Variáveis de estado de um gás

Você sabia que existem grandezas físicas que alteram a estrutura e o comportamento dos gases? Saiba mais sobre essas grandezas e estude Química conosco!

Para fazer o estudo dos gases, deve-se conhecer suas 3 grandezas: pressão, volume e temperatura. Essas grandezas são chamadas de variáveis de estado dos gases, pois interferem em seu comportamento e propriedades. Com elas, podemos estudar a lei dos gases e a equação de Clapeyron. Lembre-se também que essas três grandezas são importantes para a Física, então preste bem atenção para ir bem no Enem e vestibulares!

Vamos começar vendo o que cada uma significa:

Pressão: está relacionada ao número de choques de colisões das moléculas do gás com as paredes do recipiente que está contendo o gás. Quando diminuímos o volume ocupado por um gás, a colisão entre suas partículas aumenta, aumentando a pressão exercida por esse gás. Quanto maior a pressão, maior será o número de colisões.

A primeira pressão de um gás a ser determinada experimentalmente foi a pressão do ar atmosférico. Evangelista Torricelli foi o primeiro cientista a medir a pressão atmosférica em 1643. Ele preencheu um tubo com mercúrio e inverteu sobre um recipiente que continha mercúrio.

Torricelli verificou que o mercúrio não descia totalmente e havia um espaço na parte superior da coluna. O mercúrio descia até uma altura de 760mmHg, ao nível do mar; essa altura é proporcional à pressão exercida pelo ar. Dessa maneira, ele concluiu que a pressão de 1 atmosfera equivale a 760mmHg.

experimento de Torricelli e a lei dos gases
Figura 1: Esquema demonstrando o experimento de Torricelli.

 

É importante destacar que o valor da pressão atmosférica varia com a altitude, pois à medida que vamos para lugares mais elevados que o nível do mar, a pressão atmosférica vai diminuindo e vice-versa.

Se você acompanha futebol, vai se lembrar de alguns exemplos práticos dessa diferença de pressão atmosférica. Quando clubes brasileiros vão jogar em cidades com altas altitudes, como em cidades da Bolívia, os atletas precisam se preparar para aguentarem a partida de futebol.

Devido à baixa pressão atmosférica, alguns atletas podem demonstrar fadiga, tontura e distúrbios no sono. Geralmente, o ser humano pode começar a sentir os efeitos quando ultrapassa os 2.000m acima do nível do mar.

Volume: representa o espaço ocupado pelo gás, e pode variar em função do recipiente que o contém, devido sua capacidade de expansão. No sistema internacional de unidade (SI) usa-se: metro cúbico (m³) e litro (L) para medir o volume de um gás. Vamos anotar algumas importantes transformações de unidades já que o Enem e os vestibulares adoram cobrar pegadinhas em questões:

1L = 1.000ml

1m³ = 1.000L

1dm³ = 1L

1cm³ = 1ml

Temperatura: está relacionada à agitação das moléculas do gás. Quanto maior a temperatura, maior a velocidade das moléculas.

A unidade no sistema internacional (SI) é Kelvin (K). No Brasil a unidade mais usada é graus Celsius (°C) e, em outros países, usa-se a escala de Faherenheit (°F).

Os vestibulares também costumam cobrar a transformação de unidades de medida da temperatura. Então fique esperto: 1°C equivale a 273K. Para converter graus Celsius em Kelvin, soma-se 273, ou seja:

Temperatura Kelvin = Temperatura °C + 273

Agora que já vimos a teoria sobre as variáveis de um gás, vamos ver como os vestibulares e o Enem costumam cobrar esse tipo de conteúdo com alguns exercícios com resolução:

1) (UFU – Mg) As grandezas que definem o estado de um gás são:

a) somente pressão e volume

b) apenas o volume e a temperatura

c) massa e volume

d) temperatura, volume e pressão

e) massa, pressão, volume e temperatura

Resolução: essa é uma questão bem simples, mas importante para revisar quais são as três grandezas que definem o estado de um gás: temperatura, volume e pressão. Ou seja, gabarito D. E veja o quanto é importante lembrar quais são elas para não perder pontinhos importantes!

2) (UFPE – PE)  Uma lata de um spray qualquer utilizada até não mais liberar seu conteúdo. Nesse momento podemos dizer:

0) a pressão de gases no interior da lata é zero

1) a pressão de gases no interior da lata é igual à pressão atmosférica

2) existe vácuo no interior da lata

3) ao aquecermos a lata, a pressão em seu interior não varia

4) ao aquecermos a lata e pressionarmos sua válvula, gases sairão novamente da mesma

Quais são afirmações verdadeiras? E as falsas?

Resolução: a 0 é falsa, já que existe uma pressão no interior da lata e ela é igual a exterior. Já a proposição 3 está errada, pois os gases presentes na lata, ao serem aquecidos, dilatam-se. Essa dilatação causa o aumento da pressão interna.

gabarito: 0-F; 1- V; 2- F; 3- F; 4- V

Equação de Clapeyron e Lei dos Gases

Para tratar dos gases, alguns pesquisadores desenvolveram equações importantes. São os casos de Boyle-Mariotti, Charles e Gay-Lussac, estudadas na aula de modelo de gás ideal. Vamos relembrar as equações?

Lei dos gases de Boyle:

Pressão inicial x Volume inicial = Pressão final x Volume final

Lei dos gases de Gay-Lussac:

lei dos gases de gay lussac

Lei dos gases de Charles:

lei dos gases de charles

Por meio dessas três equações, foi criada a equação geral de estado dos gases ou equação de Claperyon. Benoit Paul Emile Claperyon (1799 – 1864), físico-químico e engenheiro civil, deu grande contribuição para o desenvolvimento da termodinâmica.

A equação de Claperyon representa a equação de estado dos gases e relaciona as 3 variáveis de estado dos gases (pressão, temperatura e volume) para uma certa quantidade de “n” mols de partículas de um gás, demonstrando o comportamento de um gás ideal.

É representada pela fórmula:

P.V= n.R.T

Sendo:

n = o número de mols de partículas de um gás. O “n” é calculado pela fórmula: , onde m = massa do gás em gramas; e M = massa molar do gás em g/mol

P= pressão

V= volume

T= temperatura

R= constante

Na lei dos gases, caso a pressão esteja medida em atmosfera, o volume em litros e a temperatura estiver em Kelvin, o valor de R será igual a: 0,082.

Se as unidades forem diferentes, o valor de R mudará: pressão em 760mmHg, volume em litros e temperatura em K, o valor de R será igual a: 62,3. Porém, na maioria dos vestibulares e Enem, esse valor é dado durante as questões. Mas é importante ter em mente de que eles podem variar conforme as unidades de medidas utilizadas.

Para você entender melhor este conteúdo, vamos ver um exercício com resolução sobre a equação de Clapeyron/lei dos gases:

(Uece) Em um gás ideal, a pressão, o volume e a temperatura são relacionados pela equação: P.V = n.R.T. Para esse gás, a razão entre a pressão e a temperatura é:

a) inversamente proporcional à densidade do gás

b) não depende da densidade do gás

c) diretamente proporcional ao quadrado da densidade do gás

d) diretamente proporcional à densidade do gás

Vamos começar a resolver. O exercício foi bem bonzinho, pois nos deu a fórmula dos gases ideais. Como ele quer a razão entre a pressão e temperatura, teremos que mexer um pouco na posição das variáveis.

P.V=n.R.T

Passamos o Volume para o outro lado e a Temperatura também. Assim ficamos com a razão que o exercício deseja encontrar:

Agora, todas as respostas relacionam a razão entre Pressão e Temperatura com a densidade. Como vimos, o nº de mols (n) é a razão entre a massa total (m) e a massa molar (M). A massa total você pode calcular pela fórmula da densidade (d = m/V), assim, isolando m, você encontra m = d.V

Substituindo na equação acima teremos:

Podemos cortar os dois V que aparecem na equação acima. Ficamos com:

Assim, a razão da pressão pela temperatura é diretamente proporcional à densidade do gás. Gabarito: d

Conseguiu entender como as grandezas físicas atuam sobre os gases? Para continuar estudando assista a aula abaixo.

Para exercitar os conteúdos e não desanimar nos estudos, vamos realizar alguns exercícios:

1) Podemos afirmar que 5 mols de moléculas de gás oxigênio submetido a 27°C e ocupando o volume de 16,4l exercerão uma pressão de:

a) 3,0 atm

b) 5,0 atm

c) 3,5 atm

d) 7,0 atm

e) 2,5 atm

gab.: d

2) O volume ocupado por 14,2g de gás cloro (Cl2) medidos a 8,2 atm e 727°C é de:

a) 1,0 litro

b) 1,5 litros

c) 2,0 litros

d) 2,5 litros

e) 3,0 litros

gab.: c

3) (Univalli – SC) O comportamento de um gás real aproxima-se do comportamento de gás ideal quando submetido a:

a) baixas temperaturas e baixas pressões

b) altas temperaturas e altas pressões

c) baixas temperaturas independentemente da pressão

d) altas temperaturas e baixas pressões

e) baixas temperaturas e altas pressões

gab.: d

 

Sobre o(a) autor(a):

Texto elaborado por Roseli Prieto, professora de Química e Biologia da rede estadual de São Paulo. Já atuou em diversas escolas públicas e privadas de Santos (SP). É Gestora Ambiental e Especialista em Planejamento e Gestora de cursos a distância.