Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Gases Professor: Paulo Renan G. Ferreira Atmosfera da Terra Vivemos imersos em uma solução gasosa: Camada de ar que envolve o nosso planeta; Condições atmosféricas normais: 25 ◦C e 1 atm. • Estados da Matéria Em determinadas condições de pressão e temperatura, a maioria das substâncias pode existir em qualquer um dos três estados da matéria. Ex: Água. • Representação Características físicas dos gases • Os gases tomam o volume e a forma dos recipientes onde estão contidos; • O estado gasoso é o mais compressível dos estados da matéria; • Dois ou mais gases contidos no mesmo recipiente misturam-se completamente e de um modo homogêneo; • Gases exercem pressão no seu entorno; • Os gases têm densidades muito mais baixas do que os líquidos e os sólidos. • Pressão de um gás Pressão atmosférica • O tímpano é sensível à variações de pressão. A tuba auditiva auxilia no equilíbrio da pressão interna em relação à externa. A pressão atmosférica no nível do mar é aproximadamente 100 kPa ou 1 bar. A pressão atmosférica real em qualquer local depende das condições do tempo e da altitude. • Pressão atmosférica e o barômetro A unidade SI de pressão é o N/m2. A ela deram o nome de pascal (Pa), em homenagem a Blaise Pascal (1623-1662). 1 Pa = 1 N/m2 Outra unidade de pressão comumente usada: bar 1 bar = 105 Pa No início do século XVII, acreditava-se que a atmosfera não tinha peso; Evangelista Torricelli (1608 - 1647) inventou o barômetro, para mostrar que a atmosfera tinha peso. Um tubo de vidro com 760 mm de comprimento, fechado em uma ponta, completamente cheio com mercúrio e invertido dentro de um prato que contém mais mercúrio; No barômetro, a pressão da atmosfera na superfície do mercúrio é igual a pressão produzida pela coluna de mercúrio. A pressão atmosférica padrão, que corresponde à pressão típica no nível do mar, é suficiente para suportar uma coluna de mercúrio de 760 mm de altura. Em unidade SI, essa pressão é igual a 760 mmHg; Outras unidades comuns: atm (atmosfera), mmHg, torr, Pa e psi (libra por polegada quadrada). Temos que: 1 atm = 760 mmHg = 760 torr = 1,01325 x 105 Pa = 101,325 kPa = 14,69 psi. Para medir a pressão de um certo gás num recipiente, emprega-se um instrumento mais simples, o manômetro. Podemos fazer uma relação com o tema: Pressão arterial. Visite: https://www.youtube.com/watch?v=-zOwiyxkfak • As leis dos gases São necessárias quatro variáveis para definir a condição física, ou estado, de um gás: Temperatura (T); Pressão (P); Volume (V); Quantidade de gás (n); As equações que expressam as relações entre T, P, V e n são conhecidas como leis dos gases. • Relação pressão-volume: lei de Boyle O químico britânico Robert Boyle (1627-1691) investigou inicialmente a relação entre a pressão de um gás e seu volume; Gráficos baseados na lei de Boyle Processo Isotérmico. Embora os valores individuais de pressão e volume possam variar muito para uma dada amostra de gás, desde que a temperatura permaneça constante e a quantidade de gás não varie, P x V é sempre igual a mesma constante; Portanto, para uma dada amostra de gás sujeita a dois conjuntos de condições diferentes e à mesma temperatura, podemos escrever: P1 V1 = constante = P2 V2 Ou P1 V1 = P2 V2 Aplicamos a lei de Boyle toda vez que respiramos; Visite: https://www.youtube.com/watch?v=3iB4fR-sgAc para uma breve explicação. Inalação: A caixa torácica se expande e o diafragma move-se para baixo. As duas ações aumentam o volume dos pulmões, diminuindo assim a pressão do gás dentro dos pulmões. A pressão atmosférica, dessa forma, força o ar para dentro dos pulmões até que a pressão dos pulmões se iguale a pressão atmosférica. A expiração reverte o processo: a caixa torácica contrai-se e o diafragma move-se para cima, ambos diminuindo o volume dos pulmões. O ar é forçado para fora dos pulmões pelo aumento na pressão. • Relação temperatura-volume: lei de Charles Os balões de ar quente sobem porque o ar expande- se à proporção que é aquecido. O ar mais quente é menos denso que o ar da vizinhança fria à mesma pressão. Essa diferença na densidade faz com que o balão suba. A relação entre volume de gás e temperatura foi descoberta em 1787 pelo cientista francês Jacques Charles (1746 – 1823); Charles descobriu que o volume de certa quantidade fixa de gás a pressão constante aumenta linearmente com a temperatura. Volume de um gás em um sistema fechado como função da temperatura à pressão constante; A linha tracejada passa pelo valor chamado zero absoluto (0 K ou -273◦C). Se supõe que o gás tenha volume zero a essa temperatura. Entretanto, essa condição nunca é possível, porque todos os gases se liquefazem ou se solidificam antes de atingir essa temperatura. Também podemos comparar dois conjuntos de condições volume- temperatura para uma dada amostra de gás, a pressão constante: V1 / T1 = constante = V2 / T2 ou V1 / T1 = V2 / T2 Onde V1 e V2 são os volumes do gás às temperaturas T1 e T2 (ambas em kelvin). • Relação temperatura-pressão: lei de Gay-Lussac A lei de Gay-Lussac (1778 – 1850) expressa que, para uma determinada quantidade de gás ocupando um certo volume, a pressão do gás é proporcional à temperatura: P = constante x T ou P/T = constante Comparando dois conjuntos de condições pressão-temperatura para uma dada amostra de gás, a volume constante: P1 / T1 = P2 / T2 • Relação quantidade-volume: lei de Avogadro O volume de um gás é afetado não apenas pela pressão e temperatura, mas também pela quantidade de gás; A relação entre quantidade de gás e o respectivo volume resultou do trabalho de Gay-Lussac (1778-1823) e Amadeo Avogadro (1776-1856). Observação de Gay-Lussac (1804): Os volumes dos gases que reagem entre si estão na proporção dos menores números inteiros. Ex: Dois volumes de gás hidrogênio reagem com um volume de gás oxigênio para formar dois volumes de vapor de água. Três anos depois, Avogadro interpretou a observação de Gay- Lussac propondo o que atualmente é conhecido como hipótese de Avogadro: volumes iguais de gases à mesma temperatura e pressão contêm números iguais de moléculas. 22,4 L de um gás a 0◦C e 1 atm contém 6,02 x 1023 moléculas de gás (isto é, 1 mol). A lei de Avogadro resulta da hipótese de Avogadro: o volume de um gás mantido a temperatura e pressão constantes é diretamente proporcional ao número de mols do gás. Isto é, V = constante x n ou V/n = constante Portanto, dobrando-se a quantidade de matéria do gás, o volume também dobra se T e P permanecerem constantes. Para casos onde a quantidade de matéria de gás é variada de uma quantidade final, temos que: V1/n1 = V2/n2 • A equação do gás ideal Examinamos três leis que descrevem as relações entre as quatro variáveis, P, V, T e n, que definem o estado de um gás. lei de Boyle: V α 1/P (n e T constante) lei de Charles: V α T (n eP constante) lei de Avogadro: V α n (P e T constante) Podemos combinar essas relações para chegar a uma lei de gás mais geral: • PV = nRT Essa equação é conhecida como equação do gás ideal. Um gás ideal é um gás hipotético, cujo o comportamento é descrito pela equação do gás ideal. • As moléculas do gás ideal não se atraem e nem se repelem, e o seu volume é desprezível quando comparado com o volume do recipiente; • Essa aproximação funciona em uma gama razoável de temperaturas e pressões para resolver muitos problemas que envolvem gases. O termo R na equação é chamado constante dos gases ideais. O valor e a unidade de R dependem das unidades de P, V, n e T; T: deve sempre ser expressa como temperatura absoluta (K); n: expresso em mols; P e V: atm e L, respectivamente. Valor de R utilizado com mais frequência: R = 0,0821 L.atm/mol.K Condições normais de temperatura e pressão (CNTP) 1,000 mol de um gás ideal a 0 ◦C (273,15 K) e 1 atm. De acordo com a equação do gás ideal, o volume do gás é: V = 22,4 L A equação do gás ideal explica adequadamente as propriedades da maioria dos gases, sob várias circunstâncias. Entretanto, ela não é exatamente correta para um gás real. Ex. 1) O carbonato de cálcio, CaCO3(S) decompõe-se com aquecimento para produzir CaO(S) e CO2(g) . Uma amostra de CaCO3 é decomposta e o dióxido de carbono é coletado em um frasco de 250 mL. Depois de a decomposição se completar, o gás tem pressão de 1,3 atm à temperatura de 31 ◦C. Qual a quantidade de matéria de gás CO2 produzida? Resposta: n = 0,013 mol de CO2 Ex. 2) As bolas de tênis são normalmente cheias com ar ou gás N2, com pressão acima da pressão atmosférica para aumentar os seus quiques. Se uma bola de tênis em particular tem volume de 144 cm3 e contém 0,33 g de gás N2, qual é a pressão dentro da bola a 24 ◦C? Resposta: P = 2,0 atm de N2 Ex. 3) O hexafluoreto de enxofre (SF6) é um gás incolor e inodoro. Devido a sua reatividade muito fraca, ele é utilizado como isolante em equipamentos eletrônicos. Calcule a pressão (em atm) exercida por 1,82 mol do gás em um recipiente de aço de volume igual a 5,43 L a 69,5 ◦C? Resposta: P = 9,42 atm Ex. 4) Calcule o volume (em litros) ocupado por 7,40 g de NH3 nas CNTP. Resposta: V = 9,74 L Ex. 5) Uma amostra de monóxido de carbono contém 2,50 mols e tem uma pressão de 0,890 atm a 298 K. Qual é o seu volume? Resposta: V = 68,7 L • Relacionando a equação do gás ideal e as leis dos gases As leis dos gases simples, como a lei de Boyle, são casos especiais da equação ideal dos gases; Exemplo: n e T constantes PV = nRT = constante ou PV = constante Se n e T são constantes, os valores individuais de P e V podem variar, mas o produto PV permanece constante (lei de Boyle). Ex. 6) Se um cilindro de metal comporta 50,0 L de gás O2 a 18,5 atm e 21 ◦C, qual o volume que o gás ocupará se a temperatura for mantida constante, enquanto a pressão é reduzida para 1,0 atm? Uma vez que o produto PV é uma constante quando um gás é mantido com n e T constantes, pode-se afirmar que: P1 V1 = P2 V2 Resposta: V2 = 925 L Ex. 7) A pressão do gás em uma lata de aerossol é 1,5 atm a 25◦C. Supondo que o gás dentro da lata obedece a equação do gás ideal, qual seria a pressão se a lata fosse aquecida a 450◦C? Resposta: P2 = 3,6 atm. Ex. 8) Uma amostra de gás metano que tem um volume de 3,8 L a 5 ◦C é aquecida até 86 ◦C a pressão constante. Calcule o seu novo volume. Resposta: V2 = 4,90 L. Ex. 9) Considere duas amostras de gás N2. A amostra 1 contém 1,5 mol de N2 e tem volume de 36,7 L a 25 ◦C e 1 atm. A amostra 2 tem volume de 16,5 L a 25 ◦C e 1 atm. Calcule a quantidade de matéria de N2 na amostra 2. Resposta: n2 = 0,67 mols. Ex. 10) Um balão cheio tem volume de 6,0 L no nível do mar (1,0 atm) e é incitado a subir até que a pressão seja 0,45 atm. Durante a subida, a temperatura do gás cai de 22◦C para -21◦C. Calcule o volume do balão a essa altitude final. Resposta: V2 = 11,4 L Ex. 11) Uma amostra de 0,50 L de gás oxigênio é confinada em um cilindro a 0◦C com um pistão móvel. O gás tem pressão inicial de 1,0 atm. Ele é, em seguida, comprimido por um pistão de tal forma que o volume final seja a metade do inicial. A pressão final do gás é 2,2 atm. Qual é a temperatura final do gás, em graus Celsius? Resposta: T2 = 27,3 ◦C Ex. 12) Uma amostra de H2 tem um volume de 350 dm 3 a 25,0◦C e 1,25 atm. Calcule sua temperatura em graus Celsius, se o volume passar a 480 dm3 a 1,10 atm. Resposta: T2 = 86,6 ◦C • Aplicações adicionais da equação do gás ideal – Densidade dos gases e massa molar A densidade tem unidades de massa por unidade de volume; Reajustando a equação do gás ideal com M como massa molar, tem-se: Pontos importantes: Quanto maior a massa molar (M) e a pressão de um gás (P), maior será a sua densidade; Quanto maior a temperatura de um gás, menor a sua densidade (o inverso também é verdadeiro). O fato de um gás mais quente ser menos denso do que um gás mais frio explica por que o are quente sobe. Isso ajuda a explicar muitos fenômenos, como: A subida de balões de ar quente; O funcionamento de extintores de incêndio. Nas condições normais de temperatura e pressão (CNTP), em que a pressão é igual a 1 atm e a temperatura absoluta é igual a 273 K, a fórmula da densidade dos gases pode ser escrita da seguinte forma: Ex. 13) Ex. 14) Ao se desejar identificar o conteúdo de um cilindro contendo um gás monoatômico puro, um estudante de Química coletou uma amostra desse gás e determinou a sua densidade, d = 5,38 g/L, nas seguintes condições de temperatura e pressão: 15 ◦C e 0,97 atm. Com base nessas informações, e assumindo o modelo de gás ideal, calcule a massa molar do gás. (Dados: R = 0,082 L. atm/mol. K). Resposta: M ≈ 131 g/mol • Aplicações adicionais da equação do gás ideal – Volumes de gases em reações químicas Entender as propriedades de gases é importante porque os gases são muitas vezes reagentes ou produtos nas reações químicas; Os coeficientes em equações químicas balanceadas fornecem as quantidades relativas (em mols) de reagentes e produtos em certa reação; A quantidade de matéria de um gás, por sua vez, está relacionada com P, V e T. Ex. 15) Os air bags de segurança em automóveis contêm gás nitrogênio gerado pela decomposição rápida de azida de sódio, NaN3: 2 NaN3(s) → 2 Na(s) + 3 N2(g) Se um air bag tem um volume de 36 L e contém gás nitrogênio a uma pressão de 1,15 atm à temperatura de 26 ◦C, quantos gramas de NaN3 devem ser decompostos? (Dados: R = 0,0821 L. atm/mol. K; NaN3 = 65 g/mol). Resposta: 72 g de NaN3. Ex. 16) No primeiro passo do processo industrial para produzir ácido nítrico, amônia reage com o oxigênio na presença de um catalisador para formar óxido nítrico e vapor de água: 4 NH3(g) + 5 O2(g) → 4 NO(g) + 6 H2O(g) Quantos litros de NH3 a 850 ◦C e 5 atm são necessários para reagir com 1 mol de O2 nessa reação? Resposta: 14,8 L de NH3. • Lei de Dalton das pressões parciais A pressão total de uma mistura gasosa é a soma das pressões parciais que cada gás exerceria se estivesse sozinho, considerando-se que os gases se comportam como ideais, e não interagementre si. Ex. 17) Uma mistura de gases contém 4,46 mols de Neônio, 0,74 mol de argônio (Ar) e 2,15 mols de xenônio (Xe). Calcule a pressão parcial dos gases se a pressão total for 2,00 atm a uma dada temperatura. Resposta: PNe = 1,21 atm; PAr = 0,2 atm; PXe = 0,586 atm. Ex. 18) Uma amostra de gás natural contém 8,24 mols de metano (CH4), 0,421 mol de etano (C2H6) e 0,116 mol de propano (C3H8). Se a pressão total dos gases for 1,37 atm, quais são as pressões parciais dos gases? Resposta: PCH4 = 1,28 atm; PC2H6 = 0,065 atm; PC3H8 = 0,018 atm. Ex. 19) Uma mistura gasosa feita de 6 g de O2 e 9 g de CH4 é colocada em um recipiente de 15 L a 0 ◦C. Qual é a pressão parcial de cada gás e a pressão total no recipiente? (Dados: O2 = 32 g/mol; CH4 = 16 g/mol; R = 0,0821 L. atm/mol. K). Resposta: PO2 = 0,281 atm; PCH4 = 0,841 atm; Pt = 1,122 atm. • Teoria cinética molecular dos gases Explicação a nível molecular das propriedades físicas dos gases. Ex: Por quê o volume de um gás aumenta quando ele é aquecido? Essas propriedades podem ser explicadas com base nos movimentos das moléculas individuais. Ludwig Boltzmann (1844 – 1906) James Clerk Maxwell (1831 – 1879) As descobertas de Maxwell, Boltzmann e outros deram origem a diversas generalizações sobre o comportamento dos gases, que ficaram conhecidas, então, como a teoria cinética molecular dos gases. As hipóteses fundamentais são: 1. Um gás é constituído por moléculas, separadas umas das outras por distâncias muito maiores que suas próprias dimensões. As moléculas podem ser consideradas como pontos, isto é, possuem massa mas têm volume desprezível. 2. As moléculas de um gás estão em movimento constante em todas as direções e colidem frequentemente umas com as outras. As colisões entre as moléculas são perfeitamente elásticas. Em outras palavras, a energia é transferida de uma molécula para outra como consequência da colisão. No entanto, a energia total das moléculas permanece constante. 3. Não há forças atrativas nem repulsivas entre as moléculas de um gás. 4. A energia cinética média das moléculas é proporcional a temperatura do gás, em kelvin. Quaisquer gases, à mesma temperatura têm a mesma energia cinética. De acordo com a teoria cinética, a pressão de um gás é o resultado das colisões entre as moléculas e as paredes do recipiente. A pressão depende das frequências de colisões por unidade de área, e da força com que as moléculas batem na parede. Ex. 20) Uma amostra de gás O2 inicialmente nas CNTP é comprimida para um volume menor a temperatura constante. Qual o efeito que essa variação tem: a) Na energia cinética média das moléculas de O2; b) Na velocidade média das moléculas de O2; c) No número total de colisões das moléculas de O2 contra as paredes do recipiente em uma unidade de tempo. Resposta: a) nenhum efeito; b) nenhum efeito; c) aumenta. • Efusão e difusão molecular A massa molar, M, aparece no denominador. Assim, quanto mais leve as moléculas de gás, maior a velocidade média das partículas do gás. A temperatura, T, aparece no numerador. Quanto maior a temperatura, maior a velocidade média das moléculas de um gás. A distribuição das velocidades moleculares para os gases nobres a 25 ◦C. A dependência das velocidades moleculares em relação a massa apresenta várias consequências interessantes; O primeiro que podemos destacar é a efusão, que é a fuga de moléculas de gás por buracos minúsculos para um espaço evacuado ou para uma região de baixa pressão; O segundo é a difusão, que é o espalhamento de uma substância pelo espaço ou por uma segunda substância. Exemplos: Quando um perfume é borrifado ou quando o seu vidro se quebra, rapidamente sente-se o cheiro do perfume; Quando um balão de festas murcha, após algumas horas. • Lei de efusão de Graham Thomas Graham (1805 – 1869) Em 1846, Thomas Graham descobriu que a taxa de efusão de um gás é inversamente proporcional à raiz quadrada de sua massa molar; Para dois gases (A e B) à mesma temperatura e pressão: A taxa de efusão é diretamente proporcional à velocidade média das moléculas; Quanto mais rapidamente as moléculas se movem, maior a chance de uma molécula chocar-se no buraco e efundir. Os átomos ou moléculas mais leves escapam pelos poros de um balão com maior rapidez que os mais pesados. A lei de Graham sugere que a velocidade média das moléculas de um gás é inversamente proporcional à raiz quadrada de sua molar. Para dois gases A e B: Ex. 21) 30 mL de argônio levam 40 s para efundir por uma barreira porosa. O mesmo volume de vapor de um composto volátil extraído de esponjas do caribe leva 120 s para efundir pela mesma barreira, nas mesmas condições. Qual é a massa molar desse composto? (Dado: Ar = 39,95 g/mol). Resposta: 4,4 g/mol. Ex. 22) O tetrafluoroetileno C2F4, efunde-se por uma barreira com taxa de 4,6 x 10-6 mol/h. Um gás desconhecido, consistindo somente de boro e hidrogênio, efunde-se com taxa de 5,8 x 10-6 mol/h, sob as mesmas condições. Qual é a massa molar do gás desconhecido? (Dado: C2F4 = 100,0150 g/mol). Resposta: 63 g/mol. • Desvios do comportamento ideal – Gases Reais • Em que condições é mais provável que os gases não se comportem como gases perfeitos? R: Pressões elevadas e temperaturas baixas. Considere 1 mol de N2 a três temperaturas diferentes: A pressão elevada, a densidade do gás aumenta; as moléculas estão muito mais perto umas das outras. Então, as forças intermoleculares podem tornar-se de tal modo significativas que afetam o movimento das moléculas, e o gás deixa de se comportar como um gás ideal; Outra maneira de observar o desvio no comportamento do gás ideal é baixar a temperatura. O resfriamento de um gás diminui a energia cinética média das moléculas, o que de certo modo, as priva da sua capacidade de vencer a influência das suas atrações mútuas. Para estudar com precisão os gases reais, precisamos modificar a equação dos gases ideais, levando em conta as forças intermoleculares e os volumes moleculares finitos; Esta análise foi feita em 1873 pelo físico J. D. van der Waals (1837 – 1923). O tratamento de van de Waals, além de ser matematicamente simples, fornece uma interpretação para o comportamento dos gases reais a nível molecular. Pressão Corrigida Volume Corrigido • A equação que relaciona P, V, T e n para um gás real é conhecida como a equação de van der Waals. • As constantes a e b são escolhidas a fim de obter a melhor concordância possível entre a equação de van der Waals e o comportamento de um determinado gás. Ex. 23) Sabendo que 3,50 mols de NH3 ocupam 5,20 L a 47 ◦C, calcule a pressão do gás (em atm) usando: a) a equação dos gases ideais e b) a equação de van der Waals. (Dados: R = 0,0821 L. atm/K. mol; a = 4,17 atm. L2/mol2; b = 0,0371 L/mol). Resposta: a) PNH3 = 17,7 atm. b) PNH3 = 16,2 atm • Fluido corporal - Sangue Os fluidos corporais têm importância especial para os profissionais de saúde. Amostras desses fluidos podem ser coletadas com relativa facilidade. A análise química do plasma e do soro sanguíneo, urina e ocasionalmente do fluido cerebroespinhal é de grande importância para diagnosticar doenças. Há séculos que se sabe que o sangue é essencial à vida humana.O sangue tem muitas funções, entre as quais: 1. Transportar O2 dos pulmões para os tecidos. 2. Transportar CO2 dos tecidos para os pulmões. 3. Transportar nutrientes do sistema digestivo para os tecidos. 4. Transportar excreções dos tecidos para os órgãos excretores. 5. Com seus sistemas de tampões, manter o pH do organismo (com a ajuda dos rins). 6. Manter constante a temperatura do corpo. 7. Transportar hormônios das glândulas endócrinas para onde for necessário. 8. Transportar células brancas (leucócitos), que combatem a infecção, e anticorpos. Transporte de gases através do sangue (O2/CO2) Confira o vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=V_KM7rgovUQ
Compartilhar