Prof Msc. Luana Sena Nunes UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA DEPARTAMENTO DE QUMICA GERAL E INORGNICA DISCIPLINA: QUI029 - QUMICA GERAL UNIDADE II GASES Umgsumasubstnciaqueseexpande espontaneamenteparapreencherporcompletoum recipiente de maneira uniforme.Os gases possuem as seguintes propriedades: Soaltamentecompressveiseocupamo volume total de seus recipientes. Quandosubmetidopresso,seuvolume diminui. Sempreformammisturashomogneascom outros gases. Osgasessosubstnciasfludasqueestopresentesemgrande quantidadenanatureza.Oaratmosfricocompostoporvriosgases,tais como: nitrognio (78%), oxignio (21%) e outros gases (1%).Osgasessoimportantesparaossereshumanos,poissoaplicados emdiversasatividades,taiscomo:usodomstico(gsdecozinha),hospitais, meiosdetransporte,medicinaeindstria. Poroutrolado,existemosgases poluentesderivadosdaqueimadecombustveisfsseis.Estesgases(dixido decarbono,gsmetano,perfluorcarbonetos,xidonitrosoe hidrofluorcarbonetos)prejudicamomeioambiente,colaborandoparao processo de aquecimento global. CURIOSIDADES Biogs um biocombustvel, pois considerado uma fonte de energia renovvel. produzido a partir de uma mistura gasosa de dixido de carbono com gs metano. A produodobiogspodeocorrernaturalmentepormeiodaaodebactriasem materiaisorgnicos(lixodomsticoorgnico,resduosindustriaisdeorigemvegetal, esterco de animal). O biogs tambm pode ser produzido de forma artificial. Para tanto, utiliza-se um equipamentochamadobiodigestoranaerbico.Esteequipamentoumaespciede reator qumico que produz reaes qumicas de origem biolgica. O biogs pode ser usado em substituio gases de origem mineral como, por exemplo, o GLP (conhecido popularmente como gs de cozinha) e o gs natural.Obiogspodetambmserutilizadoparaaproduodeenergiaeltrica.Para tanto, necessrio a utilizao de geradores eltricos especficos. Prof Msc. Luana Sena Nunes Gs = Vapor Gs:umasubstnciaquenormalmenteseencontranoestadogasoso na temperatura e presso ambiente.Exs.:Hlio, Hidrognio, Oxignio, entre outros.Vapor:aformagasosadeumasubstnciaquenormalmenteum lquido ou um slido na temperatura e presso ambiente. Ex.: gua Variveis usadas para descrever o comportamento de um gs: Volume: Ocupa todo o recipiente que o contm.Unidades: litro = dm3, m3, cm3= mL. Presso:Foratotalsobreumasuperfcieporunidadedereadessa superfcie.Unidades: 1 Pa = 1 N/m2 ; 1 atm = 1,01325 x 10 5 Pa 1 atm = 760 mmHg;1 mmHg = 1,33322 x 10 2 Pa Temperatura: Funo da energia cintica mdia das molculas de um objeto. Unidades: oC, K, oF 0 K = -273 oC (Zero absoluto) Presso A presso a fora atuando em um objeto por unidade de rea: AFP =Prof Msc. Luana Sena Nunes A gravidade exerce uma fora sobre a atmosfera terrestre. Oaparelhousadoparamedirpressoo BARMETRO. Se um tubo inserido em um recipiente de mercrio aberto atmosfera, o mercrio subir 760 mm no tubo. A presso atmosfrica padro a presso necessria para suportar 760 mm de Hg em uma coluna. Unidades: a presso medida em um barmetro demercriommHg,,tambmchamadadetorr; pode ser tambm registrada em atmosfera normal (atm) que se define por:1 atmosfera padro = 1 atm = 760mmHg A Unidade do SI (Sistema Internacional) o pascal (Pa). Aspressesdegasesnoabertosparaaatmosferasomedidasem manmetros. Um manmetro consiste de um bulbo de gs preso a um tubo em forma de U contendo Hg: Se Pgas < Patm ento Pgas + Ph2 = Patm. Se Pgas > Patm ento Pgas = Patm + Ph2. LEIS DOS GASES Lei de Boyle Nosc.XVII,RobertBoyle(qumicoirlands)eEdmeMariotte(fsico francs)estudaramindependentementeomodocomoovolumevariacoma presso. Apressodogspodeseralteradaadicionando-semercriona extremidade aberta, e o volume do gs medido a cada presso. Osresultadosdeumasriede medidaspresso- volume determinados no hidrognio temperatura ambiente so dados:Prof Msc. Luana Sena Nunes Observou-se que:Quando a presso do gs aumenta, o seu volume diminui; O produto presso x volume permanece constante. BoyleeMariotte observaramcomportamentossemelhantescom muitos gases. Seus resultados podem ser resumidos em: LeideBoyle:temperaturaconstante,ovolumeocupadoporuma determinadaquantidadedeumgsinversamenteproporcionalsua presso. Se o produto PV uma constante, e P1 eV1 representam a presso e o volume iniciais de um gs, e P2 e V2 a presso e o volume finais, ento: Presso (mmHg) Volume (ml)Presso x volume (mmHg x ml) 70025,01,75 x 104 83021,11,75 x 104 89019,71,75 x 104 106016,51,75 x 104 Prof Msc. Luana Sena Nunes Exemplo 1: Uma amostra de nitrognio gasoso na bolsa de ar de um carro tem a presso de 745mmHg com o volume de 65L. Se esta amostra foi transferida para uma bolsa de 25L, mantendo a mesma temperatura qual a presso do gs com o novo volume? P1V1 = P2V2 745 x 65 = P2 x 25 V2 = 1940mmHg Lei de Charles 1800-JacquesCharleseJosephGay-Lussac(fsicosfranceses) pesquisaramcomoosgasesseexpandemquandosuastemperaturas aumentam. Segundo eles a cada grau Celsius de aumento de temperatura, o gs se expande cerca de 1/273 do seu volume. Aslinhascorrespondentesacadaamostracorrespondemadiferentes quantidades de hidrognio. Todasastrslinhas,quandoextrapoladasparaV=0,interceptamoeixo horizontal mesma temperatura, -273oC.A equao para cada linha reta pode ser escrita: Prof Msc. Luana Sena Nunes V = d (t + 273)V = dT LeideCharles:apressoconstante,ovolumeocupadoporuma quantidade de gs diretamente proporcional sua temperatura absoluta. Se (V/T) = d(V1/T1) = (V2/T2)( a P e n constantes ) Exemplo 2: Suponha que se tenha uma amostra de CO2 numa seringa selada. O volume de gs 25,0mL temperatura ambiente (20C). Qual o volume final de gs, se voc aquecer a seringa segurando-a na mo, at a temperatura de 37C? Condies Iniciais: V1 = 25mL T1 = 20+273 = 293K Condies Finais: V2 = ? T2 = 37 + 273 = 310K V1 =V2 25= V2 25 x 310=26,5mL T1T2293 310293 Lei combinada dos gases Pode-secalcularumavariaoemqualquerumadastrsvariveisde uma amostra de gs, determinada por mudana em outras duas. Lei de Boyle: PV = C Lei de Charles: (V/T) = d Combinando-se os dois enunciados, tem-se: Prof Msc. Luana Sena Nunes Exemplo 3: Uma bola de gs (recipiente cilndrico), com um volume de 22,0L contmhlioapressode150atmenatemperaturade31C.Quantasbolas de gs. Cada uma com um volume de 5,0L, podem ser infladasnum dia em que a presso atmosfrica de 755mmHg e a temperatura de 22C? Incio: V1 = 22,0L; P1 = 150atm e T1 = 31+273 = 304K Final: V2 = 5,0L; P2 = 755mmHg (0,993atm) eT2 = 22 + 273 = 295K P1 x V1 =P2 x V2 =22 x 150 = V2 x 0,993 = 3200LT1T2304 295 1 bola -------5,0L x ------- 3200L 5x = 3200 x = 3200/5x = 640 bolas de gs Relao quantidade-volume: lei de AvogradoAleideGay-Lussacdevolumescombinados:aumadeterminada temperatura e presso, os volumes dos gases que reagem so propores de nmeros inteiros pequenos. PrincpiodeAvogadro:volumesiguaisdegasesdiferentescontm nmerosiguaisdemolculasquandomedidosnasmesmascondiesde presso e temperatura. Assim, a qualquer presso e temperatura, o volume de qualquer gs diretamente proporcional quantidade desse gs: V = k nA lei de Avogadro: o volume de gs a uma dada temperatura e presso diretamente proporcional quantidade de matria do gs. Exemplo4:Aamniapodesersintetizadadiretamenteapartirdeseus elementos: Prof Msc. Luana Sena Nunes N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) Se for 15,0L o volume inicial do H2(g), numa dada condio de T e P, qual o volumedeN2(g)necessrioparacompletarareao(nasmesmascondies de T e P)? Qual a produo terica de NH3, em litros? 1L de N2 ------ 3L de H2 x ------- 15L de H2x = 15/3 = 5L de N2 1 L de N2 --------2L de NH3 5L de N2--------x x = 2x 5 = 10 Litros de NH3 Combinando-se as leis de Boyle, Charles e Avogadro, tem-se: Rumaconstantedeproporcionalidadeconhecidacomoconstantedogs ideal. Lei do gs ideal: PV = nRTOvalordeR,determinadoexperimentalmente,0,0820578 litros.atm.mol-1.K-1= 8,314 J mol-1K-1. Pode-secalcularovolumeocupadoporummoldeumgsideala qualquertemperaturaepresso,usandoaleidogsideal.Acondiode referncia:0oC(273,15K)e1atm(condiesnormaisdetemperaturae presso, CNTP). Prof Msc. Luana Sena Nunes Lei de Dalton das presses parciais JohnDalton,professoringls,1801:gasesdiferentesemumamistura parecemexercerpressonasparedesdorecipiente,independentementeum do outro. A presso exercida por uma mistura de gases a soma das presses que os gases exerceriam se cada um estivesse sozinho no recipiente. Lei deDalton das presses parciais:a presso total exercida por uma mistura de gases igual soma das presses parciais dos gases individuais. Cada gs obedece equao ideal dos gases: Combinando as equaes: onde Xi a frao em quantidade de matria (ni/nt). + + + =3 2 1 totalP P P P|.|

\|=VRTn Pi i( )|.|

\|+ + + =VRTn n n P 3 2 1 totalProf Msc. Luana Sena Nunes Lei de Graham de difuso e efuso Difuso: passagem de uma substncia atravs de outra. Exemplo: tinta solvel em gua lquida. Gases difundem-se mais rapidamente. Thomas Graham, qumico ingls, 1829: mediu as velocidades de difuso dos gases. LeidedifusodeGraham:avelocidadededifusodeumgsatravs de outro inversamente proporcional raiz quadrada da densidade do gs. Velocidade de difuso = k Essa lei pode ser rearranjada em termos de massa molecular (deduzir):Velocidade de difuso = k LeidedifusodeGraham(ampliada):avelocidadededifusodeum gsatravsdeoutroinversamenteproporcionalraizquadradada densidade do gs ou raiz quadrada da sua massa molecular. LeideefusodeGraham: avelocidade deefuso de umgsatravsdeumdadoorifcioinversamente proporcionalraizquadradada densidade dogsouraiz quadrada da sua massa molecular. Efuso: passagem de um gs atravs de um orifcio (pneu furado). Prof Msc. Luana Sena Nunes Teoria cintico-molecular Ateoriacinticadosgasesprocuradescreverocomportamentodeste estadodeagregaoatravsdeummodeloconceptualsimples.Constitui todaviaestemodeloumdosmaisbelosexemplosdarelaoentreo comportamentomicroscpicodamatria,easpropriedadesqueapresenta escala macroscpica. Aspropriedadesmacroscpicasdeumgsjuntoatemperatura ambienteepressoatmosfricapodemserdescritas,comotodossabemos, pelasleiselementaresdosgases(Boyle-Mariotte,CharleseGayLussace Avogadro) dando origem equao dos gases perfeitos. Vamos verificar como a teoria cintica dos gases pode descrever este comportamento com base num conjunto de hipteses bsicas: Osgasesconsistemdeumgrandenmerodemolculasem movimento aleatrio constante. Ovolumedemolculasindividuaisdesprezvelcomparadoao volume do recipiente. As foras intermoleculares (foras entre molculas de gases) so insignificantes. A energia pode ser transferida entre as molculas, mas a energia cintica total constante temperatura constante. Aenergiacinticamdiadasmolculasproporcional temperatura. Ateoriamolecularcinticanosforneceum entendimentosobreapressoeatemperaturano nvelmolecular.Apressodeumgsresultado nmerodecolisesporunidadedetemponas paredesdorecipiente.Aordemdegrandezada pressodadapelafreqnciaepelaforada coliso das molculas. As molculas de gs tm uma energiacinticamdia.Cadamolculatemuma energia diferente. medidaqueatemperaturaaumenta,aenergiacinticamdiadas molculasdegsaumenta.medidaqueaenergiacinticaaumenta,a velocidade das molculas do gs aumenta. Avelocidademdiaquadrtica,u,avelocidadedeumamolculado gsquetemenergiacinticamdia.Aenergiacinticamdia,c,est relacionada velocidade quadrtica mdia: 221mu = cProf Msc. Luana Sena Nunes Postulado 1 Um gs composto de um grande nmero de partculas; Osvolumesdestaspartculassodesprezveis,quando comparados com o volume do recipiente que as contm; Dimetro das partculas so muito menores que a distncia mdia entre estas; Maior parte do volume medido de um gs apenas espao vazio. O postulado 1 explica a compressibilidade dos gases. Comprimir: forar a matria a ocupar menos espao. Comprimir um gs fcil, pois a maior parte do volume espao vazio. Postulado 2 Aspartculasdeumgsestoemmovimentoretilneo constante, rpido,ao acaso Partculas colidem freqentemente entresie com as paredes do recipiente As colises so elsticas: no h perda de energia total As partculas podem perder energia uma para a outra, mas a energia total do par permanece constante Opostulado2explicaporqueumgsseexpandeespontaneamente para preencher todo o volume do recipiente. Seascolisesnofossemelsticas,haveriaperdadeenergia;as velocidades das partculas diminuiriam. Emumrecipientebemisoladotermicamente,aenergiacinticamdia de um gs permanece constante. Movimentobrowniano:pequenaspartculas,comofumaaepoeiras finassuspensasnoarsofremmovimentoemzigue-zague.Omovimento brownianoapiadiretamenteanoodemolculasdoarquesemovem rapidamente. Prof Msc. Luana Sena Nunes Postulado 3 Excetoduranteascolises,aspartculasdeumgssocompletamente independentes entre si. No h foras de atrao ou repulso. Foras atrativas, caso existissem, inibiriam o processo de expanso. Postulado 4 Aspartculasapresentamumaamplafaixadevelocidadesou energias cinticas . Noentanto,aenergiacinticamdiaproporcional temperatura. Relacionando Teoria cintico-molecular e leis dos gases Deacordocomalei deBoyle:a presso deumgs aumenta, medida queoseuvolumediminui,temperaturaconstante.Assim,quandoogs ocupaumvolumemenor,ascolisesentreaspartculaseasparedesdo recipiente aumentam. DeacordocomaleideCharles:ovolumedeumgsdiretamente proporcional sua temperatura absoluta, presso constante.Oaumentodatemperaturaproporcionaoaumentodaenergiacintica; maiorfreqnciaemaiorimpulsoporcoliso.Seovolumeforconstante,h aumento de presso. Se a presso for constante, h aumento de volume. DeacordocomaleideDaltondaspressesparciais:cadapartculaem uma mistura gasosa comporta-se de modo independente, exceto nas colises. Ento: Nenhuma partcula influenciada por outra nas colises com as paredes do recipiente; Aspartculasdecadagsexercemsuaprpriapressoparcial independente da presena de outros gases; A presso total ser a soma das presses parciais. Gases reais Em um gs ideal, no existem foras intermoleculares; o volume de cada partcula desprezvel em relao ao volume total. Prof Msc. Luana Sena Nunes Emgasesreais,socomunsdesviosdocomportamentoideal, especialmente a baixas temperaturas ou altas presses. Para 1 mol de um gs ideal: Quantomaiorforapresso,maiorserodesviodo comportamento ideal. Aaltaspresses,aspartculasdos gasessoforadasaseaproximarem umasdasoutras;existepoucoespao vazionogs.Nestascondies,ovolume decadapartculanodesprezvelem comparaocomovolumetotal.Abaixas temperaturas,aspartculastendema mover-semaislentamente;asatraes intermoleculares so significativas. medidaqueasmolculasdegsficammaisunidas,diminuia distnciaintermolecular.Quantomenorforadistnciaentreas molculasdegs,maiorachancedasforasdeatraose desenvolverem entre as molculas. Conseqentemente, menos o gs se assemelha com um gs ideal. medida que a temperatura aumenta, as molculasdegssemovemmaisrapidamenteesedistanciammais entresi.Altastemperaturassignificamtambmmaisenergiadisponvel paraaquebradasforasintermoleculares.Conseqentemente,quanto maior for a temperatura, mais ideal o gs. Prof Msc. Luana Sena Nunes Abaixastemperaturas,asatraestornam-sebastantefortespara manteraspartculasprximaseogscondensa.Ocomportamentodogs real aproximado na equao PV = nRT . Dois gases reais no exibem exatamente o mesmo comportamento PVT. A equao de estado mais conhecida para os gases reais a equao de van der Waals: Os termos a e b so conhecidos como constantes de van der Waals. O termo a corrige os valores das presses dos gases devido ao efeito das foras intermoleculares.Otermobcorrigeovolumedogsdevidoaoefeitodos volumes das partculas. Gs a (L2 atm mol-2) b (L mol-1) H20,2440,0266 He0,0340,0237 N20,390,0391 O21,360,0318 CO20,590,0427 CH42,250,0428 NH34,170,0371