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Noções básicas do estudo de comportamento dos gases; Transformações isobaricas, isovolumétricas e isotérmicas; Gás ideal e gás real; Lei de Avogadro
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INTRODUÇÃO AO ESTUDO DO COMPORTAME
NTO DOS GASES
OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM
Relembrar os estados da matéria, diferenciando-os
Estudar as propriedades empíricas dos gases ideais
Definir gás
Compreender as leis dos gases e algumas das suas aplicações biológicas
Diferenciar gás ideal de gás real
ESTADOS DA MATÉRIA
Gasoso / Líquido / Sólido
PROPRIEDADES EMPÍRICAS DOS GASES
Forma – o único limite para a difusão do gás é a parede do recipiente que ele está confinado. As moléculas de um gás estão em contínuo movimento e separadas por grandes espaços
vazios. O movimento das moléculas ocorre ao acaso e em todas as direções e sentidos.
A pressão do gás é resultante das colisões das moléculas contra as paredes do recipiente.
Estas colisões e as colisões entre as moléculas são elásticas (sem perda de energia)
As moléculas são livres em seu movimento, ou seja, não existe atração entre as moléculas.
Compressibilidade e Expansibilidade
Ao dobrar a pressão exercida sobre um gás seu volume se reduz à metade.
Ao reduzir a pressão pela metade o volume do gás é duplicado.
O QUE É UM GÁS?
um gás é uma coleção de partículas em constante movimento
o movimento das partículas é aleatório e desordenado
o espaço entre as partículas é muito maior do que o tamanho de cada partícula
as partículas chocam-se entre si e com as paredes do recipiente que contém o gás, sendo estes choques completamente elásticos
a velocidade média de uma amostra de gás aumenta com o aumento da temperatura
De acordo com a Teoria Cinética Molecular dos Gases ou modelo cinético dos gases, podemos dizer que:
2 tipos de Gases
Gases Ideais
Gases Reais
Comportamento
≠
Gás Ideal ou Perfeito Modelo idealizado
É um gás teórico, composto de um conjunto de partículas pontuais movendo-se aleatoriamente e não interagem entre si
Cada molécula de um gás comporta-se como se as demais não estivessem presentes
Em condições ambientais normais tais como as temperatura e pressão padrão, a maioria dos gases reais comportam-se qualitativamente como um gás ideal
Obedece a lei dos gases
Variáveis de estado de um GásPressão
(P)
Temperatura (T)
Volume (V)
Quanto maior a altitude menor a pressão. A nível do mar : 1atm =760mmHg = 760 torr
Nos interessam as escalas Celsius e Kelvin:
T(K) = TC + 273
É igual ao volume do recipiente que o contém:
1m3 = 1000dm3 = 1000L1dm3 = 1L = 1000cm3 =
1000mL
Quando os valores das variáveis de estado de um gás sofrem alterações
dizemos que o gás “sofreu uma transformação gasosa”. Algumas transformações gasosas possuem
denominações especiais.
Transformações Gasosas com Massa de Gás Fixa
Isobárica Isocórica/Isométrica
Isotérmica
Pressão constante
Volume constante
Temperatura constante
É quando na transformação o gás mantém constante a
temperatura e muda os valores da pressão e do volume.
Transformação Isotérmica
É quando na transformação o gás mantém constante a pressão e
modifica os valores do volume e da temperatura.
Transformação Isobárica
É quando o gás, na transformação, mantém constante o volume e
altera os valores da temperatura e da pressão.
Transformação Isocórica/ Isométrica/ Isovolumétrica
São leis que explicam as relações entres as grandezas TEMPERATURA, PRESSÃO e
VOLUME nas transformações gasosas.
Leis Físicas dos Gases
Lei de Boyle-Mariotte ou Transformação Isotérmica“O volume de um gás é inversamente proporcional à
sua pressão, mantida constante a temperatura”
pV = constante (se T for constante)
Leis dos Gases
Lei de Boyle-Mariotte
Mantendo a massa de gás e a temperatura constantes, a pressão exercida pelo gás é inversamente proporcional ao seu volume
Quando duas grandezas são inversamente proporcionais, o produto entre elas é constante.
Isotermas
Isoterma de Boyle para o gás ideal
Lei de Boyle-Mariotte
Lei de Boyle –Mariotte na respiração
Lei de Boyle-Mariotte
A isoterma abaixo ilustra outra observação de Boyle: o volume de um gás tende ao infinito quando a pressão tende a zero e vice-versa.
Lei de Boyle-Mariotte
A lei de Boyle prevê que a densidade de um gás é
diretamente proporcional à pressão exercida sobre ele.
Lei de Boyle-Mariotte
ExemploUma câmara de descompressão usada por mergulhadores tem volume de 10300 L e funciona de 4,5 atm. Qual volume, em L, o ar contido nessa câmara ocuparia quando submetido a uma pressão de 1 atm, na mesma temperatura?.
V1 = 10300LP1 = 4,5 atm
V2 = ??P1 = 1 atm
4,5 atm x 10300L = 1 atm x V
V= 46350 L
1ª Lei de Charles e Gay – Lussac ou Transformação Isobárica
“O volume de um gás é diretamente proporcional à temperatura absoluta, mantida a pressão
constante”.
V/T = constante (se p for constante)
Leis dos Gases
1ª Lei de Charles e Gay - Lussac
Mantendo a massa de gás e a pressão constantes, o volume exercido pelo gás é diretamente proporcional a sua temperatura
Quando duas grandezas são diretamente proporcionais, o quociente entre elas é constante.
Isotermas
LEI DOS GASES IDEAIS E SUAS APLICAÇÕES
Curvas isobáricas de Charles para o gás ideal.
Zero absoluto: - 273 oC
ExemploUm recipiente com capacidade para 100 litros contém um gás à temperatura de 27 ºC. Este recipiente e aquecido até uma temperatura de 87 ºC, mantendo-se constante a pressão. O volume ocupado pelo gás a 87 ºC será de:
V1 = 100 LT1 = 27 ºC + 273 = 300K
V2 = ???T2 = 87 ºC + 273 = 360 K
100L x 360 K = V2 x 300K
V2= 120 L
100 L = V2 300 K 360 K
2ª Lei de Charles e Gay – Lussac ou Transformação Isométrica
“A pressão de um gás é diretamente proporcional à temperatura absoluta,
mantida a volume constante”.
Leis dos Gases
Mantendo a massa de gás e o volume constantes, a pressão exercido pelo gás é diretamente proporcional a sua temperatura
2ª Lei de Charles e Gay - Lussac
Isotermas
Quando duas grandezas são diretamente proporcionais, o quociente entre elas é constante.
ExemploUm gás está em estado inicial com uma temperatura de 27 ºC e pressão de 1,5 atm. O gás é aquecido até atingir a temperatura de 127 ºC. Calcule sua nova pressão, sabendo-se que o volume é constante.
T1 = 27 ºC + 273 K = 300KP1 = 1,5 atm
T2 = 127 ºC + 273 K = 400KP2 = ???
300 K x T2 = 400 K x 1,5 atm
P2= 2 atm
1,5 atm = P2 300 K 400 K
Transformação Geral dos Gases
São as transformações em que todas as grandezas (T, P e V) sofrem mudanças
nos seus valores simultâneamente
ExemploUma determinada massa de gás oxigênio ocupa um volume de 15 L a uma pressão de 4 atm e na temperatura de 27 °C. Que volume ocupará esta mesma massa de gás oxigênio na temperatura de 327 °C e pressão de 2 atmV1 = 15LT1 = 27 ºC + 273 K = 300KP1 = 4 atm
V2 = ??T2 = 327 ºC + 273 K = 600KP2 = 2 atm
4atm x 15L = 2 atm x V2 300K 600 K
V2= 60 L
Volume do gás é diretamente proporcional ao número de partículas
“Volumes iguais de gases, medidos na mesma pressão e temperatura, contém o
mesmo número de partículas”
Um mol contém o número de Avogadro de partículas
Lei de Avogadro
6,022x1023 átomos/mol
LEI DOS GASES IDEAIS E SUAS APLICAÇÕES
O volume é diretamente proporcional ao número de partículas de gás, ou seja,
quanto maior for o número de moles do gás, maior será o seu volume, nas mesmas T e p.
V/n = constante (se p e T constantes)
A combinação dos resultados de Boyle-Mariotte, Charles, Gay-Lussac e Avogadro resulta numa das mais
importantes equações matemáticas da físico-química que parece reger o comportamento
padrão de todos os gases conhecidos.
PV = nRT
Leis Geral dos Gases
Equação de Clapeyron
“Se as três variáveis de estado (PRESSÃO, TEMPERATURA e VOLUME) de uma dada
massa de gás variam, então a razão entre o produto da PRESSÃO pelo VOLUME e a
TEMPERATURA do gás é constante”
Lei Geral dos Gases
PV = nRTP = Pressão do gásV = Volume do gásT = Temperatura do gásn = Número de mols do gásR = Constante universal dos gases
(0,082 atmLK-1mol-1)
ExemploTem-se 5,0 mols de moléculas de um gás ideal a 27 °C e sob pressão de 5,0 atmosferas. Determine o volume ocupado por esse gás. É dada a constante universal dos gases perfeitos R = 0,082 atm.L/mol.K.
n = 5 molsP = 5 atmT = 27 ºC + 273 = 300KR = 0,082 atmL/molK
PV = nRT
5 atmV = 5mols x 0,082 atmL/molK x 300K
V= 24,6 L
Constante Universal dos Gases
R
0,082 atm L K-1 mol-1
1,987 cal K-1mol-1
8,314 J K-1mol-1
SI
CNTP (Condições Normais de Temperatura e Pressão) Pressão = 1 atm Temperatura = 0 ºC (273K)
Volume de 1 mol
22,4 L
CNTP (Condições Normais de Temperatura e Pressão)
PV = nRT
V = 1mol X 0,082 atmLK-1mol-1 X 273K = 22,4 L 1 atm
Pressão = 1 atm Temperatura = 0 ºC (273K)
Mistura de Gases
OUTRAS LEIS RELACIONADAS AOS GASES
Lei de Dalton
“A pressão total de uma mistura de gases é igual à soma da pressão de cada
componente”xi = ni
nT
Pi = PT ni
nT
xi = fração molar de cada um dos componentes da misturani = número de mols do componentenT = número total de mols da misturaPi = pressão de cada um dos componentes PT = pressão total da mistura
Em uma câmara de 10 L, são misturados 1 mol de nitrogênio e 3 mols de hidrogênio, a 298 K. Determine a pressão total à qual está submetido o sistema e quais serão as pressões parciais.
Exemplo
nT = 1 + 3 = 4x N2 = nN2/nT = ¼ = 0,25x H2 = nH2/nT = ¾ = 0,75
Assumindo um comportamento ideal
PV = nRT P = nRT V
P = 4mol X 0,082 atmLK-1mol-1 X 298K = 9,8 atm 10 L
N2 = 9,8 X 0,25 = 2,45 atmH2 = 9,8 X 0,75 = 7,35 atm
Pi = PT ni
nT
Nem todos os gases seguem a lei dos gases ideais, sobretudo em
situações onde a pressão é elevada ou a temperatura é
baixa. Assim, temos uma outra equação de estado, capaz de
descrever também o comportamento dos gases reais.
Gás Real
Gás Real
As propriedades não podem ser descritas pela equação de estado dos gases ideais (PV=nRT)
Caracterizado por um parâmetro dependente da temperatura, da pressão e da natureza do gás, chamado de Fator de Compressibilidade (z)
Apresenta interações repulsivas entre as moléculas
Gás RealInterações entre as moléculas gasosas
Forças de atração Forças de repulsão
Interações de curto alcanço
distancia inter-molecular pequena
Pressão alta
Alcanço relativamente grandepressões moderadas
OUTRAS LEIS RELACIONADAS AOS GASES
Lei de Henry
“O volume de um gás dissolvido em um líquido é proporcional à pressão do gás sobre o líquido, a um fator de solubilidade e ao volume do líquido”
onde:X = fração molar de equilíbrio do gás em solução (sua solubilidade);P = pressão parcial na fase gasosa;K = constante de proporcionalidade, ou constante da lei de Henry.
P= KX
OUTRAS LEIS RELACIONADAS AOS GASES
Lei de Graham
“A difusão de um gás é inversamente proporcional à raiz quadrada de sua massa
molecular”