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FÍSICO-QUÍMICA Prof. Isaías Soares Aula 1 – Gases ideias e gases reais Um gás representa a forma mais simples da matéria e ocupa o volume total de qualquer recipiente que o contenha. É conveniente tratar o gás como um conjunto de partículas (moléculas ou átomos) que se movimentam de forma aleatória e constante, com velocidades que aumentam conforme a temperatura se eleva. Aula 1 – Gases ideais e gases reais Propriedade dos gases Pressão: Os gases por possuírem movimento aleatório exercem forças sobre as paredes do recipiente que os contém. A relação entre essas forças e a área onde elas são aplicadas é denominada pressão. Matematicamente: Então, quanto maior a força que atua sobre uma área, maior a pressão das partículas de gás. A unidade no SI é Pa e é definida como N/m2. A pressão de 1 bar (105 Pa) é tida como a unidade padrão utilizada para registrar valores de pressão, embora a unidade de atm (101325 Pa e equivalente à pressão atmosférica ao nível do mar) seja bastante utilizada. Aula 1 – Gases ideais e gases reais A F p Temperatura: É a propriedade que indica o grau de agitação das moléculas de um corpo. Para um gás, quanto maior a temperatura maior a velocidade de agitação de suas moléculas. Dessa forma, se um termômetro indica que uma amostra de gás A está a uma temperatura mais alta que uma outra amostra de gás B, podemos dizer (mesmo sem observar o comportamento das moléculas) que as moléculas do gás A estão em estado de maior agitação que as do gás B. A unidade de temperatura comumente utilizada é o grau Celsius, (ou escala centígrada) simbolizado por °C e sua unidade de temperatura absoluta, o Kelvin, simbolizado por K. A relação entre essas duas escalas é: Para o estudo das propriedades dos gases, o uso da temperatura absoluta é a mais adequada por razões termodinâmicas. Aula 1 – Gases ideais e gases reais 15,273)()( CTKT Aula 1 – Gases ideais e gases reais Equação de estado O estado físico de um gás (e de qualquer matéria) é definido por suas propriedades físicas. Duas amostras de um mesmo gás que possuem mesmas propriedades físicas estão no mesmo estado. O estado de um gás puro é definido pelo volume V que ele ocupa, pela pressão p que ele exerce, pela temperatura absoluta T que ele possui e por sua quantidade, n (ou número de mols). Entretanto, verificou-se experimentalmente que basta definir 3 dessas variáveis e a quarta fica automaticamente definida. Ou seja, cada gás (ou cada substância) é descrita por uma equação de estado, que estabelece a relação matemática entre essas 4 variáveis. Assim, quando temos a expressão: Podemos dizer que a pressão de um gás é definida em função de sua temperatura, de seu volume e de seu número de mols. O mesmo acontecendo com qualquer uma das outras variáveis. ),,( VnTfp Aula 1 – Gases ideais e gases reais O gás ideal O gás ideal é considerado formado por partículas esféricas que se movimentam de forma aleatória e incessante, possuem tamanhos desprezíveis no sentido de que seus diâmetros são muito menores que a distância percorrida durante a colisão com outras moléculas e essa colisão (feita elasticamente) é feita sem interação (atração ou repulsão) com as outras. Esse modelo idealizado é muito útil para se prever o comportamento dos gases reais. Aula 1 – Gases ideais e gases reais Para o gás ideal são consideradas as seguintes leis: Lei de Boyle (processo isotérmico): o produto PV = cte. (P1V1 = P2V2) Lei de Charles e Gay-Lussac (processos isobárico e isocórico): V/T = cte (V1/T1= V2/T2) e p/T = cte. (p1/T1= p2/T2) Processo Isotérmico (T cte) Aula 1 – Gases ideais e gases reais Processo Isobárico (P cte) Processo Isocórico (V cte) Aula 1 – Gases ideias e reais Aplicação 1 Em um certo processo industrial, o nitrogênio é aquecido a 500K num vaso de volume constante. Se o gás entra no vaso a 100 atm e 300K, qual a sua pressão na temperatura de trabalho, admitindo o comportamento de gás perfeito? Que temperatura teria a amostra se sua pressão fosse de 300 atm? Aplicação 2 Um balão selado, quando cheio de ar, tem volume de 50,0 m3 a 22 °C e a uma dada pressão. O balão é aquecido. Assumindo-se que a pressão é constante, que volume ocupará o balão quando sua temperatura subir para 81°C? Solução: 60m3 Solução: 167 atm; 900 K Aula 1 – Gases ideias e reais Exercício 1 Certo gás ocupa um volume de 10,0 litros a dada pressão e temperatura. Qual o volume ocupado pela mesma massa gasosa quando a pressão do gás se reduzir a 3/4 da inicial e a temperatura absoluta se reduzir em 2/5 da inicial? Solução: Aula 1 – Gases ideais e gases reais A lei do gás ideal A equação que relaciona todas as propriedades do gás perfeito (volume, temperatura, pressão e número de mols) é dada por: Onde R é uma constante chamada constante dos gases. Nas condições normais de temperatura e pressão ou CNTP (1 atm de pressão e 0°C), seu valor é (lembrando que um mol de qualquer gás nas CNTP ocupa 22,4L): nRTVP . Katm .L/mol. 0,082 273K x mol 1 22,4L x atm 1 nT PV R Aula 1 – Gases ideias e reais Aplicação 3 Um cilindro de gás contém 10kg de oxigênio à pressão de 20 bar a 25°C. Qual o volume do cilindro em m3? Aplicação 4 Qual o volume de um balão contendo 44,0 g de gás hélio, utilizado em parques de diversões ou em propaganda, num dia em que a temperatura é 32 °C, e a pressão do balão é 2,50 atm? (Dados: R = 0,082 atm L mol–1 K–1; massa molar do He = 4,0 g mol–1) Solução: 110L Aplicação 5 Calcule a qual pressão, em atm, 4,40 g de CO2 ocupam um volume de 44,8 L a 273 °C. (Dados: R = 0,082 atm L mol–1 K–1; massas atômicas: C = 12, O = 16) Solução: 0,1 atm Solução: 0,394 m3 Aula 1 – Gases ideais e gases reais Mistura de gases Quando uma amostra de gás é constituída por uma mistura de vários gases (como o ar que respiramos, por exemplo), podemos determinar a contribuição de cada propriedade de cada componente da mistura. Por exemplo, pode-se determinar a pressão parcial de cada gás, ou seja, a contribuição dessa propriedade feita por um gás em particular presente na mistura. Por definição: Pi = P.xi Onde Pi é a pressão parcial do componente i, P é a pressão total dos gases na mistura e xi é a fração molar do componente i na mistura. A fração molar do componente xi, por definição, é o número de mols do componente i dividido pelo número de mols n de todos os componentes da mistura, ou: n n x ii Aula 1 – Gases ideais e gases reais Dado um sistema formado pela mistura de gases A,B,C....Z. A soma de suas pressões parciais é dada por: PA + PB + PC +....+PZ = P (xA + xB + xC +...+xZ) Mas a soma das frações molares de todos os componentes é 1, então: PA + PB + PC +....+PZ = P Assim, a soma das pressões de todos os componentes é igual à pressão total do sistema. Essa é a Lei de Dalton das pressões: “A pressão exercida por uma mistura de gases é a soma das pressões que cada gás exerceria se ocupasse sozinho o recipiente”. Aula 1 – Gases ideias e reais Aplicação 6 A composição do ar seco em porcentagem ponderal (isto é, em massa) é aproximadamente 75,5% de N2; 23,2% de O2e 1,3% de Ar. Qual a pressão parcial de cada componente quando a pressão total é de 1,2 atm?(Dados: massas atômicas: N = 14; O = 16 e Ar = 40) Aplicação 7 20,0 g de uma mistura contendo 88% de CO2 e 12% de He em massa ocupam um volume de 40L a –73 °C. Calcule: a) A pressão da mistura; b) As pressões parciais de cada gás. Solução: a) 0,41 atm; b) PHe = 0,246 atm ; PCO2 = 0,164 atm Solução: PN2 = 0,936 atm ; PO2 = 0,252 atm; PAr = 0,012 atm Aula 1 – Gases ideais e gases reais Gases reais Os gases, na realidade, não obedecem exatamente à lei dos gases ideias. Essa aproximação só é coerente a baixas pressões (ou no limite de p tendendo a 0) ou quando o volume ocupado é grande (V tendendo a infinito). Esses desvios de comportamento em relação ao gás ideal são devidos às interações entre as moléculas do gás (atração e repulsão). As forças atrativas contribuem para a compressão (diminuição do volume) e as forças repulsivas para a expansão (aumento do volume). Aula 1 – Gases ideais e gases reais O fator de compressibilidade (Z) O fator de compressibilidade, Z, de um gás é a razão entre o volume molar (Vm = V/n) e o volume molar de um gás ideal (V0m), nas mesmas condições de pressão e temperatura. Matematicamente: Para um gás ideal, Z = 1, pois Vm = V0m. Além disso, como o volume molar do gás ideal é dado por RT/P. A expressão de Z pode ser escrita como: Então, para um gás real o desvio de Z em relação a 1 pode ser interpretado como uma medida do quanto as propriedades desse gás estão afastadas em relação ao gás ideal. mV Vm Z 0 RTZPVmou RT PVm Z Aula 1 – Gases ideais e gases reais O fator de compressibilidade (Z) Gráfico do fator de compressibilidade em função da pressão. Note que moléculas grandes (como CH4 e C2H4), pelo fato de terem atração dominante possuem volume molar menor que o gás ideal (Z<1) e moléculas pequenas (como o H2) possuem repulsão dominante, o que aumenta seu volume em relação ao gás ideal (Z>1). Perceba também que, no limite de baixas pressões, todos os gases se comportam como ideais. Aula 1 – Gases ideais e gases reais Condensação Condensação de um gás real: Seja um gás no estado de temperatura e pressão indicado em A. Se há redução de volume (por aplicação de uma pressão num êmbolo, por exemplo), o gás vai reduzindo o volume e aumentando a pressão até atingir o ponto B. Se reduzirmos mais ainda o volume até C, percebemos o aparecimento da primeira gota de líquido e a redução de volume não mais aumenta a pressão. À esquerda do ponto E a amostra está totalmente líquida, e por isso, é necessário um pressão extremamente grande para reduzir o volume. O ponto crítico é o ponto no qual não há distinção física entre líquido e gás. Acima da temperatura crítica (31,04°C) a fase líquida não se forma. Aula 1 – Gases ideias e reais Aplicação 8 Um gás a 300K e 13 atm tem volume molar 18% menor que o calculado para um gás ideal. Calcule: a) O fator de compressibilidade b) O volume molar do gás c) As forças dominantes são atrativas ou repulsivas? Aplicação 9 Um gás a 250K e com volume molar de 1,5 L/mol possui um fator de compressibilidade de 1,20. Determine a pressão do gás. As forças dominantes entre as moléculas do gás são atrativas ou repulsivas? Solução: 16,4 atm; Repulsivas ( Z > 1) Solução: a) Z = 0,82; Vm = 1,55 L/mol; Atrativas, pois Z < 1 Aula 1 – Gases ideais e gases reais A Equação de van der Waals Vamos considerar uma equação de estado proposta por J.D.van der Waals em 1873. É uma equação que é um bom exemplo de um modelo matemático que explica o comportamento real dos gases, levando em conta a interação (atração e repulsão das moléculas de um gás) e o volume das moléculas de gás. Essa equação é: Onde a e b são chamados coeficientes de van der Waals. Nessa equação, a está relacionado com a intensidade das ações interativas entre as moléculas e b está relacionado com o volume das moléculas propriamente dito (e não com o volume ocupado pelas moléculas). Esses coeficientes são específicos para cada gás e independem da temperatura. O coeficiente a possui unidades de atm.L2/mol2 e o coeficiente b possui unidades de L/mol. V a bV RT Pou V n a nbV nRT P 2 mm 2 2 Aula 1 – Gases ideais e gases reais A Equação de van der Waals Coeficientes de van der Waals para alguns gases reais. Gás a (atm.L2/mol2) b (10-2 L/mol) Ar 1,337 3,20 C2H4 4,552 5,82 C2H6 5,507 6,51 CH4 2,273 4,31 Cl2 6,260 5,42 CO 1,453 3,95 CO2 3,610 4,29 Aula 1 – Gases ideias e reais Aplicação 10 Admita que 5 mols de etano estejam confinados num vaso de 2,83 L, a 27°C. Estime a pressão do etano utilizando a equação de Van der Waals e calcule seu fator de compressibilidade. Dado: R = 0,082 atm.L/mol.K; a = 5,507 atm.L2/mol2 e b = 0,0651 L/mol Aplicação 11 Num processo industrial, uma massa de 95kg de nitrogênio é aquecida até 500K num vaso de volume igual a 2000L. Usando a equação de Van der Waals, qual a pressão aproximada do gás nessa temperatura de operação?(Dado: a = 1,352 atm.L2/mol2 e b = 0,0387 L/mol) Solução: p = 70,6 atm. Solução: p = 31,9 atm ; Z = 0,734
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