Capítulo 1 - Gases

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Curso de Engenharia Ambiental
Físico Química
Prof. Leonardo Neves
Ementa
Gases ideias e reais. Princípios da Termodinâmica. Equilíbrio de Fases. Equilíbrio Químico. Cinética Química. Fundamentos da Eletroquímica.
Objetivos
Utilizar as definições, conceitos e métodos da termodinâmica para explicar os aspectos físicos e químicos no cotidiano.
Aplicar as definições e conceitos das propriedades coligativas nos processos físico-químicos relacionados à área de pesquisa e ensino de química.
Empregar as definições e conceitos da termodinâmica nos processos físico-químicos relacionados à área de química. 
Conteúdo Programático
UNIDADE I:
GASES IDEIAIS E REAIS.
PRINCÍPIOS DA TERMODINÂMICA.
EQUILÍBRIO DE FASES.
Conteúdo Programático
UNIDADE II:
EQUILÍBRIO QUÍMICO;
FUNDAMENTOS DA CINÉTICA QUÍMICA;
FUNDAMENTOS DA ELETROQUÍMICA.
Introdução
Forma	e	Volume dos Gases:
	Sólido		Fixa				Fixo
	Líquido
	Gasoso		Variável			Variável
Estudo Físico dos Gases
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Introdução
Moléculas		- Afastadas (partículas estão muito afastadas);
	ou 			- Movimento Contínuo (sempre em movimento);
Átomos			- Alta Compressão ou Expansão (pressão).
Estado dos Gases
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Conceitos de Gás:
Estado físico da matéria no qual as moléculas possuem a maior energia cinética, permanecendo com o máximo de afastamento uma das outras, gerando o famoso “caos molecular”.
É o estado de maior entropia do sistema (maior desordem molecular).
Gás Ideal:
Modelo físico, hipotético, imaginário de gás, no qual não são consideradas as interações entre as moléculas e tampouco o volume por elas ocupado no espaço.
Conceitos de Gás:
Gases Reais:
São exceções ao comportamento ideal, basicamente porque as moléculas de gás têm volume finito e porque as forças atrativas existem entre as moléculas.
Cinética Molecular dos Gases:
Supõe-se que os átomos ou moléculas que constituem os ga- ses são massas pontuais que se movem ao redor com uma energia cinética média, proporcional à temperatura do gás. 
Composição da Atmosfera
Distribuição percentual média de gases na atmsfera terrestre.
	Tabela 1: Distribuição de Gases em Percentual
	Gases	Percentual (%)
	Nitrogênio (N2)	78,08%
	Oxigênio (O2) 	20,95%
	Argônio (Ar)	0,93%
	Dióxido de Carbônico (CO2)	0,033%
	Neônio (Ne)	0,0018%
	Hélio (He)	0,00052%
	Metano (CH4)	0,00017%
	Hidrogênio (H2)	0,00005%
BRAGA, 2005 e PHILIPPI, 2004
Composição da Atmosfera
Tabela 2: Compostos comuns que são gases à temperatura ambienta
	Gases	Características
	Cianeto de Hidrogênio (HCN)	Muito tóxico e odor leve de amêndoas azedas 
	Sulfeto de Hidrogênio (H2S) 	Muito tóxico e cheiro de ovo podre
	Monóxido de Carbono (CO)	Tóxico, sem cor e sem cheiro
	Dióxido de Carbono (CO2)	Sem cor e sem cheiro
	Etileno (C2H4)	Sem cor e frutas maduras
	Propano (C3H8)	Sem cor e gás engarrafado
	Metano (CH4)	Sem cor, sem cheiro e inflamável
	Óxido Nitroso (N2O)	Sem cor; cheiro doce e gás hilariante
	Dióxido de Nitrogênio (N2O)	Tóxico, marrom-avermelhado e odor irritante
	Amônia (NH3)	Sem cor e odor pungente
	Dióxido de Enxofre (SO2)	Sem cor e odor irritante
Estrutura Vertical da Atmosfera
Conceito de Poluição Atmosférica
De acordo com SPIRO (2008) o processo de poluição do ar se resume a três momentos: (1) emissão de poluentes para a atmosfera; (2) transporte, diluição e modificação química ou física dos poluentes na atmosfera; (3) imissão dos poluentes. 
EMISSÃO
Aspecto ambiental
TRANSPORTE
Ventos, Gradiente térmico
IMISSÃO
Impacto ambiental
Identificação: Tipos de Poluentes
Os Poluentes podem ser classificados como:
Primários: aqueles lançados diretamento no ar, ex: (COx).
Secundários: formam-se na atmosfera por meio de reações que ocorrem em razão de presenças de substâncias químicas e de determinadas condições físicas, ex: Ácido Sulfúrico (H2SO4) e o Ozônio (O3).
Do ponto de vista Espacial:
Móveis e Estacionários.
Quanto a dimensão de Área atingida:
Globais e Locais.
Principais Variáveis dos Gases:
Pressão (P), Temperatura (T) e Volume (V)
Pressão (P): 	P = F .		F = m.a
							 A
	Unidades: atm, mmHg, Torr, bar,...
1 atm = 760mmHg = 760 torr = 1,01325x105 Pa = 101,325kPa
Volume (V): mL = cm3; L = dm3
	1dm3 = 1L = 1000mL			 m3
Temperatura (T): Kelvin (K)
	T(K) = t (ºC) + 273
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Principais Variáveis dos Gases:
Pressão (P): 	P = F .
							 A
	F = m.a
Acelação da pela gravidade = 9,8 m/s2
1 m2 de coluna de ar de seção transversal até a atmosfera, essa coluna vai ter uma massa 10.000kg.
F = (10.000kg) . (9,8 m/s2) = 1x105 kg.m/s2 = 1x105 N
1N = 1 kg.m/s2
P = F = 1x105N = 1x105N/m2 = 1x105 Pa = 1x102 KPa
	 A		 1m2
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Transformaçõs Gasosas – Lei dos Gases
Uma variável é mantida constante e as demais sofrem mudanças.
São de três tipos:
Isotérmica (Temperatura constante);
Isobárica (Pressão Constante);
Isovolumétrica (Volume Constante).
1ª Lei - Isotérmica: (T constante)
	Relação entre P e V.
	P1.V1 = P2.V2 				Lei de Boyle
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Transformaçõs Gasosas – Lei dos Gases
2ª Lei - Isobárica: (P constante)
	Relação entre V e T.
	V = constante 				V1 = V2
	T								 T1 T2
3ª Lei – Isovolumétrica/Isométrico/Isocórico: (V constante)
	Relação entre T e P.
	P = constante 				P1 = P2
	T								T1 T2
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Transformaçõs Gasosas – Lei dos Gases
Isotérmica: (T constante)
		P1.V1 = P2.V2 
Isobárica: (P constante)					Equação Geral dos 				V1 = V2									Gases:
		 T1 T2									P1.V1 = P2.V2
Isovolumétrica: (V constante)				T1		 T2
		P1 = P2
		T1 T2										nº de mols é 																	constante
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Equação de Clayperon (Estado do gás)
P.V = n.R.T 		 Por Você = nunca Rezei Tanto 
P = atm
V = L
n = nº mols
R = 0,082 (constante)
T = K
R = 0,082 atm . L		R = 8,31 J		.	R = 2 cal .
				 mol . K				 mol . K		 mol . K
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Equação de Clayperon (Estado do gás)
 Condições normais de temperatura e pressão (CNTP)
P = 1 atm ou 760 mmHg
T = 0 ºC ou 273 K
	P . V = cte
		T
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	P	V	R
	atm	L	0,082
	mmHg	L	62,3
	Pa	m3	8,309
	Pressão
	1 Kpa = 1000 Pa
	1 Kpa = 7,5 mmHg
	1 Kpa = 9,87 . 10-3 atm
	1 atm = 760 mmHg
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Exercícios
(ENEM) Uma pessoa abre uma geladeira, verifica o que há dentro e depois fecha a porta dessa geladeira. Em seguida, ela tenta abrir a geladeira novamente, mas só consegue fazer isso depois de exercer uma força mais intensa do que o habitual. A dificuldade extra para reabrir a geladeira ocorre porque:
O volume do ar dentro da geladeira diminuiu;
O motor da geladeira está funcionando com potência máxima;
Força exercida pelo imã fixado na porta da geladeira aumenta;
A pressão no interior da geladeira está abaixo da pressão externa;
A temperatura no interior da geladeira é inferior ao valor existente antes de ela ser aberta.
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Exercícios
(ITA) 80L de gás hidrogênio a uma pressão P são submetidos a transformação isotérmica, até que a pressão final seja ¼ da inicial. O volume ocupado pelo gás no estado final é:
40L;
20L;
84L;
100L;
320L.
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Exercícios
A cada 10 m de profundidade a pressão sobre um mergulhador aumenta 1 atm com relação a pressão atmosférica. Sabendo-se disso, qual seria o volume de 1L de ar (comportando-se como gás ideal) inspirado pelo mergulhador ao nível do mar, quando ele estivesse a 30 m de profundidade:
3 L;
4 L;
25 mL;
250 mL;
333 mL.
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Exercícios
Certa massa gasosa ocupa um volume de 800mL a -23ºC, numa dada pressão. Qual é a temperatura na qual a mesma massa gasosa, na mesma pressão, ocupa um volume de 1,6L:
250 K;
350 K;
450 K;
500 K;
600 K.
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Exercícios
Um recipiente fechado contém hidrogênio à temperatura de 30ºC e pressão de 606mmHg. A pressão exercida quando se eleva a temperatura a 47ºC, sem variar o volume será:
120 mmHg;
240 mmHg;
303 mmHg;
320 mmHg;
640 mmHg.
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Exercícios
Um recipiente de 6,0 L contém hélio exercendo a pressão de 0,82 atm a 21ºC. O nº de mols do gás no recipiente é igual a?
De acordo com as regras de futebol, uma bola oficial deve ter 22 cm de diâmetro, massa de 410 g a 450 g e uma pressão de 50 Kpa a 70 Kpa. A massa molardo elemento oxigênio é de 16 g/mol e a temperatura ambiental de 25ºC, determine a massa no interior da bola nas condições apresentadas.
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Exercícios
Um balão de 350,0 ml contém 0,1500 mol de ar em 24ºC. Qual a pressão do gás em quilopascal?
Um gás tem volume de 350 cm3 a 99 Kpa. Qual será o volume do gás em 120 Kpa, se a temperatura permanecer constante?
Umas amostra de SO2 ocupa 1,45 dm3 a 2,75 atm. Considerando que não há variação de temperatura, que que volume ocupará a 107 Kpa?
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Cap ítulo 10 Gases 337 
Pressão atmosférica e o barômetro 
Você, eu, os cocos e as moléculas de nitrogênio, todos sofrem força atrativa que nos impele em direção ao cen-
tro da Terra. Quando um coco cai do coqueiro, por exemplo, a força atrativa gravitacional faz co1n que ele seja im-
pelido com rapidez en1 direção à Terra, aumentando a velocidade à medida que sua energia potencial é convertida 
em energia cinética. - (Seção 5.1) Os átomos e as moléculas na atmosfera também sofrem aceleração gravitacio-
nal. Entretanto, como as partículas gasosas têm massas tão reduzidas, as respectivas energias térmicas de movi-
mento superan1 as forças gravitacionais, de forma que a atmosfera não se acumula em uma camada fina na 
superfície da Terra. Contttdo, a gravidade age, e faz co1n que a atmosfera como um todo pressione a superfície, 
criando uma pressão atmosférica. 
A existência da pressão atmosférica pode ser determinada com uma garrafa de plástico vazia de água ou de re-
frigerante. Se você tii-ar o ar de uma garrafa vazia com a boca, a possibilidade é que ela se feche parcialmente. 
Quando você quebra o vácuo pai-ciaJ que criou, a garrafa volta à s ua forma original. O que faz com que a garrafa se 
feche quando a pressão interna é reduzida, mesmo com as quantidades relativamente pequenas que você é capaz 
de produzir com seus pulmões? A atmosfera está exercendo certa força do lado de fora da garrafa que é maior que 
a força denb·o da garrafa quando parte do gás é sugado. 
Pode-se calcular o valor da pressão atmosférica como segue: a força, F, exercida por qualquer objeto é o produ-
to de sua massa, 1111 pela aceleração, n; F = n1a. A aceleração prodtLZida pela gravidade da Terra é 9,8 m/s2• C11D (Se-
ção 5.1) Agora imagine uma coluna de ar de 1 m2 de seção transversal até a atmosfera. Essa coluna 
tem massa de aproximadamente 10.000 kg (Figura 10.1). A força exercida pela coluna é 
F = (10.000 kg)(9,8 m /s2) = 1 x 105 kg m /s2 = 1x105 N 
A unidade SI para força é kg m /s2 e é chamada Ne<vton (N): 1N=1 kg m/s2. A pressão exercida por uma coluna 
é a força dividida por sua área da seção transversal, A. 
F 1 X 10 5 N 5 2 5 2 P = - = =1x10 N/m =1x10 Pa = l x 10 kPa 
A 1 m 2 
A unidade SI de pressão é N/m2• A ela deram o nome de pascal (Pa) em homenagem a Blaise Pascal 
(1623-1662), um mateo1ático e cientista francês: 1Pa =1 N/m2. Outra unidade relacionada, usada algumas vezes 
para expressar pressão, é o bar, que é igual a 105 Pa. A pressão atmosférica no nível do n1ar é aproximadamente 
100 kPa ou 1 bar. A pressão atmosférica real em qualquer local depende das condjções do tempo e da altitude. 
No início do século XVU, acreditava-se que a atmosfera não tinha peso. Evangelista Torricelli (1608-1647), que 
foi discípulo de Galileu, inventou o bnrô111etro (Figura 10.2) para mostrar que a atmosfera tinha peso. Um tubo de vi-
dro com mais de 760 mm de comprimento, fechado em uma ponta, é completan1ente cl1eio com mercúrio e inverti-
do dentro de um prato que contém mais mercúrio. Deve-se ter cuidado para que o ar não entre no tubo. Parte do 
mercúrio escorre quando o tubo é invertido, mas wna coluna de mercúrio permanece no tubo. Torricelli argumen-
tou que a superfície de mercúrio no prato sofre a força total, ou peso, da atmosfera terrestre. Como não existe ar (e, 
conseqüentemente, não existe pressão atn1osférica) acima do mercúrio no tubo, este é empurrado para cima no 
tubo até que a pressão na base, relativa à massa da coluna de mercúrio, equilibre a pressão atmosférica. Portanto, a 
altura da coluna de mercúrio é uma medida da pressão atmosférica; logo, ela variará à medida que a pressão varie. 
Força 
gravitacional 
Coluna de ar de 1 m2 
(massa = 104 kg) 
l atm de pressão 
na superfície 
Figura 10.1 Ilustração da forma 
com que a atmosfera da Terra 
exerce pressão na superfície do 
planeta. A massa de urna coluna 
de atmosfera com exatamente 
1 m2 de seção transversal e 
estendendo-se até o topo da 
atmosfera exerce força de 
1,01 X 105 N.