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1 ESTUDO DOS GASES TEORIA CINÉTICA DOS GASES Esta teoria propõe um modelo para os gases através do qual procura explicar o comportamento e as propriedades destes. A teoria cinética dos gases estabelece que: • os gases são formados por minúsculas partículas (átomos, moléculas, íons) muito afastadas umas das outras; • as partículas de um gás estão em movimento retilíneo, constante e desordenado, colidindo umas com as outras e com as paredes do recipiente que as contém. Todas as colisões são elásticas, isto é, não há perda ou ganho de energia nessas colisões; • exceto durante as colisões, não há forças de atração ou de repulsão entre as partículas de um gás; • a energia cinética média das partículas é direta- mente proporcional è temperatura absoluta do gás. VARIÁVEIS DE ESTADO São as grandezas que caracterizam uma dada massa de gás. São variáveis de estado: • a pressão do gás (P) que é o resultado das colisões das partículas do gás contra as paredes do recipiente que o contém. A pressão dos gases é comumente medida em pascal (Pa), em atmosfera (atm), em milímetro de mercúrio ( mm Hg), em centímetro de mercúrio (cm Hg) ou em Torricelli (torr). 1 atm = 760 mm Hg = 76 cm Hg = 760 torr 1 atm = 1,01325 x 10 5 Pa 100 kPa • o volume do gás (V) que é o volume do reci- piente que o contém O volume dos gases é medido em litro (L), em mililitro (mL), em centímetro cúbico (cm 3 ) ou em metro cúbico (m 3 ). 1 L = 10 3 mL = 10 3 cm 3 1m 3 = 10 3 L • a temperatura do gás (T) que está diretamente relacionada com a energia cinética média das partícu- las do gás. A temperatura é comumente medida na escala Celsius (°C) que, no estudo dos gases, deve ser convertida para a escala Kelvin (K). Para passar uma temperatura da escala Celsius ( o C) para a escala Kelvin (K), utiliza-se: TK = tC + 273 TRANSFORMAÇÕES GASOSAS Transformação gasosa é qualquer mudança que se faz nas variáveis de estado do gás. Toda transformação afeta pela menos duas das variáveis de estado, podendo uma delas permanecer constante. Transformação Volume Pressão Temperatura Isotérmica varia varia constante Isobárica varia constante varia Isovolumétrica, Isocórica ou Isométrica constante varia varia Politrópica varia varia varia LEIS FÍSICAS DOS GASES São leis experimentais que se referem ao compor- tamento de uma certa massa de gás numa das transformações gasosas. 1.ª Lei: Lei de Boyle-Mariotte Esta lei é aplicada às transformações isotérmicas. Seu enunciado diz: A temperatura constante, o volume ocupado por determinada massa gasosa é inversamente proporcional à sua pressão. Esquematicamente: V1 P2 V2 T constante P1 T estado 1 estado 2 P2 > P1 V2 < V1 T Matematicamente tem-se: Para o estado 1: k.VP V 1 k P 11 1 1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ PR Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Gerência de Ensino e Pesquisa – Química Básica Departamento Acadêmico de Química e Biologia Prof. Luiz Alberto 2 2 Para o estado 2: k.VP V 1 k P 22 2 2 logo: P1 . V1 = P2 . V2 = k(constante) Representação gráfica da lei: P (atm) V (litros) 1 2 3 4 1 2 3 4 5 isoterma Exemplo: À temperatura constante, uma dada massa gasosa que ocupa um volume de 15 L sob pressão de 100,0 kPa é comprimida até a pressão de 150,0 kPa. Qual é o volume final desse gás? Dados: Resolução: P1 = 100,0 kPa V1 = 15 L P2 = 150,0 kPa V2 = ? P1 . V1 = P2 . V2 100 . 15 = 150 . V2 V2 = 10 L 2.ª Lei: Lei de Gay-Lussac Esta lei é aplicada às transformações isobáricas. Seu enunciado diz: A temperatura constante, o volume ocupado por determinada massa gasosa é inversamente proporcional à sua pressão. Esquematicamente: P constante P V1 T2 estado 1 estado 2 T2 > T1 V2 > V1 T1 V2 P Matematicamente tem-se: Para o estado 1: k T V k.T V 1 1 1 1 Para o estado 2: k T V k.T V 2 2 2 2 logo: )(constante k T V T V 2 2 1 1 Representação gráfica da lei: V (litros) V2 V1 T1 T2 T(Kelvin) isóbara Exemplo: Uma amostra gasosa ocupa um volume de 2 L na temperatura de 0 °C. Qual será o volume (L) ocupado por esse gás, operado isobaricamente, quando aquecido à temperatura de 273 °C? Dados: Resolução: V1 = 2 L T1 = 0 °C = 273 K V2 = ? T2 = 273 °C = 546 K 546 V 273 2 T V T V 2 2 2 1 1 V2 = 10 L 3.ª Lei: Lei de Charles Esta lei é aplicada às transformações isovolu- métricas. Seu enunciado diz: A volume constante, a pressão exercida por determinada massa gasosa é diretamente proporcional à sua temperatura absoluta. Esquematicamente: P2P1 V constante V T2 estado 1 estado 2 T2 > T1 P2 > P1 T1 V Matematicamente tem-se: Para o estado 1: k T P k.T P 1 1 1 1 Para o estado 2: k T P k.T P 2 2 2 2 logo: )(constante k T P T P 2 2 1 1 Representação gráfica da lei: P (atm) P2 P1 T1 T2 T(Kelvin) isócora 3 3 Exemplo: Gás oxigênio é confinado em um cilindro à temperatura de 27 °C e 1 atmosfera de pressão. Quando o cilindro é resfriado, verifica-se uma redução na pressão para ¼ do valor inicial. Calcular a temperatura (°C) do gás no estado final. Dados: Resolução: P1 = 1 atm T1 = 27 °C = 300 K P2 = ¼ . P1 = 0,25 atm T2 = ? (°C) 22 2 1 1 T 0,25 300 1 T P T P T2 = 75 K = 198 °C GÁS PERFEITO (ou IDEAL) E GÁS REAL Denomina-se gás perfeito ou ideal o gás que se encaixa perfeitamente no modelo descrito pela Teoria Cinética e que obedece, rigorosamente, às leis físicas dos gases. Um gás real segue estas leis apenas aproximada- mente. A aproximação é bastante razoável quando estes são submetidos a baixas pressões e altas temperaturas quando, então, passam a apresentar comportamento de gás perfeito. Logo: Um gás real comporta-se como gás perfeito quando submetido a baixas pressões e a altas temperaturas. TRANSFORMAÇÃO POLITRÓPICA ou GERAL No estudo das leis dos gases, vistas anteriormente, observou-se que uma das variáveis de estado (T, P ou V) permanecia constante. Agora, analisaremos a transformação geral onde ocorre variação das três variáveis de estado simultaneamente. Vamos considerar para uma certa massa gasosa uma transformação isotérmica e, em seguida, uma transformação isobárica. inicial estado intermediário estado estado final V' V2 T1 T2 =P1.V1 = P2.V' P1 P2 V1 V' V2 T1 T2 T cte. P cte. P2 T1 Lei de Boyle-Mariotte Gay-Lussac Lei de Multiplicando estas duas equações membro a membro, obtém-se: 2 22 1 11 T .VP T .VP ou constante T P.V Esta expressão é denominada equação geral dos gases perfeitos. Exemplo: Na temperatura de 15 °C e pressão de 850 mm Hg, uma certa massa gasosa ocupa o volume de 80 L. Calcule o volume (L) ocupado por essa massa gasosa quando na temperatura de35 °C e pressão de 920 mm Hg. Dados: Resolução: P1 = 850 mm Hg V1 = 80 L T1 = 15 °C = 288 K P2 = 920 mm Hg V2 = ? T2 = 35 °C = 308 K 308 920.V 288 850.80 T V.P T .VP 2 2 2 1 11 2 V2 = 79 L VOLUME MOLAR DE UM GÁS NAS CNTP Lembrar que: 1 mol de qualquer gás, nas CNTP, ocupa o volume de 22,4 L. EQUAÇÃO DE CLAPEYRON Considerando n mols de um gás no interior de um recipiente, nas CNTP. n mols P T nas CNTP P = 1 atm T = 0 °C = 273 K O volume ocupado pelos n mols do gás será: 1 mol gás 22,4 L n mols gás V V = 22,4n L Sendo constante T P.V e substituindo nesta expressão os valores de P, V e T, obtém-se: K atm.L n.0,082 K273 L atm.22,4n1 T P.V O valor 0,082 atm.L/K corresponde a uma constante denominada constante universal dos gases perfeitos ou constante de Clapeyron e é representada por R. Então: n.R T P.V ou P.V = n.R.T Esta é a equação de Clapeyron. Nesta equação: n m M massa do gás (g) massa molar do gás (g/mol) = 4 4 Valores de R: Da equação de Clapeyron n.T P.V R Supondo 1 mol de gás nas CNTP: • se utilizarmos a pressão em atm K.mol atm.L 0,082 K 1mol.273 L 1atm.22,4 R • se utilizarmos a pressão em mm Hg K.mol Hg.L mm 62,3 K 1mol.273 L Hg.22,4 mm 760 R Exemplo: 220 g de CO2 gasoso ocupam o volume de 50 litros à temperatura de 27 °C. Calcular a pressão (atm) exercida pelo gás. (Massa molar do CO2 = 44 g/mol) Dados: Resolução: m = 220 g M = 44 g/mol V = 50 L T = 27 °C = 300 K P = ? • número de mols do gás mols 5 g/mol 44 g 220 M m n • pressão P.V. = n.R.T V n.R.T P atm 2,46 50 05.0,082.30 P MISTURAS GASOSAS Os gases são miscíveis em quaisquer proporções. Se levarmos diversos gases a um mesmo recipiente, eles constituirão uma mistura homogênea e as suas moléculas se difundirão por todas as partes do recipiente. Consideremos a mistura de dois gases A e B, em diferentes condições, num mesmo recipiente. PA VA TA nA PB VB TB nB P V T n Gás A Gás B Mistura + O número de mols da mistura será dado por: n = nA + nB (1) Aplicando a equação de Clapeyron teremos: para o gás A: PA.VA = nA.R T A AA R.T .VP An para o gás B: PB.VB = nB.R T B BB R.T .VP Bn para a mistura: P.V = n.R T R.T P.V n Substituindo os valores de n, nA e nB em (1), obteremos: B BB A AA T .VP T .VP T P.V B BB A AA R.T .VP R.T .VP R.T P.V Exemplo: Dois cilindros A e B ligados por uma válvula contêm, respectivamente, gás oxigênio (O2) e gás nitrogênio (N2), à temperatura de 25 °C. O cilindro A contém 1,5 litro de O2 a 0,5 atm e o cilindro B contém 0,5 litro de N2 a 1,0 atm. Abrindo-se a válvula, os gases se misturam. Admi- tindo-se que a temperatura permaneceu constante, calcule a pressão total da mistura. Dados: Cilindro A: VA = 1,5 L O2 PA = 0,5 atm TA = 25 °C = 298 K Cilindro B: VB = 0,5 L N2 PB = 1,0 atm TB = 25 °C = 298 K Mistura: V = VA + VB = 1,5 + 0,5 = 2,0 L T = constante = 25 °C = 298 K Aplicando a equação geral da mistura de gases: B BB A AA T .VP T .VP T P.V obtém-se: atm0,625 298 1,0.0,5 298 0,5.1,5 298 P.0,2 PRESSÃO PARCIAL DE UM GÁS (p) Pressão parcial de um gás numa mistura gasosa é a pressão que esse gás exerceria se ocupasse sozinho todo o volume da mistura na mesma temperatura. Considerando a mistura constituída por nA mols do gás A e nB mols do gás B, num recipiente de volume V à temperatura T, as pressões parciais serão dadas por: para o gás A: pA . V = nA . R . T (2) para o gás B: pB . V = nB . R . T (3) A pressão total da mistura é dada por: P . V = n. R. T (4) Dividindo (2) por (4), obteremos: 5 5 n n P p n.R.T .R.Tn P.V .Vp AAAA Sendo A A X n n (fração molar do gás A) resulta: A A X P p ou pA = XA . P De modo análogo, dividindo (3) por (4), obteremos: pB = XB . P LEI DE DALTON A pressão exercida por uma mistura de gases é igual à soma das pressões parciais dos gases componentes. Matematicamente, tem-se: BA ppP Exemplo: Uma mistura dos gases A e B, confinados no interior de um cilindro, exerce uma pressão de 10,0 atm. Sabendo que as frações molares dos gases A e B são, respectivamente, 0,4 e 0,6, calcule as pressões parciais de cada gás. Dados: Pressão da mistura = P = 10,0 atm Fração molar do gás A = XA = 0,4 Fração molar do gás B = XB = 0,6 Pressão parcial do gás A = pA = ? Pressão parcial do gás B = pB = ? • Cálculo da pressão parcial do gás A: pA = XA . P = 0,4 . 10 = 4,0 atm • Cálculo da pressão parcial do gás B: pB = XB . P = 0,6 . 10 = 6,0 atm Observe que a soma das pressões parciais dos gases A e B (pA + pB = 4,0 + 6,0) é igual à pressão da mistura gasosa (10,0 atm) → Lei de Dalton. VOLUME PARCIAL DE UM GÁS (v) Volume parcial de um gás numa mistura gasosa é o volume que esse gás ocuparia se exercesse sozinho a mesma pressão da mistura na mesma temperatura. Considerando a mistura constituída por nA mols do gás A e nB mols do gás B, exercendo a pressão P à temperatura T, os volumes parciais serão dados por: para o gás A: P . vA = nA . R . T (5) para o gás B: P . vB = nB . R . T (6) O volume total da mistura é dado pela equação (4): P . V = n. R. T (4) Dividindo (5) por (4), obteremos: A AAAA X n n V v n.R.T .R.Tn P.V P.v Logo: vA = XA . V De modo análogo, dividindo (6) por (4), obteremos: vB = XB . V LEI DE AMAGAT O volume ocupado por uma mistura de gases é igual à soma dos volumes parciais dos gases componentes. Matematicamente, tem-se: BA vvV Exemplo: Uma mistura dos gases CO2 e H2, confinados no interior de um cilindro, ocupa um volume de 5,0 litros. Sabendo que as frações molares dos gases CO2 e H2 são, respectivamente, 0,8 e 0,2, calcule os volumes parciais de cada gás. Dados: Volume da mistura = V = 5,0 litros Fração molar do gás CO2 = X 2CO = 0,8 Fração molar do gás H2 = X 2H = 0,2 Volume parcial do gás CO2 = v 2CO = ? Volume parcial do gás H2 = v 2H = ? • Cálculo do volume parcial do gás CO2: v 2CO = X 2CO . V = 0,8 . 5 = 4,0 L • Cálculo do volume parcial do gás H2: v 2H = X 2H . V = 0,2 . 5 = 1,0 L Observe que a soma dos volumes parciais dos gases CO2 e H2 (v 2CO + v 2H = 4,0 + 1,0) é igual ao volume da mistura gasosa (5,0 L) → Lei de Amagat. DENSIDADE DOS GASES Densidade Absoluta ou Massa Específica (d) Densidade absoluta de um gás, a dada temperatura e pressão, é o quociente entre a massa do gás e o seu volume. Matematicamente, tem-se: V m d Como uma mesma massa de gás pode ocupar infinitos volumes, a densidadeabsoluta do gás varia com a pressão e com a temperatura. Determinando a densidade absoluta do gás em função das condições de pressão e temperatura em que ele se encontra, da equação de Clapeyron, teremos: P.V=n.R.T ou .R.T M m P.V M = massa molar do gás 6 6 R.T P.M V m .R.T V m P.M R.T P.M d Exemplo: Calcular a densidade absoluta do gás oxigênio, O2, a 27 °C e 2 atmosferas de pressão. (Massa molar do O2 = 32 g/mol). Dados: P = 2 atm T = 27 °C = 300 K M = 32 g/mol R = 0,082 atm.L.K -1 .mol -1 Resolução: 0,082.300 2.32 R.T P.M d = d = 2,6 g/L Densidade Relativa (dA,B) Densidade relativa de um gás A em relação a um gás B é o quociente entre as densidades absolutas do gás A e do gás B, estando ambos nas mesmas condições de pressão e de temperatura. Matematicamente, tem-se: B A BA, d d d Considerando os gases A e B nas mesmas condições de P e T, teremos: para o gás A: R.T P.M d A A para o gás B: : R.T P.M d B B Aplicando a definição de densidade relativa, obtém- se: B A B A B A BA, M M R.T P.M R.T P.M d d d B A BA, M M d Exemplo: Calcular a densidade do gás oxigênio, O2, em relação à densidade do gás hidrogênio, H2. (Massas molares, em g/mol: O2 = 32; H2 = 2) Dados: 2g/molM 32g/molM 2 2 H O Resolução: 2 32 M M d 2 2 22 H O H,O = 16 Isto significa que a densidade do gás O2 é 16 vezes maior que a densidade do gás H2. DIFUSÃO E EFUSÃO DOS GASES Difusão gasosa é o processo espontâneo de disseminação de um gás no interior de outro originando uma mistura homogênea. Efusão gasosa é a passagem espontânea das moléculas gasosas através de pequenos orifícios. LEI DE GRAHAM Estudando os fenômenos de difusão e de efusão dos gases, Graham enunciou a seguinte lei experimental: As velocidades de difusão e efusão de dois gases, nas mesmas condições de pressão e de temperatura, são inversamente proporcionais às raízes quadradas de suas densidades absolutas. Matematicamente, tem-se: A B B A d d v v Como A B A B M M d d , resulta A B B A M M v v Da análise da Lei de Graham pode-se concluir que: A velocidade de difusão ou de efusão de um gás será tanto maior quanto menor for sua massa molar. Exemplo: Em determinadas condições de temperatura e de pressão, a velocidade de difusão do O2(g) é de 7 cm/s. Nas mesmas condições, qual será a velocidade de difusão do H2(g)? (Massas molares, em g/mol: O2 = 32; H2 = 2) Dados: cm/s7v g/mol2M g/mol32M 2O 2 H 2 O Resolução: 2H 2O 2O 2H M M v v 2 32 7 v 2 H 2 Hv = 28 cm/s E X E R C Í C I O S 01. No gráfico abaixo estão representadas transformações ocorridas em gases. P V I II III Assinale a alternativa que relaciona corretamente a representação gráfica ao tipo de transformação. a) I. Isotérmica; II. Isobárica; III. Isocórica. b) I. Isobárica; II. Isotérmica; III. Isocórica. c) I. Isocórica; II. Isobárica; III. Isotérmica. d) I. Isotérmica; II. Isocórica; III. Isobárica. e) I. Isobárica; II. Isocórica; III. Isotérmica. 7 7 02. Analise as afirmações abaixo. Assinale como resposta a soma correspondente às afirmações corretas. 01) Volumes iguais de gases diferentes, à mesma temperatura e pressão, possuem número igual de moléculas; esta é a chamada hipótese de Avogadro. 02) À mesma temperatura, o volume de uma determinada quantidade de gás é diretamente proporcional à sua pressão. 04) Num mesmo volume, a pressão exercida por uma quantidade de gás é inversamente proporcional à sua temperatura. 08) O volume ocupado por 1 mol de um gás a 0 °C e pressão de 1 atm chama-se volume molar. 16) Numa transformação isotérmica, a temperatura permanece constante. 32) Uma transformação isobárica é regida pela lei de Boyle-Mariotte. 03. Ao sair de viagem, o motorista calibrou os pneus de seu veículo colocando no seu interior duas atmosferas de pressão, num dia quente (27 °C). Ao chegar ao destino mediu novamente a pressão dos pneus e encontrou 2,2 atmosferas. Considerando-se desprezível a variação de volume, a temperatura do pneu, ao final da viagem, era de: a) 660 °C b) 57 °C c) 330 °C d) 272 °C e) 26,7 °C 04. Reduzindo-se à metade a pressão exercida sobre 15 cm 3 de ar, à temperatura constante, o novo volume ocupado em cm3 é: a) 30 cm 3 b) 7,5 cm 3 c) 15 cm 3 d) 45 cm 3 e) 60 cm 3 05. Um menino deixou escapar um balão contendo 2,0 litros de gás hélio, a 20 °C e pressão de 2,0 atm. Quando atingir uma altura onde sua pressão for 0,5 atm e sua temperatura, 10 °C, o volume do balão, em litros, será: a) 0,50 b) 3,86 c) 4,50 d) 7,72 e) 8,28 06. Certo gás, inicialmente a 0 °C, tem sua temperatura aumentada para 27 °C e sua pressão duplicada. Nessas circunstâncias, a relação entre o volume final e o volume inicial do gás é, aproximadamente: a) 1 b) 2 c) 0,55 d) 0,33 e) 0,25 07. 2,2 g de um gás estão contidos em um recipiente de volume igual a 1,75 L, a uma temperatura de 77 °C e pressão de 623 mmHg. O gás confinado nesse recipiente pode ser: (Massas atômicas: H= 1; C = 12; N = 14; O = 16; S = 32) 01) NO 02) CO2 04) H2S 08) C3H8 16) SO2 32) N2O 08. A pressão exercida por 4 mols de um gás submetido a 35 °C e ocupando um volume de 15,3 litros é: a) 4,2 atm b) 4,0 atm c) 6,6 atm d) 6,4 atm e) 5,2 atm 09. Em relação às transformações esquematizadas, com n mols de gás ideal, é correto afirmar que: 2 L4 L P1 P2 P3 T1 = 300 K T2 = 600 K T3 = 600 K T4 = 900 K I II III 2 L2 L P1 01) A transformação I é isométrica. 02) A transformação II é isobárica. 04) A transformação III é isovolumétrica. 08) A relação entre as pressões é: P1 < P2 < P3. 16) A transformação I é regida pela lei de Gay- Lussac. 32) A transformação III é regida pela lei de Boyle- Mariotte. 10. Com relação aos gases perfeitos e às leis que regem seus comportamentos, pode-se afirmar que: 01) Á temperatura constante, o volume de uma determinada quantidade de gás é diretamente proporcional à pressão aplicada. 02) A volume constante, a pressão exercida por uma determinada quantidade de gás é inversamente proporcional à sua temperatura. 04) Volumes iguais de gases diferentes, à mesma temperatura e pressão, possuem o mesmo número de moléculas. 08) O volume ocupado por um mol de um gás a 0 °C e pressão de 1 atm chama-se volume molar. 16) A curva de uma isoterma indica que a pressão e o volume são grandezas diretamente proporcionais. 11. Um recipiente de aço de volume V1, contém ar comprimido na pressão P1. Um segundo recipiente de aço de volume V2 contém ar menos comprimido na pressão P2. Ambos os cilindros 8 8 estão na mesma temperatura ambiente. Caso os dois cilindros sejam interligados por uma tubulação de volume desprezível, a pressão final em ambos os cilindros será igual a: a) (V1.P1 + V2.P2)/(V1 + V2) b) (V1.P2 + V2.P1)/(V1 + V2) c) (V1.P1 + V2.P2)/(P1+ P2) d) (V1.P2 + V2.P1)/(P1 + P2) e) (P1/V1 + P2/V2) . 21.VV 12. Dois frascos exatamente iguais, contendo gases que não reagem entre si, são colocados em contato, de modo que os gases possam fluir livremente de um frasco para outro. Admitindo-se que não há variação de temperatura e que a pressão inicial do gás A é o triplo da pressão inicial do gás B, a pressão de equilíbrio é: a) 2/3 da pressão inicial de A. b) o dobro da pressão inicial de A. c) metade da pressão inicial de B. d) metade da pressão inicial de A. e) quatro vezes a pressão inicial de B. 13. Numa mistura gasosa, a fração molar do gás oxigênio é igual a 0,4. Sendo a pressão total da mistura igual a 5 atm, a pressão parcial do gás oxigênio é: a) 0,2 atm b) 5 atm c) 6 atm d) 0,8 atm e) 2 atm 14. Em um recipiente, cuja capacidade é de 5,0 litros, misturam-se 2,8 g de N2(g) e 1,6 g de O2(g). A pressão total, em atm, da mistura, a 27 °C é igual a: (Massas molares, em g/mol: N = 14; O = 16) a) 0,738 b) 0,066 c) 1,476 d) 0,133 e) 7,38 15. Temos um recipiente com N2 puro e outro com O2 puro. Volumes e pressões iniciais estão assinalados no esquema abaixo. N2 1 atm 3 litros O2 5 atm 2 litros mesma temperatura Abrindo a torneira que separa os dois gases e mantendo-se a temperatura, a pressão interna estabiliza-se no valor de: a) 6,00 atm b) 3,00 atm c) 2,60 atm d) 2,50 atm e) 2,17 atm 16. Em um recipiente está contida uma mistura de 5,6 g de N2(g) com 6,4 g de O2(g). A pressão total da mistura é de 2,5 atm. Nestas condições, a pressão parcial do N2(g) na mistura é: (Massas molares, em g/mol: N2 = 28; O2 = 32) a) atm2,5 0,4 0,2 b) atm2,5 0,2 0,4 c) 0,2 . 2,5 atm d) 0,4 . 2,5 atm e) (0,2 + 0,4) . 2,5 atm 17. Se o sistema representado abaixo for mantido a uma temperatura constante e se os três balões possuírem o mesmo volume, após se abrirem as válvulas A e B, a pressão total nos três balões será: H2 3 atm vácuo He 9 atm A B a) 3 atm b) 4 atm c) 6 atm d) 9 atm e) 12 atm 18. Um recipiente, sob pressão total de 3 atm, contém 5,6 g de CO e 0,8 g de H2. A pressão parcial de cada gás é, respectivamente: (Massas molares, em g/mol: H2 = 2,0; CO = 28,0) a) 2 atm e 1 atm b) 0,5 atm e 2,5 atm c) 1 atm e 2 atm d) 2,5 atm e 0,5 atm e) 2,625 atm e 0,375 atm 19. Num balão de 200 litros de capacidade, mantido à temperatura constante de 300 K, são colocados 110 litros de nitrogênio a 5,00 atm e 57 °C, 80,0 litros de oxigênio a 2,50 atm e –23 °C e 50,0 litros de neônio a 3,20 atm e 47 °C. A pressão total da mistura gasosa, em atm, é: a) 4,45 b) 5,00 c) 5,70 d) 7,50 e) 9,90 20. Dois balões indeformáveis (I e II), à mesma temperatura, contêm, respectivamente, 10 L de N2 a 1 atm e 20 L de CO a 2 atm. Se os dois gases forem reunidos no balão I, a pressão total da mistura será: a) 1 atm b) 2 atm c) 3 atm d) 4 atm e) 5 atm 21. Num cilindro contendo uma mistura de gás oxigênio (O2) e gás argônio (Ar), s pressão total é de 10 atm. Sabendo-se que a pressão parcial do oxigênio é 5 vezes maior do que a pressão parcial 9 9 do argônio no cilindro, o valor da relação :é gemargôniodemassa gemoxigêniodemassa (Massas molares, em g/mol: O2 = 32,0: Ar = 40,0) a) 2 b) 3,5 c) 4 d) 5 e) 6,3 22. A densidade de um gás é 1,96 g/L, medida nas CNTP. A massa molecular desse gás é: a) 43,80 b) 47,89 c) 49,82 d) 51,32 e) 53,22 23. Sabe-se que, nas mesmas condições de pressão e temperatura, as massas molares de gases são diretamente proporcionais às respectivas densidades. Assim, quando a densidade de CH4 for igual a 0,80 g/L, a do CO2, nas mesmas condições, será igual a: (Massas molares: CH4=16 g/mol; CO2=44 g/mol) a) 1,1 g/L b) 2,2 g/L c) 3,3 g/L d) 4,4 g/L e) 5,5 g/L 24. Nas mesmas condições de pressão e temperatura, a densidade do hidrogênio em relação ao ar é: (massa molar do ar = 28,9 g/mol) a) 0,01 b) 0,03 c) 0,05 d) 0,07 e) 0,09 25. Comparando as densidades dos gases abaixo, nas CNTP, qual deles é o melhor para encher um balão que deve subir na atmosfera? Considere que: • densidade do ar = 1,29 g/L (CNTP) • molarvolume molarmassa gásumdedensidade • massas molares (g/mol): H = 1; C = 12; N = 14; O = 16; Cℓ = 35,5 a) CO2 b) O3 c) N2 d) Cℓ2 e) CH4 26. Uma porção de gás pode ser aquecida sob pressão ou volume constantes. Como irá variar a densidade do gás em cada uma destas maneiras de aquecimento? Pressão constante Volume constante a) aumenta não varia b) aumenta diminui c) não varia aumenta d) diminui diminui e) diminui não varia 27. Um reservatório contém um gás cuja densidade é 0,0707 g/L a uma temperatura T pouco superior a 400 K e a uma pressão P mmHg, numericamente igual a T. O gás em questão pode ser: (massas molares, em g/mol: H= = 1; C = 12; N = 14; O = 16; S = 32) 01) N2O 02) CO 04) CH4 08) CO2 16) SO2 32) C3H8 28. A densidade absoluta do gás carbônico, CO2, nas CNTP é: (Massas molares, em g/mol: C = 12; O = 16) a) 1,00 g/L b) 1,96 g/L c) 2,24 g/L d) 22,40 g/L e) 4,48 g/L 29. O hidrogênio (H2) atravessa um pequeno orifício com velocidade igual a 18 L/min, a dada pressão e temperatura. A velocidade com que o oxigênio (O2) atravessará o mesmo orifício, nas mesmas condições será, em L/min: (Massas molares, em g/mol: H2 =2; O2 = 32) a) 4,5 b) 5,0 c) 5,4 d) 6,0 e) 8,0 30. Um recipiente com orifício circular contém os gases Y e Z. A massa molecular do gás Y é 4 e a massa molecular do gás Z é 36. A velocidade de escoamento do gás Y será maior, face à do gás Z, de: a) 12 vezes. b) 10 vezes. c) 9 vezes. d) 8 vezes. e) 3 vezes. 31. A velocidade de difusão do gás hidrogênio é igual a 27 km/min, em determinadas condições de pressão e temperatura. Nas mesmas condições, a velocidade de difusão do gás oxigênio, em km/h, é de: (Massas atômicas: H = 1; O = 16) a) 4 km/h. b) 108 km/h c) 405 km/h d) 240 km/h e) 960 km/h 32. Numa sala fechada, foram abertos ao mesmo tempo três frascos que continham, respectivamente, gás amoníaco (NH3), dióxido de enxofre (SO2) e sulfeto de hidrogênio (H2S). Uma pessoa que estava na sala, à igual distância dos três frascos, sentiu o efeito desses gases na seguinte ordem: (massa molares, em g/mol: H = 1; N = 14; O = 16; S = 32) 10 10 a) H2S, NH3 e SO2. b) H2S, SO2 e NH3. c) NH3, H2S e SO2. d) NH3, SO2 e H2S. e) SO2, NH3 e H2S. 33. Amadeo Avogadro sugeriu a hipótese conhecida hoje como lei que “volumes iguais de gases diferentes sob as mesmas condições de temperatura e pressão possuem o mesmo número de moléculas”. Sobre Avogadro e sobre gases, é correto afirmar: (Massas molares, em g/mol: H = 1; C = 12; Fe = 56; Xe = 131) 01) Dois recipientes fechados idênticos contendo hidrogênio (H2) e etano (C2H6), a 25 o C e 2 atm de pressão interna, possuem a mesma massa. 02) O número de moléculas dos gases desses recipientes (proposição anterior) é idêntico. 04) A quarta parte do número de Avogadro de moléculas de hidrogênio estará presente em um frasco de 5,6 L nas CNTP. 08) Um número de Avogadro de átomos de gás xenônio possui massa igual a 1,31 x 10 -1 kg. 16) Um número de Avogadro de moléculas de gás buteno (C4H8) possui a mesma massa que um número de Avogadro de átomos de ferro. 34. Julgue os itens: 01) O gráfico abaixopode representar o comportamento de um gás ideal, desde que n e T sejam constantes. P V 02) Se a densidade de um gás é 1,160 g/L, nas condições normais, a massa molecular do gás é 25,98. 04) O oxigênio, quando submetido a altas pressões e baixas temperaturas, comporta-se como gás ideal. 08) Gás A Gás B As amostras dos gases A e B ocupam um volume V a 25 o C e pressão de uma atmosfera. Pode-se concluir corretamente que as massas de A e B são iguais. 16) I II III As amostras contidas em I, II e III estão todas a 25 o C. Ao transferi-las para um único recipiente de um litro, mantendo-se a temperatura de 25 o C, a pressão final será de quatro atmosferas. 32) A uma dada temperatura, a velocidade média das moléculas de hidrogênio (M = 2 g/mol) é maior que a velocidade média das moléculas de oxigênio (M = 32 g/mol). 35. Considere os seguintes dados: • O ar atmosférico é uma mistura gasosa. Cem litros (100 L) desta mistura contêm aproximada- mente: 78,085% de N2; 20,948% de O2; 0,934% de Ar; 0,032% de CO2 e 0,002% de outros gases. • Devido aos efeitos da poluição, outros constituintes também podem ser encontrados, como poeira, fumaça e dióxido de enxofre. • Para a separação de gases de uma mistura, utiliza-se o processo de liquefação, seguido de uma destilação fracionada. Esse procedimento é empregado, por exemplo, na obtenção de O2 utilizado nos hospitais. • Massas atômicas: O = 16; C = 12. Com base neles, é correto afirmar que: 01) a liquefação é um processo físico e pode ser obtida com o aumento da pressão do sistema. 02) considerando-se um balão contendo 1 litro de ar atmosférico `temperatura ambiente, a pressão parcial do N2 é menor que a pressão parcial do O2. 04) na mesma temperatura e pressão, volumes iguais de N2 e O2 irão conter o mesmo número de moléculas. 08) a 0 o C e 1 atm (CNTP), o volume molar do CO2 é 44,8 L. 16) a presença de poluentes sólidos faz com que a mistura homogênea se transforme em heterogênea. G A B A R I T O 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 x A 25 B A D C 42 C 28 1 12 A A E A C A B C A 2 E C A B D E E 41 B A 3 E C C 30 35 21 MASSAS ATÔMICAS E MOLECULARES Unidade de Massa Atômica (u) Uma unidade de massa atômica corresponde a 1/12 da massa do átomo isótopo mais comum do elemento carbono, o carbono-12. Equivale a 1,66 x x 10 -24 g. Átomo de C-12 1/12 da massa do C-12 = 1 u = 1,66 x 10 -24 g Massa Atômica de um Átomo Massa atômica de um átomo é a sua massa expressa em u, e indica quantas vezes a massa desse átomo é maior que 1/12 da massa do C-12. V = 1L P = 1 atm N2 V = 1L P = 2 atm O2 V = 2L P = 1 atm H2 11 11 Exemplos: • A massa atômica do Cℓ 35 é 35,0 u. Isso significa que um átomo de Cℓ 35 tem uma massa 35 vezes maior que 1/12 da massa do carbono-12. • A massa atômica do O 16 é 16,0 u. Isso significa que um átomo de O 16 tem uma massa 16 vezes maior que 1/12 da massa do carbono-12. Massa Atômica de um Elemento Massa atômica de um elemento é a média ponderada das massas atômicas de seus isótopos. Exemplo: O elemento cloro é constituído por dois isótopos: Isótopos Massa Atômica Ocorrência Cℓ 35 35,0 u 75,4% Cℓ 37 37,0 u 24,6% A massa atômica do elemento cloro será: 100 24,6)x(37,075,4)x(35,0 clorodoMA 35,5 u As massas atômicas dos elementos são fornecidas pela Classificação Periódica. Massa Molecular Massa molecular é a massa de uma molécula expressa em u, e indica quantas vezes a massa da molécula é maior que 1/12 da massa do C-12. A massa molecular é obtida pela soma das massa atômicas de todos os átomos presentes em uma molécula. Exemplo: Massa molecular do ácido sulfúrico, H2SO4. Massas Atômicas Massa Molecular H = 1 u H: 2 x 1u = 2 u S = 32 u S: 1 x 32u = 32 u O = 16 u O: 4 x 16u = 64 u 98 u • A massa molecular do H2SO4 é 98 u. Isso significa que uma molécula de H2SO4 tem uma massa 98 vezes maior que 1/12 da massa do carbono-12. Para substâncias iônicas, não é correto falar em massa molecular pelo fato de que essas substâncias não apresentam moléculas. Nesse caso, se usa a expressão massa-fórmula. Exemplo: Massa-fórmula do sulfato de sódio, Na2SO4. Massas Atômicas Massa-Fórmula Na = 23 u Na: 2 x 23u = 46 u S = 32 u S: 1 x 32u = 32 u O = 16 u O: 4 x 16u = 64 u 142 u Mol Mol é a quantidade de matéria que contém 6,02 x 10 23 partículas. O número 6,02 x 10 23 é denominado número ou constante de Avogadro ou constante de Avogadro. Assim: 1 mol de átomos são 6,02 x 10 23 átomos; 1 mol de moléculas são 6,02 x 10 23 moléculas; 1 mol de cátions são 6,02 x 10 23 cátions; 1 mol de elétrons são 6,02 x 10 23 elétrons. Massa Molar Massa molar é a massa de um mol de partículas, ou seja, é a massa de 6,02 x 10 23 partículas. Sua unidade é o grama.mol -1 (g/mol). a) Massa molar de um elemento É a massa de um mol de átomos (6,02 x 10 23 átomos) desse elemento. A massa molar de um elemento é numericamente igual à sua massa atômica expressa em g/mol. Exemplos: Elemento Massa Atômica Massa Molar H 1,0 u 1,0 g/mol O 16,0 u 16,0 g/mol Aℓ 27,0 u 27,0 g/mol Fe 56,0 u 56,0 g/mol Zn 65,5 u 65,5 g/mol b) Massa molar de uma substância É a massa de um mol de moléculas (6,02 x 10 23 moléculas) dessa substância. A massa molar de uma substância é numericamente igual à sua massa molecular expressa em g/mol. Exemplos: Substância Massa Molecular Massa Molar H2O 18,0 u 18,0 g/mol C2H5OH 46,0 u 46,0 g/mol H2SO4 96,0 u 96,0 g/mol C12H22O11 342,0 u 342,0 g/mol Para substâncias iônicas, tem-se: Substância Massa Fórmula Massa Molar NaCℓ 58,5 u 58,5 g/mol KOH 56,0 u 56,0 g/mol Na2SO4 142,0 u 142,0 g/mol Aℓ2(SO4)3 342,0 u 342,0 g/mol Número de mols (n) - Quantidade de Matéria É a relação entre a massa (m) de uma amostra de um elemento ou de uma substância e sua massa molar (M). M m n Lei de Avogadro Volumes iguais de quaisquer gases, quando nas mesmas condições de pressão e temperatura, possuem o mesmo número de moléculas. Exemplo: 12 12 gás NH3gás H2 gás CO2 Volume V Volume V Volume V Temperatura T Pressão P Pressão P Pressão P Temperatura T Temperatura T n moléculas n moléculas n moléculas Volume Molar Volume molar é o volume ocupado por um mol de moléculas de qualquer substância, em qualquer estado físico. Caso particular: Volume molar para substâncias no estado gasoso. Lembrando que: • um mol de moléculas são 6,02 x 10 23 moléculas; • a Lei de Avogadro, na forma invertida, diz: “o mesmo número de moléculas, de quaisquer gases, ocupa o mesmo volume, quando nas mesmas condições de pressão e temperatura”; conclui-se que: • um mol demoléculas de quaisquer gases, ocupa o mesmo volume, quando nas mesmas condições de pressão e temperatura. Observações experimentais determinam que o volume ocupado por um mol de moléculas de qualquer substância, no estado gasoso, é de 22,4 litros em CNTP (T = 0°C = 273 K; P = 1 atm = 760 mmHg). Logo: Um mol de moléculas de qualquer gás ocupa o volume de 22,4 litros em CNTP. E X E R C Í C I O S 01. A massa atômica do isótopo Cℓ 37 é 37,0 u. Isso indica que: a) o átomo de Cℓ 37 tem a mesma massa do átomo de C 12 . b) o átomo de Cℓ 37 possui 37 vezes mais massa que o átomo de C 12 . c) o átomo de Cℓ 37 é 37 vezes mais pesado que o átomo de C 12 . d) o átomo de Cℓ 37 possui massa 37 vezes menor que a massa do átomo C 12 . e) o átomo de Cℓ 37 possui massa 37 vezes maior que 1/12 da massa do C 12 . 02. Um elemento hipotético apresenta os isótopos E 40 , E 42 e E 46 , nas porcentagens de 50%, 30% e 20%, respectivamente. A massa atômica do elemento E será: a) 42,7 b) 42,0 c) 40,0 d) 41,8 e) 46,0 03. A massa de um determinado átomo é 5/6 da massa do isótopo 12 do carbono. Qual a sua massa atômica? 04. A composição isotópica do neônio, na escala do carbono-12, é a seguinte: Isótopo Abundância (%) 10Ne 20 90,0 10Ne 21 1,2 10Ne 22 8,8 A massa atômica média do neônio é: a) 10,475 b) 21,920 c) 23,624 d) 20,188 e) 22,830 05. Dados os elementos seguintes e suas respectivas massas atômicas: C=12,0; O=16,0; Mg=24,0; S=32,0; Cℓ=35,5; Ca=40,0; qual das substâncias tem sua massa molecular indicada corretamente? a) óxido de magnésio (MgO) = 48,0 b) peróxido de hidrogênio (H2O2) = 18,0 c) ácido acético (H3CCOOH) = 70,0 d) ácido sulfúrico (H2SO4) = 89,0 e) cloreto de cálcio dihidratado (CaCℓ2 .2 H2O) = = 147,0 06. Em uma amostra de 1,15 g de sódio, o número de átomos é igual a: (massa molar do Na = 23 g/mol). a) 6,0 x 10 23 b) 3,0 x 10 23 c) 6,0 x 10 22 d) 3,0 x 10 22 e) 1,0 x 10 22 07. (FCMSC-SP) Diariamente um indivíduo normal elimina pela urina cerca de 0,56 g de ácido úrico (C5H4N4O3). Aproximadamente quantas moléculas dessa substância são eliminadas? (Massas molares: H=1,0 g/mol; C=12 g/mol; N=14 g/mol; O=16 g/mol). a) 3,3 x 10 -3 b) 16 c) 33 d) 2,0 x 10 21 e) 6,0 x 10 23 08. O número de moléculas existentes em 110 litros de gás carbônico, nas CNTP, é igual a: a) 6,02 x 10 23 b) 2,95 x 10 24 c) 8,80 x 10 24 d) 1,47 x 10 24 e) 8.,82 x 10 23 09. O número total de átomos existente em 2,2 g de dióxido de carbono é: (massas molares: C=12 g/mol; O=16 g/mol). a) 3,01 x 10 22 b) 6,02 x 10 23 c) 9,03 x 10 22 d) 3,01 x 10 23 e) 9,03 x 10 23 13 13 10. O gás hilariante tem fórmula N2O. Em relação a esta substância é incorreto afirmar que: (massas molares: N=14 g/mol; O=16 g/mol) a) a massa de 6,02 x 10 23 moléculas de N2O é 44 g. b) 1 mol de N2O contém 2 mols de átomos de nitrogênio. c) 1 mol de N2O, nas condições ambientes, ocupa o volume de 22,4 litros. d) 1 mol de N2O corresponde a 44 g. e) em uma molécula de N2O existem 3 átomos. 11. Dadas as massas molares: H=1 g/mol; C=12 g/mol; O=16 g/mol; S=32 g/mol; Cℓ=35,5 g/mol; é incorreto afirmar que: a) em 44 g de CO2 têm-se 6,02 x 10 23 átomos no total. b) em um mol de moléculas de Cℓ2 têm-se 12,04 x 10 23 átomos. c) o volume ocupado por 48 g de O3 gasoso, medidos nas CNTP, é 22,4 litros. d) a massa de 1 mol de moléculas de H2SO4 é 98 g. e) 22,4 litros de HCℓ gasoso, medidos nas CNTP, correspondem à massa de 36,5 g. 12. Com referência ao gás amoníaco, NH3, é incorreto afirmar: (massas molares: H=1 g/mol; N=14 g/mol). a) 1 mol de gás amoníaco contém 6,0 x 10 23 moléculas. b) 1 mol de gás amoníaco ocupa um volume de 22,4 litros nas CNTP. c) 1 mol de gás amoníaco contém 6,0 x 10 23 átomos de nitrogênio. d) 1 mol de gás amoníaco contém 3 átomos de hidrogênio. e) 17 g de gás amoníaco contém 2,4 x 10 24 átomos. 13. Em um laboratório químico, determinado pesquisador solicitou alguns reagentes químicos do almoxarifado, recebendo as seguintes porções: I. 3 mols de átomos de hélio; II. 2 mols de átomos de lítio; III. 1,204 x 10 23 moléculas de trióxido de enxofre; IV. 0,2 mol de carbonato de cálcio; V. 37 g de amônia. No total, quantos gramas o pesquisador recebeu? (Massas molares: He=4 g/mol; Li=7 g/mol; C=12 g/mol; O=16 g/mol; S=32 g/mol; Ca=40 g/mol). 14. O número de átomos de hidrogênio existentes em 2,0 mols de hidróxido de amônio, NH4OH, é: a) 1,204 x 10 24 b) 4,819 x 10 24 c) 6,02 x 10 23 d) 6,02 x 10 24 e) 4,816 x 10 23 15. O volume ocupado por 2,0 x 10 25 moléculas de um gás ideal, em CNTP, é aproximadamente: a) 1204 litros b) 744 litros c) 300 litros d) 186 litros e) 36,6 litros 16. Supondo comportamento de gás ideal, assinale a opção que indica, aproximadamente, a massa em gramas de 1,0 litro de C3H8,nas CNTP. (Massas molares: H=1 g/mol; C=12 g/mol) a) 2 x 10 -3 b) 0,5 c) 2 d) 22,4 e) 44 17. A concentração de íons fluoreto em uma água de uso doméstico é de 5,0 x 10 -5 mol/litro. Se uma pessoa tomar 3,0 litros dessa água por dia, ao fim de um dia, a massa de fluoreto, em miligramas, que essa pessoa ingeriu é igual a: (massa molar do fluoreto=19,0 g/mol) a) 0,9 b) 1,3 c) 2,8 d) 5,7 e) 15 18. O peso de um diamante é expresso em quilates. Um quilate, que é dividido em 100 pontos, equivale a 200 miligramas. O número de átomos de carbono existente em um diamante de 25 pontos é de: (Massa molar do carbono = 12 g/mol; n.º de Avogadro = 6,0 x 10 23 ) a) 25 x 10 20 b) 200 x 10 23 c) 50 x 10 23 d) 25 x 10 23 e) 50 x 10 20 19. Uma das formas de medir o grau de intoxicação por mercúrio em seres humanos é a determinação de sua presença nos cabelos. A OMS estabeleceu que o nível máximo permissível, sem risco para a saúde, é de 50 ppm, ou seja, 50 x 10 -6 g de mercúrio, por grama de cabelo. Nesse sentido, pode-se afirmar que essa quantidade de mercúrio corresponde a: (massa molar do Hg=200 g/mol). a) 1,5 x 10 17 átomos de Hg. b) 1,5 x 10 23 átomos de Hg. c) 2,5 x 10 6 átomo de Hg. d) 150 bilhões de átomos de Hg. e) 100 milhões de átomos de Hg. 20. Uma liga que contém 75% de ouro, 12,5% de prata e 12,5% de cobre (% em massa) pode ser chamada de ouro 18 quilates. Dadas as massas molares: Au=197 g/mol; Ag=108 g/mol; Cu=63,5 g/mol; pergunta-se: • Em 1 g dessa liga qual é a massa real de ouro? • Nessa liga existem mais átomos de prata ou de cobre? a) 7,5 g Au; Ag. b) 0,075 g Au; Ag. c) 0,75 g Au; Cu. d) 0,75 g Au; Ag. e) 0,075 g Au; Cu. R E S P O S T A S 01. E 02. D 03. 10 04. D 05. E 06. D 07. D 08. B 09. C 10.C 11. A 12. D 13. 99 14. D 15. B 16. C 17. C 18. A 19. A 20. C 14 14 ESTEQUIOMETRIA COEFICIENTES DE UMA EQUAÇÃO QUÍMICA EQUILIBRADA E O MOL Os coeficientes de uma equação química equilibrada descrevem proporções fixas em número de moléculas entre as espécies participantes da reação. 4 NH3(g) + 5 O2(g) 4 NO(g) + 6 H2O(g) 4 moléculas 5 moléculas 4 moléculas 6 moléculasde amônia de oxigênio de monóxido de água de nitrogênio Os coeficientes de uma equação química equilibrada descrevem também proporções fixas em termos de mols de espécies participantes da reação. 4 NH3(g) + 5 O2(g) 4 NO(g) + 6 H2O(g) 4 mols de 5 mols de 4 mols de 6 mols de moléculas de moléculas de moléculas de moléculas de amônia oxigênio monóxido de água nitrogênio A partir do número de mols das espécies participantes, podemos obter informações adicionais a respeito da reação. Equação equilibrada 4 NH3(g) + 5 O2(g) → 4 NO(g) + 6 H2O(g) n. o mols 4 mols 5 mols 4 mols 6 mols massa (g) 4 x 17 g 5 x 32 g 4 x 30 g 6 x 18 g n. o moléculas 4 x 6,02 x 10 23 5 x 6,02 x 10 23 4 x 6,02 x 10 23 6 x 6,02 x 10 23 volume (L) nas CNTP 4 x 22,4 L 5 x 22,4 L 4 x 22,4 L 6 x 22,4 L Usando estas informações, é possível efetuar cálculos baseados em equações químicas. CÁLCULO ESTEQUIOMÉTRICO Cálculo Estequiométrico ou Estequiometria é o cálculo das quantidades de reagentes e/ou produtos envolvidos numa reação química e efetuado com o auxílio da equação química correspondente. Ao efetuar cálculos estequiométricos obedecer os seguintes passos: 1. Escrever a equação da reação química mencionada. 2. Balancear essa equação (acertar os coeficientes). 3. A partir dos coeficientes da equação química balanceada obter informações que permitam estabelecer uma regra de três envolvendo os dados do problema. Exemplo 1: Um operário faz diariamente a limpeza do piso de mármore de um edifício com ácido muriático (nome comercial do ácido clorídrico). Como se sabe, o ácido ataca o mármore desprendendo gás carbônico segundo a equação: CaCO3 + 2 HCℓ CaCℓ2 + H2O + CO2 mármore Supondo que em cada limpeza ocorra reação de 50 g de mármore, calcule o volume (litros) de gás carbônico formado por dia, nas CNTP. (Massa molar do CaCO3 = 100 g/mol, volume molar gasoso, nas CNTP = 22,4 L). Resolução: Escreva a equação química balanceada da reação ocorrida. Sublinhe as substâncias envolvidas no cálculo, escrevendo, abaixo de cada uma, as quantidades que serão trabalhadas (mol, massa, volume em CNTP, moléculas......) Estabeleça uma regra de três entre o dado e a pergunta do problema. 1 CaCO3 + 2 HCℓ → 1 CaCℓ2 + 1 H2O + 1 CO2 1 mol 1 mol ↓ ↓ Massa Volume 100 g 22,4 L 50 g x x = 11,2 L CO2 Exemplo 2: Quantos gramas de vapor d’água se formam na decomposição de 0,1 mol de nitrato de amônio segundo a equação: NH4NO3 N2O + 2 H2O? (Massas molares, em g/mol: H=1; N=14; O=16) Resolução: Massa molar do H2O = 18 g/mol 1 NH4NO3 1 N2O + 2 H2O 1 mol 2 mol ↓ ↓ mol massa 1 mol 2 x 18 g 0,1 mol x x = 3,6 g H2O CASOS PARTICULARES DE CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS • Reagente em excesso Quando o problema fornece a quantidade de dois reagentes é provável que um deles apresente excesso ao fim da reação. È necessário determinar o reagente responsável pelo excesso. Exemplo 3: Para fazer a combustão de 2,4 g de magnésio dispõe-se de 3,0 g de oxigênio. Ocorrida a reação, pede-se determinar: (massas molares, em g/mol: O=16; Mg=24). a) a massa e o reagente em excesso; b) a massa de óxido de magnésio formada. Resolução: A equação química balanceada da reação ocorrida é: 2 Mg + 1 O2 → 2 MgO Massas molares (g/mol): Mg = 24; O2 = 32; MgO = 40. 6 6 a) Determinação do reagente em excesso. Tome a massa fornecida de um dos reagentes e, através desta, calcule a massa do outro reagente que será necessária à reação. Tomando a massa de magnésio, tem-se: 2 Mg 1 O2 + 2 MgO 2 mol 1 mol ↓ ↓ massa massa 2 x 24 g 32 g 2,4 g x x = 1,6 g O2 Isto significa que para reagir com 2,4 g de magnésio, são necessários 1,6 g de oxigênio. Como foi fornecida a massa de 3,0 g de oxigênio, conclui-se que esse reagente está em excesso. A massa de oxigênio em excesso é igual a (3,0 g – 1,6 g) 1,4 g. b) Cálculo da massa de óxido de magnésio formada. Para calcular a massa de óxido de magnésio formada, efetuar o cálculo utilizando a massa do reagente que será totalmente consumido. No caso, utilizar a massa de magnésio. 2 Mg 1 O2 + 2 MgO 2 mol 2 mol ↓ ↓ massa massa 2 x 24 g 2 x40 g 2,4 g x x = 4,0 g MgO • Porcentagem de pureza O problema envolve uma amostra de determinada porcentagem de pureza. É necessário determinar a quantidade de substância pura na amostra, pois esta é que participará da reação Exemplo 4: A decomposição térmica do CaCO3 se dá de acordo com a equação: CaCO3 CaO + CO2 Quantas toneladas de óxido de cálcio serão produzidos através da decomposição de 100 toneladas de carbonato de cálcio com 90% de pureza? (Massas molares, em g/mol: Ca=40; O=16; C=12). Resolução: Cálculo da massa pura de CaCO3: 90% CaCO3 puro 10% impureza 100 t da amostra 100% amostra 100 t 90% amostra x = 90 t = 9,0 x 10 7 g Cálculo da massa de CaO formada: Massas molares (g/mol): CaCO3 = 100; CaO = 56. CaCO3 1 CaO + 1 CO2 1 mol 1 mol ↓ ↓ massa massa 100 g 56 g 9,0 x 10 7 g y y = 5,04 x 10 7 g = 50,4 t CaO • Rendimento É comum uma reação química produzir uma quantidade de produto inferior à prevista pela equação química correspondente. Neste caso, afirma-se que o rendimento da reação não foi total. Exemplo 5: A combustão de 36 g de grafite (C) provocou a formação de 118,8 g de gás carbônico. Qual foi o rendimento da reação? (Massas molares, em g/mol: C=12; O=16). Resolução: Massas molares (g/mol): C = 12; CO2 = 44. A equação química balanceada da reação ocorrida é: 1 C + 1 O2 → 1 CO2 Supondo rendimento de 100% para a reação, calcula- se a massa de CO2 que seria formada. 1 C + 1 O2 1 CO2 1 mol 1 mol ↓ ↓ massa massa 12 g 44 g 36 g x x = 132 g CO2 Esta seria a massa de CO2 formada se o rendimento da reação fosse de 100%. Como a massa real obtida foi de 118,8 g de CO2, através de regra de três, calcula-se o rendimento real da reação. 132 g CO2 100% de rendimento 118,8 g CO2 y y = 90% rendimento • Volume gasoso fora das CNTP Utilizar a equação de Clapeyron: P.V = n.R.T onde P = pressão (atm ou mmHg) V = volume (litros) n = n.º mols do gás R = constante dos gases perfeitos T = temperatura (kelvin) Valores de R: R = 0,082 atm.l/K.mol R = 62,3 mmHg.l/K.mol Exemplo 6: Calcular o volume de oxigênio, em litro, obtido na decomposição de 3,38 g de BaO2, medido à temperatura de 27°C e pressão de 1 atm. (Massas molares, em g/mol: Ba=137; O=16). BaO2 BaO + ½ O2 Resolução: Com o auxílio da equação química balanceada, calcula-se o número de mols do gás. Massa molar BaO = 169 g/mol. 7 7 1 BaO2 1 BaO + ½ O2 1 mol ½ mol ↓ ↓ massa mol 169 g 0,5 mol 3,38 g n n = 0,01 mol A seguir, calcula-se o volume de gás correspondente a esse número de mol, utilizando a equação de Clapeyron. Sendo P = 1 atm, T = 27 o C e R = 0,082 atm.L/K.mol, tem-se:P.V = n.R.T 1 . V = 0,01 . 0,082 . 300 V = 0,246 L de O2 E X E R C Í C I O S 01. Alguns foguetes são propulsionados através da combustão de hidrazina, N2H4, na presença de tetróxido de dinitrogênio, N2O4. Os produtos da combustão são nitrogênio, N2, e água, H2O. Esta reação de combustão pode ser representada pela seguinte equação química balanceada: 2 N2H4(l) + N2O4(l) 3 N2(g) + 4 H2O(ℓ) Baseado na interpretação desta equação, assinale a alternativa incorreta: (massas molares, em g/mol: N=14; H=1; O=16). a) Sempre que uma molécula de N2H4 reage, há formação de duas moléculas de H2O. b) Dois mols de N2H4 reagem com um mol de N2O4, levando à formação de três mols de N2 e quatro mols de H2O. c) Duas moléculas de N2H4 reagem com uma molécula de N2O4, levando à formação de três moléculas de N2 e quatro moléculas de H2O. d) A 0°C e 1 atm, para cada 67,2 litros de N2 formados reagiram 32 gramas de N2H4. e) Quando 92 gramas de N2O4 reagem, há formação de 84 gramas de N2. 02. 19,2 g de hidróxido de sódio reagem com ácido fosfórico. Considerando neutralização total, a massa de sal obtida é, em g: (H=1; O=16; Na=23; P=31). 3 NaOH + H3PO4 → Na3PO4 + 3 H2O a) 78,72 b) 26,24 c) 39,38 d) 18,88 e) 22,56 03. Na reação completa de 1,5 x 10 23 moléculas de hidrogênio (H2) com flúor (F2) segundo a equação H2 + F2 2 HF, quantos gramas de HF são produzidos? (massas molares, em g/mol: H=1; F=19; número de Avogadro=6 x 10 23 ) a) 0,5 b) 2,0 c) 5,0 d) 10,0 e) 40,0 04. O número de átomos de alumínio que devem reagir com excesso de solução aquosa de ácido clorídrico a fim de produzir 16,8 litros de gás hidrogênio, em CNTP, é: a) 23,7 . 10 22 b) 3,01 . 10 23 c) 2,70 . 10 23 d) 2,24 . 10 23 e) 1,204 . 10 24 05. Fazendo-se reagir 5 g de hidrogênio com 28 g de nitrogênio, obtém-se gás amônia (NH3), sobrando parte de um dos reagentes. A massa, em gramas, que sobrou e a fórmula do reagente é: (N=14; H=1) a) 1,10 g de H2 b) 4,67 g de N2 c) 23,33 g de N2 d) 2,00 g de H2 e) 4,67 g de H2 06. Qual a quantidade máxima de carbonato de cálcio que pode ser preparada a partir da mistura de 2 mols de carbonato de sódio e 3 mols de cloreto de cálcio de acordo com a equação: Na2CO3 + CaCl2 2 NaCl + CaCO3? (Massas molares, em g/mol: C=12; O=16; Ca=40) a) 100 g b) 200 g c) 300 g d) 400 g e) 500 g 07. Numa reação de combustão completa do enxofre obtém-se gás sulfuroso, cuja equação é: S(s) + O2(g) SO2(g) O volume, em litros, de SO2, medido nas CNTP, quando 5,0 kg de enxofre, com 80% de pureza, reagem, é: (massa molar do enxofre = 32 g/mol). a) 2800 b) 2240 c) 3200 d) 1120 e) 8960 08. Uma amostra de ferro impuro, com massa de 84 g, foi atacada por ácido clorídrico em excesso, produzindo cloreto ferroso e 26,88 litros de gás hidrogênio, nas CNTP. O teor de ferro na amostra atacadas é igual, em %, a: (massa molar do ferro = 56 g/mol). a) 45 b) 50 c) 80 d) 89,6 e) 20 09. O número de toneladas de ácido sulfúrico que poderia ser produzido por dia, através dum processo que usa 3,2 toneladas por dia de SO2, com uma eficiência de conversão de 70% é, aproximadamente: Dados: massas molares, em g/mol: H=1; O=16; S=32. Equação química: SO2 + ½ O2 + H2O H2SO4 8 8 a) 4,9 t/dia b) 49 t/dia c) 3,4 t/dia d) 34 t/dia e) 9,8 t/dia 10. Para produzir ácido fosfórico e monóxido de mononitrogênio, fez-se reagir completamente 0,25 g de fósforo vermelho (P) com ácido nítrico concentrado e algumas gotas d’água de acordo com a equação: 3 P + 5 HNO3 + 2 H2O 3 H3PO4 + 5 NO A massa de ácido fosfórico obtida foi de 0,49 g. O rendimento do processo foi de: (massas molares, em g/mol:P=31; O=16; H=1). a) 62% b) 13% c) 54% d) 31% e) 87% 11. Na reação CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g), o volume, em litros, de gás carbônico obtido na temperatura de 580 K e 152 mmHg de pressão, quando se decompõe 5 g de carbonato é de: (C=12. O=16: Ca=40). a) 523,16 b) 13,51 c) 11,89 d) 5,00 e) 1,35 12. No processo chamado fermentação alcoólica, o microrganismo levedura converte o açúcar glicose (C6H12O6) em álcool e CO2, de acordo com a equação: C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2(g) Partindo-se de 18 g de açúcar, à pressão de uma atmosfera a 30°C, será produzido: (H=1; C=12; O=16). a) 9,2 g de CO2 b) 8,8 g de C2H5OH c) 4,97 litros de CO2 d) 3,01 x 10 23 moléculas de CO2 e) 2,0 x 10 22 moléculas de C2H5OH 13. Tratando-se 40 litros de gás nitrogênio com 90 litros de gás hidrogênio, pergunta-se qual o volume obtido de gás amoníaco, admitindo-se que o rendimento da reação seja de 50%, a temperatura constante? a) 120 litros b) 40 litros c) 30 litros d) 33 litros e) 60 litros 14. Se na reação CO2 + NaOH Na2CO3 + H2O utilizarmos 200 g de soda cáustica, com 90% de pureza em hidróxido de sódio e com rendimento da reação igual a 85%, a massa, em gramas, do carbonato de sódio obtido será: (H=1; C=12; O=16; Na=23). a) 238,5 b) 180 c) 430,8 d) 248,6 e) 202,7 15. O “gás de água” é uma mistura equimolecular de monóxido de carbono e hidrogênio obtida na reação entre carvão aquecido e vapor d’água. Qual é, a 27°C e 1140 mmHg, o volume deste gás obtido a partir de 30 kg de carvão com 80% de pureza? (Massa molar do carbono = 12 g/mol; constante universal dos gases perfeitos (R) = 62,3 mmHg.l/K.mol). a) 65.579 litros b) 81.973 litros c) 32.789 litros d) 40.986 litros e) 89.600 litros R E S P O S T A S 01. D 02. B 03. D 04. B 05. B 06. B 07. A 08. C 09. C 10. A 11. C 12. C 13. C 14. E 15. A