Físico Química II - Relatórios

Prévia do material em texto

Universidade Estadual de Santa Cruz 
Departamento de Ciências Exatas e Tecnológicas 
Colegiado de Engenharia Química 
 
 
 
 
DETERMINAÇÃO DA MASSA MOLECULAR DE GASES 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Por: Alice Guerra Macieira Macêdo - 201512528 
 Andreza Bispo dos Santos - 201512529 
 Iury de Oliveira Cardoso Lopes - 201511761 
(P06) 
 
 
 
 
 
Ilhéus 
Junho/2016 
Relatório solicitado pela professora Cleyde 
Roncarati, como cumprimento dos créditos 
da disciplina CET941 – Físico Química I. 
3 
 
 
Sumário 1. INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 4 
2. OBJETIVO .............................................................................................................. 5 
3. MATERIAIS E REAGENTES .............................................................................. 5 
4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ................................................................ 5 
5. DADOS ..................................................................................................................... 5 
6. RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................ 6 
7. CONCLUSÃO ....................................................................................................... 10 
8. REFERÊNCIAS .................................................................................................... 10 
9. ANEXO .................................................................................................................. 10 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 
1. INTRODUÇÃO Uma notável característica dos gases é que muitas das suas propriedades físicas 
são muito semelhantes, particularmente em pressões baixas. Os gases são um exemplo de 
matéria formada por número muito grande de moléculas e suas propriedades são 
consequência do comportamento dessas partículas. Quando fazemos uso de uma bomba 
de bicicleta, podemos ver que o ar é compressível, ele pode ser confinado em um volume 
menor que o original. A observação de que os gases são mais compressíveis do que os 
sólidos e líquidos sugere que existe muito espaço livre entre as moléculas dos gases. 
Quando deixamos escapar o ar de um balão inflado percebemos que o gás também se 
expande rapidamente para encher o espaço disponível. Esta observação sugere que as 
moléculas se movem rapidamente e respondem prontamente a mudanças de volume que 
podem ocupar. O fato de os gases serem facilmente compressíveis e preencherem o 
espaço disponível sugere que suas moléculas estão muito afastadas umas das outras e em 
movimento caótico incessante. 
 O estado de um gás puro fica definido pelos valores do volume que ele ocupa, V, 
da quantidade de substância (número de moles), n, da pressão, p, e da temperatura T. No 
entanto verificou-se experimentalmente que basta especificar três dessas variáveis para 
que a quarta seja fixada, ou seja, cada substância é descrita por uma equação de estado, 
que estabelece uma relação entre as quatro variáveis. A formas geral de uma equação de 
estado é: 
݌ = ݂(ܶ, ܸ, ݊) (1) 
 A equação dos gases perfeitos é uma equação de estado aproximada para qualquer gás 
e fica cada vez mais exata a medida que a pressão tende a zero. Esta expressão é 
consistente com a Lei de Boyle (pV=constante) quando n e T são constantes, com as duas 
formas da Lei de Charles (p α T, e V α T) quando n e V, ou n e p, são constantes, e 
também com o Princípio de Avogadro (V α n) quando p e T são constantes. A constante 
de proporcionalidade, cujo valor experimentalmente determinado é o mesmo para todos 
os gases, é simbolizada por R e é chamada de constante de gases perfeitos. Com essa 
notação, a expressão da equação do estado fica: 
ܸܲ = ܴ݊ܶ (2) 
 
5 
2. OBJETIVO 
 Estudar a determinação da massa molecular do ar usando o método do picnômetro. 
3. MATERIAIS E REAGENTES 
Béquer 50 mL; 
Termômetro; 
Bureta 50 mL; 
Álcool Etílico; 
Picnômetro Densímetro; 
Mufas e Garras; 
Proveta 100 mL; 
Água Destilada.
4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 
 Pesou-se o picnômetro fechado, seco e limpo em balança analítica 5 vezes, 
abrindo-o antes de cada medida e anotou-se o valor da massa. Encheu-se a proveta seca 
com água destilada e mediu-se a densidade com densímetro. Mediu-se a temperatura. 
Com a água da proveta, encheu-se a bureta até a marca de 50mL e encheu-se o 
picnômetro até completar todo o seu volume. Anotou-se o volume de água adicionado. 
Fechou-se o picnômetro e pesou-o em balança analítica. Repetiu-se a pesagem 5 vezes. 
Retirou-se a água do picnômetro, enxaguou-o com álcool etílico e deixou-o secar. 
Repetiu-se novamente o procedimento. 
5. DADOS 
 Tabela 1: Massas do picnômetro com ar. 
1ª Medidas Massas (g) 
1 34,2602 
2 34,2502 
3 34,2498 
4 34,2467 
5 34,246 
MÉDIA 34,25058 
DESVIO 0,005686123 
 
Tabela 2: Massa do picnômetro com água. 
1ª Medidas Massas (g) 
1 83,5909 
2 83,5831 
3 83,581 
4 83,5778 
5 83,9751 
MÉDIA 83,66158 
DESVIO 0,175329538 
 
 
6 
 
6. RESULTADOS E DISCUSSÃO 
Os valores das cinco medidas de massa do picnômetro seco foram obtidos e estão 
dispostos na tabela 1. A média e o desvio-padrão também estão dispostos na mesma 
tabela. Todas as medidas foram realizadas na mesma temperatura de 22 ºC. 
Dessa forma, tem-se que a média de massa do picnômetro seco é de 34,25058g, 
apresentando um pequeno desvio-padrão de aproximadamente ± 0,006. A partir disso 
pode-se observar que o desvio-padrão é um valor bem pequeno, levando à conclusão 
que a medida de massa dessa vidraria foi bem precisa e exata e apresenta um erro muito 
pequeno. 
Após estas medidas foi realizada medições de massa do picnômetro com água. 
Estes valores são dispostos na tabela 2. A média e o desvio-padrão das medidas também 
estão dispostos na mesma tabela. Para aferir o volume de água utilizou-se de uma bureta 
de 50 mL e o volume de água destilada necessário para preencher o picnômetro foi de 
49 mL. 
Com os valores da massa do picnômetro seco e do picnômetro com água e seus 
respectivos desvios padrões pode-se fazer a diferença entre elas e encontrar a massa de 
água presente no picnômetro: 
݉ுమை = ܯுమை − ܯ௦௘௖௢ = 83,66158 − 34,25058 = 49,411݃ (1) 
݀ுమை = ܦுమை − ܦ௦௘௖௢ = 0,175329538 − 0005686123 = 0,169643415݃ (2) 
Após todas estas pesagens removeu-se a água e lavou-se o picnômetro com álcool 
etílico. Essa lavagem foi feita em função de algumas propriedades importantes do álcool 
etílico que é a grande interação intermolecular que ele estabelece com a água, a sua 
volatilidade característica e a sua menor viscosidade. Por causa dessas características 
que o álcool é utilizado para secar o picnômetro, pois este solvente auxilia na remoção a 
água com mais eficiência e rapidez. 
Em seguida pode-se determinar a massa de ar existente no picnômetro seco 
fazendo-se algumas relações numéricas entre as medidas do picnômetro vazio e do 
picnômetro cheio de água. Para isso inicialmente determinou-se a densidade da água 
destilada que estava sendo usada no laboratório com um densímetro, aferindo-se ρ = 
1,010 g/cm3 a 22 ºC. Com um volume de 49mL de água tranferido para o picnômetro, 
7 
determina-se então que a massa de água presente na primeira etapa de pesagem do 
equivale a: 
 
ߩ = ܸ݉ → ݉ = ߩ ∗ ܸ = 49,49 ݃ (3) Logo pode-se concluir que a massa total do picnômetro com água é a soma da 
massa de água com a massa do picnômetro seco, ou seja, da vidraria. Então é possível 
encontrar a massa do picnômetro seco através da diferença de massas:ܯ௩௜ௗ௥௔௥௜௔ = ܯுమை − ݉ = 83,66158 − 49,49 = 34,17158݃ (4) 
Para calcular a massa de ar contido nas pesagens do picnômetro seco faz-se a 
diferença entre o valor médio das pesagens ddo picnômetro seco e o valor de massa da 
vidraria, que foi encontrado com a equação (4). Este cálculo é disposto a seguir. 
݉௔௥ = ܯ௦௘௖௢ − ܯ௩௜ௗ௥௔௥௜௔ = 34,25058 − 34,17158 = 0,079݃ (5) 
Para calcular a densidade desta amostra de ar tiramos a razão entre esta massa 
desta amostra de ar e o volume determinado no picnômetro (aferido com bureta) que foi 
de 49 mL. 
ߩ = ܸ݉ → ߩ =
0,079
49 → ߩ = 0,00161224 ݃/ܿ݉ଷ 
ߩ = 1,61224 ݇݃/݉ଷ 
Dessa forma tem-se que a densidade do ar neste experimento é de 1,60 kg/m³, 
levando-se em conta a massa de ar calculada de 0,0774 g. 
Se for considerado o ar como um gás ideal, pode-se determinar a sua “massa 
molecular” através da equação dos gases ideais. É importante ressaltar que neste caso 
considera-se o ar como se fosse um gás puro, sendo que na verdade ele se configura em 
uma mistura de gases. Para este cálculo consideramos a pressão atmosférica de 1 atm, a 
temperatura ambiente de aproximadamente 24 ºC (equivalendo a 297 K) no laboratório 
e o valor de 0,082 L.atm.K–1.mol–1 para a constante R dos gases ideais. Este cálculo é 
descrito a seguir: 
 
ܸܲ = ܴ݊ܶ → ܸܲ = ቀ݉௔௥ܯܯቁ ܴܶ → ܸܲܯܯ = ݉௔௥ܴܶ (6) 
 
8 
ܯܯ = ݉௔௥ܴܸܶܲ → ܯܯ =
0,0774݃ ∗ 0,082ܮ. ܽݐ݉. ܭିଵ. ݉݋݈ିଵ ∗ 297ܭ
1ܽݐ݉ ∗ 0,049ܮ 
 
ܯܯ = 38,469݃/݉݋݈ 
Então se tem que, pela lei dos gases reais, esta amostra de ar tem uma massa 
molar estimada de 38,469 g/mol. 
Em relação à densidade do ar encontrado neste experimento pode-se observar que 
seu valor está um pouco discrepante em relação ao informado pela literatura, 
equivalente a 1,2013 kg/m3, enquanto que a densidade encontrada no experimento é de 
1,60 kg/m3. Esta diferença se deve, provavelmente, às condições ambientes do 
laboratório onde se realizou o experimento, as possíveis diferenças na composição do ar 
presentes no picnômetro durante as medições de massa, erros de arredondamento nos 
cálculos de média dos valores obtidos, diferença da temperatura em questão,erros na 
realização dos procedimentos, entre outros. 
Neste experimento não foi utilizado uma bomba de vácuo para auxiliar na 
determinação da massa de ar presente no picnômetro, através da diferença de massas 
entre o picnômetro normal e ele mesmo com o vácuo. Isto porque o procedimento de 
adição de um volume exato de água e as diversas medidas de massa do picnômetro 
preenchido com o líquido permitiu encontrar o valor da massa da vidraria pura, o que 
seria obtido se a mesma fosse pesada com o vácuo. Sendo assim, a utilização da bomba 
de vácuo foi dispensada. 
Toda e qualquer medida realizada contém, em si mesma, um determinado erro. 
Este erro pode ser decorrente de diversas origens: falhas do manipulador em efetuar o 
procedimento, problemas de calibração da vidraria, desgaste natural dos equipamentos 
de medida em função do uso contínuo, erros de paralaxe em relação às leituras de 
volume, entre outros. Assim, quando se realiza uma medida diversas vezes e os valores 
medidos são muito próximos uns dos outros (ou seja, com um desvio-padrão pequeno) 
diz-se que a medida é precisa. Caso contrário, se os valores são muito discrepantes, a 
medida é imprecisa e conserva erros em sua apresentação que podem comprometer os 
objetivos a que se destina. No caso específico deste experimento, os erros que podem ter 
interferido nos resultados podem ser: erros de paralaxe no momento da leitura dos 
volumes de água utilizados no picnômetro, balança descalibrada, erros de 
9 
arredondamento de medidas durante a coleta de dados e durante os cálculos, entre 
outros. 
A temperatura e a pressão são fatores que podem interferir na determinação da 
massa molecular de um gás, como neste experimento em questão em que se considerou 
o ar como um gás único. Isto porque neste caso o fator temperatura altera a densidade 
da amostra de gás estudada, pois que a alteração da temperatura durante as medidas 
interfere no volume aferido, além de que a temperatura de operação no laboratório não 
era de 25 ºC, que é a temperatura ambiente geralmente adotada em procedimentos 
experimentais, mas sim 24 ºC, e esta diferença influencia nos resultados. A pressão, por 
sua vez, também influencia na determinação da massa molecular do gás porque esta 
grandeza é extremamente necessária para o cálculo na equação dos gases perfeitos. 
Admitimos que a pressão ambiente no momento da realização do experimento era de 1 
atm, no entanto não havia no laboratório nenhum instrumento preciso que permitisse a 
medição da pressão ambiente. Assim, este valor foi apenas estimado para permitir a 
realização do cálculo da massa molecular do ar, que por sua vez é aproximada. E, além 
disso, pode-se observar através da equação deduzida ܯܯ = ௠ೌೝோ்௉௏ que a massa molar 
é uma grandeza inversamente proporcional à pressão atmosférica, ou seja, quanto maior 
fosse a pressão ambiente menor seria a massa molecular calculada, e vice-versa. 
Se ao invés de considerar o ar um gás ideal, mas sim um gás de van der Waals, 
que é representada pela seguinte equação: ܯܯ = ρܾ + ஡ோ்௉ , o valor da massa molar vai 
ser diretamente proporcional à densidade do gás ρ, sendo esta multiplicada por uma 
nova constante b, que adapta o comportamento real ao comportamento dos gases reais. 
Assim, ao observar esta equação com a anterior descrita, pode-se ver que o segundo 
termo da equação de Van der Waals é idêntico à equação dos gases ideais, levando à 
conclusão de que o primeiro termo faz uma espécie de “correção” no valor da massa 
molar do gás e diminui a quantidade de volume ocupado, logo o valor será menor. 
 
 
 
10 
7. CONCLUSÃO 
 Pode-se concluir que os resultados observados no experimento foram muito 
importantes para compreender um pouco mais a respeito do comportamento dos gases, 
das equações matemáticas que descrevem seus estados e dos fatores que influenciam em 
seu comportamento. Verificou-se também que os erros presentes nas medidas realizadas 
ocorrem, na maioria das vezes, de modo inevitável, e um meio de contornar este 
problema é realizar a medida diversas vezes com o máximo de precisão possível para 
diminuir o valor do desvio-padrão na média obtida das medidas. Neste experimento foi 
encontrado como resultado que a massa do ar contida no picnômetro igual a 0,0774 g, 
sua massa molecular igual a 38,469 g/mol e a densidade do ar calculada foi de 1,61 g/L. 
8. REFERÊNCIAS 
ATKINS, P.W.; JONES, Loretta. Princípios de química: questionando a vida 
moderna e o meio ambiente. 3.ed. Porto Alegre: Bookman, 2006. 965 p 
 
ATKINS, Peter W. Físico-Química: fundamentos. 3 ed. LTC, 2003 
PERRY, R. H.; CHILTON, C. H. Manual de Engenharia Química. 5. ed. Rio de 
Janeiro: Guanabara Dois, 1980. 
 
CHANG, R. Química Geral: conceitos essenciais. 4. ed. Trad. M. J. F. Rebelo, et al. 
Porto Alegre: AMGH, 2010. 778p. 
9. ANEXO Média: 
ݕത = ଵே ∑ ݕ݅ே௜ୀଵ (7) 
Desvio padrão: 
ߪ = ට ଵேିଵ ∑ (ݕ௜ − ݕே௜ୀଵ )ଶ (8)