H6 b) C3H8 c) C4H10 d) C5H12 e) C6H14 69 26. (FEI-SP) A uma dada T e P, um balão contém 42g de nitrogênio. Depois de completamente esvaziado, introduz-se no mesmo balão, à mesma temperatura, uma certa quantidade de estileno (C2H4) , de maneira a obter a pressão anterior. Qual a quantidade de etileno introduzida? 70
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