Equilíbrio Físico. Disciplina Química Geral II Curso de Química habilitação em licenciatura Prof a. Marcia Margarete Meier

Transcrição

1 1 Equilíbrio Físico Disciplina Química Geral II Curso de Química habilitação em licenciatura Prof a. Marcia Margarete Meier

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

5 5 Revisão: Forças Intermoleculares

6 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 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 Moléculas polares London 2 Todos os tipos de moléculas Ligação de hidrogênio 20 N, O, F, pelo compartilhamento de um átomo de hidrogênio *A força total experimentada por uma espécie é a soma de todas as forças nas quais esta pode participar.

8 8 Forças Intermoleculares Efeito na temperatura de mudança de fase Efeito na miscibilidade Efeito na volatilidade de substâncias

9 9 Forças Intermoleculares Efeito na temperatura de mudança de fase: Equilíbrio entre fases Equilíbrio entre fases 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, o C

10 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 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 Miscibilidade: parcialmente miscível

13 13 Forças Intermoleculares Efeito na miscibilidade: substâncias parcialmente miscíveis Parcialmente miscível {

14 14 Miscibilidade em termos termodinâmicos

15 15 A B Miscibilidade em termos termodinâmicos Interação H mist T S mist G mist Há miscibilidade? A-B mais forte do que A-A, B-B (-) (-) (-), grande magnitude sim A-B muito mais fraca do que A- A e B-B A-B mais fraca do que A-A, B-B (+), grande (-) (+), grande Não, mas podem misturarse a altas temperaturas (+), pequeno (-) (-), pequena magnitude sim

16 Miscibilidade Em hexano água

17 17 Exemplo de Soluções

18 18 O processo de dissolução

19 19 O processo de dissolução Mudanças de energia e formação de solução Há três fases de energia na formação de uma solução: a separação das moléculas do soluto ( H 1 ), a separação das moléculas do solvente ( H 2 ) e a formação das interações soluto-solvente ( H 3 ). Definimos a variação de entalpia no processo de dissolução como H dissol = H 1 + H 2 + H 3 O H soln pode tanto ser positivo como negativo, dependendo das forças intermoleculares.

20 20 Soluções saturadas e solubilidade A imagem mostra uma solução na qual o excesso de soluto está presente. O que ocorreu: 1. Soluto sólido inicia a dissolução; 2. Soluto foi solvatado pelo solvente; 3. Não há mais solvente disponível para solvatar soluto adicional; 4. Parte do soluto permanece sem se dissolver, pois chegou o limite do solvente em dissolver o soluto. 5. Neste momento atinge-se o equilíbrio: Soluto + solvente dissolver cristalizar solução Equilíbrio dinâmico Solução em equilíbrio com o soluto não dissolvido é chamada de SATURADA! Se dissolvermos menos soluto que o necessário para formar uma solução saturada, temos uma solução INSATURADA.

21 21 Soluções saturadas e solubilidade Solução em equilíbrio com o soluto não dissolvido é chamada de SATURADA! Na prática observa-se parte do soluto sólido Se dissolvermos menos soluto que o necessário para formar uma solução saturada, temos uma solução INSATURADA. Na prática, a solução não tem soluto sólido. Solução de acetato de sódio pode ser preparado à uma temperatura elevada (maior solubilidade). Ao resfriar a solução lentamente, foram-se uma solução supersaturada. Se esta solução for perturbada, transforma-se em saturada e o excesso de soluto irá precipitar. Em condições específicas, às vezes, é possível formar soluções que contenham quantidades maiores de soluto do que a necessário para forma uma solução saturada: solução SUPERSATURADA Na prática, solução não tem soluto sólido, mas se perturbada, transforma-se em solução saturada.

22 22 Fatores que afetam a solubilidade: Temperatura

23 23 Fatores que afetam a solubilidade: Pressão As bebidas carbonadas são engarrafadas com uma pressão parcial de CO 2 > 1 atm. Ao abrirmos a garrafa, a pressão parcial de CO 2 diminui e a solubilidade do CO 2 também diminui. Conseqüentemente, bolhas de CO 2 escapam da solução.

24 24 Fatores que afetam a solubilidade: Pressão Quanto maior a pressão, mais próximas as moléculas de gás estarão do solvente e maior a chance da molécula de gás atingir a superfície e entrar na solução. Conseqüentemente, quanto maior for a pressão, maior a solubilidade. Quanto menor a pressão, menor a quantidade de moléculas de gás próximas ao solvente e menor a solubilidade.

25 25 Forças Intermoleculares: Pressão de vapor Efeito na volatilidade de substâncias Pressão de vapor

26 26 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.

27 27 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.

28 28 Forças Intermoleculares: Pressão de vapor Pressão de vapor Qual líquido irá evaporar antes?

29 29 Forças Intermoleculares: Pressão de vapor Pressão de vapor Efeito forças intermoleculares { { Efeito da temperatura

30 30 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

31 31 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 10 4 L selando-o, e espera a água evaporar. Quanta a água evaporará a 25 o C, 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

32 32 Forças Intermoleculares: Pressão de vapor Pressão de vapor Depende da temperatura Temperatura de ebulição Normal Pressão atmosférica = pressão de vapor Quanto maior a temperatura, mais vapor de água estará sobre a água líquida. Pressão atmosféric ca

33 33 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. Vaporização: Velocidade de vaporização é menor que a velocidade de condensação Temperatura de ebulição Normal

34 34 Forças Intermoleculares: Pressão de vapor Relação entre pressão e temperatura de ebulição

35 35 Forças Intermoleculares: Pressão de vapor Pressão de vapor Como prever a relação entre Pressão de vapor e temperatura Equação de Clausius-Clayperon

36 36 Exercício 2: Pressão de vapor/t eb A pressão de vapor de etanol a 34,9 o C 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: 78 o C

37 37 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.

38 38 Diagramas de fase: água Esta linha mostra como a temperatura de T fusão da água varia com a temperatura. Equilíbrio sólido-líquido Equilíbrio sólido-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 T eb da água varia com a temperatura. Equilíbrio líquido-vapor Ponto triplo: co-existem as três fases.

39 39 Diagramas de fase: água

40 40 Diagramas de fase do CO 2 Sólido, líquido e vapor

41 41 Exercício Use o diagrama de fase do CO 2 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

42 42 PROPRIEDADE DAS SOLUÇÕES Em qual temperatura água salgada entra em ebulição? É possível derreter gelo abaixo de 0 o C e 1 atm? Por que os dedos murcham quando ficamos muito tempo na piscina?

43 43 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.

44 44 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 H 2 O e Cl - e H 2 O interação íon dipolo (Muito forte!) Maior a dificuldade da água escapar do líquido para o vapor!

45 45 PROPRIEDADE DAS SOLUÇÕES: TONOSCOPIA ABAIXAMENTO DA PRESSÃO DE VAPOR MAIOR PRESSÃO DE VAPOR MENOR PRESSÃO DE VAPOR

46 46 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, P solvente, 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. P solvente x solvente

47 47 PROPRIEDADE DAS SOLUÇÕES: TONOSCOPIA P solvente x solvente P solvente = x solvente P o solvente Pressão de vapor do solvente na solução Pressão parcial do solvente puro x solvente = n solvente n total

48 48 PROPRIEDADE DAS SOLUÇÕES: TONOSCOPIA P solvente = x solvente P o solvente 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.

49 49 PROPRIEDADE DAS SOLUÇÕES: TONOSCOPIA P solvente = x solvente P o solvente Exercício: Suponha que 651g de etileno glicol, HOCH 2CH 2OH, 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 90 o C? Considere um comportamento ideal da solução. Resposta: 467 mm Hg

50 50 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.

51 51 Elevação do ponto de ebulição: Ebulioscopia

52 52 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, K b, expressa quanto o T b varia com a molalidade, m: Variação da temperatura de ebulição da solução e do solvente puro T Eb = K e m Constante ebulioscópica do solvente molalidade

53 53 Diminuição da temperatura de congelamento: Crioscopia

54 54 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.

55 55 Diminuição da temperatura de congelamento: Crioscopia Variação da temperatura de fusão da solução e do solvente puro T c = 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.

56 56 CONSTANTES K e e K c T c = K c m T Eb = K e m

57 57 OSMOSE

58 58 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.

59 59 OSMOSE Suponha que o processo de osmose ocorre no tubo em U. 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.

60 60 OSMOSE Pressão externa que impede o fluxo do solvente PRESSÃO OSMÓTICA, π πv = nrt n π = RT V = MRT

61 61 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.

62 62 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, g/mol

63 63 OSMOSE REVERSA PURIFICAÇÃO DA ÁGUA