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G1 Aula 7 Equilíbrios Físicos e Lei de Henry 2015.2

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01/09/2015
1
Química GeralQ
Professor Alessandro Kappel Jordão
1
Equilíbrios Físicos
• Verificar as soluções de líquidos e como os solutos
neles dissolvidos afetam suas propriedades físicas
Transição de fase: A conversão de uma substância de
uma fase em outra como a fusão do gelo a vaporização
2
uma fase em outra, como a fusão do gelo, a vaporização
da água ou a conversão da grafita em diamante.
• Um experimento simples mostra que, em um recipiente
fechado, as fases líquido e vapor entram em equilíbrio.
Exemplo: Barômetro de mercúrio
Equilíbrios Físicos
3
• Em uma temperatura fixa, o vapor exerce uma pressão
característica que é independente da quantidade de água
líquida presente.
• Por exemplo em 20oC o mercúrio cai 18 mm; logo a
Equilíbrios Físicos
4
• Por exemplo, em 20oC, o mercúrio cai 18 mm; logo, a
pressão exercida pelo vapor é 18 Torr. A pressão de vapor
de água é a mesma, se houver 0,1 mL ou 1 mL de água
líquida presente. Essa pressão característica é a “pressão
de vapor” do líquido na temperatura do experimento
Pressões de vapor em 25oC
Equilíbrios Físicos
Substância Pressão de vapor 
(Torr)
Benzeno 94,6
5
Benzeno 94,6
Etanol 58,9
Mercúrio 0,0017
Metanol 122,7
Água 23,8
• Líquidos cuja pressão de vapor é alta nas temperaturas
ordinárias são chamados de voláteis.
• O metanol (pressão de vapor 98 Torr, em 20oC) é muito
volátil, o mercúrio (1,4 mTorr) não é volátil.
• Os sólidos também exercem pressão de vapor mas a
Equilíbrios Físicos
6
• Os sólidos também exercem pressão de vapor, mas a
pressão de vapor dos sólidos é, normalmente, muito mais
baixa do que a dos líquidos, porque as moléculas do
sólido estão presas mais firmemente do que as do líquido.
• Alguns sólidos, porém, vaporizam em um processo
chamado “sublimação”. Ex.: mentol e naftalina
01/09/2015
2
• Para construir um modelo do equilíbrio entre um líquido
e seu vapor em nível molecular, pode-se supor que o
líquido está em um recipiente fechado que foi evacuado.
• O vapor se forma à medida que as moléculas deixam a
superfície do líquido.
Equilíbrios Físicos
7
• Quando o número de moléculas na fase vapor aumenta,
um número maior delas pode se chocar com a superfície
do líquido, aderir a ela e voltar a fazer parte do líquido.
• Por fim, o número de moléculas que voltam ao líquido
em cada segundo se iguala ao número que escapa.
Nessas condições, o vapor condensa com a mesma
velocidade com que o líquido vaporiza.
Velocidade de evaporação = Velocidade de condensação
• O equilíbrio dinâmico entre a água líquida e seu vapor é
representado por
Equilíbrios Físicos
H2O(l) H2O(g)
8
• A pressão de vapor de uma substância é a pressão
exercida pelo vapor que está em equilíbrio dinâmico com
a fase condensada.
Volatilidade e forças intermoleculares
• Pressão de vapor alta quando as moléculas de um
líquido são mantidas por forças intermoleculares fracas
• Pressão de vapor baixa quando as forças
intermoleculares sejam fortes
Equilíbrios Físicos
9
intermoleculares sejam fortes
• Líquidos formados por moléculas capazes de formar
ligações hidrogênio (são mais fortes do que as outras
interações intermoleculares) sejam menos voláteis do que
outros de massa molecular comparável, porém incapazes
de formar ligações hidrogênio.
Volatilidade e forças intermoleculares
• Exemplo: Dimetil-éter (1) e etanol (2) com fórmulas
moleculares iguais, C2H6O. Espera-se que tenham
interações de London semelhantes e, portanto, pressões
de vapor semelhantes.
Equilíbrios Físicos
10
1 2
Volatilidade e forças intermoleculares
• A molécula de etanol tem um grupo –OH que pode
formar ligações hidrogênio com outras moléculas de
álcool.
• As moléculas de éter não podem formar ligações
Equilíbrios Físicos
11
• As moléculas de éter não podem formar ligações
hidrogênio umas com as outras, porque todos os
hidrogênios estão ligados a átomos de carbono e a
ligação C-H não é muito polar.
• Como resultado dessas diferenças, o etanol é um
líquido na temperatura normal e o dimetil-éter é um gás.
Forças intermoleculares
• O polímero KEVLAR® é leve, flexível e resistente ao
calor, ao fogo e a produtos químicos. Cordas e cabos
fabricados com KEVLAR® são cinco vezes mais fortes do
que o aço em uma base ponderal igual.
Equilíbrios Físicos
12
• É empregado em uma ampla variedade de aplicações
que vão desde coletes à prova de bala até raquetes de
tênis.
01/09/2015
3
Forças 
intermoleculares
• Uma das 
razões para a 
resistência do 
KEVLAR® é a 
forte ligação de 
hid ê i t
Equilíbrios Físicos
13
hidrogênio entre 
as cadeias do 
polímero, 
fazendo com que 
elas estejam em 
posições fixas e 
evitando que 
cadeias 
individuais 
escorreguem 
uma pela outra.
Variação da pressão de vapor de acordo com a 
temperatura
• A pressão de vapor de um líquido depende da facilidade
que as moléculas do líquido encontram para escapar das
forças que as mantêm juntas.
Equilíbrios Físicos
14
• Em temperaturas mais elevadas, mais energia está
disponível para isso do que em temperaturas mais baixas.
• Logo a pressão de vapor de um líquido deve aumentar
quando a temperatura aumenta
Variação da pressão de vapor de acordo com a
temperatura
Equilíbrios Físicos
Temperatura (oC) Pressão de vapor (Torr)
0 4,58
10 9,21
20 17,54
21 18,65
15
22 19,83
23 21,07
24 22,38
25 23,76
37 47,08
40 55,34
60 149,44
80 355,26
100 760,00
Variação da pressão de vapor de acordo com a
temperatura
Equilíbrios Físicos
16
Variação da pressão de vapor de acordo com a 
temperatura
• Equação de Clausius-Clapeyron para a pressão de
vapor de um líquido em duas temperaturas diferentes:
Equilíbrios Físicos
17
• A pressão de vapor de um líquido aumenta com o
aumento da temperatura. A equação de Clausius-
Clapeyron estabelece a dependência quantitativa da
pressão de vapor de um líquido com a temperatura
Ebulição
• A ebulição acontece quando a pressão de vapor de um
líquido é igual à pressão atmosférica. Forças
intermoleculares fortes levam, normalmente, a pontos de
ebulição normais altos.
Equilíbrios Físicos
18
• O ponto de ebulição normal é a temperatura na qual a
pressão de vapor do líquido é 1 atm.
• Exemplo: No alto do Monte Everest – onde a pressão é
240 Torr – a água ferve a 70oC – A ebulição acontece em
uma temperatura mais baixa quando a temperatura é
menor do que 1 atm.
01/09/2015
4
Congelamento e fusão
• Um líquido solidifica quando a energia das moléculas é
tão baixa que elas são incapazes de mover-se em relação
a suas vizinhas.
• No sólido as moléculas vibram em torno de suas
Equilíbrios Físicos
19
• No sólido, as moléculas vibram em torno de suas
posições médias, mas raramente se movem de um ponto
a outro.
• A temperatura de congelamento, a temperatura em que
as fases sólido e líquido estão em equilíbrio dinâmico,
varia ligeiramente quando a pressão é alterada.
Congelamento e fusão
• O ponto de congelamento normal, Tf, de um líquido é a
temperatura na qual ele congela, em 1 atm
• O ponto de fusão de um sólido é igual à temperatura de
congelamento do líquido
Equilíbrios Físicos
20
congelamento do líquido.
• Os pontos de congelamento dos líquidos aumentam,
em geral, com a pressão. As ligações de hidrogênio da
água a tornam anômala: seu ponto de congelamento
diminui com a pressão.
Diagrama de fases
• Um diagrama de fases é um gráfico que mostra as fases
mais estáveis em pressões e temperaturas diferentes.
Equilíbrios Físicos
21
Diagrama de fases
• As linhas que separam as regiões dos diagramas de
fases são chamadas de limites de fase. Em qualquer
ponto da linha que limita duas regiões, as fases vizinhas
coexistem em equilíbrio dinâmico.Equilíbrios Físicos
22
Diagrama de fases
• Um ponto triplo é um ponto em que três limites de fase
se encontram em um diagrama de fase. No caso da água,
o ponto triplo das fases sólido, líquido e vapor está em 4,6
Torr e 0,01oC.
Equilíbrios Físicos
23
• No ponto triplo, as três fases (gelo, líquido e vapor)
coexistem em equilíbrio dinâmico. O sólido está em
equilíbrio com o líquido, o líquido com o vapor e o vapor
com o sólido.
• A localização do ponto triplo de uma substância é uma
propriedade característica da substância e não pode ser
mudada alterando-se as condições.
Diagrama de fases
• Um diagrama de fases resume as regiões de pressão e
temperatura nas quais cada fase de uma substância é a
mais estável. As linhas que limitam as fases mostram as
condições nas quais duas fases podem coexistir em
equilíbrio dinâmico. Três fases coexistem em equilíbrio
t t i l
Equilíbrios Físicos
24
em um ponto triplo.
01/09/2015
5
Propriedades críticas
• Temperatura crítica, é a temperatura na qual, e acima da
qual, ela não pode ser condensada a um líquido ou a um
sólido.
• Pressão crítica é a pressão de vapor que corresponde
Equilíbrios Físicos
25
• Pressão crítica, é a pressão de vapor que corresponde
ao fim da linha limite das fases.
• Um gás só pode ser liquefeito pela aplicação de
pressão se ele estiver abaixo da temperatura crítica.
Temperaturas e pressões críticas de substâncias 
selecionadas
Equilíbrios Físicos
Substância Temperatura 
crítica (oC)
Pressão 
crítica (atm)
26
He ‐268 2,3
Ne ‐229 27
H2 ‐240 13
O2 ‐118 50
CO2 31 73
Propriedades críticas
• Fluido supercrítico, é denominado um fluido denso que
existe acima da temperatura e pressão críticas.
• O vapor de uma substância só pode ser convertido em
líquido pela aplicação de pressão se ele estiver abaixo da
Equilíbrios Físicos
27
líquido pela aplicação de pressão se ele estiver abaixo da
temperatura crítica
Solubilidade
• A presença do soluto afeta as propriedades físicas do
solvente. Quando é adicionado sal grosso no gelo, é feita
uma mistura que abaixa o ponto de congelamento da
água pura e o gelo se funde para dar uma solução de sal.
Equilíbrios Físicos
28
• Exemplo: Solução de glicose em água
Solubilidade
• Solução saturada é o quando o solvente dissolve todo
o soluto possível e ainda resta uma parte que não
dissolveu.
• A solução saturada representa o limite da capacidade
Equilíbrios Físicos
29
do soluto em dissolver em uma determinada quantidade
de solvente.
• A solubilidade molar de uma substância é a
concentração molar de uma solução saturada.
• Uma solução saturada é aquela na qual o soluto
dissolvido e o soluto não dissolvido estão em equilíbrio
dinâmico
Solubilidade
• Regra “igual dissolve igual”
• Ligações hidrogênio, forças de London etc
• Exemplo: Sabões e detergentes
Equilíbrios Físicos
30
• Exemplo: Sabões e detergentes
01/09/2015
6
Pressão e solubilidade dos gases: Lei de Henry
• Quando um gás é colocado em um mesmo recipiente
com um líquido, suas moléculas penetram o líquido.
• Como o número de impactos aumenta com a pressão
do gás deve-se esperar que a solubilidade do gás – a
Equilíbrios Físicos
31
do gás, deve-se esperar que a solubilidade do gás – a
concentração molar do gás dissolvido em equilíbrio
dinâmico com o gás livre – aumente com o aumento da
pressão.
• Se o gás sobre o líquido é uma mistura (como, por
exemplo, o ar), então a solução de cada componente
depende de sua pressão parcial.
Pressão e solubilidade dos gases: Lei de Henry
• A solubilidade de um gás é diretamente proporcional a
sua pressão parcial, P. (Lei de Henry)
Equilíbrios Físicos
s = KHP
32
KH é constante de Henry, depende do gás, solvente e da
temperatura
Gás KH (mol L‐1 atm‐1)
Ar 7,9 X 10‐4
Argônio 1,5 X 10‐3
Oxigênio 1,3 X 10‐3
Pressão e solubilidade dos gases: Lei de Henry
Exemplo: Mostre que a concentração de oxigênio na água
de um lago é normalmente adequada para sustentar a
vida aquática, que requer concentrações de O2 da ordem
de 0,13 mmol L-1. A pressão parcial de oxigênio é 0,21 atm
ao nível do mar
Equilíbrios Físicos
33
ao nível do mar.
Resolução:
s = KHP
s = (1,3 X 10-3 mol L-1 atm-1) X (0,21 atm)
s = 2,7 X 10-4 mol L-1
Pressão e solubilidade dos gases: Lei de Henry
Exercício: Em um lago a 2.900 m, a pressão parcial do
oxigênio é 0,14 atm. Qual é a solubilidade molar do
oxigênio neste lago a 20oC?
Dados:
Equilíbrios Físicos
34
Dados:
KH = 1,3 X 10-3 mol L-1 atm-1
1a Questão 
Considere o sistema abaixo à temperatura de 20 oC constituído de um reator de
5,00 L (1) conectado a um cilindro de 1,50 L (2) contendo gás oxigênio, O2, à
pressão de 10,0 atm. Ao se abrir a válvula (�) o gás alcançará o reator que contém
inicialmente 2,00 L de água, em equilíbrio com seu vapor (situação de equilíbrio a).
a) Determine a pressão no reator em atm antes da abertura da válvula
35
a) Determine a pressão no reator, em atm, antes da abertura da válvula.
b) Calcule a pressão de O2 no reator (1) e no cilindro (2), em atm, após a abertura
completa da válvula � quando um novo equilíbrio ocorrer (situação de equilíbrio b),
Desconsidere a solubilização do O2 na água.
c) Considere agora uma outra condição inicial contendo 1,00 mol de O2 no cilindro
(2). Parte do O2 se solubiliza na água contida no reator (1) quando a válvula é
aberta, atingindo um novo equilíbrio, (equilíbrio c) como representado na equação
abaixo. Calcule a quantidade de O2 solubilizado, em mol.
O2 (g) O2(aq) 
Dados:
Pressão de vapor d’água à 20 oC = 17,54 mmHg
kH (O2) a 20oC = 1,3 x 10-3 mol L-1 atm-1 e 1 atm = 760 mmHg

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