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01/09/13 1 Gases São facilmente compressíveis e preenchem o espaço disponível. Baseado nisso, sugere-se que as moléculas dos gases estejam amplamente separadas e em movimento caótico. Exemplo de gases: N2, Ar, CO2, O2, CH4, C3H8, C4H10 Gases Têm densidades muito mais baixas que os sólidos e líquidos. Têm densidades altamente variáveis, dependendo das condições. Se misturam entre si fácil e totalmente. Alteram o volume significativamente com a variação de temperatura. Gases Os 11 elementos que são gases, em condições normais de temperatura e pressão, encontram-‐se na parte superior da Tabela Periódica Pressão Das instruções de calibragem de pneus de bicicletas ou de carros à previsão do tempo, regularmente encontramos a palavra pressão. A pressão, P, de um gás é a força F exercida pelo gás sobre uma área. A pressão que um gás exerce, nas paredes do recipiente que o contém, consiste num contínuo bombardeamento por parte das moléculas de gás em rápido movimento. Barômetro Instrumento para medir a pressão atmosférica. Consiste em um tubo de vidro totalmente preenchido com mercúrio emborcado em um prato com mercúrio. Como não há ar no topo da coluna, nenhuma pressão é exercida sobre ela. Entretanto, toda a atmosfera exerce pressão no mercúrio do prato. A diferença entre os níveis de mercúrio é a medida da pressão atmosférica, medida em mmHg. Manômetro Utilizado para medir a pressão de um certo gás num recipiente. É um instrumento mais simples. Um tipo de manômetro consiste em um tubo em U contendo mercúrio que se conecta ao recipiente onde está o gás. A pressão do gás faz baixar o nível do mercúrio, à esquerda e a diferença entre os dois níveis de mercúrio é a pressão, diretamente em mm Hg. 01/09/13 2 Unidades A unidade do SI: Pa (pascal) ou N m-2. Outras unidades: 1 atm = 1,01325 x 105 Pa 1 bar = 105 Pa 1 atm = 760 Torr = 760 mmHg Lei de Boyle Para uma quantidade fixa de gás à temperatura constante, o volume é inversamente proporcional à pressão. Lei de Boyle - Exemplos Ao aplicar a pressão sobre o embolo da seringa selada (aumenta a pressão), e o volume do gás diminui. Lei de Boyle Exercício Permite-se que uma amostra de neônio de volume de 1,00 x 10-2 L a 200 Torr se expanda à 298 K em um tubo evacuado com volume de 0,200 L. Qual é a pressão do neônio no tubo? Resp.: 10,0 Torr Lei de Charles ou primeira Lei de Charles e Gay-Lussac A verificação experimental da relação entre volume e temperatura, para uma pressão constante (isobárica), foi realizada pela primeira vez em 1787, por Jacques Charles. Alguns anos mais tarde, em 1802, Louis Joseph Gay- Lussac chegou ao mesmo resultado. 01/09/13 3 Lei de Charles ou primeira Lei de Charles e Gay-Lussac Para uma quantidade fixa de gás sob pressão constante, o volume varia linearmente com a temperatura. Lei de Charles ou primeira Lei de Charles e Gay-Lussac Lei de Charles ou primeira Lei de Charles e Gay-Lussac A 1ª Lei de Charles é ilustrada em um balão de ar quente. Como o balão pode dilatar, a pressão em seu interior permanece constante. Logo, quando o ar é aquecido, seu volume aumenta, torna-se menos denso do que o ar de fora e faz o balão subir. Lei de Gay-Lussac ou segunda Lei de Charles e Gay-Lussac Um outro tipo de transformação pode ocorrer num sistema gasoso - a transformação isocórica, durante a qual o volume do gás se mantém constante, enquanto a pressão e a temperatura variam. Lei de Gay-Lussac ou segunda Lei de Charles e Gay-Lussac Para uma quantidade fixa de gás sob volume constante, a pressão varia linearmente com a temperatura. Exercício Um tanque de oxigênio armazenado fora de um edifício tem uma pressão de 20,00 atm às 6 h, quando a temperatura é 10 oC. Qual será a pressão no tanque às 18 h, quando a temperatura chega a 30 oC? Resp.: 21,4 atm 01/09/13 4 Princípio de Avogadro Volume molar (Vm): é o volume que a substância ocupa por mol de moléculas. Sob as mesmas condições de temperatura e pressão, um determinado número de moléculas de gás ocupa o mesmo volume independente da sua identidade química. O volume ocupado por uma amostra de gás à pressão e temperatura constantes é diretamente proporcional à quantidade de matéria de moléculas presente. Lei dos Gases Ideais Equação de estado que resume todas as relações que descrevem a resposta de um gás ideal a mudanças de pressão, volume, temperatura e de quantidade de matéria. Sempre utilizando a temperatura em Kelvin (K). A constante dos Gases Ideais – R R = 0,08206 L atm mol-1 K-1 R = 8,314 J mol-1 K-1 R = 62,37 L Torr mol-1 K-1 P×V=n×R×T Exercício Qual é a pressão (em atm) dentro de um tubo de imagem de uma televisão, dado que o volume do tubo é de 5,0 L, sua temperatura é 23 oC, e que contém 0,010 mg de nitrogênio gasoso? Dados: R = 0,082 atm L mol-1 K-1 M(N2) = 28 g mol-1 Resp.: 1,7 x 10-6 atm Exercício Calcule a pressão em quilopascal (kPa) exercida por 1,0 g de dióxido de carbono em um frasco de 1,0 L a 300oC. (Sabe-se que 1 atm = 1 x 105 Pa). Dado: R = 0,082 atm L mol-1 K-1 M(CO2) = 44,010 g mol-1 Resp.: 1,1 x 102 kPa Exercício Uma amostra de CO2 gasoso tem um volume de 0,575 mL a 752 Torr e 22 °C. Qual é a massa de dióxido de carbono nesta amostra? Dado: R = 62,37 Torr L mol-1 K-1 M(CO2) = 44,0 g mol-1 Resp.: 0,00103 g CNTP Condições Normais de Temperatura e Pressão (CNTP): 0 oC ou 273,15 K e 1 atm. O volume molar de um gás ideal na CNTP é de 22,41 L. 01/09/13 5 Exercício Uma maneira de reduzir a poluição do ar é remover os gases poluentes em potencial de um fluxo de exaustão antes que eles sejam liberados para o ar. O dióxido de carbono pode ser removido de um fluxo de gás , reagindo-o com óxido de cálcio para formar carbonato de cálcio. Se reagirmos 5,50 L de CO2 nas CNTP com excesso de CaO, qual será a massa de carbonato de cálcio formada? CO2(g) + CaO(s) è CaCO3(s) Dado: M(CO2) = 44,0 g mol-1 e M(CaCO3) = 100,1 g mol-1 VM = 22,41 L mol-1 Resp.: 24,6 g de CaCO3 Exercício O óleo produzido de folhas de eucalipto contém o composto orgânico volátil eucaliptol. A 190 oC e 60,0 Torr, uma amostra de vapor de eucaliptol tem uma densidade de 0,320 g L-1. Calcule a massa molar do eucaliptol. Dado: R = 62,4 L Torr K-1 mol-1 Resp.: 154 g mol-1 Misturas de Gases Com a lei dos Gases Ideias, podemos determinar muitas propriedades de um gás individual. Entretanto, em muitos casos, encontramos situações interessantes com mais de um gás presente. Nossas considerações para os níveis de poluentes do ar é um exemplo óbvio. Mesmo se ignoramos quaisquer poluentes presentes, o ar “limpo” já é uma mistura de gases. Uma mistura de gases que não reagem entre si comporta-se como um gás único puro. Misturas de Gases Considerando uma amostra de ar que consista inteiramente em N2 e O2. A quantidade de matéria total de ar presente é: Misturas de Gases A pressão total de uma mistura de gases é a soma das pressões parciais de seus componentes (Lei de Dalton). O modo mais fácil de expressar a pressão parcial: introduzira fração em quantidade de matéria de cada componente. Exercício Um bebê com infecção bronquial severa está com problemas respiratórios. O anestesista administra “heliox”, uma mistura de oxigênio e hélio com 92,3 % por massa de O2. Qual é a pressão parcial de oxigênio que está sendo administrada ao bebê se a pressão atmosférica é 730 Torr? Resp.: 4,4 x 102 Torr Dados: M(O) = 15,9994 g mol-1 M(He) = 4,00260 g mol-1 01/09/13 6 Exercício Nem toda a poluição é decorrente da atividade humana. Fontes naturais, incluindo vulcões, também contribuem para a poluição do ar. Um cientista tenta gerar uma mistura de gases similar àquelas encontradas em um vulcão, introduzindo 15,0 g de vapor de água, 3,5 g de SO2 e 1,0 g de CO2 em um recipiente de 40,0 L, mantido a 120,0 °C. Calcule a pressão parcial de cada gás e a pressão total. Dados: M(H2O) = 18,0 g mol-1 M(SO2) = 64,1 g mol-1 M(CO2) = 44,0 g mol-1 R = 0,0821 L atm mol-1 K-1 Resp.: 0,672 atm 0,044 atm 0,019 atm 0,735 atm Misturas de Gases – alternativa de cálculo Alternativa para o cálculo da fração em mol! Volume parcial de um componente de uma mistura gasosa é o volume que este componente ocuparia se existisse sozinho sob a pressão total da mistura. Logo, XA Misturas de Gases – alternativa de cálculo Misturas de Gases Percentual em volume: razão entre o volume de um dos componentes de uma mistura e o volume total desta. Exemplo: Uma mistura de gases possui 30% em volume do composto A. Significa que a mistura de gases possui 30 L do composto A em 100 L de mistura. O movimento molecular - Difusão Dispersão gradual de uma substância em outra substância, como um gás em outro. Mantém a composição da atmosfera aproximadamente constante, já que concentrações incomumente altas de um gás se difundem e se dispersam. Ex.: dispersão da expansão do perfume através do ar. O movimento molecular - Efusão É a fuga de um gás para o vácuo, através de um orifício pequeno. Acontece sempre que um gás está separado do vácuo por uma barreira porosa (uma barreira com orifícios microscópicos) ou uma única e muito pequena abertura. Há mais colisões do lado do orifício que tem alta pressão do que do lado de baixa pressão. Mais moléculas passam da região de alta pressão para a região de baixa pressão do que na direção oposta. 01/09/13 7 Velocidade – Difusão e Efusão • Quanto maior for a massa molar, mais baixa é a velocidade média das moléculas. • Quanto mais alta a temperatura, mais alta a velocidade média das moléculas. O modelo cinético dos gases Baseia-se em 5 hipóteses 1. Um gás consiste em uma coleção de moléculas em movimento aleatório contínuo; 2. As moléculas de um gás são pontos infinitesimalmente pequenos e não ocupam volume; 3. As partículas se movem em linha reta até colidirem; 4. As moléculas não influenciam uma às outras, exceto durante colisões. 5. A energia cinética média das partículas em um gás é proporcional à temperatura absoluta do gás e não depende da identidade do gás. O modelo cinético dos gases Está sendo proposto para este modelo que não haja força de atração ou repulsão entre as moléculas do gás ideal, exceto durante as colisões. Imaginamos que as moléculas estão muito separadas na maior parte do tempo e em movimento aleatório incessante. Elas se deslocam sempre em linhas retas, mudando de direção apenas quando colidem. As colisões mudam a velocidade e a direção das moléculas. Gases Ideais x Gases Reais A Lei dos Gases Ideais é uma lei limite e só é válida quando P→ 0. Gases verdadeiros são considerados gases reais. Têm propriedades que diferem daquelas preditas pela lei dos gases ideais e estas diferenças são importantes para pressões altas e baixas temperaturas. Gases Reais O cientista holandês van der Waals investigou muitos gases reais. Com base em suas observações, ele propôs uma equação simples que dá predições mais precisa que a Lei de Gases Ideais: Onde a e b são parâmetros de van der Waals, únicos para cada gás, determinados experimentalmente e tabelados. O parâmetro a representa a contribuição das forças de atração e b, as de repulsão. Exercício Investigadores estudando as propriedades físicas de um gás que seria usado como refrigerante em uma unidade de ar condicionado precisam calcular sua pressão quando 1,50 mol foi confinado em 5,00 L a 0 oC. Das tabelas de coeficientes de van der Waals, eles sabiam que: a = 16,2 L-2 mol atm-2 e b = 8,4 x 10-2 L mol-1 R = 0,0821 L atm mol-1 K-1 Calcule a pressão. Resp.: 5,44 atm Um gás ideal nas mesmas circunstâncias teria uma pressão de 6,72 atm.
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