Gases e SoluçõesProf. Pedro G. V. Aquino (
[email protected]) Gases Variáveis para Descrição de um Gás Substância que se expande espontaneamente para preencher seu recipiente de maneira uniforme Volume (V), pressão (P) e temperatura (T) Volume O volume de um gás ocupa todo o recipiente que o contém m3 dm3 = L cm3 = mL 01325 x 105 Pa 1 atm = 760 mmHg 1 mmHg = 1.33322 x 102 Pa 1 Torr = 1 mmHg Manômetro .Variáveis para Descrição de um Gás Pressão Força por unidade de área Força sobre uma superfície dividida pela área desta superfície Pa (1 Pa = 1 N m-2) 1 atm = 1. . . . Variáveis para Descrição de um Gás Temperatura Kelvin Zero absoluto Ponto triplo da temperatura da água (273.15 .273.15 K) t (°C) = T (K) . Lei de Boyle PV = constante . o volume ocupado por uma determinada quantidade (número de mols) de um gás é inversamente proporcional à sua pressão P1V1 = P2V2 .Lei de Boyle V = c (1/P) (a T e n constantes) Lei de Boyle: À temperatura constante. . Representação Gráfica da Lei de Boyle . Representação Gráfica da Lei de Boyle . à temperatura constante? (1.5 kPa. Se a pressão do gás é aumentada para 82.79 dm3) .5 kPa com redução de seu volume. Seu volume é de 473 cm3 a uma pressão de 62.Cálculos da Lei de Boyle Uma certa quantidade de um gás ideal é colocada em um aparelho que obedece à lei de Boyle. se a temperatura é mantida constante? (187 cm3) Qual será o novo volume de um gás ideal que ocupou inicialmente 1. qual será o novo volume ocupado pelo gás.46 dm3 a 142 kPa. depois que a pressão foi reduzida para 116 kPa. qual será a pressão final? (5.1 mL.Cálculos da Lei de Boyle Uma amostra de um gás ideal. Se o volume final do gás é 38. tem uma pressão de 765 mmHg e um volume de 10. mantida à temperatura constante. qual é a sua pressão final? (219 mmHg) A pressão de uma amostra de 45.25 atm.5 mL de um gás ideal é 2. O gás é expandido pelo aumento de volume do seu recipiente.9 mL.0 mL. Se o gás é comprimido à temperatura constante até seu volume atingir 20.12 atm) . Lei de Charles . o volume ocupado por uma quantidade de gás é diretamente proporcional à sua temperatura absoluta Kelvin (V1/T1) = (V2/T2) (a P e n constantes) .15) (a P e n constantes) V = dT (a P e n constantes) d é a inclinação da reta Lei de Charles: A pressão constante.Lei de Charles V = d(t + 273. qual será o novo volume de gás? (362 dm3) .20 L a 25 °C.39 L) Uma amostra de um gás ideal ocupa um volume de 473 dm3 a 146 °C. Se a temperatura aumenta para 50 °C. qual é o novo volume do gás se a pressão permaneceu constante? (1. Se a temperatura é diminuída para 48 °C.Cálculos da Lei de Charles Uma amostra de um gás ideal ocupa um volume de 1. à pressão constante. se o volume final for reduzido a 20.0 cm3? (342 K ou 69 °C) . à pressão constante. se o volume final passa a ser 214 cm3? (138 °C) Uma amostra de um gás ideal ocupa um volume de 23.Cálculos da Lei de Charles Uma amostra de um gás ideal tem um volume de 128 cm3 a -27 °C.3 cm3 a 125 °C. A que temperatura deve o gás ser resfriado. A que temperatura em °C deve ser aquecido. Cálculos Combinados (P1V1)/T1 = (P2V2)/T2 Suponha que 2.55 L) Uma amostra de 148 cm3 de um gás ideal a 148 °C e 462 kPa é resfriada e expandida até sua temperatura final alcançar 22 °C. Qual será o volume final? (444 cm3) .00 atm.65 L de um gás ideal a 25 °C e 1. e sua pressão final. Qual é o volume final? (1. 108 kPa.00 atm sejam simultaneamente aquecidos e comprimidos até que a temperatura final seja 75 °C e a pressão final 2. Qual será sua temperatura em °C após ser expandida para 116 mL a 745 kPa? (118 °C) Uma amostra de um gás ideal ocupa um volume inicial de 20. qual será a nova temperatura em °C? (-55 °C) . Se a nova pressão for 0.1 mL a 945 kPa e 18 °C.686 atm.5 L a 0.465 atm e 38 °C antes da compressão para 9.76 L.Cálculos Combinados Uma amostra de um gás ideal ocupa um volume de 68. A Lei do Gás Ideal Lei de Gay-Lussac da Combinação dos Volumes Quando medidos sob as mesmas condições de temperatura e pressão. os volumes dos reagentes e produtos gasosos de uma reação estão na razão de números inteiros e pequenos 2 H2 (g) + O2 (g) 2 H2O (g) 2 volumes + 1 volume = 2 volumes N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g) 1 volume + 3 volumes = 2 volumes . A Lei do Gás Ideal Princípio de Avogrado Volumes iguais de gases diferentes contêm números iguais de moléculas quando medidos nas mesmas condições de temperatura e pressão.0820578 L atm K-1 mol-1 = 8. V~n PV = nRT R = 0.31451 dm3 kPa K-1 mol-1 . . Cálculos da Lei do Gás Ideal Suponha 0. Qual a temperatura do gás em °C? (-15 °C) Suponha uma amostra de 1.432 atm.00 L. (1. calcule a pressão do oxigênio em mmHg.176 mol de um gás ideal ocupa 8. determine o número de mols de CO2 presentes. Assumindo o comportamento do gás ideal. (500 mmHg) Uma amostra de CO2 a 328 mmHg e 262 °C ocupa um volume de 168 mL.64 L à pressão de 0. Considerando o comportamento do gás ideal para o oxigênio.28 mol de um gás ideal sob uma pressão de 842 mmHg a 38 °C.5 L) Suponha que 5.00 g de O2 a 35 °C é encerrada em um recipiente com a capacidade de 6.65 x 10-3 mol) . Qual será o volume em litros que o gás ocupará? (29. Volume Molar de um Gás Ideal CNTP: 0 °C (273.414 L Volume ocupado por 1 mol de um gás ideal nas CNTP .0000 atm n = 1 mol PV = nRT V = 22.15 K) e 1. Massa Molecular e Densidade do Gás A densidade do gás fosfina é 1. Calcule sua massa molecular.26 g/L a 50 °C e 747 mmHg. se ele se comporta idealmente e se 2.79 g ocupam um volume de 1.0 g/mol) Qual será a massa molecular do aleno gasoso. (34.56 L a CNTP? . Outras Propriedades de um Gás Ideal Lei de Dalton das Pressões Parciais . 84 atm) Se 1.8 L a 28 °C. O2 e N2 contêm.Outras Propriedades de um Gás Ideal Lei de Dalton das Pressões Parciais A pressão total exercida por uma mistura de gases é igual à soma das pressões parciais dos gases individuais Pressão que um gás exerceria se ele fosse o único gás no recipiente Amostras de H2. cada uma. Considere o comportamento ideal e calcule a pressão total em atmosferas. 4. Suponha que os gases sejam colocados conjuntamente em um recipiente de 1.08 g de CH4 são colocados juntos em um recipiente de 14.14 g de CO e 3.62 g de CO2.00L a 125 °C. qual será a pressão total medida em mmHg? (479 mmHg) Pressão Parcial Exemplo . (1. massa de 1.00 g. Gases Coletados Sobre a Água Pressão de Vapor de Água Pressão parcial da água PO2 = Ptotal .PH2O . . (30.42 g de gás oxigênio é coletado sobre a água a 35 °C e a pressão total é 742 mmHg.157 g de um certo gás coletado sobre a água ocupa um volume de 135 mL a 25 °C e 745 mmHg.22 L) . Considerando o comportamento ideal.Gases Coletados Sobre a Água Suponha que 0.0 g/mol) Se 1. qual será o volume em litros que o gás ocupará? (1. determine a massa molecular do gás. Lei de Graham de Difusão e Efusão Difusão Passagem de uma substância através de outra A velocidade de difusão de um gás através de outro é inversamente proporcional à raiz quadrada da densidade do gás Lei da Difusão de Graham Velocidade de difusão ~ 1/√d d = (mP)/(nRT) d = (P/RT)MM. d ~ MM Lei da Difusão de Graham (ampliada) A velocidade de difusão de um gás é inversamente proporcional à raiz quadrada de sua densidade e à raiz quadrada de sua massa molecular . ou seja. Lei de Graham de Difusão e Efusão Efusão Passagem de um gás através de uma abertura Lei de Efusão de Graham A velocidade de efusão de um gás através de um dado orifício é inversamente proporcional à raiz quadrada de sua densidade ou de sua massa molecular VelocidadeA/VelocidadeB = √MMB/√MMA . Lei de Graham de Difusão e Efusão . 8) .0) Um gás Z leva 1. ambos os gases nas mesmas condições de temperatura e pressão. enquanto apenas 1.42 min são necessários para que o mesmo volume de gás oxigênio se expanda a pressão e temperatura constantes.Lei de Graham de Difusão e Efusão A velocidade de efusão de um gás desconhecido X através de um orifício de agulha é 0. Qual será a massa molecular de Z? (33. Qual a massa molecular de X? (26.46 min para expandir-se em 25 mL através de um orifício de agulha.279 vezes a velocidade de efusão do gás hidrogênio (H2) através do mesmo orifício. calcular a razão entre as velocidade de difusão das moléculas de 235UF6 e 238UF6.05438) . a temperatura e pressão constantes.Lei de Graham de Difusão e Efusão Para o composto UF6. a temperatura e pressão constantes. calcular a razão das velocidades de difusão entre a molécula 1H2O e 2H2O.00430) Para a água no estado gasoso. (1. (1. as moléculas de um gás são completamente independentes entre si As moléculas apresentam uma ampla faixa de velocidades . Um gás é composto de grande números de partículas tão pequenas que a soma de seus volumes individuais é desprezível se comparada com o volume do recipiente As moléculas de um gás estão em movimento retilíneo constante. rápido e ao acaso.Teoria Cinético-Molecular 1. em constante colisão umas com as outras. 2. 4. mas sem efeito na energia total do sistema Exceto durante as colisões. 3. . Movimento Browniano Movimento em zigue-zague que partículas muito pequenas sofrem. sendo o movimento mais violento quanto menores as partículas . 78 L) A amônia (NH3) é produzida comercialmente reagindo-se N2 com H2.26 L de etano é queimado em 4.00 atm de pressão? (3. se todos os volumes são medidos a 400 °C e 4.08 L) .62 L de H2 se os dois gases são medidos nas mesmas condições de temperatura e pressão? (3.5 L de oxigênio. os produtos são dióxido de carbono e água. Quantos litros de NH3 podem ser produzidos de 4. quantos litros de dióxido de carbono e vapor de água são formados.Estequiometria dos Gases Quando o etano (C2H6) queima em oxigênio. Se 1. Se 1.44 kPa queima em excesso de oxigênio.00 kPa são formados? (104 dm3) Quantos cm3 de NH3 a 16.00 dm3 de propano a 21 °C e 8.2 cm3 de N2 a 38.Estequiometria dos Gases O propano (C3H8) é um gás que queima em excesso de oxigênio para formar CO2 e água gasosos.8 kPa e 38 °C podem ser produzidos quando reagimos 59. quantos dm3 de dióxido de carbono medidos a 925 °C e 1.2 kPa e 92 °C com H2 em excesso? (229 cm3) . 31 x 103 mmHg) Uma mistura de 1. determine a pressão total final em mmHg no recipiente.00 L com 6.00 L e a reação é iniciada por meio de uma faísca. Qual será a pressão total da mistura final em mmHg? (247 mmHg) . o recipiente é resfriado a 150 °C. (1.Estequiometria dos Gases Suponhamos que 1. é colocado em um recipiente de 5.00 g H2 e 6. A reação é iniciada de uma faísca. Após a reação ter parado. Após a reação. Assumindo que os produtos são dióxido de carbono gasoso e vapor de água.00 g de O2 é colocada em um recipiente de 1. os gases contidos no recipiente são resfriados a 25 °C.00 g de gás oxigênio.00 L de etano (C2H6) medido a 25 °C e 745 mmHg. Gases Reais . Gases Reais . Equações de Estado para Gases Reais Equação de van der Waals [P + (n2a/V2)](V .nb) = nRT a e b são as constantes de van der Waals e são determinadas experimentalmente . Exemplos Use a lei do gás ideal e a lei do gás real para calcular a pressão em atmosferas exercida por 10.8 atm) Use a lei do gás ideal e a lei do gás real para calcular a temperatura em °C na qual um recipiente de 5.00 L manterá 7.3 e 14. (15.00 L a 25 °C.00 g de oxigênio à pressão de 1.00 atm. colocado em um recipiente de 1.0 g de metano. (5 e 6 °C) . Soluções . Propriedades Gerais Misturas homogêneas Partículas extremamente pequenas Medida da temperatura de mudança de fase . Tipos de Soluções Tipos de Soluções Soluções Gasosas Diferença nas moléculas Ar: O2 (78%), N2 (21%) e Ar (1%) com pequenas concentrações de CO2, H2O, Ne, He e outras substâncias Soluções Líquidas Arranjo molecular típico de um líquido puro Partículas ordenadas e próximas umas às outras Soluções Sólidas Solução sólida substituinte - Estrutura cristalina com regularidade estrutural (KCl + KBr) Solução sólida intersticial -Átomos, íons ou moléculas nos vértices e fissuras do retículo hospedeiro Unidades de Concentração Solvente Componente em considerável excesso em relação aos outros Soluto Outros componentes Concentrado x Diluído Fração molar, percentagem molar, molaridade, molalidade, percentagem em massa e normalidade Fração Molar Note que a soma dos X é 1 Se 28.50 g de amônia (NH3) forem dissolvidos em 3.4 g de água.42 x 10-2) .6 g de sacarose (C12H22O11) forem dissolvidos em 101. qual será a fração molar da amônia na solução resultante? (1. qual é a fração molar da sacarose na solução? (1.30 x 102 g de água.46 x 10-2) Se 4. Percentagem Molar Qual é a percentagem molar da solução de sacarose descrita no exercício anterior? (1,46%) Qual a porcentagem molar da solução de amônia descrita no item anterior? (1,42%) Molaridade 10,0 g de vitamina C (H2C6H6O6) são dissolvidos em água suficiente para preparar 125 mL de solução. Qual a concentração molar deste componente na solução? (0,454 mol/L) 3,30 g de etanol (C2H5OH) são dissolvidos em água suficiente para preparar um volume total de 0,150 L. Qual a molaridade do etanol? (0,478 mol/L) Calcule a molaridade da sacarose dos exemplos anteriores. A densidade é 1,09 g/mL (0,703 mol/L) 10,6 g de NH4Cl estão dissolvidos em 152,4 g de água. Se a densidade da solução é 1,02 g/mL, qual a concentração molar? (1,24 mol/L) Molalidade Qual a molalidade da solução de sacarose descrita anteriormente? (0,824 m) Qual a molalidade da amônia em uma solução preparada pela adição de 4,50 g de NH3 em 3,30 x 102 g de H2O? (0,801 m) 30 x 102 g de água.50 g de NH3 são dissolvidos em 3.0%) 4.35%) .Percentagem em Massa Qual a percentagem em massa da sacarose nos exemplos anteriores? (22. Qual é a percentagem em massa do NH3? (1. Solubilidade O Mecanismo de Dissolução Intensidade relativa de três forças Forças soluto-soluto Forças solvente-solvente Forças soluto-solvente Solventes apolares x Solventes polares Alta constante dielétrica. que mede a capacidade de se orientar de tal modo que neutralize cargas nas suas proximidades Ligação-de-Hidrogênio é uma atração intermolecular forte entre moléculas contendo átomos de H ligados a elementos de alta eletronegatividade (F. uma medida da polarizabilidade de um material. O e N) Água e Ligações-de-Hidrogênio . . 3.Solubilidade Saturação e Solubilidade . 2. ou seria se estivesse presente um excesso de soluto . Adição vagarosa de ureia a água CO(NH2)2(s) CO(NH2)2(aq) CO(NH2)2(s) CO(NH2)2(aq) CO(NH2)2(aq) CO(NH2)2(s) CO(NH2)2(s) CO(NH2)2(aq) A solução saturada é aquela que está em equilíbrio com excesso de soluto. 4.Solutos Não-Dissociáveis Solução Saturada 1. Solubilidade Saturação e Solubilidade .Solutos Não-Dissociáveis Solução Insaturada Concentração de soluto menor do que a de uma solução saturada Solução Supersaturada Concentração de soluto maior do que a da solução saturada Não é possível um equilíbrio de solubilidade Solubilidade Concentração de um dado soluto em um determinado solvente e a uma dada temperatura onde se consegue uma solução saturada . Solubilidade Saturação e Solubilidade .Solutos Dissociáveis Mesma definição. porém os solutos formam íons . Solubilidade Calor de Solução ou Entalpia de Solução Trocas de calor durante o processo de solubilização Absorção de calor (∆H > 0) ou desprendimento de calor (∆H < 0) . . Solubilidade e Temperatura Processo endotérmico Calor + soluto + solvente Processo exotérmico Soluto + solvente solução (∆H > 0) solução + calor (∆H < 0) . a solubilidade é praticamente independente da pressão .Solubilidade e Pressão Em sólidos e líquidos. Solubilidade e Pressão Lei de Henry A solubilidade de um gás dissolvido em um líquido é proporcional à pressão parcial do gás acima do líquido (X = KP) . Propriedades Coligativas Propriedades de uma solução que dependem da concentração de partículas do soluto e não da sua natureza Abaixamento da Pressão de Vapor Diminui com a presença de um soluto . . Propriedades Coligativas Lei de Raoult Relação quantitativa entre o abaixamento da pressão de vapor e a concentração de uma solução ideal A pressão parcial de vapor de um componente na solução líquida é proporcional à fração molar daquele componente multiplicado pela sua pressão de vapor quando puro . a 35 ºC.5 ºC de uma solução contendo 1. Se a pressão de vapor do etanol puro é 104 mmHg nesta temperatura. qual é a pressão de vapor da solução? (103 mmHg) .00 g de sulfanilamida dissolvida em 10.00 g deste composto é dissolvido em 30. é usado como anestésico local. um composto nãovolátil.Aplicação da Lei de Raoult O composto não-volátil sulfanilamida (C6H8O2N2S) dissolve-se rapidamente em acetona (C3H6O).0 g de acetona.00 x 10-2 mmHg? (3.87 x 102 mmHg) Cloreto de procaína (C13H21ClN2O2). Qual é a pressão de vapor a 39.0 g de álcool puro (C2H5OH). 1. se a pressão de vapor da acetona a esta temperatura é 4. 20 mmHg.76 mmHg a 25 °C. Quando 14. a pressão de vapor da solução resultante é 57.17 mmHg na mesma temperatura.82 mmHg a esta temperatura. Qual é a massa molecular da codeína? (299) . qual é a massa molecular da formamida? (45) Etanol puro (C2H5OH).7 g de codeína são dissolvidos em 50. um soluto não-volátil.00 x 102 g de água a 30 °C.00 g de formamida.Aplicação da Lei de Raoult 5. A pressão de vapor da solução era de 31. Se a pressão de vapor da água pura é 31. foi dissolvida em 1.0 g de etanol. tem uma pressão de vapor de 50. aplica-se a lei a cada um dos componentes .Aplicação da Lei de Raoult Quando ambos os componentes de uma solução binária ideal forem voláteis. . 3 .12 Tabela 11. Figura 11. Propriedades Coligativas A Elevação do Ponto de Ebulição A fervura de um líquido acontece quando sua pressão de vapor se iguala à pressão atmosférica . a elevação do ponto de ebulição é proporcional à molalidade das partículas do soluto .Propriedades Coligativas A Elevação do Ponto de Ebulição Em uma solução diluída. (82. HC7H5O2. Calcule o ponto de ebulição normal da solução.0 g de benzeno. calcule a massa molecular do soluto.26 °C) Uma solução contém 5.0 g de água. (91) 7.Exemplos Uma amostra de 0. Se a solução entra em ebulição a 82.8 °C) Uma solução foi preparada pela dissolução de 7.0 g de benzeno.300 g (massa molecular 60.6 °C à pressão padrão. (100.69 g de um soluto desconhecido são dissolvidos em 74. Calcule o ponto de ebulição normal da solução.2 g de água. Se o ponto de ebulição normal da solução é 100.327 °C.60 g de ácido benzóico.1 g/mol) é dissolvida em 10. qual é a massa molecular aparente do soluto? (162) .39 g de um soluto não-volátil em 85. dissolvidos em 45. Propriedades Coligativas A Diminuição do Ponto de Congelamento . 82 g de um soluto desconhecido são adicionados a 38.Exercício Suponha que 1.828 °C.96 °C abaixo do benzeno puro. (148) 3.0 g de benzeno e a solução congela a uma temperatura de 1.6 g de água para preparar uma solução que congela a -0. Calcular a massa molecular aparente do soluto.42 g de um soluto são adicionados a 25. Qual é a massa molecular aparente do soluto? (222) . Propriedades Coligativas Pressão Osmótica . . . A pressão osmótica da solução medida a 25 °C foi de 1. a pressão somótica da solução encontrada foi 67. A 25 °C. Qual é a massa molecular da gelatina? (1. Qual é a massa molecular da hemoglobina? (68700) 0.36 x 103) .2 mmHg.614 g de gelatina foi dissolvido em água suficiente para preparar 125 mL de solução.Pressão Osmótica Uma amostra de proteína hemoglobina de massa 0.0 mL de solução.500 g foi dissolvida em água suficiente para preparar 100.35 mmHg. Osmose reversa . Eletrólitos Dissociação Se durante a dissociação a espécie fornecer íons à solução. esta é dita um eletrólito Dissociação de Eletrólitos Iônicos . Eletrólitos A Dissociação de Eletrólitos Moleculares HCl (g) H+ (aq) + Cl.20 .(aq) Figura 11. Existem como como uma mistura de íons e substância não-dissociada Equilíbrio e Grau de Dissociação O grau em que um dado eletrólito em solução está dissociado aumenta à medida que a solução se torna mais diluída .Eletrólitos As Forças dos Eletrólitos Eletrólitos Fortes .Existem somente como íons quando em solução Eletrólitos Fracos . 21 . Figura 11. Tabela 11.5 . Qual é a porcentagem de dissociação do HF nesta concentração? (11%) Uma solução aquosa de 0.Exemplos Uma solução 5.103 °C.082 °C.040 m de HNO2 congela a -0. Qual é a porcentagem de dissociação do HNO2 nesta concentração? (11%) .00 x 10-2 m de HF em água apresenta ponto de congelamento normal de -0.