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QUÍMICA GERAL 2. Gases, líquidos e soluções
Agostinho Cachapa
Gases, Líquidos e Soluções Agostinho Cachapa
2. Gases, líquidos e soluções 2.1. Propriedades dos gases. 2.2. Leis elementares dos gases 2.3. Equação dos gases ideais 2.4. Propriedades dos líquidos. 2.5. Mudanças de fases e diagramas de fases 2.6. Natureza e tipos de soluções. 2.7. Concentração de uma solução. 2.8. Propriedades coligativas das soluções de não electrólitos 2.9. Coloides
Glossário Exercícios Bibliografia
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Gases, Líquidos e Soluções Agostinho Cachapa
Objectivos: 1. Descrever as principais características dos gases;
2. Aplicar a lei de Boyle, de Charles e de Avogadro, assim como a equação
de estado dos gases ideais na resolução de problemas práticos;
3. Assinalar a que se deve o comportamento dos líquidos;
4. Assinalar as propriedades mais importantes dos líquidos;
5. Interpretar o diagrama de fases de uma substância e predizer que
mudanças experimentará quando variem a pressão e a temperatura;
6. Expressar as concentrações das soluções em distintas unidades e
distinguir entre soluções não saturadas, saturadas e sobresaturadas;
7. Definir e aplicar as propriedades coligativas das soluções de solutos não
voláteis;
8. Diferenciar soluções, dos coloides e as suas propriedades.
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Gases, Líquidos e Soluções Agostinho Cachapa
2. Gases, líquidos e soluções
2.1. Propriedades dos gases. 1. Não têm forma definida. Se expandem até encher os recipientes que os
contêm, adoptando a forma dos mesmos;
2. Se podem comprimir a volumes mais pequenos, por efeitos de pressão;
3. Se misturam completamente em todas as proporções e difundem
rapidamente;
4. São muito menos densos que os sólidos e líquidos. A sua densidade
varia muito com a pressão e temperatura; aumenta ao aumentar a
pressão e diminui ao aumentar a temperatura. A sua densidade é
directamente proporcional a sua massa molar.
2.2. Leis elementares dos gases 2.2.1. Relação entre a pressão e o volume: Lei de Boyle-Mariotte
A lei de Boyle-Mariotte estabelece o seguinte:
“Num recipiente fechado a temperatura constante e para uma certa quantidade
de substância, o produto da pressão pelo volume é constante”
P1V1=P2V2
O gráfico a seguir mostra a forma gráfica da expressão da Lei de Boyle-
Mariotte.
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Gases, Líquidos e Soluções Agostinho Cachapa
Figura II.1. Relação pressão volume.
2.2.3. Relação entre o volume e a temperatura: Lei de Charles1 e de Gay-Lussac2
Esta lei estabelece o seguinte:
A pressão constante, o volume ocupado por uma quantidade definida de um
gás, é directamente proporcional a sua temperatura absoluta em graus Kelvin
2
2
1
1
TV
TV
=
2.2.4. Lei de Avogadro O enunciado desta é a seguinte:
A pressão e temperatura dadas, o volume ocupado por um gás é directamente
proporcional ao número de moles3 do referido gás
1 Jacques Charles (1746-1823), físico francês conhecido pelos trabalhos sobre a influência da variação da temperatura na pressão e no volume de um gás. 2 Louis-Joseph Gay-Lussac (1778-1850) físico francês. Além de trabalhos sobre dilatação dos gases, estabeleceu as leis das combinações químicas dos gases.
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Gases, Líquidos e Soluções Agostinho Cachapa
2
1
2
1
nn
VV
=
2.3. Equação dos gases ideais O seguinte quadro mostra um resumo das leis dos gases estudadas até agora
• Lei de Boyle PV 1α quando n e T são constantes
• Lei de Charles TVα quando n e P são constantes
• Lei de Avogadro nVα quando P e T são constantes
Combinando a três leis, temos a equação dos gases ideais:
nRTPV =
Quando se maneja uma determinada massa de gás em dois conjuntos de
condições diferentes, temos a expressão que se conhece equação geral dos
gases:
2
22
1
11
nTVP
nTVP
=
2.3.1. Aplicação da equação dos gases ideais Determinação da massa molar de um gás
Como Mmn = e
MmRTPV = se deduz que
PVmRTM =
A fórmula empírica de um composto indica o número relativo de átomos
distintos que existe numa molécula
A fórmula molecular indica o número real de átomos na molécula
Determinação da densidade de um gás
RTMP
Vmd ==
3 Mol é a quantidade de matéria que contém o número de Avogadro, NA, de partículas unitárias. NA se determina experimentalmente e o seu valor é igual a 6,023x1023
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Gases, Líquidos e Soluções Agostinho Cachapa
2.4. Propriedades dos líquidos O estado líquido é um estado de agregação da matéria intermédio entre o
estado sólido e o estado gasoso.
Os líquidos apresentam as seguintes propriedades:
Têm um volume fixo e são muito pouco compressíveis;
Não têm forma definida e podem fluir como os gases, apesar de que a
menor velocidade devido a que a sua viscosidade é muito menor.
A grandeza da tensão superficial na interfase sólido-líquido depende de dois
tipos de forças:
• Forças de adesão, que são forças entre moléculas diferentes (S-
L);
• Forças de coesão, que são forças entre moléculas semelhantes
(S-S) e (L-L).
2.5. Mudanças e diagramas de fases Mudanças de fases Ao produzir-se uma reacção é frequente que ocorra uma mudança de estado
ou fase, com absorção ou libertação de energia.
• As mudanças de estado sólido-líquido ou líquido-vapor necessitam
energia, geralmente em forma de calor. Processos endotérmicos;
• As mudanças de estado gás-líquido ou líquido-sólido são mudanças
exotérmicas, se desprende energia.
Na figura II.2 se representam as distintas mudanças de estado e como se
denominam:
SÓLIDO LÍQUIDO VAPOR SÓLIDO
LÍQUIDO VAPOR
Fusão
Solidificação Sublimação
Condensação a sólido
Vaporização
Condensação Figura II.2. As diferentes mudanças de estado.
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Gases, Líquidos e Soluções Agostinho Cachapa
Equilíbrio líquido-gás:
Se denomina vaporização ao passo do estado líquido ao estado gasoso. Se
trata de um processo endotérmico.
O processo inverso, isto é, o passo do vapor a líquido se denomina
condensação. É um processo exotérmico.
ΔHcondensação= -ΔHvaporização
Equilíbrio sólido-líquido:
À mudança de estado sólido-líquido se denomina fusão. O processo inverso, se
chama congelação ou solidificação.
ΔHfusão= -ΔHsolidificação
Equilíbrio sólido-gás:
Se denomina sublimação o passo da fase sólida a fase gasosa. O processo
contrário, se denomina condensação a sólido ou deposição.
ΔHsublimação= ΔHfusão + ΔHvaporização
Diagrama de fase
É uma forma gráfica de representar as condições de pressão e temperatura
sob as quais são estáveis os diferentes estados físicos de uma substância. Na
figura II.3. abaixo se representa o diagrama de fases da água, no qual se
podem diferenciar:
Três regiões delimitadas por três curvas que representam as condições
de pressão e temperatura onde é estável uma só fase da substância,
sólida, líquida ou vapor.
Três curvas representam as condições de pressão e temperatura nas
quais existem em equilíbrio as fases sólido-líquido; líquido-vapor e
sólido-vapor, respectivamente.
O ponto X onde se cruzam as três linhas se denomina ponto triple e
representa as condições de pressão e temperatura nas quais podem
existir em equilíbrio os três estados de agregação da substância.
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Gases, Líquidos e Soluções Agostinho Cachapa
Figura II.3. Diagrama de fases da água
2.6. Natureza e tipo de soluções Uma solução é uma mistura homogénea de um soluto (substância a ser
dissolvida) distribuída através de um solvente (substância que efectua a
dissolução).
1. Quanto ao estado físico dos componentes, as soluçoes podem ser:
a) Sólidas:
Exemplo: Muitas ligas metálicas são soluções sólidas, como a moeda
de 25¢ (25% de Ni, 75% Cu) dos EUA. (USD);
b) Líquidas:
Exemplo: As soluções mais familiares são aquelas no estado líquido,
especialmente as que usam água como solvente;
c) Gasosas:
Exemplo: Ar é uma solução gasosa de N2, O2 e quantidades muito
menores de outros gases.
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Gases, Líquidos e Soluções Agostinho Cachapa
2. Atendendo a sua capacidade para dissolver um soluto, as soluçoes
classifcam-se em:
a) Não-saturadas;
b) Saturadas;
c) Sobresaturadas
Para entendermos esses conceitos, primeiramente precisamos saber o que é
Coeficiente de Solubilidade (S). Ele é definido como a máxima quantidade de
soluto que é possível dissolver numa quantidade determinada de solvente, a
uma determinada temperatura.
Se vai definir sómente, os conceitos com base na última classificação, assim
sendo:
Solução Insaturada (ou não saturada) - É quando a quantidade de soluto
usado se dissolve totalmente, ou seja, a quantidade adicionada é inferior
ao coeficiente de solubilidade.
Solução Saturada - É quando o solvente (ou dispersante) já dissolveu
toda a quantidade possível de soluto (ou disperso), e toda a quantidade
agora adicionada não será dissolvida e ficará no fundo do recipiente.
Solução Sobressaturada (ou superssaturada) - Isto só acontece quando
o solvente e soluto estão numa temperatura em que seu coeficiente de
solubilidade (solvente) é maior, e depois a solução é resfriada ou
aquecida, de modo a reduzir o coeficiente de solubilidade. Quando isso
é feito de modo cuidadoso, o soluto permanece dissolvido, mas a
solução se torna extremamente instável. Qualquer vibração faz precipitar
a quantidade de soluto em excesso dissolvida.
2.7. Concentração das soluções Concentração significa quanto soluto está presente em um volume ou massa
específica.
Existem diversas maneiras como os químicos exprimem a concentração de
uma solução, a continuação descreveremos as formas mais comuns de
expressar concentração.
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Gases, Líquidos e Soluções Agostinho Cachapa
1. Percentagem em massa (% m)
É a massa do soluto presente em 100 g de solução. É adimensional.
Exemplo: Uma solução à 10% é aquela que possui 10g de soluto em 100g de
solução.
Ou ainda:
100%m
msolutom =
Quando a grandeza não estiver definida (soluto, solvente ou solução) admite-
se que o valor se refere a solução.
2. Percentagem em volume (% V)
É o volume de soluto presente em 100 mL de solução. É adimensional.
Exemplo: Uma solução 20% v é aquela que possui 10 mL de soluto em 100 mL
de solução.
Ou ainda:
100%V
VsolutoV =
3. Concentração másica (ρ)
É o quociente da massa do soluto (em gramas) pelo volume da solução (em
litros). A unidade é g/L.
Vm
=ρ
Exemplo: Determine a concentração, em g/L , de uma solução de ácido nítrico
que apresenta 36 g de soluto em água suficiente para 500 mL de solução.
O volume deve estar em litros. Assim, 500 mL = 0.5 L
ρ = 36/0,5 ... ρ = 72 g/L
4. Molaridade ou Concentração Molar (M ou C)
É o quociente do número de moles de soluto pelo volume da solução (em
litros). A unidade é mol/dm3 ou mol/L.
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Gases, Líquidos e Soluções Agostinho Cachapa
)2(
)1(
Mmn
Vnc
=
=
Substituindo (2) em (1), temos:
VMmc.
=
Quando uma solução tiver, por exemplo, molaridade igual a 2 mol/L, diremos
que a solução é 2 molar; e quando M = 1 mol/L, diremos simplesmente que a
solução é molar.
Dizemos que uma solução é decimolar quando a sua molaridade vale 0,1
mol/L.
5. Molalidade (m ou ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
dXb )
Expressa a quantidade de substância de soluto contido num 1 kilograma (1000
g) de dissolvente. Se expressa em mol/kg.
)2(
)1(
s
ss
d
s
Mmn
mn
dsb
=
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
Substituindo ns em (1) por (2), temos:
sd
s
Mmm
dsb
.=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
Calcule a molalidade de uma solução de ácido sulfúrico (H2SO4) que contém
410, 3 g de soluto em 833 g de água.
Dados:
?=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
dXb
ms=410,3 g
md=833 g=0,833 kg
Ms=98 g/mol
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Gases, Líquidos e Soluções Agostinho Cachapa
kgmoldXb
kgmolgg
dXb
mMm
mn
dXb
ds
s
d
s
/02,5
833,0./983,410.
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
==⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
R: A molalidade da solução é 5,02 mol/kg.
2.8. Propriedades coligativas das soluçoes de não-electrolitos Propriedades coligativas das soluções são propriedades que surgem pela
presença de um soluto e dependem única e exclusivamente do número de
partículas que estão dispersas na solução, não dependendo da natureza do
soluto.
Estas propriedades são quatro:
Abaixamento da pressão de vapor ou Tonoscopia;
Abaixamento do ponto de congelação ou Crioscopia;
Aumento do ponto de ebulição ou Ebulioscopia;
Pressão osmótica ou Osmocopia.
Abaixamento da pressão de vapor ou Tonoscopia
Quando se agrega um soluto não volátil a um solvente puro, a pressão de
vapor deste na solução diminui.
P solução < P solvente puro
ΔP = P° - P
Lei de Raoult
A pressão de vapor exercida pelo líquido é proporcional a sua fracção molar
numa solução.
PA = χA P°A
Onde:
PA : Pressão de vapor do componente A
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Gases, Líquidos e Soluções Agostinho Cachapa
XA : Fracção molar de A
P°A : Pressão de vapor de A puro
Para um soluto não volátil:
ΔP = P°A χBB
onde:
ΔP : Abaixamento da pressão de vapor
χB : fracção molar do soluto B não volátil B
P°A : pressão de vapor do solvente A puro
Abaixamento do ponto de congelação ou Crioscopia Quando se agrega um soluto não volátil a um solvente puro, o ponto de
congelação deste diminui.
Pto. Cong. solução < Pto. Cong. Solvente puro
ΔTc = Kc.m
Onde:
ΔTc = Diminuição do ponto de congelação;
Kc = Constante crioscópica (ºC.Kg.mol-1);
m = molalidade da solução.
ΔTc = Tc solvente – Tc solução
Aumento do ponto de ebulição ou Ebulioscopia Quando se agrega um soluto não volátil a um solvente puro, o ponto de
ebulição deste aumenta.
Pto. Eb. solução > Pto. Eb. solvente puro
ΔTe = Ke .m
Onde:
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Gases, Líquidos e Soluções Agostinho Cachapa
ΔTe = Aumento do ponto de ebulição;
Ke = Constante molal do ebulioscópica (ºC.Kg.mol-1);
m = molalidade da solução.
ΔTe = Te solução - Te solvente
Pressão osmótica ou Osmocopia
Se denomina osmose ao passo, de forma espontânea, de moléculas do
solvente a través de uma membrana semipermeável desde uma solução diluida
a outra de maior concentração.
π > P
Figura II.4. Representação da osmose normal
Osmose Normal
Agua pura Disolução
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Gases, Líquidos e Soluções Agostinho Cachapa
π < P
Figura II.5. Osmose inversa
Se define a pressão osmótica como a pressão externa que compensa o
processo de osmose, e se expressa como: V
nRT=π
R= 8,31 J/(mol K)
Depende da concentração da solução e pode calcular-se segundo a equação:
Como n/V é molaridade (M), então:
π = M.R.T
2.9. Coloides Coloides são misturas heterogéneas de pelo menos duas fases diferentes, com
a matéria de uma das fases na forma finamente dividida (sólido, líquido ou
gás), denominada fase dispersa, misturada com a fase contínua (sólido, líquido
ou gás), denominada meio de dispersão.
Osmose Inversa
Agua pura
P
Disolução
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Gases, Líquidos e Soluções Agostinho Cachapa
A ciência dos colóides está relacionada com o estudo dos sistemas nos quais
pelo menos um dos componentes da mistura apresenta uma dimensão no
intervalo de 1 a 1000 nano metros (1 nm = 10-9 m).
Sistemas coloidais estão presentes no quotidiano desde as primeiras horas do
dia, na higiene pessoal — sabonete, champô, pasta de dente e espuma ou
creme de barbear —, maquilhagem, — cosméticos —, e no café da manhã, —
leite, café, manteiga, cremes vegetais e geleias de frutas. No caminho para o
trabalho podemos enfrentar neblina, poluição do ar. No almoço, temperos,
cremes e maionese para saladas. No entardecer, ao saborear cerveja,
refrigerante ou sorvete estamos ingerindo colóides. Os colóides ainda estão
presentes em diversos processos de produção de bens de consumo, incluindo
o da água potável, os processos de separação nas indústrias, de biotecnologia
e de ambiente. São também muito importantes os colóides biológicos, tais
como o sangue.
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Gases, Líquidos e Soluções Agostinho Cachapa
Glossário Viscosidade é a resistência que apresenta o fluido, a fluir. Depende da
densidade do fluido e geralmente diminui com o aumento da temperatura.
Tensão superficial é a energia necessária para aumentar a superfície
de um líquido por unidade de área.
1 atm = 760 mmHg;
1 Torr = 1 mmHg
No SI: 1 atm=1,01.105 Pa = 1,01.102 kPa
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Gases, Líquidos e Soluções Agostinho Cachapa
Exercícios 1. Calcular o volume de 50 kg de amoníaco, medidos a 300C e 760 mmHg.
2. Completar a seguinte tabela para soluções aquosas de glicose C6H12O6.
massa soluto moles soluto Vol. solução Molaridade
a) 12,5 g 219 ml
b) 1,08 0,519
c) 1,62 L 1,08
3. As pesquisas sobre materiais utilizados em equipamentos desportivos são
direccionadas em função dos mais diversos factores. No ciclismo, por
exemplo, é sempre desejável minimizar o peso das bicicletas, para que se
alcance o melhor desempenho do ciclista. Dentre muitas, uma das
alternativas a ser utilizada seria encher os pneus das bicicletas com o gás
hélio, He, por ser bastante leve e inerte à combustão. Qual será a massa de
hélio, necessária para inflar um pneu de 0,4 L de volume, com a pressão
correspondente a 6,11 atm, a 25o C.
Constante universal dos gases: R = 0,082 L.atm.mol-1.K-1
4. Uma solução que contém 8 gramas de uma determinada substância em 100
gramas de éter etilico, entra em ebulição a 36,9ºC, enquanto o éter puro
entra em ebulição a 35,6ºC. Determine a massa molar da substância
dissolvida?
(ke=2,02ºC.Kg.mol-1).
5. Calcule a temperatura que deve cristalizar a solução que contém 54 gramas
de glucose (C6H12O6) em 250 gramas de água.
(kc = 1,86 0C.Kg.mol-1).
6. A pressão osmótica da solução, 250 ml da qual contém 3 gramas de açúcar
a 12ºC, é igual a 83,14 kPa. Determinar a massa molar molar do açúcar.
(R=8,31 J.mol-1.K-1).
7. Ao dissolver 2,76 gramas de glicerina em 200 gramas de água, a
temperatura de congelação baixou em 0,279ºC. Determinar a massa molar
da glicerina.
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Gases, Líquidos e Soluções Agostinho Cachapa
(kc=1,86ºC.Kg.mol-1).
8. Diga qual solução de ureia tem maior pressão osmótica, uma de
concentração molar 0,3 mol.L-1 ou outra de de concetração molar 0,2 mol/L.
Se ambas se põem em contacto a través de uma membrana
semipermeável. Em que sentido sentido ocorre a osmose?
9. Uma soluçao de 7,41 gramas de um composto em 100 gramas de água,
ferveu, à presao normal, a 100,52ºC.
Determine a massa molar desse composto. (ke=520ºC. Kg-1.mol-1).
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Gases, Líquidos e Soluções Agostinho Cachapa
Bibliografia 1. Júnior, J. M.; Varanda, L. C. O mundo dos colóides, Química nova na
escola, nº.9, Maio de 1999;
2. Hang, R. Química, 5ª Ed., McGraw-Hill, Portugal, 1994
3. Ruiz, M. P.B.; Naranjo, A. C.; Novoa, O. F.; Fernández, G. G.: Sánchez,
E. O.; Miche, R. V.; Castaño, G. V. Guías de clases prácticas de
Química General, Editorial Pueblo y Educación, Cuidad de la Habana,
1985.
4. Miranda, M.; Ramírez, M.; Santos, S.; León, C.; Garcia, C.; Castillo, D.
Bases Químicas del Medio Ambiente, Universidad Nacional de
Educación a Distancia, Madrid, 2004.
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