AULA 01 - GASES QUÍMICA GERAL II QGE2001 Profa. Marcia Margarete Meier

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1 1 AULA 01 - GASES QUÍMICA GERAL II QGE2001 Profa. Marcia Margarete Meier

2 2 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

3 3 As Propriedades dos Gases O que estas imagens dizem sobre os gases?

4 4 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.

5 5 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

6 6 Energia potencial de interação q E atração carga-carga = 1 q 2 Lei de Couloumb 4 ε o r 12 repulsão repulsão atração

7 7 Revisão: Forças Intermoleculares

8 8 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

9 9 Revisão: Forças Intermoleculares Por que O 2 dissolve-se em água? Polarizabilidade

10 10 Revisão: Forças Intermoleculares 1)Justifique o aumento da temperatura de ebulição das substâncias químicas abaixo:

11 11 Revisão: Forças Intermoleculares 2) Por que Butano (gás de cozinha) pode ser liquefeito?

12 12 Revisão: Forças Intermoleculares 3) Coloque as seguintes substâncias em ordem crescente de força intermolecular, justificando.

13 13 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.

14 14 Revisão: Forças Intermoleculares 5) Quais informações relevantes você pode extrair do gráfico abaixo?

15 15 Revisão: Forças Intermoleculares 6) Por que gelo flutua sobre a água? Uma garrafa de refrigerando congelada pode estourar na geladeira?

16 16 Revisão: Forças Intermoleculares 7) Explique a imagem abaixo, qual a correlação com as forças intermoleculares:

17 17 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 H 2, N 2 e O 2?

18 18 Estados Físicos Como transformar a mesma matéria nos diferentes estados físicos? Variação de pressão Variação de volume Variação de temperatura

19 19 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 (m 2 ) N/m 2 = Pascal (Pa) pelo SI. J= 1 N.m = 1 kg.m².s -2 1 atm = Pa = 760 mmhg = 760 Tor

20 20 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 m 3 pelo SI 1 m 3 = 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 = o C + 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).

21 21 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?

22 22 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?

23 23 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.

24 24 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.

25 25 Lei dos Gases Ideais Lei de Boyle

26 26 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. 3) Agora, calcule o coeficiente angular da reta e coeficiente linear. Veja que o gráfico torna-se linear!

27 27 Lei dos Gases Ideais Lei de Boyle P 1 x V 1 = k P 2 x V 2 = k P 1 x V 1 = P 2 x V 2 V 2 = k P 2

28 28 Lei dos Gases Ideais Lei de Boyle Temperatura constante = Isoterma A curva acima é chamada de hipérbole. Ao multiplicar xy = constante

29 29 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.

30 30 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?

31 31 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?

32 32 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.

33 33 Lei dos Gases Ideais Lei de Avogadro: permite calcular o volume molar T 2 T 1 T 2 > T 1 Sistema Isotérmico e Isóbaro

34 34 Lei dos Gases Ideais Lei de Clayperon: Uniu os resultados experimentais de Boyle, Charles, Gay-Lussac e Avogadro. atm L

35 35 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

36 36 Lei dos Gases Ideais Como converter unidades... Suponha que você necessite converter a constante universal dos gases, R de 8,314 J K -1 mol -1 para a unidade em?? cal K -1 mol -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

37 37 Lei dos Gases Ideais Como converter unidades... Suponha que você necessite converter a constante universal dos gases, R de 0, atm L K -1 mol -1 para a unidade em?? J K -1 mol -1 atm = Pa 0,08205 atm L K -1 mol -1 0,08205x Pa L K -1 mol -1 J = Pa. m 2.m = Pa. m 3 = Pa. 1000L J = N.m Pa = N/m 2 ou N = Pa.m 2 Se, J = Pa. 1000L Então, J/1000 = Pa. L 0,08205x J K -1 mol ,314 J K -1 mol -1

38 38 1) Qual será o volume molar de um gás ideal nas Condições Ambientes de Temperatura e Pressão (CNATP), quando T = 25 o C. 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 (NaHCO 3 ) sabendo-se que a mesma, quando em contato com HCl, libera 0,480 L de CO 2, medido a 273 K e 1 atm? Considere que CO 2 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 25 o C 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.

39 , 39 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

40 40 Exercício: Suponha que um balão preenchido com gás hélio seja lançado para a atmosfera quando a temperatura for 22,5 o C e a pressão for 754 mmhg. Se o volume do balão for 4,19 x 10 3 L ( 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 o C? Condição Inicial Condições Finais V 1 = 4,19 x 10 3 L V 1 =?? P 1 = 754 mmhg P 1 = 76,0 mmhg T 1 = 22,5 o C (295,7 K) T 1 = -33,0 o C (240,2 K) Resposta: 3,38 x 10 4 L

41 , 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

42 42 Lei de Dalton Mistura de Gases Suponha três gases diferentes confinados em cilindros: P T = P 1 + P 2 + P 3 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.

43 43 Lei de Dalton Mistura de Gases P T = P 1 + P 2 + P Σ P i Pressão parcial do gás 1 P = x P 1 1 T Fração molar do gás 1 Pressão total de todos os gases misturados Qual a diferença entre fração mássica e fração molar?? Porcentagem podenral!

44 44 4) A percentagem poderal (isto é, em massa) do ar seco, ao nível do mar, é aproximadamente 75,5% de N 2, 23,2 % de O 2 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?

45 45 RESUMINDO... GASES IDEAIS

46 46 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 = hρg ρ=densidade

47 47 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.

48 48 Lei dos Gases e Densidade d = P.M w RT Exercício: Calcule a densidade do CO 2 nas CNTP. O CO 2 é mais ou menos denso do que o ar (1,2 g/l)?

49 49 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 CO 2 é liberado do tanque, ele se expande e se resfria consideravelmente. A nuvem consiste de CO 2 sólido e umidade do ar condensada.

50 50 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 25 o C. 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 CO 2, SO 2 e vapor da gasolina descem ao nível do solo se liberados na atmosfera. Lago Nyos, Camarões. Liberação de CO 2 causou a morte de 1700 pessoas em Gases como H 2, He, CO, CH 4 sobem se liberados na atmosfera.