Aula-03- equilibrio fisico - UDESC · • Há três fases de energia na formação de uma solução...

Equilíbrio Físico

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Equilíbrio FísicoDisciplina Química Geral IICurso de Química – habilitação em licenciaturaProfa. Marcia Margarete Meier

Equilíbrio Físico2

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.suas propriedades físicas, alterando a temperatura de fusão, ebulição, etc.

Estados de agregação da matériaO que causa os diferentes estados de agregação da matéria?

Distância entre as moléculas/átomos

Repulsão e atração entre as

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Repulsão e atração entre asmoléculas/átomos

Equilíbrio de forças

Interação (forças intermoleculares)

Energia potencial de interação

ou conhecido como

Energia potencial de interação

Eatração carga-carga =_____________q1 q2

4 πεor12

repulsão

4

Lei de Couloumb

repulsão

atração

Revisão:Forças Intermoleculares

5

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:

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• Diferença de eletronegatividade entre átomos;

• Geometria das moléculas

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 polaresÍon-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 Forças Intermoleculares

Efeito na miscibilidade

Efeito na temperatura de mudança de fase

Efeito na miscibilidade

Efeito na volatilidade de substâncias

9 Forças Intermoleculares

Efeito na temperatura de mudança de fase:

À medida que a temperatura de uma substância aumenta,

Equilíbrio entre fases Equilíbrio entre fases

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.

Tem

pe

ratu

ra, o

C

10 Forças Intermoleculares

Efeito na miscibilidade

Não há dissolução

Dissolve: polaridade semelhante

Etanol/água: homogêneo em qualquer proporção.Água/gasolina: imiscível (separação de fases)

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 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.

Miscibilidade: parcialmente miscível

13 Forças Intermoleculares

Efeito na miscibilidade: substâncias parcialmente miscíveis

{Parcialmente miscível

14 Miscibilidade em termos termodinâmicos

Miscibilidade em termos termodinâmicos15

Interação ∆∆∆∆Hmist T∆∆∆∆Smist ∆∆∆∆Gmist Hámiscibilidade?

A B

A-B mais forte do que A-A, B-B

(-) (-) (-), grande magnitude

sim

A-B muito maisfraca do que A-A e B-B

(+), grande (-) (+), grande Não, mas podem misturar-se a altas temperaturas

A-B mais fraca do que A-A, B-B

(+), pequeno (-) (-), pequena magnitude

sim

Miscibilidade

Em hexano

água

Em hexano

Exemplo de Soluções17

18O processo de dissoluçãoO processo de dissolução

19O processo de dissoluçãoO processo de dissolução

Mudanças de energia e formação de solução

• Há três fases de energia na formação de uma solução:• Há três fases de energia na formação de uma solução:

– a separação das moléculas do soluto (∆H1),

– a separação das moléculas do solvente (∆H2) ea formação das interações soluto-solvente (∆H3).

• Definimos a variação de entalpia no processo de dissolução como

∆Hdissol = ∆H1 + ∆H2 + ∆H3

• O ∆Hsoln pode tanto ser positivo como negativo, dependendo das forças intermoleculares.

Soluções saturadas e solubilidade20

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 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 soluçãodissolver

cristalizar

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.

Soluções saturadas e solubilidade21

�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.INSATURADA.Na prática, a solução não tem soluto sólido.

�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 SUPERSATURADANa prática, solução não tem soluto sólido, mas se perturbada, transforma-se em solução saturada.

Solução de acetato de sódio pode serpreparado à uma temperatura elevada(maior solubilidade). Ao resfriar a soluçãolentamente, foram-se uma soluçãosupersaturada. Se esta solução forperturbada, transforma-se em saturada e oexcesso de soluto irá precipitar.

Fatores que afetam a solubilidade: Temperatura

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Fatores que afetam a solubilidade: Pressão

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• As bebidas carbonadas sãoengarrafadas com umapressão parcial de CO2 > 1atm.

• Ao abrirmos a garrafa, apressão parcial de COpressão parcial de CO2

diminui e a solubilidade doCO2 também diminui.

• Conseqüentemente, bolhasde CO2 escapam dasolução.

Fatores que afetam a solubilidade: Pressão

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�Quanto maior a pressão, maispróximas as moléculas de gásestarão do solvente e maior achance da molécula de gásatingir a superfície e entrar nasolução.

�Conseqüentemente, quantomaior for a pressão, maior asolubilidade.

�Quanto menor a pressão,menor a quantidade demoléculas de gás próximas aosolvente e menor a solubilidade.

25 Forças Intermoleculares: Pressão de vapor

Efeito na volatilidade de substâncias

Pressão de vapor

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Pressão de vapor

Todo líquido está em equilíbrio com seu respectivo estado vapor (gás).

Pressão do vapor sobre

Forças Intermoleculares: Pressão de vapor

Estabelecendo oEquilíbrio líquido-vapor

A pressão exercida pelo vapor sobre o líquido é chamada de

Pressão de Vapor

vapor sobre o líquido

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.

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Pressão de vapor

Todo líquido está em equilíbrio com seu respectivo estado vapor (gás).

Pressão do vapor sobre

Forças Intermoleculares: Pressão de vapor

Estabelecendo oEquilíbrio líquido-vapor

A pressão exercida pelo vapor sobre o líquido é chamada de

Pressão de Vapor

vapor sobre o líquido

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.

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Pressão de vapor Qual líquido irá evaporar antes?

Forças Intermoleculares: Pressão de vapor

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Pressão de vapor {Efeito forças intermoleculares

Forças Intermoleculares: Pressão de vapor

Efeito da temperatura {

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Pressão de vapor é apressão do vapor emequilíbrio com suafase condensada(liquido).

Forças Intermoleculares: Pressão de vapor

(liquido).Quando a taxa devaporização é igual ataxa de condensaçãodiz que a solução estáem equilíbrio físico.

Vapor = gás

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 104L selando-o, e espera a água evaporar. Quanta a água evaporará a 25oC, 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

32Pressão de vapor

•Depende da temperatura

Temperatura de ebulição NormalPressão atmosférica = pressão de vapor

Forças Intermoleculares: Pressão de vapor

Quanto maior a temperatura,

Pre

ssã

o a

tmo

sfé

ricaQuanto maior a temperatura,

mais vapor de água estará sobre a água líquida.

Pre

ssã

o a

tmo

sfé

rica

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Relação entre pressão de vapor e temperatura de ebulição

Pressão atmosférica

Pressão de vapor

Ebulição:Velocidade de vaporização é maior que a velocidade de condensação

Forças Intermoleculares: Pressão de vapor

Pressão de vapor

Quando a pressão de vapor é igual à pressão atmosférica o líquido está em ebulição.

Temperatura de ebulição Normal

Vaporização:Velocidade de vaporização é menor que a velocidade de condensação

34

Relação entre pressão e temperatura de ebulição

Forças Intermoleculares: Pressão de vapor

35

Pressão de vapor

Como prever a relação entrePressão de vapor e temperatura

Forças Intermoleculares: Pressão de vapor

Equação de Clausius-Clayperon

36 Exercício 2: Pressão de vapor/Teb

A pressão de vapor de etanol a 34,9 oC 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: 78oCResposta: 78 C

Diagramas de fase37

A fase que uma substância adota depende da temperatura e da pressão externa.

Um mapa que descreve todas as possíveis fases todas as possíveis fases estáveis de uma substância em função da temperatura e pressão é denominado deDIAGRAMA DE FASE.

38Diagramas de fase: água

As linhas que dividem duas regiões de fases distintas são chamadas de fronteiras entre as fases, onde ocorre oequilíbrio entre fases.

Esta linha mostra como a temperatura de Tfusão da água varia com a equilíbrio entre fases.

Esta linha mostra como a temperatura de Teb da água varia com a temperatura.Equilíbrio líquido-vapor

com a temperatura.Equilíbrio sólido-líquido

Ponto triplo: co-existemas três fases.

Equilíbrio sólido-vapor

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Diagramas de fase: água

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Diagramas de fase do CO2

Sólido, líquido e vapor

41 ExercícioUse o diagrama de fase do CO2 para descrever as mudanças de fase quando variam as seguintes condições:A) de 50K para 350K a uma pressão de 1,00 barB) de 50K para 350K, a uma pressão de 10 barC) de 1 bar para 100 bar, a uma temperatura de 220 K

PROPRIEDADE DAS SOLUÇÕES42

Em qual temperatura água salgada entra em ebulição?

É possível derreter gelo abaixo de gelo abaixo de 0oC e 1 atm?

Por que os dedos murcham quando ficamos muito tempo na piscina?

PROPRIEDADE DAS SOLUÇÕES43

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.

PROPRIEDADE DAS SOLUÇÕES44

A nível molecular:

As moléculas de soluto atuam como“obstáculos” para que moléculas dosolvente líquido migram para seu estadovapor, reduzindo a pressão de vapor dolíquido.líquido.Portanto, para levar este líquido à ebulição,mais energia deverá ser fornecida,justificando a elevação do ponto deebulição de soluções.

Na+ e H2O e Cl- e H2Ointeração íon–dipolo (Muito forte!)

Maior a dificuldade da água escapar do líquido para o vapor!

PROPRIEDADE DAS SOLUÇÕES: TONOSCOPIAABAIXAMENTO DA PRESSÃO DE VAPOR

45

MAIOR PRESSÃO DE VAPOR MENOR PRESSÃO DE VAPOR

PROPRIEDADE DAS SOLUÇÕES: TONOSCOPIA46

1) Houve uma diminuição da pressão de vapor da solução em relação ao solvente puro.

2) A pressão de vapor do solvente, Psolvente, é proporcional ao número relativo de partículas (moléculas ou íons) em solução; isto é a pressão de íons) em solução; isto é a pressão de vapor do solvente é proporcional á fração molar do solvente.

Psolvente ∝∝∝∝ x solvente

PROPRIEDADE DAS SOLUÇÕES: TONOSCOPIA47

Psolvente ∝∝∝∝ x solvente

P = x Po

x solvente = n solventen total

Psolvente = x solvente Posolvente

Pressão de vapor do solvente na solução

Pressão parcial do solvente puro

PROPRIEDADE DAS SOLUÇÕES: TONOSCOPIA48

Psolvente = x solvente Posolvente

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.

PROPRIEDADE DAS SOLUÇÕES: TONOSCOPIA49

Psolvente = x solvente Posolvente

Exercício: Suponha que 651g de etileno glicol, HOCH2CH2OH, sejam dissolvidos Suponha que 651g de etileno glicol, HOCH2CH2OH, 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 90oC? Considere um comportamento ideal da solução.

Resposta: 467 mm Hg

Elevação do ponto de ebulição : Ebulioscopia50

Iguais quantidades em mols de diferentes solutosmoleculares e não voláteis, dissolvidos numamesma quantidade de solvente, causam o mesmoaumento na temperatura de ebulição.

Elevação do ponto de ebulição : Ebulioscopia51

52

• A 1 atm (ponto de ebulição normal de líquido puro) existe umapressão de vapor mais baixa da solução. Conseqüentemente, uma temperatura mais alta é necessária para atingir uma pressãode vapor de 1 atm para a solução (∆Tb).

Elevação do ponto de ebulição : Ebulioscopia

∆ b

• Constante molar de elevação do ponto de ebulição, Kb, expressaquanto o ∆Tb varia com a molalidade, m:

mKT eEb =∆molalidade

Constante ebulioscópica do solvente

Variação da temperatura de

ebulição da solução e do solvente puro

53 Diminuição da temperatura de congelamento : Crioscopia

54

A nível molecular:

Analogamente, o soluto dissolvido nosolvente líquido dificulta o

Diminuição da temperatura de congelamento : Crioscopia

solvente líquido dificulta oordenamento da estrutura dosolvente ao solidificá-lo. Portanto, énecessário reduzir mais a temperaturapara solidificar a solução, causando oabaixamento crioscópico.

55 Diminuição da temperatura de congelamento : Crioscopia

mKT cc =∆Constante crioscópica do solvente

Variação da temperatura de

fusão da solução e do solvente puro

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 CONSTANTES Ke e Kc

mKT cc =∆ mKT eEb =∆

57

OSMOSE

58 OSMOSE

• Membrana semipermeável: permite a passagem de algunscomponentes de uma solução. Exemplo: membranascomponentes de uma solução. Exemplo: membranascelulares e celofane.

• Osmose: é o movimento de um solvente a partir de umaconcentração baixa de soluto para uma concentraçãoalta de soluto.

• À medida que o solvente move-se através da membrana, os níveis de fluidos nos dois lados do sistema se tornamirregulares.

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 atingirconcentrações iguais.

• Os nívels de líquidos nos dois braços tornam-se diferentes, causando uma diferença de pressão que em determinadomomento, o fluxo das soluções entra em equilíbrio e o processo pára.

60 OSMOSEPressão externa que impede o fluxo do solvente

PRESSÃO OSMÓTICA, ππππ

RTVn

nRTV

=π

=π

MRT=

61 OSMOSE

Soluções isotônicas: duas soluçõescom o mesmo π separadas poruma membrana semipermeável.

Soluções hipertônicas: umasolução de π maior em relação aomeio intracelular.meio intracelular.Água migra para fora da célula, causando murchamento.

Soluções hipotônicas: uma soluçãode π mais baixo em relação aomeio intracelular.Água migra para dentro da célula, podendo causar rompimento das paredes celulares.

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: 2A 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, 8.450 g/mol

63 OSMOSE REVERSA – PURIFICAÇÃO DA ÁGUA