1
Equilíbrio Físico
Disciplina Química Geral II
Curso de Química – habilitação em licenciatura
Profa. Marcia Margarete Meier
2
Equilíbrio Físico
Estamos rodeados por substâncias que mudam de uma forma a outra enquanto
mantém sua identidade química.
Muitos líquidos que encontramos são soluções, e os solutos presentes nelas afetam
suas propriedades físicas, alterando a temperatura de fusão, ebulição, etc.
3
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
4
Energia potencial de interação
q1 q2
Eatração carga-carga =_____________
4 πεor12
repulsão
repulsão
atração
Lei de Couloumb
5
Revisão:
Forças Intermoleculares
6
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
7
Revisão:
Forças Intermoleculares
TIPO DE INTERAÇÃO de Van
der Waals
Energia típica, kJ/mol
Espécie que interagem
Íon-íon
250
Somente íons
Íon-dipolo
15
Íons e moléculas polares
Dipolo-dipolo
2 a 0,3
London
2
Todos os tipos de moléculas
Ligação de hidrogênio
20
N, O, F, pelo
compartilhamento de um
átomo de hidrogênio
Moléculas polares
*A força total experimentada por uma espécie é a soma de todas as forças nas quais
esta pode participar.
8
Forças Intermoleculares
Efeito na temperatura de mudança de fase
Efeito na miscibilidade
Efeito na volatilidade de substâncias
Forças Intermoleculares
Equilíbrio entre fases
Efeito na temperatura de
mudança de fase:
À medida que a temperatura
de uma substância aumenta,
suas moléculas adquirem
energia cinética. Se a
energia fornecida for
suficiente para vencer as
atrações entre as moléculas,
as moléculas têm energia
cinética suficiente para
escapar às forças atração de
suas vizinhas.
Temperatura, oC
9
Equilíbrio entre fases
10
Forças Intermoleculares
Efeito na miscibilidade
Dissolve: polaridade
semelhante
Etanol/água: homogêneo em qualquer
proporção.
Água/gasolina: imiscível (separação de
fases)
Não há dissolução
11
Forças Intermoleculares
Efeito na miscibilidade
Etanol/água: homogêneo em qualquer proporção.
Água/gasolina: imiscível (separação de fases)
A diferença nestas duas situações,é que o etanol e a água são
moléculas polares, por outro lado os hidrocarbonetos, como a
gasolina, são moléculas apolares.
As interações água-etanol são tão fortes que a energia empregada
na separação das moléculas de água para abrir espaço para as
moléculas de etanol é compensada pela energia de atração entre
os dois tipos de moléculas polares.
Por outro lado, as atrações entre água-hidrocarboneto são fracas, de
modo que o hidrocarboneto não consegue vencer as atrações
água-água.
12
A
B
Miscibilidade em termos termodinâmicos
Interação
∆Hmist
T∆
∆Smist
∆Gmist
Há
miscibilidade?
A-B mais forte
do que A-A, B-B
(-)
(-)
(-), grande
magnitude
sim
A-B muito mais
(+), grande
fraca do que AA e B-B
(-)
(+), grande
Não, mas
podem misturarse a altas
temperaturas
A-B mais fraca
do que A-A, B-B
(-)
(-), pequena
magnitude
sim
(+), pequeno
Forças Intermoleculares
13
Efeito na miscibilidade: substâncias parcialmente miscíveis
Parcialmente
miscível
{
14
Forças Intermoleculares: Pressão de vapor
Efeito na volatilidade de substâncias
Pressão de vapor
15
Forças Intermoleculares: Pressão de vapor
Pressão de vapor
Todo líquido está em equilíbrio com seu respectivo estado vapor (gás).
Pressão do
vapor sobre
o líquido
Estabelecendo o
Equilíbrio líquido-vapor
A pressão exercida pelo vapor
sobre o líquido é chamada de
Pressão de Vapor
A pressão de vapor de qualquer substância é uma
medida da tendência que suas moléculas têm de
escapar do líquido e migrarem para a fase vapor a uma
determinada temperatura.
16
Forças Intermoleculares: Pressão de vapor
Pressão de vapor
Todo líquido está em equilíbrio com seu respectivo estado vapor (gás).
Pressão do
vapor sobre
o líquido
Estabelecendo o
Equilíbrio líquido-vapor
A pressão exercida pelo vapor
sobre o líquido é chamada de
Pressão de Vapor
A pressão de vapor de qualquer substância é uma
medida da tendência que suas moléculas têm de
escapar do líquido e migrarem para a fase vapor a uma
determinada temperatura.
17
Forças Intermoleculares: Pressão de vapor
Pressão de vapor
Qual líquido irá evaporar antes?
Forças Intermoleculares: Pressão de vapor
18
Efeito forças intermoleculares
Efeito da
temperatura
{
{
Pressão de vapor
19
Forças Intermoleculares: Pressão de vapor
Pressão de vapor é a
pressão do vapor em
equilíbrio com sua
fase
condensada
(liquido).
Quando a taxa de
vaporização é igual a
taxa de condensação
diz que a solução está
em equilíbrio físico.
Vapor = gás
20
Exercício 1: Pressão de vapor
Suponha que você coloca 2,00 L de água em seu quarto desumidificado,
que tem um volume de 4,25 x 104L selando-o, e espera a água evaporar.
Quanta a água evaporará a 25oC, atingido o equilíbrio líquido-vapor?
Considere que a densidade da água é 0,997 g/mL e sua pressão de vapor é
23,8 mmHg.
Resposta: 983 mL
Forças Intermoleculares: Pressão de vapor
21
Pressão de vapor
Temperatura de ebulição Normal
Pressão atmosférica = pressão de vapor
Quanto maior a temperatura,
mais vapor de água estará
sobre a água líquida.
Pressão atmosférica
•Depende da temperatura
22
Forças Intermoleculares: Pressão de vapor
Relação entre pressão de vapor e temperatura de ebulição
Pressão atmosférica
Ebulição:
Velocidade de
vaporização é
maior que a
velocidade de
condensação
Pressão de vapor
Quando a pressão de vapor é
igual à pressão atmosférica o
líquido está em ebulição.
Temperatura de ebulição Normal
Vaporização:
Velocidade de
vaporização é
menor que a
velocidade de
condensação
23
Forças Intermoleculares: Pressão de vapor
Relação entre pressão e temperatura de ebulição
24
Forças Intermoleculares: Pressão de vapor
Pressão de vapor
Como prever a relação entre
Pressão de vapor e temperatura
Equação de Clausius-Clayperon
25
Exercício 2: Pressão de vapor/Teb
A pressão de vapor de etanol a 34,9 oC é 13,3 kPa. Calcule a temperatura de
ebulição normal do etanol sabendo que sua variação de entalpia de
vaporização é 43,5 kJ/mol.
Resposta: 78oC
26
Diagramas de fase
A fase que uma substância
adota depende da
temperatura e da pressão
externa.
Um mapa que descreve
todas as possíveis fases
estáveis de uma substância
em função da temperatura
e pressão é denominado de
DIAGRAMA DE FASE.
27
Diagramas de fase: água
Esta linha
mostra como
a temperatura
de Tfusão da
água varia
com a
temperatura.
Equilíbrio
sólido-líquido
Equilíbrio líquido-vapor
As linhas que dividem
duas regiões de fases
distintas são chamadas
de fronteiras entre as
fases, onde ocorre o
equilíbrio entre fases.
Esta linha mostra como a
temperatura de Teb da
água varia com a
temperatura.
Equilíbrio líquido-vapor
Ponto triplo: co-existem
as três fases.
Diagramas de fase: água
28
29
Diagramas de fase do CO2
Sólido, líquido e vapor
30
Exercício
Use o diagrama de fase do CO2 para descrever as mudanças de fase quando
variam as seguintes condições:
A) de 50K para 350K a uma pressão de 1,00 bar
B) de 50K para 350K, a uma pressão de 10 bar
C) de 1 bar para 100 bar, a uma temperatura de 220 K
31
PROPRIEDADE DAS SOLUÇÕES
Em qual temperatura
água salgada entra em
ebulição?
É possível derreter
gelo abaixo de
0oC e 1 atm?
Por que os
dedos murcham
quando ficamos
muito tempo na
piscina?
32
PROPRIEDADE DAS SOLUÇÕES
Em qual temperatura
água salgada entra em
ebulição?
MAIOR PRESSÃO DE VAPOR
MENOR PRESSÃO DE VAPOR
Em uma solução aquosa de NaCl (b) a quantidade de
moléculas de água que passam para o estado vapor é menor
que no solvente puro (a) a mesma temperatura.
33
PROPRIEDADE DAS SOLUÇÕES
A nível molecular:
As moléculas de soluto atuam como
“obstáculos” para que moléculas do
solvente líquido migram para seu estado
vapor, reduzindo a pressão de vapor do
líquido.
Portanto, para levar este líquido à ebulição,
mais
energia
deverá ser
fornecida,
justificando a elevação do ponto de
ebulição de soluções.
Na+ e H2O
e
Cl- e H2O
interação íon–dipolo (Muito forte!)
Maior a dificuldade da água escapar do
líquido para o vapor!
34
PROPRIEDADE DAS SOLUÇÕES: TONOSCOPIA
ABAIXAMENTO DA PRESSÃO DE VAPOR
MAIOR PRESSÃO DE VAPOR
MENOR PRESSÃO DE VAPOR
35
PROPRIEDADE DAS SOLUÇÕES: TONOSCOPIA
1) Houve uma diminuição da pressão
de vapor da solução em relação ao
solvente puro.
2) A pressão de vapor do solvente,
Psolvente, é proporcional ao número
relativo de partículas (moléculas ou
íons) em solução; isto é a pressão de
vapor do solvente é proporcional á
fração molar do solvente.
Psolvente ∝ x solvente
36
PROPRIEDADE DAS SOLUÇÕES: TONOSCOPIA
Psolvente ∝ x solvente
Psolvente = x solvente Posolvente
Pressão de vapor do
solvente na solução
Pressão parcial do
solvente puro
x solvente = n soluto
n total
37
PROPRIEDADE DAS SOLUÇÕES: TONOSCOPIA
Psolvente = x solvente Posolvente
Lei de Raoult
A Lei de Raoult diz que a pressão de vapor do solvente sobre uma solução é
uma fração da pressão de vapor do solvente puro.
Por exemplo, se a solução tem 95% mol solvente. A pressão de vapor do
solvente na solução contendo soluto será 95% da pressão de vapor do
solvente puro.
38
PROPRIEDADE DAS SOLUÇÕES: TONOSCOPIA
Psolvente = x solvente Posolvente
Exercício:
Suponha que 651g de etileno glicol, HOCH2CH2OH, sejam dissolvidos
em 1,50 kg de água (uma solução a 30,3 %, uma solução de
anticongelante comum para automóveis). Qual será a pressão de
vapor da água sobre a solução a 90oC? Considere um
comportamento ideal da solução.
Resposta: 467 mm Hg
39
Elevação do ponto de ebulição: Ebulioscopia
Iguais quantidades em mols de diferentes solutos
moleculares e não voláteis, dissolvidos numa
mesma quantidade de solvente, causam o mesmo
aumento na temperatura de ebulição.
40
Elevação do ponto de ebulição: Ebulioscopia
41
Elevação do ponto de ebulição: Ebulioscopia
• A 1 atm (ponto de ebulição normal de líquido puro) existe uma
pressão de vapor mais baixa da solução. Conseqüentemente,
uma temperatura mais alta é necessária para atingir uma pressão
de vapor de 1 atm para a solução (∆T
∆ b).
• Constante molar de elevação do ponto de ebulição, Kb, expressa
quanto o ∆Tb varia com a molalidade, m:
Variação da
temperatura de
ebulição da
solução e do
solvente puro
∆TEb = K e m
molalidade
Constante ebulioscópica do solvente
42
Diminuição da temperatura de
congelamento: Crioscopia
43
Diminuição da temperatura de
congelamento: Crioscopia
A nível molecular:
Analogamente, o soluto dissolvido no
solvente
líquido
dificulta
o
ordenamento
da
estrutura
do
solvente ao solidificá-lo. Portanto, é
necessário reduzir mais a temperatura
para solidificar a solução, causando o
abaixamento crioscópico.
44
Diminuição da temperatura de
congelamento: Crioscopia
Variação da
temperatura de
fusão da solução e
do solvente puro
∆Tc = K c m
Constante crioscópica do solvente
Exercício:
O anticongelante automotivo consiste
em etilenoglicol, um não-eletrólito.
Calcule o ponto de ebulição e o ponto
de congelamento de uma solução de
25% em massa de etilenoglicol em
água.
45
CONSTANTES Ke e Kc
∆Tc = K c m
∆TEb = K e m
46
OSMOSE
47
OSMOSE
• Membrana semipermeável: permite a passagem de alguns
componentes de uma solução. Exemplo: membranas
celulares e celofane.
• Osmose: é o movimento de um solvente a partir de uma
concentração baixa de soluto para uma concentração
alta de soluto.
• À medida que o solvente move-se através da membrana,
os níveis de fluidos nos dois lados do sistema se tornam
irregulares.
48
OSMOSE
• Suponha que o processo de osmose ocorre no tubo em U.
• Duas soluções de concentrações diferentes separadas por
uma membrana semipermeável.
• Solvente move-se através da membrana para a direita,
como se as soluções fossem levadas a atingir
concentrações iguais.
• Os nívels de líquidos nos dois braços tornam-se diferentes,
causando uma diferença de pressão que em determinado
momento, o fluxo das soluções entra em equilíbrio e o
processo pára.
Pressão externa que impede o fluxo do solvente
49
OSMOSE
PRESSÃO OSMÓTICA, π
πV = nRT
n

π =   RT
V 
= MRT
50
OSMOSE
Soluções isotônicas: duas soluções
com o mesmo π separadas por
uma membrana semipermeável.
Soluções hipertônicas: uma
solução de π maior em relação ao
meio intracelular.
Água migra para fora da célula,
causando murchamento.
Soluções hipotônicas: uma solução
de π mais baixo em relação ao
meio intracelular.
Água migra para dentro da célula,
podendo causar rompimento das
paredes celulares.
51
OSMOSE
Exercício 1:
A pressão osmótica média do sangue é 7,7 atm a 25oC. Qual concentração
de glicose será isotônica com o sangue?
Resposta: 0,31 mol/L
Exercício: 2
A pressão osmótica de uma solução aquosa de determinada proteína foi
medida para que se determine a respectiva massa molar. A solução continha
3,50 mg de proteína dissolvidos em água suficiente para perfazer 5,00 mL de
solução. Encontrou-se uma pressão osmótica para a solução a 25oC de 1,54
torr. Calcule a massa molar da proteína.
Resposta: 8,28 x 10-5 mol/L, 4,14 x 10-7 mol, 8.450 g/mol
52
OSMOSE REVERSA – PURIFICAÇÃO DA
ÁGUA
53