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GASES Turmas: 3NH, 3NI, 3NK, 3NM Profª: Daniella Napoleão Vivemos, por assim dizer, imersos na atmosfera ,camada na qual estão distribuídos os mais diferentes gases. Sem essa camada a vida não seria possível, sendo de fundamental importância o estudo sobre os gases. Os gases são compostos, em geral, por elementos não metálicos,Os gases são compostos, em geral, por elementos não metálicos, possuem fórmulas moleculares simples e, consequentemente, massas moleculares pequenas. Quando uma substância existe na forma natural (CNTP –Condições Normais de Temperatura e Pressão) sob a forma de líquido ou sólidos podem existir também no estado gasoso e recebem o nome de VAPOR. Existem inúmeras diferenças dos gases quando comparado a sólidos e líquidos, dentre elas: • Um gás se expande de modo espontâneo e preenche todo o espaço do recipiente que o contém; • O volume do gás é sempre igual ao volume do recipiente que o• O volume do gás é sempre igual ao volume do recipiente que o contém. Ao sofrer compressão o volume do gás diminui com facilidade; • Gases são sempre Misturas Homogêneas. • Suas propriedades se devem a grande distância existente entre as moléculas. PROPRIEDADES DOS GASES PRESSÃO – “é uma força que impele numa certa direção. A pressão, p, se define como a força F que atua sobre uma certa área A” p = F/Ap = F/A A força F exercida por um corpo sobre o outro é o seu PESO, o qual é expresso da seguinte maneira: F = ma Sabendo que a = 9,8m/s2 PROPRIEDADES DOS GASES EXEMPLO: Uma coluna de ar com uma seção de 1m² se estende do solo até a atmosfera com uma massa de aproximadamente 10000kg, qual a força exercida por esta coluna até o solo? F = (10000kg) (9,8m/s²) = 1x105 kg.m/s² = 1x105NF = (10000kg) (9,8m/s²) = 1x10 kg.m/s² = 1x10 N Unidades de Medidas: No SI força é expressa em kg.m/s², denominada Newton (N). PROPRIEDADES DOS GASES EXEMPLO: Para a coluna da questão anterior calcule a pressão exercida. p = F/A = 1x105N / 1m² = 1x105N /m² = 1x105 Pa = 1x10²kPa Unidades de Medidas: No SI pressão é expressa em N/m², denominada Pascal (Pa). IMPORTANTE A pressão atmosférica normal corresponde à pressão em condições padrões ao nível do mar, sendo suficiente para suportar uma coluna de mercúrio de 760mm de altura. Essa pressão é utilizada para definir algumas unidades de medidas de gases: 1 atm = 760mmHg = 760 torr = 1,01325x105 Pa 101,325kPa O equipamento comumente utilizado para medir pressões é o BARÔMETRO. PROPRIEDADES DOS GASES 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. A unidade de temperatura comumente utilizada é o grau Celsius, (ouA 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: T(K) = T(°C) + 273,15 Para o estudo das propriedades dos gases, o uso da temperatura absoluta é a mais adequada por razões termodinâmicas. PROPRIEDADES DOS GASES 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, pelaestado 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. PROPRIEDADES DOS GASES Equação de estado Assim, quando temos a expressão: Pode-se 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. O GÁS IDEAL É aquele que se encontra sob duas condições: 1. Livre da ação de forças intermoleculares que garantam a coesão entre suas partículas, impossibilitando sua mudança de estado físico.de estado físico. 2. O volume de suas partículas é desprezível quando comparado ao volume ocupado pelo espaço entre elas. Na prática o volume ocupado pelas moléculas não pode ser desprezado, quando o gás está submetido a altas pressões. EQUAÇÃO DE CLAPEYRON Foi verificando o conceito de mol que o físico francês Paul Émile Clapeyron estabeleceu uma relação matemática entre as variáveis de estado de um gás e o número de moles de uma determinada massa de gás:uma determinada massa de gás: P.V = n. R.T Em que 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). EQUAÇÃO DE CLAPEYRON Outras unidades R = 8,314J/mol.K R= 2cal/mol.K LEI DOS GASES Para um gás ideal são válidas as seguintes Leis: 1. LEI DE BOYLE (Processo Isotérmico) pV = constante, logo, p V = p VpV = constante, logo, p1V1 = p2V2 2. LEI DE CHARLES E GAY-LUSSAC (processos isobárico e isocórico): V/T = cte (V1/T1= V2/T2) p/T = cte. (p1/T1= p2/T2) MISTURADE GASES Como se trata gases formados por duas ou mais substâncias diferentes? John Dalton descobriu que a pressão de uma mistura de gases é igual à soma das pressões que cada gás teria se ocupasse sozinhoigual à soma das pressões que cada gás teria se ocupasse sozinho o volume da mistura. Desse modo, a pressão exercida por um certo componente da mistura é a pressão parcial do componente, e a descoberta de Dalton enuncia a lei das pressões parciais de Dalton. MISTURADE GASES A lei das pressões parciais de Dalton admite que cada gás na mistura se comporto de modo independente dos demais, logo pode- se escrever: p = (n + n + n + ...) RT/V = n (RT/V)p1 = (n1 + n2 + n3 + ...) RT/V = ni (RT/V) Sendo assim, a pressão parcial de cada gás, ou seja, a contribuição dessa propriedade feita por um gás em particular presente na mistura. MISTURADE GASES Por definição, a pressão parcial é expressa: Em que:Em que: MISTURADE GASES Como cada gás se comporta de modo independente e sabendo que a fração molar é expressa por X (grandeza adimensional) que dá a mistura entre o número de moles de um componente na mistura e o número total de moles desta. Pode-se, portanto escrever: p1 = (n1/n)pt = X1pt Em resumo, a pressão parcial de um gás numa mistura é igual ao produto da sua fração molar pela pressão da mistura. MISTURADE GASES EXEMPLO: A fração molar do N2 no ar atmosférico é 0,78 (ou seja, 78% das moléculas de ar são moléculas de N2). Se a pressão barométrica for igual a 760 torr, calcule a pressão parcial do N2. p = (0,78) (760 torr) = 590 torr.p N2 = (0,78) (760 torr) = 590 torr. 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 dorelação 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). 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: FATOR DE COMPRESSIBILIDADE (Z) 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. EXERCÍCIO Um gás a 250K e 15 atm tem volume molar 12% 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?c) As forças dominantes são atrativas ou repulsivas? Solução: a) Z = 0,88; Vm = 1,2 L/mol; Atrativas, pois Z < 1 EQUAÇÃO DE VAN DERWAALS Sabe-se a partira da equação de Clapeyron que p = nRT/V para um gás ideal. Van der Waals propôs que esta equação fosse corrigida para explicar o comportamento de um gás, levando em consideração os dois efeitos estudados: volume finito ocupado pelas moléculas do gás e as forças atrativas entre as moléculas. Desse modo, elegás e as forças atrativas entre as moléculas. Desse modo, ele introduziu duas constantes , a e b, para realizar as correções: EQUAÇÃO DE VAN DERWAALS O volume é diminuído pela parcela nb , em que, b, é uma medida do volume real ocupado pelas moléculas e expresso em L/mol. A pressão é diminuída do mesmo modo e a constante a é expressa em unidades L².atm/mol². A grandeza de a reflete a intensidade das forças atrativas moleculares. EQUAÇÃO DE VAN DERWAALS EXERCÍCIO: 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. Dados: R = 0,082 atm.L/mol.K; a = 5,507 atm.L²/mol² e b = 0,0651 L/molL/mol Solução: p = 31,9 atm ; Z = 0,734
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