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AULA 01 - GASES
QUÍMICA GERAL II – QGE2001
Profa. Marcia Margarete Meier
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CONCEITOS QUE VOCÊ DEVE DOMINAR PARA ACOMPANHAR AS AULAS
-Matemática básica
-Noções de gráficos
-Forças intermoleculares
HABILIDADES QUE VOCÊ IRÁ ADQUIRIR COM ESTE CONTEÚDO
- Compreender a Lei dos Gases ideais
- Compreender os experimentos realizados por Boyle, Charles, Avogadro e Dalton
- Elaborar e Interpretar gráficos
- Correlacionar gráficos lineares com a equação dos gases ideais
- Aplicar a equação dos gases ideias em situações do cotidiano
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As Propriedades dos Gases
O que estas imagens dizem sobre os gases?
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As Propriedades dos Gases
Um gás é um conjunto de moléculas (ou átomos) em movimento permanente e
aleatório, com velocidades que aumentam quando a temperatura se eleva.
Um gás pode se transformar em um líquido (liquefação)? Como?
O que ocorre a nível molecular?
Diferentes estados de agregação da matéria.
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Estados de agregação da matéria
O que causa os diferentes estados de agregação da matéria?
Distância entre as moléculas/átomos
Repulsão e atração entre as
moléculas/átomos
Equilíbrio de forças
Interação (forças intermoleculares)
ou conhecido como
Energia potencial de interação
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Energia potencial de interação
q1 q2
Eatração carga-carga =_____________
4 εor12
repulsão
repulsão
atração
Lei de Couloumb
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Revisão:
Forças Intermoleculares
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Revisão:
Forças Intermoleculares
A capacidade de atração/repulsão entre as moléculas (não iônicas) depende
do dipolo (permanente ou induzido) gerado por moléculas.
A intensidade do momento de dipolo (µ) depende de dois fatores:
• Diferença de eletronegatividade entre átomos;
• Geometria das moléculas
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Revisão:
Forças Intermoleculares
Por que O2 dissolve-se em
água?
Polarizabilidade
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Revisão:
Forças Intermoleculares
1)Justifique o aumento da temperatura de ebulição das substâncias químicas abaixo:
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Revisão:
Forças Intermoleculares
2) Por que Butano (gás de cozinha) pode ser liquefeito?
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Revisão:
Forças Intermoleculares
3) Coloque as seguintes substâncias em ordem crescente de força
intermolecular, justificando.
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Revisão:
Forças Intermoleculares
4) Considere as bases nitrogenadas citosina, timina, guanina, adenina
responsáveis pela interação entre as cadeias do DNA. Diga quais bases
nitrogenadas podem e não podem interagir, mostrando como e por que.
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Revisão:
Forças Intermoleculares
5) Quais informações relevantes você pode extrair do gráfico abaixo?
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Revisão:
Forças Intermoleculares
6) Por que gelo flutua sobre a água? Uma garrafa de refrigerando congelada
pode estourar na geladeira?
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Revisão:
Forças Intermoleculares
7) Explique a imagem abaixo, qual a correlação com as forças intermoleculares:
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Revisão:
Forças Intermoleculares
8)A Tabela abaixo traz os valores de solubilidade de alguns gases em água.
Considerando os valores tabelados, percebe-se que oxigênio apresenta a maior
solubilidade em água. Essa característica é de fundamental importância para a
sobrevivência de organismos vivos nos rios e lagos. Responda: a) como justificar a
solubilidade de uma molécula apolar, como o oxigênio, em água? b) como
justificar a diferença de solubilidade em água entre H2, N2 e O2?
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Estados Físicos
Como transformar a mesma matéria nos diferentes estados físicos?
• Variação de pressão
• Variação de volume
• Variação de temperatura
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Propriedade dos Gases
•
•
•
•
Comportam-se de forma caótica;
Não ocupa lugar definido no espaço, por si só não tem fronteira;
Não tem forma definida, adquirindo a forma do recipiente;
O choque de suas moléculas ou átomos contra a parede do recipiente que
os contém se traduz em uma propriedade denominada PRESSÃO.
P = Força (N)
Área (m2)
N/m2 = Pascal (Pa) pelo SI.
J= 1 N.m = 1 kg.m².s-2
1 atm = 101325 Pa = 760 mmHg = 760 Tor
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Propriedade dos Gases
Outra propriedade dos gases é seu volume (V) que eles ocupam quando
confinados em um espaço limitado fisicamente.
V é medido em m3 pelo SI
1 m3 = 1000 L
Tanto a Pressão como o Volume estão relacionados com a Temperatura de um
gás (T).
T é expresso em Kelvin (K) pelo SI
1K = oC + 273,15
A quantidade do gás também é uma variável que define o comportamento
de um gás e é medida em número de mols (n).
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Propriedade dos Gases
• O comportamento de um gás é definido por quatro variáveis:
P
V
T
n
Descreve o Estado do Gás
Equação de Estado!
Mas, as forças intermoleculares não afetam o comportamento dos gases?
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Lei dos Gases Ideais
• Os estudos iniciais dos gases desconsideravam as forças intermoleculares.
Então um
gás não
pode ser
liquefeito!?
??
• Diz-se que nesta situação o comportamento do gás é IDEAL ou PERFEITO.
• Na verdade o gás ideal é apenas um modelo (uma idealização) que parte do
pressuposto que as interações entre as moléculas são nulas!
• Por definição, o modelo de gás ideal parte dos seguintes princípios:
1) O gás ideal é composto por partículas tão minúsculas comparadas ao
volume do gás, que podem ser consideradas como pontos no espaço com
volume zero;
2) Não há interações, atrativas ou repulsivas, entre as partículas do gás.
• Em qual situação se espera ausência de interação entre as moléculas/átomos
de um gás?
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Lei dos Gases Ideais
Alguns dos primeiros experimentos de Físico-Química envolveram o estudo de
gases num abordagem empírica na compressão dos sistemas químicas.
Abordagem empírica: são realizadas e correlacionadas várias observações
experimentais de modo a se obter leis que descrevem e explicam o
comportamento da matéria.
Por outro lado, sistemas químicos podem ser abordados teoricamente.
Abordagem teórica: é construído um modelo para descrever o comportamento
das moléculas do sistema, e esse modelo é usado para descrever uma teoria .
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Lei dos Gases Ideais
Lei de Boyle, 1661
Realizou experimentos com gases mantendo a
massa e temperatura constantes.
Lei de Charles e Gay-Lussac, 1787
Realizaram experimentos com gases mantendo a
massa e a pressão constantes.
Lei de Avogadro, 1811
Realizou experimentos com diferentes gases, mas mantendo o
número de mols dos gases constantes.
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Lei dos Gases Ideais
Lei de Boyle
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Lei dos Gases Ideais
Lei de Boyle
1) Vamos elaborar um gráfico de P vs V:
2) Agora, faça outro gráfico mas de V vs. 1/P.
Veja que o gráfico
torna-se linear!
3) Agora , calcule o coeficiente angular da reta e coeficiente linear.
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Lei dos Gases Ideais
Lei de Boyle
P1 x V1 = k
P2 x V2 = k
P1 x V1 = P2 x V2
V2 = k
P2
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Lei dos Gases Ideais
Lei de Boyle
Temperatura constante = Isoterma
A curva acima é chamada de hipérbole. Ao multiplicar xy = constante
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Lei dos Gases Ideais
Lei de Boyle
Teoria cinética dos gases quando:
A pressão do gás aumenta quando o volume do recipiente diminui?
Lembre-se que a pressão do gás nas paredes do recipiente devem-se às colisões
das moléculas nas paredes.
• Se o volume do recipiente é reduzido, as moléculas do gás tem uma distância
mais curta para deslocar-se antes de colidir com as paredes do recipiente.
• Isto significa que elas colidirão com as paredes mais frequentemente.
• O aumento da frequência de colisões com as paredes causa o aumento da
pressão.
http://www.physchem.co.za/OB11-mat/kinetic4.htm
https://phet.colorado.edu/en/simulation/gas-properties
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Lei dos Gases Ideais
Lei de Charles ou Gay-Lussac
1) Elabore um gráfico T vs. V (a pressão e massa constante),
lembrando de deixar espaço para escala negativa do eixo x.
2) Extrapole a linha do gráfico para V = 0. Qual será o valor da temperatura?
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Lei dos Gases Ideais
Lei de Charles ou Gay-Lussac
Pressão constante = Isobárico
Volume constante= Isométrica
Qual explicação molecular para P = 0, quando T = 0?
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Lei dos Gases Ideais
Lei de Charles ou Gay-Lussac
Teoria cinética dos gases quando:
O volume do gás aumenta quando a temperatura se eleva à pressão constante?
• O aumento da T causa um aumento na velocidade das moléculas;
• Isso resulta numa maior força exercida pelas moléculas nas paredes do recipiente;
• Para manter a força (consequentemente a pressão) constantes, o número de
colisões de moléculas/área deve diminuir.
• A única maneira de fazer isso é aumentando a distância percorrida pelas
moléculas, ou seja, aumentando o volume do recipiente que contém as moléculas.
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Lei dos Gases Ideais
Lei de Avogadro: permite calcular o volume molar
T2
T1
T2 > T1
Sistema Isotérmico e Isóbaro
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Lei dos Gases Ideais
Lei de Clayperon: Uniu os resultados experimentais
de Boyle, Charles, Gay-Lussac e Avogadro.
atm
L
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Lei dos Gases Ideais
Lei de Clayperon: Uniu os resultados experimentais
de Boyle, Charles, Gay-Lussac e Avogadro.
Esta equação é uma equação de estado dos gases ideais (descreve as
propriedades de um gás) quando a pressão tende a zero. Pois nesta condição as
forças intermoleculares podem ser desconsideradas.
R = constante dos gases ideais, P tendendo a zero
8,314 JK-1mol-1
0,08205 L atm K-1mol-1
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Lei dos Gases Ideais
Como converter unidades....
Suponha que você necessite converter a
constante universal dos gases, R de
8,314 J K-1mol-1 para a unidade em
??
cal K-1mol-1
1 cal = 4,184 J
Então,
1cal/4,184 = J
8,314 J K-1 mol-1
8,314 cal/4,184 K-1 mol-1
8,314/4,184 cal K-1 mol-1
1,987 cal K-1 mol-1
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Lei dos Gases Ideais
Como converter unidades....
Suponha que você necessite converter a
constante universal dos gases, R de
0,082057 atm L K-1mol-1 para a unidade em
??
J K-1mol-1
atm = 101325 Pa
0,08205 atm L K-1mol-1
J = Pa.
J = N.m
Pa = N/m2 ou N = Pa.m2
m2.m
0,08205x101325 Pa L K-1mol-1
= Pa.
m3
= Pa. 1000L
Se, J = Pa. 1000L
Então, J/1000 = Pa. L
0,08205x101325 J K-1mol-1
1000
8,314 J K-1mol-1
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1) Qual será o volume molar de um gás ideal nas Condições Ambientes de
Temperatura e Pressão (CNATP), quando T = 25oC.
2)Uma das aplicações da teoria dos gases ideais na prática farmacêutica é do
doseamento gasométrico de substâncias que, quando decompostas em meio
ácido, liberam gás.
Qual é o grau de pureza de uma amostra de 2,0 g de bicarbonato de sódio
(NaHCO3) sabendo-se que a mesma, quando em contato com HCl, libera 0,480
L de CO2, medido a 273 K e 1 atm? Considere que CO2 tenha comportamento
de gás ideal nestas condições.
V teórico = 0,533 L Pureza = 0,480 L/0,533x100 = 90,06%
3)Uma amostra de 1 mol de gás ideal, inicialmente a 25oC e 1 atm de pressão é
aquecida isobaricamente até que seu volume duplique.
Após esta expansão, a amostra é resfriada isometricamente até a sua
temperatura inicial.
Depois dessa etapa, a amostra sofre compressão isotérmica até 1 atm.
Calcule a pressão, o volume e a temperatura de cada estado intermediário
pelo qual passa o gás e esboce as transformações em um diagrama P vs. V.
,
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Lei Combinada dos gases
Ao combinar a Lei de Boyle e Lei de Charles, obtem-se a Lei combinada dos
Gases:
Para uma quantidade
constante de gás, n
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Exercício:
Suponha que um balão preenchido com gás hélio seja lançado para a
atmosfera quando a temperatura for 22,5 oC e a pressão for 754 mmHg. Se o
volume do balão for 4,19 x 103L ( e não há escape de hélio do balão), qual será o
volume do balão a uma altitude de 20 milhas, onde a pressão é 76,0 mmHg e a
temperatura é de -33 oC?
Condição Inicial
Condições Finais
V1 = 4,19 x 103L
V1 = ??
P1 = 754 mmHg
P1 = 76,0 mmHg
T1 = 22,5 oC (295,7 K)
T1 = -33,0 oC (240,2 K)
Resposta: 3,38 x 104 L
,
41
Outras possibilidades...
Para uma quantidade
constante de gás, n
Quando V e n são
constantes
Quando T e n são
constantes
Quando P e n são
constantes
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Lei de Dalton – Mistura de Gases
Suponha três gases diferentes confinados em cilindros:
P T = P1 + P2 + P3
O que ocorrerá ao misturarmos os três gases?
Parte-se do princípio dos gases ideais, não há interação entre os gases.
Portanto, cada gás irá se comportar de forma independente ao outro.
Desta maneira, cada gás se comporta como se estivesse ocupando todo o
recipiente sozinho, mas as paredes do recipiente sentirão o choque de todas as
moléculas misturadas, portanto a pressão será modificada ao misturar os gases.
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Lei de Dalton – Mistura de Gases
PT = P1 + P2 + P3 +..... Σ Pi
Pressão parcial do gás 1
P1 = x 1PT
Fração molar do gás 1
Pressão total de todos os gases misturados
Qual a diferença entre fração mássica e fração molar??
Porcentagem podenral!
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4) A percentagem poderal (isto é, em massa) do ar seco, ao nível do mar, é
aproximadamente 75,5% de N2, 23,2 % de O2 e 1,3% de outros gases, cuja massa
molar média é 39,95 g/mol.
Qual é a pressão parcial de cada componente quando a pressão total é igual
a 1,00 atm?
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RESUMINDO.... GASES IDEAIS
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Colunas de mercúrio para medir
pressão
Historicamente, as pressões eram medidas pela
determinação da altura de uma coluna de
mercúrio em equilíbrio com a pressão atmosférica.
Quanto mais alta a pressão atmosférica, mais
longa a coluna de mercúrio que pode ser
sustentada no tubo.
P = hρ
ρg
ρ=densidade
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Colunas de mercúrio para medir
pressão
Exemplo:
Próximo da temperatura ambiente, a densidade (massa específica) do mercúrio
é 13,6 g.cm-3 e a da água é 1,0 g.cm-3. Calcule a altura de uma coluna de cada
líquido que suportaria uma pressão de 1 atm e sugira por que o mercúrio é
utilizado em barômetros em lugar da água.
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Lei dos Gases e Densidade
d = P.Mw
RT
Exercício:
Calcule a densidade do CO2 nas CNTP. O CO2 é mais ou menos denso do que
o ar (1,2 g/L)?
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Lei dos Gases e Densidade
Como o dióxido de carbono do
extintor de incêndio é mais denso
que o ar ele se acumula sobre o
fogo abafando-o.
Quando o gás CO2 é liberado do
tanque, ele se expande e se resfria
consideravelmente. A nuvem
consiste de CO2 sólido e umidade
do ar condensada.
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Lei dos Gases e Densidade
O ar seco, que tem massa molar média de 29 g/mol,
tem densidade de aproximadamente 1,2 g/L a 1 atm
e 25oC.
Os gases ou vapores com massas molares maiores
que 29 g/mol apresentam densidades maiores do
que 1,2 g/L nas mesmas condições de T e P.
Gases como CO2, SO2 e vapor da gasolina descem
ao nível do solo se liberados na atmosfera.
Lago Nyos, Camarões. Liberação de
CO2 causou a morte de 1700 pessoas
em 1986.
Gases como H2, He, CO, CH4 sobem se liberados na
atmosfera.