Teoria cinética dos gases quando

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Plano de Ensino
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EMENTA:
Gases, líquidos e sólidos. Princípio dos estados correspondentes e outras
equações de estado. Primeiro princípio da termodinâmica. A energia e o
primeiro princípio. Entropia. Segundo e terceiro princípios da Termodinâmica.
Ciclo de Carnot. Energia Livre. Soluções. Azeótropos. Diagrama de fases. Regra
da alavanca. Lei de Henry. Lei de Raoult. Equilíbrio entre fases. Conceito de
atividade
OBJETIVO GERAL DA DISCIPLINA:
Desenvolver no aluno uma visão completa das leis e fenômenos da FísicoQuímica, capacitando-o para resolver os problemas científicos e tecnológicos
relacionados aos processos físico-químicos e ensino da Físico-Química.
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Comportamento dos gases
Calor de reação
Entalpia
Espontaneidade das reações
Termodinâmica
Soluções – propriedades coligativas
Diagramas de pressão e vapor
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As Propriedades dos Gases
O que estas imagens dizem sobre os gases?
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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.
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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
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Energia potencial de interação
q1 q2
Eatração carga-carga =_____________
4 εor12
repulsão
repulsão
atração
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Revisão:
Forças Intermoleculares
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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
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Revisão:
Forças Intermoleculares
Por que O2 dissolve-se em
água?
Polarizabilidade
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Revisão:
Forças Intermoleculares
1)Justifique o aumento da temperatura de ebulição das substâncias químicas abaixo:
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Revisão:
Forças Intermoleculares
2) Por que Butano (gás de cozinha) pode ser liquefeito?
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Revisão:
Forças Intermoleculares
3) Coloque as seguintes substâncias em ordem crescente de força
intermolecular, justificando.
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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.
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Revisão:
Forças Intermoleculares
5) Quais informações relevantes você pode extrair do gráfico abaixo?
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Revisão:
Forças Intermoleculares
6) Por que gelo flutua sobre a água? Uma garrafa de refrigerando congelada
pode estourar na geladeira?
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Revisão:
Forças Intermoleculares
7) Explique a imagem abaixo, qual a correlação com as forças intermoleculares:
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Revisão:
Forças Intermoleculares
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 H2, N2 e O2?
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Estados Físicos
Como transformar a mesma matéria nos diferentes estados físicos?
• Variação de pressão
• Variação de volume
• Variação de temperatura
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GASES IDEAIS
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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 (m2)
N/m2 = Pascal (Pa) pelo SI.
1 atm = 101325 Pa = 760 mmHg = 760 Tor
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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 m3 pelo SI
1 m3 = 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 = oC + 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).
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Propriedade dos Gases
• O comportamento de um gás é definido por quatro variáveis:
P
V
T
n
Mas, as forças intermoleculares não afetam o comportamento dos gases?
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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?
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Lei dos Gases Ideais
Lei de Boyle
Lei de Charles
Lei de Avogadro
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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.
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Lei dos Gases Ideais
Lei de Boyle
P1 x V1 = k
P2 x V2 = k
P1 x V1 = P2 x V2
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Lei dos Gases Ideais
Lei de Boyle
Temperatura constante = Isoterma
A curva acima é chamada de hipérbole. Ao multiplicar xy = constante
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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.
http://www.physchem.co.za/OB11-mat/kinetic4.htm
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Lei dos Gases Ideais
Lei de Charles ou Gay-Lussac
1) Elabore um gráfico T vs. V (a pressão 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?
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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?
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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.
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Lei dos Gases Ideais
Lei de Charles ou Gay-Lussac
O que ocorre com o balão
quando sobe pela atmosfera?
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Lei dos Gases Ideais
Lei de Avogadro: permite calcular o volume molar
T2
T1
T2 > T1
Sistema Isotérmico e Isóbaro
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Lei dos Gases Ideais
Lei de Clayperon: Uniu os resultados experimentais
de Boyle, Charles, Gay-Lussac e Avogadro.
PV = nRT
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
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1) Qual será o volume molar de um gás ideal nas Condições Ambientes de
Temperatura e Pressão (CNATP), quando T = 25oC.
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
(NaHCO3) sabendo-se que a mesma, quando em contato com HCl, libera 0,480
L de CO2, medido a 273 K e 1 atm? Considere que CO2 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 25oC 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.
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Lei de Dalton
Suponha três gases diferentes confinados em cilindros:
Pressão parcial
do gás 3
P T = P1 + P2 + P3
P3=x3PT
X3=n3/nT
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.
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4) A percentagem poderal (isto é, em massa) do ar seco, ao nível do mar, é
aproximadamente 75,5% de N2, 23,2 % de O2 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?
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RESUMINDO.... GASES IDEAIS
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Habilidades adquiridas:
• Montar gráficos em papel milimetrado;
• Identificar a equação da reta dos gráficos;
• Calcular coeficiente angular e linear de retas e relacionar com propriedades
da matéria;
• Identificar gráficos de processos isotérmicos, isobáricos, isométricos;
• Compreender as expressões da Lei de Boyle, Lei de Charles, Lei de Avogadro e
Lei de Dalton.
• Compreender as simplificações assumidas na Lei dos gases Ideais.