DENSIDADE E MASSA MOLAR PELA EFUSÃO E DIFUSÃO DOS GASES

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA- UFV
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS – CCE
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA – DEQ
LABORATÓRIO DE FÍSICO-QUÍMICA I – QUI 153
PRÁTICA 04:
DENSIDADE E MASSA MOLAR PELA EFUSÃO E DIFUSÃO DOS GASES
Professor: Claudio Ferreira Lima
Aluna: Bruna Paula Veloso – es 97638
25 de setembro de 2019
Viçosa - MG
DENSIDADE E MASSA MOLAR PELA EFUSÃO E DIFUSÃO DOS GASES
RESUMO:
O experimento 04 tem como objetivo verificar experimentalmente a Lei de Efusão de Graham, e a partir disso, determinar a densidade e a massa molar dos gases utilizados no experimento. Foi verificado o tempo de efusão, através de um aparelho de Schilling, de quatro gases disponíveis: ar atmosférico, oxigênio (O2), dióxido de carbono (CO2) e nitrogênio (N2). 
INTRODUÇÃO:
	As propriedades físicas de uma amostra de uma substância caracterizam o seu estado físico da matéria, como por exemplo o gás. Um gás é definido como uma substância que se expande espontaneamente para preencher completamente seu recipiente de maneira uniforme. Os gases considerados perfeitos/ideais são os quais, em média, as interações do tipo atrativas contrabalanceiam com as interações do tipo repulsivas, consequentemente, podemos hipoteticamente dizer que o gás ideal não interage.
	Para descrever o comportamento dos gases são levados em consideração 4 variáveis: pressão, temperatura, volume e número de mols. A pressão (P) é o resultado macroscópico do movimento microscópio das partículas. É provocada pelas colisões com as paredes do recipiente em que o gás está contido. A temperatura (T) reflete o grau de agitação das moléculas, e em uma das suas definições, a temperatura é energia cinética. O volume (V) é o espaço ocupado pelas partículas do gás que estão livres para se movimentarem. O número de mols (n) é a relação existente entre a massa (m) e a massa molar (M).
(equação 1)
	O estado termodinâmico é definido pela equação abaixo, que é uma combinação da Lei de Boyle, Charles e Gay-Lussac e o princípio de Avogadro. 
(equação 2)
Onde, R é a constante universal dos gases perfeitos e que assume valores diferentes para diversos gases. 	
Thomas Graham (Glasgow, 21 de dezembro de 1805  16 d e setembro de 
1869) foi um que ímico britân ico, conhecido por su as pesq uisas n a difusão de 
gases e líquidos na química dos colóides. 
Thomas Graham (Glasgow, 21 de dezembro de 1805 - 16 de setembro de 1869) foi um químico britânico, conhecido por suas pesquisas com efusão e difusão de gases e líquidos na química dos coloides.
A efusão é um fenômeno físico que consiste na passagem de um gás através de um orifício existente na parede do recipiente que está contido. Este fenômeno está relacionado com a energia cinética das moléculas 
A difusão é um fenômeno físico que consiste na capacidade de um gás de se misturar com outro em um mesmo recipiente. Essa propriedade que os gases possuem é em decorrência de suas partículas se movimentarem de forma rápida e contínua.
Segundo a lei de efusão e difusão de Graham (1830): “as velocidades com que os gases atravessam pequenos orifícios ou paredes porosas são inversamente proporcionais as raízes quadradas de duas densidades”.
(equação 3)
Tal que, v e d são velocidade e densidade do gás, respectivamente.
Em outra versão da mesma lei, se empregam volumes iguais de gases diferentes, portanto com massas molares (M) diferentes, em condições idênticas, suas velocidades de efusão são inversamente proporcionais aos respectivos tempos de efusão.
Outra versão da Lei de Graham re laciona a velocidade d e d ifusão ou efusão de 
um gás com sua massa molar. Essa velocidade é inversamente proporcional ao 
quadrado de sua massa molar, ou seja, quanto mais pes ado o gás, menor sua 
velocidade de efusão
(equação 4)
Tal que, K = constante do aparelho. 
A fórmula nos mostra que a massa molar de qualquer gás interfere diretamente na sua velocidade de efusão, visto que, quando menor a massa molar, mais fácil será para o gás realizar a efusão ou difusão.
Outro conceito importante é o de densidade (d). A densidade é a relação existente entre a massa (m) e o volume de um material, a uma dada pressão e temperatura. 
(equação 5)
	A densidade do ar saturado com vapor de água em qualquer temperatura pode ser calculada a partir da correspondente densidade do ar seco à mesma temperatura:
(equação 6)
Tal que, du = densidade do ar úmido em (g/L); H, P e T são pressão atmosférica e pressão de vapor em mmHg, e temperatura absoluta em K, nas condições ambientais.
	A densidade do ar seco depende da temperatura e pressão:
(equação 7)
Tal que, ds = densidade do ar seco em (g/ml); t e H são temperatura (°C) e pressão em cmHg, respectivamente.
OBJETIVOS:
	Verificar experimentalmente a Lei de estados de Graham. Determinar a densidade e a massa molar dos gases de prova, usando esta lei.
REAGENTES E EQUIPAMENTOS:
Aparelho de Schilling 
Solução aquosa colorida com indicador de pH
Sacos plásticos com os gases de prova: N2, O2, CO2 e ar.
Cronômetro
TECNICA EXPERIMENTAL:
Encheu-se o bulbo A com solução aquosa colorida com indicador de pH até, aproximadamente, ¾ da sua capacidade. O nível do líquido não ultrapassou a altura da torneira.
Ligou-se o saco com o primeiro gás de prova ao sistema.
Introduziu-se o gás de prova abrindo-se a torneira para o lado do gás e abaixando-se o bulbo A, até que ao nível de água do lado da torneira desceu abaixo da marca a, do lado do bulbo B. Fechou-se a torneira, colocou-se o bulbo A na posição inicial e preparou-se o cronômetro.
Esperou-se alguns minutos para que reestabeleça as condições ideais de medida (paredes secas).
Abriu-se a torneira de duas vias para o lado da saída capilar, e registrou-se o tempo necessário para o líquido descocar o gás entre as marcas a e b, do lado do bulbo B.
Repetiu-se o processo para todos os gases de prova (a partir do momento que se conectou o gás de prova).
Os valores de temperatura 
ambiente e pressão atmosférica foram registrados ao início da prática.
Os valores de temperatura 
ambiente e pressão atmosférica foram registrados ao início da prática.
Registrou-se os valores de temperatura ambiente e pressão atmosférica no início da prática.
RESULTADOS E DISCUSSÕES:
Os tempos de efusão de cada gás de prova obtido após a realização do experimento se encontram na tabela a seguir:
	GÁS
	TEMPO DE EFUSÃO
	Ar
	48,64 segundos
	46,77 segundos
	48,50 segundos
	O2
	54,60 segundos
	56,91 segundos
	55,82 segundos
	CO2
	59,83 segundos
	59,32 segundos
	60,13 segundos
	N2
	47,21 segundos
	46,79 segundos
	46,31 segundos
(Tabela 1: Tempos de efusão de cada gás do experimento)
Agora, o valor médio do tempo de efusão de cada gás:
	GÁS
	TEMPO MÉDIO DE EFUSÃO
	Ar
	47,97 segundos
	O2
	55,78 segundos
	CO2
	59,76 segundos
	N2
	46,77 segundos
(Tabela 2: Tempo médio de efusão de cada gás do experimento)
A pressão atmosférica e a temperatura no dia da realização do experimento eram 709,5 mmHg e 28°C, respectivamente.
Cálculo da constante K do aparelho, considerando a massa molar e o tempo médio de efusão do gás N2.
De acordo com a equação 5:
Massa molar do gás N2 = 28,0134 g/mol
(equação 8)
(equação 9)
Cálculo da massa molar teórica dos outros gases de prova, levando em consideração a constante K:
Para o ar:
(equação 10)
Para o O2:
(equação 11)
Para o CO2:
(equação 12)
Cálculo do erro (E) do experimento através da massa molar do CO2 e O2 reais (em porcentagem):
(equação 13)
Tal que, valor teórico e valor real
Para o O2:
M real O2 = 
(equação 14)
Para o CO2:
M real CO2 = 
(equação 15)
Cálculo das densidades a partir da densidade do ar:
Levando em consideração a equação 7:
Como dito anteriormente, a pressão era 709,5 mmHg = 70,95 cmHg e a temperatura era 28°C.
(equação 16)
Densidade do ar seco = 
Cálculo da densidade dos outros gasesde prova a partir da densidade do ar seco:
Levando em consideração a equação 4:
Para o gás oxigênio:
(equação 17)
(equação 18)
(equação 19)
Para o gás dióxido de carbono:
(equação 20)
(equação 21)
(equação 22)
Para o gás Nitrogênio:
(equação 23)
(equação 24)
(equação 25)
	A seguir a tabela com a relação do tempo médio, densidade e massa molar de cada gás do experimento.
	GÁS
	TEMPO DE EFUSÃO MÉDIO
	DENSIDADE
	MASSA MOLAR
	N2
	46,77 segundos
	
	28,0134 g/mol
	Ar
	47,97 segundos
	
	aproximadamente 29 g/mol
	O2
	55,78 segundos
	
	31,998 g/mol
	CO2
	59,76 segundos
	
	44,01 g/mol
(Tabela 3: Relação do tempo médio, densidade e massa molar de cada gás do experimento)
Com a realização do experimento, deve-se verificar a validade da Lei de Graham, ou seja, verificar-se que a fórmula que relaciona as massas molares dos gases e suas velocidades de efusão é aplicável para qualquer gás nas mesmas condições de temperatura e pressão. De acordo com a lei, o gás que teria o maior tempo de efusão seria o que possui a maior massa molar, ou seja, o CO2, O2, Ar atmosférico e N2.
Após a realização da prática foi observado que a lei é realmente aplicável, considerando que o tempo efusão de cada gás aumentou de acordo com a massa molar do gás de prova.
As discrepâncias entre os valores da velocidade do ar e o oxigênio (mesmo com a massa molar próxima) se deve a taxa de erro do experimento. Algumas formas de erro que podem ter influenciado o experimento são:
Não exatidão do cronometro;
Erro humano;
Vazamento de gás através do saco;
Impurezas nos gases;
Má vedação do equipamento, consequentemente, efusão natural;
Solubilização do gás na solução aquosa colorida com indicador de pH.
Mesmo, se ocorrido alguns desses erros experimentais, os resultados não foram comprometidos, pois os cálculos dos erros são baixos e o resultado foi condizente com a teoria.
A seguir, um gráfico mostrando a relação de tempo de efusão com a massa molar dos gases utilizados na realização do experimento.
(Gráfico 1:Massa molar em função do tempo de efusão dos gases de prova)
REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS:
CASTELLAN, Gilbert. Fundamentos de físico química. Rio de Janeiro. Editora LTC, 1986 
ATKINS, Peter. Físico-Química. Vol. 1. Rio de Janeiro. Editora LTC, 2003
Caderno de práticas – Físico-química 1. Viçosa-MG, 2018
https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/quimica/o-que-e-densidade.htm
https://brasilescola.uol.com.br/o-que-e/quimica/o-que-e-difusao-efusao.htm
https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/lei-graham.htm
https://pt.wikipedia.org/wiki/Densidade_do_ar