4Capitulo

Rea~5es em solu~5esaquosas e estequiometriade solu~5es

Praticamente dois ter~os de nosso planeta SaDcobertos por agua,a substancia mais abundante no organismo. Sendo a agua tao comum, temos atendencia de considerar triviais suas propriedades quimicas e fisicas. Entretan-to, veremos repetidamente por todo 0 livro que ela possui muitas propriedadesnao-usuais, essenciais a vida na Terra.

Uma das propriedades mais importantes da agua e a capacidade de disso-lw;ao de grande variedade de substancias. Por essa razao, a agua, na natureza,quer seja a mais pura agua potavel de uma torneira ou de uma fonte limpidada montanha, con tern invariavelmente vasto numero de substancias dissolvi-das. As solw;6es nas quais a agua e 0 solvente SaDchamadas solu\oes aquosas.

Muitas das rea<;:6esquimicas que ocorrem em nos e ao nosso redor envol-vem substancias dissolvidas em agua. Os nutrientes dissolvidos no sangue SaDtransportados para as celulas, onde participam de rea<;:6esque ajudam a nosmanter vivos. As pe<;:asdos auto move is enferrujam quando ficam em contatofrequente com solu<;:6esaquosas que contem varias substancias dissolvidas.Cavernas maravilhosas de calcario (Figura 4.1) SaDformadas pela a<;:aode dis-solu<;:aoda agua subterranea que con tern dioxido de carbono, CO2(aq):

Vimos no Capitulo 3 alguns exemplos de tipos de rea<;:6esquimicas e comoestas SaDdescritas. Neste capitulo continuaremos examinando essas rea<;:6esnos atendo as solu<;:6esaquosas. Grande parte das rea<;:6esquimicas imp or tan-tes ocorre em solu<;:6esaquosas, sendo necessario entender 0 vocabulario e osconceitos usados para descrever e compreender esse assunto. Alem disso, am-pliaremos os conceitos de estequiometria aprendidos no Capitulo 3 abordan-do a forma de expressar as concentra<;:6esde solu<;:6ese de usa-las.

4.1 Propriedades gerais das solu~6es aquosasSo]uriio e uma mistura homo gene a de uma ou mais substancias. Clml> (Se-

<;:ao1.2) A substancia presente em maior quantidade e normalmente chama-da solvente. As outras substancias na solu<;:aoSaDconhecidas como solutos, edizemos que elas estao dissolvidas no solvente. Quando uma pequena quanti-

• Come<;amos examinando a natu-reza das substancias dissolvidasem agua, se existem em agua naforma de ions, de moleculas aude uma mistura das duas. Essainforma<;ao e necessaria para quese entenda a natureza dos rea-gentes em solu<;oes aquosas.

• Tres tipos principais de proces-sos ocorrem em solu<;ao aquosa:rea<;oes de precipita<;ao, de aci-do-base e de oxirredu<;ao.

• Rearoes de precipitarao sao aque-las nas quais rea gentes soluveisgeram urn produto insoluvel.

• Rearoes acido-base sao aquelas emque ions H+ sao transferidos en-tre os reagentes.

• Rearoes de oxirredurao sao aque-las nas quais eletrons sao trans-feridos entre os rea gentes.

• Rea<;oes entre ions podem serrepresentadas por equaroes ionicasque mostram, por exemplo, comoos ions podem se combinar paraformar precipitados, ou como saoremovidos da solw;ao ou mudamde alguma outra maneira.

• Depois de examinar os tiposcomuns de rea<;oes quimicas ecomo estas sao reconhecidas edescritas, abordaremos como ascOl1centraroes de solu<;oes podemser expressas.

• Concluimos 0 capitulo exami-nando como os conceitos de este-quiometria e concentra<;ao po-dem ser usados para determinaras quantidades e concentra<;oesde varias substancias.

dade de cloreto de s6dio (NaCl) e dissolvida em grande quantidade de agua;par exemplo, a agua e 0 solvente, e 0 cloreto de s6dio, 0 soluto.

Propriedades eletroliticasImagine-se preparando duas solw;:6es aquosas - uma dissolvendo uma

cather de cha de sal de cozinha (clore to de s6dio) em uma xicara de agua, e ou-tra dissolvendo uma collier de a<;:ucar refinado (sacarose) em uma xicara deagua. Ambas as solu<;:6es sac limpidas e incolores. Em que elas diferem? Vmadiferen<;:a,que nao e imediatamente 6bvia, e a respeito de suas condutividadeseletricas: a solu<;:ao de sal e boa condutora de eletricidade, enquanto a solu<;:aode ac;:ucarnao e.

Pode-se determinar se uma solu<;:ao conduz ou nao eletricidade usando-seurn dispositivo como 0 mostrado na Figura 4.2. Para acender a lampada, a cor-rente eletrica deve fluir entre os dois eletrodos imersos na solu<;:ao. Apesar de aagua por si s6 nao ser urn born condutor de eletricidade, a presen<;:a de ions fazcomque as solu<;:6es aquosas sejam bons condutores. Os ions transportam car-gaeletrica de urn eletrodo para outro, fechando 0 circuito. Portanto, a conduti-vidade das solu<;:6es de NaCl indica a presen<;:a de ions na solu<;:ao, e a falta decondutividade da sacarose, a ausencia de ions. Quando NaCl se dissolve emagua, a solu<;:ao contem ions Na+ e Cr, cada urn rodeado por moleculasde agua. Quando a sac arose (C12H220n) se dissolve em agua, a solu<;:ao contemapenas moleculas neutras de sac arose rodeadas por moleculas de agua.

Uma substancia (como NaCl) cujas soluc;:6es aquosas contem ions e cha-mada eletr6lito. Vma substancia (como C12H22011) que nao forma ions emsolu<;:aoe chamada nao-eletr6lito. A diferen<;:a entre NaCl e C12H22011

deve-se em grande parte ao fato de 0 NaCI ser i6nico, enquanto C12H22011 emolecular.

Figura 4.1 Quando 0 CO2 sedissolve em agua, a soluc;:aoresultante e ligeiramente acida.As cavernas de calcario sacformadas pela ac;:aode dissoluc;:aodessa soluc;:aoacida agindo noCaC03 do calcario.

MODElOS 3-DC1oreto de s6dio, Sacarose

ANIMA<;:AOEletr61itos e nao-eletr6litos

Figura4.2 Dispositivo para detectar Ions em soluc;:ao.A capacidade de uma soluc;:aopara conduzir eletricidade depende donumerode Ions que ela contem. (a) Uma soluc;:aode nao-eletr6litos nao contem Ions e a lampada nao acende. (b e c) Umasoluc;:aode eletr61itos contem Ions que servem como transportadores de carga e fazem com que a luz acenda. Se a soluc;:aocontem poucos Ions, a lampada apresenta brilho traco, como em (b). Se a soluc;:aocontem muitos Ions, a lampada brilhaintensamente, como em (c).

Figura 4.3 (a) Dissolur;ao de um composto ianico. Quando um composto ianico se dissolve em agua, as moleculas de H20separam, circulam e dispersam os ions no liquido. (b) 0 metanol, CH30H, um composto molecular, dissolve-se sem formarions. As moleculas do metanol podem ser encontradas nas esferas pretas, que representam os Momos de carbono. Tanto noitem (a) como no (b), as moleculas de agua foram afastadas para que as particulas do soluto sejam vistas mais nitidamente.

Compostos i6nicos em aguaLembre-se da Se~ao2.7e, principalmente, da Figura 2.23- 0 NaCl consti-

tui-se de urn arranjo ordenado de ions Na + e cr. Quando NaCl se dissolve emagua, cada ion se separa da estrutura cristalina e se dispersa por toda a solu-~ao, como mostrado na Figura 4.3 (a).°s6lido ionico dissocia-se em seus ionsconstituintes it medid a que se dissolve.

A agua e urn solvente muito eficaz para compostos i6nicos. Apesar de ser uma molecula eletricamente neutra,urn dos lados da molecula (0 Momo de 0) e rico em eletrons e possui carga parcial negativa. °outro lado (os ato-mos de H) tern carga parcial positiva. Os ions positivos (cations) sao atraidos pelo lado negativo de H20, e osions negativos (anions) sao atraidos pelo lado positivo. A medida que urn composto ionico se dissolve, os ionsficam rodeados de moleculas de H20 como mostrado na Figura 4.3 (a). Esse processo ajuda a estabilizar os ionsem solu~ao e previne que cations e anions se combinem novamente. Alem disso, como os ions e suas camadascircundantes de moleculas de agua podem se mover livremente, os ions tornam-se uniformemente dispersos portoda a solu~ao.

Em geral podemos preyer a natureza dos ions presentes em uma solu~ao de urn composto ionico a partir donome quimico da substancia. Sulfato de s6dio (Na2S04), por exemplo, dissocia-se em ions s6dio (Na+) e ions sulfato(Sot). Vocedeve ter em mente as f6rmulas e as cargas dos ions comuns (Tabelas 2.4e 2.5)para entender as formasnas quais urn composto ionico existe em solu~ao aquosa.

ANIMA<;:AoDissolu~ao do NaCI em agua

Compostos moleculares em aguaQuando urn composto molecular se dissolve em agua, a solu~ao normalmente comp6e-se de moleculas intac-

tas dispersas pela solu~ao. Consequentemente, a maioria dos compostos moleculares sao nao-eletr6litos. Porexemplo, uma solu~ao de metanol (CH30H) em agua e inteira de moleculas de CH30H dispersas por toda a agua[Figura 4.3 (b)].

Entretanto, existem algumas substancias moleculares cujas solu~6es aquosas contem ions. A mais importantedestas sao os acidos. Por exemplo, quando HCl(g) se dissolve em agua para formar acido cloridrico, HCl(aq), ele io-niza-se ou separa-se em ions H+(aq) e Cr(aq).

Eletrolitos fortes e fracosHa duas categorias de eletr6litos, fortes e fracos, que diferem na extensao

de condu~ao de eletricidade. Os eletr6litos fortes sao os solutos que existemem solu~ao totalmente ou quase total como ions. Essencialmente todos os com-postos i6nicos soluveis (como NaCl) e alguns compostos moleculares (como

FllMEEletrolitos fortes e fracos

HCl)sao eletr6litos fortes. Os eletr6litos fracos sao os solutos que existem emsolu<;ao,na maio ria das vezes, na forma de moh~culas com apenas uma peque-na fra<;aona forma de ions. Por exemplo, em uma solu<;ao de acido acetico(HC2H302)a maio ria do soluto esta presente como moleculas de HC2H302.Apenas urna pequena fra<;aode HC2H302 esta presente como ions H+(aq) e C2H302-(aq).

Devemos ter muito cuidado para nao confundir a extensao na qual urn eletr6lito se dissolve com sua classifica-~aocomo forte ou fraco. Por exemplo, HC2H302 e extremamente soluvel em agua, mas e urn eletr6lito fraco.o Ba(OH)2'por outro lade, nao e muito soluvel, mas a quantidade de substancia que se dissolve dissocia-se quasecompletamente, portanto 0 Ba(OH)2 e urn eletr6lito forte.

Quando urn eletr6lito £raco,como 0 acido acetico, ioniza-se em solu<;ao,escrevemos a rea<;aoda seguinte maneira:

MODElOS 3-DHel, Acido acetico

A seta dupla significa que a rea<;aopode ocorrer em ambos os sentidos. Em determinado momenta, algumasmoh~culasde HC2H302 sao ionizadas para formar H+ e C2H302-.Ao mesmo tempo, os ions H+ e C2H302-combi-nam-senovamente para formar HC2H302.°balan<;oentre esses process os opostos determina os numeros relativosdeions e moleculas neutras. Ele tambem produz urn estado de equilibrio quimico que varia de urn eletr6lito £racopara outro. °equilibrio quimico e extremamente importante e dedicaremos os capitulos 15 a 17para examina-loemdetalhes.

Os quimicos us am a seta dupla para representar a ioniza<;ao de eletr6litos fracos e uma seta unica para ioniza-~aode eletr6litos fortes. Uma vez que 0 HCl e urn eletr6lito forte, escrevemos a equa<;ao para a ioniza<;ao do HCIcomosegue:

A seta Unica indica que os ions H+e cr nao tern tendencia de se combinar novamente em agua para formar mo-leculasde HCl.

as se<;6esposteriores come<;amos a olhar com mais detalhes como podemos usar a composi<;ao de urn com-posta para preyer se ele e urn eletr6lito forte, se e fraco ou urn nao-eletr61ito. Para 0 momento, e importante lem-brar apenas que compostos ionicos soluveis SaD eletr6litos fortes. Identificamos os compostos ionicos como sendo osconstituidos de metais e nao-metais (como NaCl, FeS04 e Al(N03)3)' ou compostos contendo 0 ion amonio, NH/(comoNH4Br e (NH4)2C03)'

COMO FAlER 4.1°diagrama a direita representa uma solu<;aode urn dos seguintes compostos:MgC12,KClou K2S04. Qual solu<;aoe maisbem representada pelo diagrama?Solu~ao °diagrama mostra duas vezes mais cations que anions, consistentecom a formula K,S04'PRATIQUESevoce tivesseque desenhar urn diagrama (como0 mostrado a direita) repre-sentando as solu<;6esaquosas de cada urn dos seguintes compostos ianicos,quantos anions voce mostraria se 0 diagrama tivesse seis cations? (a)NiS04;(b) Ca(N03)2; (c)Na3P04; (d) A12(S04h.Respostas: (a) 6; (b) 12; (c) 2; (d) 9.

4.2 Rea~6es de precipita~aoA Figura 4.4 mostra duas solu<;6eslimpidas sendo misturadas, uma contendo nitrato de chumbo (Pb(N03)2) e a

outra, iodeto de potassio (KI). A rea<;aoentre esses dois solutos da origem a urn produto amarelo insoluvel. As rea-~6esque resultam na forma<;ao de urn produto insoluvel sac conhecidas como rea<;6es de precipita<;ao. Urn preci-pitado e urn s6lido insoluvel formado por uma rea<;aoem solu<;ao.Na Figura 4.40 precipitado e iodeto de chumbo(PbI2),urn composto que tern solubilidade muito baixa em agua:

Figura 4.4 A adi~ao de uma solu~ao incolorde iodeto de potassio (KI)a uma solu~aoincolor de nitrato de chumbo(Pb(N03)2) produz um precipitado amarelo de iodeto de chumbo (PbI2) que se assenta lentamente no fundo do bequer.

FILME°outro produto dessa rea~ao, nitrato de potassio, permanece em solu~ao. Rea~5esde precipita~aoAs rea~6es de precipita~ao ocorrem quando certos pares de ions de cargas

contrarias se atraem tao fortemente que formam um s6lido i8nico insoluvel. Paradeterminar se certas combina~6es de ions formam compostos insoluveis,devemos levar em conta algumas diretrizes ou regras que dizem respeito as solubilidades de compostos ionicoscomuns.

Regras de solubilidades para compostos ionicosSolubilidade de uma substancia e a quantidade dessa substancia que pode ser dissolvida em certas quantidade

de solvente. Apenas 1,2 x 10-3 mol de PbI2 dissolve-se em urn litro de agua a 25°C. Em nossos estudos, qualquersubstancia com solubilidade menor que 0,01 mol/L sera considerada insolUvel. Nesses casos, a atra~ao entre os ionsde cargas contrarias no solido e muito grande para a molecula de agua separa-Ios por uma extensao consideravel, ea substancia permanece nao dissolvida na totalidade ..

Infelizmente nao existem regras baseadas em propriedades fisicas simples tais como cargas ionicas para nosguiar na determina~ao de urn composto ionico em particular ser soluvel ou nao. Entretanto, observa~6es experi-menta is tern nos levado a regras para previsao da solubilidade de compostos ionicos. Por exemplo, os experirnen-tos mostram que todos os compostos ionicos comuns que contem 0 anion nitrato, N03-, sao soluveis em agua.

A Tabela 4.1 resume as regras de solubilidade para compostos i6nicos comuns. Ela esta organizada de acordo como anion no composto, mas revela muitos principios importantes sobre cations. Observe que todos os compostos i8ni-CDS comuns de ions de metais alcalinos (grupo lA da tabela peri6dica) e de ions am8nio (NH4 +) sao soluveis em agua.

TABELA 4.1 Regras de solubilidade em agua para compostos i6nicos comuns

N03-

C2H302-

crBr-

:rsot

NenhumaNenhuma

Compostos de Ag+, Hgt e Pb2+Compostos de Ag+, Hgt e Pb2+

Compostos de Ag+, Hgt e Pb2+Compostos de sl+, Ba2+,Hg/+ e Pb2+

Compostos iOnicos insoluveis

cotpotOff

Exce~oes importantes

Compostos de NH/ dos cations de metais alcalinos eci+, Sl+e Ba2+

Compostos de NH4 +e dos cMions de metais alcalinos

Compostos de NH4 +e dos cMions de metais alcalinosCompostos dos cMions de metais alcalinos e Ca2+, Sl+e Ba2+

COMO FAZER4.2

Classifique os seguintes compostos ionicos como soluveis ou insoluveis em agua: (a) carbonato de s6dio ( a2C03);

(b) sulfa to de chumbo (PbS04).

Solu~aoAnalise: dados os nomes e f6rmulas de dois compostos ionicos, pede-se determinar se eles serao soluveis ou insoluve-is em agua.Planejamento: podemos usar a Tabela 4.1 para responder a pergunta, mas precisamos prestar aten~ao nos anions decada composto porque a tabela e organizada por anions.Resolu~ao: (a) De acordo com a Tabela 4.1, a maioria dos carbonatos e insoluvel, mas carbonatos de cations de metaisalcalinos (como 0 ion s6dio) sac uma exce~ao a regra; portanto, sac soluveis. Na2C03 e soluvel em agua.

(b) A Tabela 4.1 indica que apesar de a maioria dos sulfatos ser soluvel, 0 sulfato de Pb'· e uma exce\ao. PbS04 e in-soluvel em agua.

PRATIQUEClassifique os seguintes compostos como soluveis ou insoluveis em agua: (a) hidr6xido de cobalto(II); (b) nitrato debario; (c) fosfato de amonio.Resposta: (a) insoluvel; (b) soluvel; (c) soluvel.

Para determinar se urn precipitado e formado quando misturamos solw;:6es aquosas de dois eletr6litos fortes,devemos (1) observar os Ions presentes nos rea gentes, (2) considerar as posslveis combina<;6es de cations e anions e(3)usar a Tabela 4.1 para determinar se alguma dessas combina<;6es e insoluvel. Por exemplo, se formara urn precipi-tado quando solu<;6es de Mg(N03)2 e NaOH sac misturadas? Como tanto 0 Mg(N03)2 quanto 0 NaOH sac compos-tos i6nicos soluveis, ambos sac eletr6litos fortes. A rnistura de Mg(N03Maq) e de NaOH(aq) primeiro produz urnasolu<;aocontendo os Ions Mg2+, N03-, Na+ e Off. Algum dos cations vai interagir com algurn dos anions para formarurn composto insoluvel? Alem dos reagentes, as outras possibilidades de intera<;ao sac Mg2+ com Off e Na+ comN03-. Pela Tabela 4.1 vemos que Mg(OH)2 e insoluvel e formara urn precipitado; entretanto, NaN03 e soltivel, logoNa+ e N03- permanecerao em solu<;ao. A equa<;ao balanceada para a rea<;ao de precipita<;ao e:

Rea~oes de dupla troca (metateses) 1

Observe na Equa<;ao 4.5 que os cations nos dois reagentes trocam anions - 0 Mgz+ termina com 0 Off e 0 Na+termina com 0 N03-. As formulas quimicas dos produtos saG baseadas nas cargas dos ions - saG necessarios doisions Off para produzir urn composto neutro com 0 Mgz+ e um N03- para produzir um composto neutro com 0 Na+.<Wl:) (Se<;ao 2.7) A equa<;ao so pode ser balanceada depois da determina<;ao das formulas quimicas dos produtos.

As rea<;6es nas quais ions positivos e negativos parecem trocar contra-ions obedecem a seguinte equa<;ao geral:

Tais rea<;6es san conhecidas como reac;:oes de dupla troca, ou reac;:oes de metatese. Rea<;6es de precipita<;aoobedecem a esse padrao, bem como muitas rea<;6es acido-base, como veremos na Se<;ao 4.3.

COMO FAZER 4.3

(a) Determine qual 0 precipitado que se forma quando as solw;6es de BaClz e KZS04 sao misturadas. (b) Escreva aequac;ao quimica balanceada para a reac;ao.

Solu~aoAnalise: dados dois rea gentes i6nicos, pede-se determinar 0 produto insoluvel que eles formam.Planejamento: precisamos anotar os ions presentes nos rea gentes e trocar os anions entre os dois cations. Depois deescritas as formulas quimicas para esses produtos, podemos usar a Tabela 4.1 para determinar qual e insoluvel emagua. Conhecer os produtos tambem nos permite escrever a equac;ao balanceada para a reac;ao.Resolu~ao: (a) Os reagentes contem os ions Baz+,cr,K+e sot. Se trocamos os anions teremos BaS04 e KCl. De acordocom a Tabela 4.1, a maioria dos compostos de sot e soluvel, mas a de Baz+nao e. Logo, BaS04 e insoluvel e precipitarada soluc;ao. 0 KCl, ao contrario, e soluvel.(b) Do item (a) sabemos as formulas quimicas dos produtos, BaS04 e KCI. A equac;ao balanceada mostrando as fases e

BaClz(aq) + KzSOiaq) ~ BaS04(s) + 2KCl(aq)

PRATIQUE(a) Qual 0 composto que precipita quando as soluc;6es de FeZ(S04)3e LiOH saDmisturadas? (b) Escreva uma equac;aobalanceada para a reac;ao. (c) Misturando as soluc;6es de Ba(N03)z e KOH, havera formac;ao de precipitado?Respostas: (a) Fe(OH)3; (b) FeZ(S04Maq) + 6LiOH(aq) ~ 2Fe(OHMs) + 3LizSOiaq); (c) nao (ambos os produtospossiveis saD soluveis em agua).

Equa~oes ionicasAo escrever equa<;6es quimicas para rea<;6es em solu<;ao aquosa, e uti! indicar explicitamente se as substancias

dissolvidas estao presentes na maior parte como ions ou como moleculas. Vamos considerar a rea<;ao de precipita-<;aoentre Pb(N03)z e 2KI, mostrada anteriormente na Figura 4.4:

Pb(N03Maq) + 2KI(aq) ~ PbIz(s) + 2KN03(aq)

Uma equa<;ao escrita dessa forma, mostrando as formulas quimicas completas dos rea gentes e produtos, e cha-mada equac;:ao molecular porque mostra as formulas quimicas dos reagentes e produtos sem indicar seu carMerionico. Como Pb(N03)z, KI e KN03 san todos compostos ionicos soluveis e, portanto, eletrolitos fortes, podemosescrever a equa<;ao quimica para indicar explicitamente os ions que estao em solu<;ao:

Uma equa<;ao escrita dessa forma, com todos os eletrolitos fortes soluveis mostrados como ions, e conhecidacomo equac;:ao ionica completa.

Observe que os K+(aq) e N03 -(aq) aparecem dos dois lados da Equa<;ao 4.7. Os ions que aparecem em formas iden-ticas, juntos tanto dos reagentes quanta dos produtos de uma rea<;ao ionica completa, saG chamados ions espectado-res. Eles estao presentes, mas nao tem papel dire to na rea<;ao. Quando os ions espectadores san omitidos na eqaa<;ao(eles cancelam-se como grandezas algebricas), dizemosque temos a equac;:ao ionica simplificada:

Pb2+(aq) + 2l(aq) ~ PbI2(s) [4.8]

Uma equa<;ao ionica simplificada inclui apenas os ions e moleculas envolvidos diretamente na rea<;ao. A cargana rea<;ao e conservada; logo, a soma das cargas dos ions deve ser a mesma em ambos os lados de uma equa<;ao io-nica simplificada e balanceada. Nesse caso, somando a carga 2+ do cation com as duas car gas 1- dos anions, obte-mas zero, a carga do produto eletricamente neutro. Se todos os ions em uma equa~ao i8nica completa sao espectadores,naoocorre rea~ao.

As equa<;oes ionicas simplificadas sao muito utilizadas para ilustrar as similaridades entre urn grande numerode rea<;oes envolvendo eletr6litos. Por exemplo, a Equa<;ao 4.8 expressa a caracteristica essencial de uma rea<;ao deprecipita<;ao entre quaisquer eletr6litos fortes contendo Pb2

+ e r: os ions Pb2+(aq) e naq) combinam-se para formarurn precipitado de PbI2. Portanto, uma equa<;ao ionica simplificada demonstra que mais de urn conjunto de rea-gentes pode levar it me sma rea<;ao simplificada. A equa<;ao completa, porem, identifica os reagentes rea is que par-ticipam da rea<;ao.

As equa<;oes ionic as simplificadas tambem indicam que 0 comportamentode uma solu<;ao de eletr6lito depende dos varios tipos de ions que ela contem.Salu<;oesaquosas de KI e MgI2, por exemplo, compartilham varias similarida-des quimicas porque ambas contem ions r. Cada especie de ion tern suas pr6-prias caracteristicas que diferem muito das dos atomos que the deram origem.

Os seguintes passos resumem 0 procedimento para escrever equa<;oes io-nicas simplificadas:

1. Escreva a equa<;ao molecular balanceada para a rea<;ao.2. Reescreva a equa<;ao para mostrar os ions que se formam em solu<;ao quando cada eletr6lito forte soluvel

se dissocia ou se ioniza nos seus ions constituintes. Apenas eletr6litos fortes dissolvidos em solu~ao aquosa SaD es-critos na forma i8nica.

3. Identifique e cancele os ions espectadores.

ATIVIDADEEscrevendo reac;:6es i6nicassi m plificadas

COMO FAZER 4.4Escreva a equac;:aoionic a simplificada para a reac;:aode precipitac;:ao que ocorre quando as soluc;:6esde clore to de calcioe carbonato de s6dio saD misturadas.

Solu~aoAnalise: objetivo e escrever uma equac;:aoionica simplificada para uma reac;:aode precipitac;:ao, dados os nomes dos re-agentes presentes na soluc;:ao.Planejamento: precisamos primeiro escrever as f6rmulas quimicas dos reagentes e produtos para determinar quaissaDos produtos insoluveis. Escrevemos e balanceamos a equac;:aomolecular. Em seguida, escrevemos cada eletr6litoforte soluvel como ions separados para obter a equac;:aoionica completa. Finalmente, eliminamos os ions espectadorespara obter a equac;:aoionic a simplificada.Resolu~ao: 0 clore to de calcio e composto de ions calcio, Ca2

+, e ions cloreto, cr; conseqiientemente uma soluc;:aoaquosa da substancia e CaCl2(aq). °carbonato de 'calcio e composto de ions Na + e ions cot; portanto uma soluc;:aodo composto e Na2C03(aq). Nas equac;:6esmoleculares de reac;:6esde precipitac;:ao, anions e cations parecem trocar decontra-ions. Assim, colocamos Ca2

+ e cot juntos para dar CaCOy e Na + e cr juntos para dar NaCl. De acordo com asregras de solubilidade na Tabela 4.1, CaC03 e insoluvel e NaCl, soluvel. A equac;:aobalanceada e

CaCl2(aq) + Na2C03(aq) ----c> CaC03(s) + 2NaCl(aq)

Em uma equac;:aoionica completa, apenas os eletr6litos fortes soluveis (como compostos ionic os soluveis) saDescri-tos como ions separados. Como a designac;:ao (aq) lembra-nos, CaCl2, Na2C03 e NaCl estao todos dissolvidos em solu-c;:ao.Alem disso, saDeletr6litos fortes. CaC03 e urn composto ionico, mas nao e soluvel. Nao escrevemos a f6rmula denenhum composto insoluvel na forma de seus ions componentes. Portanto, a equac;:aoionica completa e

Ca2+(aq) + 2 Cqaq) + 2Na+(aq) + COt(aq) ----c> CaC03(s) + 2 Na+(aq) + 2Cqaq)

cr e Na+ saD ions espectadores. Cancelando-os, obtemos a seguinte equac;:aoionic a simplificada:Ca2+(aq) + COt(aq) ----c> CaC03(s)

Conferencia: podemos conferir 0 resultado vendo se tanto os elementos quanta a carga eletrica estao balanceados.Cada lado tern 1 Ca, 1 C e 3 0, e a carga liquida em cada lado e igual a O.Comentario: se nenhum dos ions em uma equac;:aoe removido da soluc;:aoou modificado de algum modo, todos seraoions espectadores e a reac;:aonao ocorrera.

PRATIQUEEscreva a equac;:aoionic a balanceada para a reac;:aode precipitac;:ao que ocorre quando as soluc;:6esaquosas de nitratode prata e fosfato de potassio saD misturadas.Resposta: 3Ag+(aq) + POt(aq) ----c> Ag3P04(S)

Figura 4.5 Algunsacidos(esquerda) e bases (direita) comunsencontrados em produtosdomesticos.

ANIMAS:0ESIntroduc;ao aos acidos aquosos,Introduc;ao as bases aquosas

Figura 4.6 Uma molecula de Hpage como doadora de pr6ton(acido), e NH3, como receptor depr6tons (base). Apenas uma partedo NH3 reage com H20; NH3 e urneletr61itofraco.

4.3 Rea~6es acido-baseMuitos <icidos e bases sac substancias industriais e domesticas (Figura

4.5), alguns deles importantes componentes dos liquidos bio16gicos. °<icidoclorldrico, por exemplo, e nao s6 urn importante produto quimico industrial,mas tambem 0 principal constituinte do sueo gastrico do estomago. Os <icidose bases sac eletr6litos comuns.

AcidosAcidos sac substancias que se ionizam em solw;6es aquosas para formar

ions hidrogenio, aumentando a concentra<;ao de ions H+(aq). Uma vez que 0

Momo de hidrogenio possui apenas urn eletron, H+e simplesmente urn pr6ton.Portanto, os <icidossac comumente chamados doadores de pr6tons. Os mode-los moleculares de tres <icidoscomuns, HCt HN03 e HC2H302, estao mostra-dos na margem.

As moleculas de diferentes <icidospodem ser ionizadas, produzindo dife-rentes numeros de ions H+. Tanto HCl como HN03 sac <icidosmonopr6ticos, asquais produzem urn H+por molecula de <icido.°<icidosulfurico, H2S04, e urn<icidodipr6tico, 0 que produz dois H+ por molecula de <icido.A ioniza<;ao doH2S04 e outros <icidosdipr6ticos acontecem em duas etapas:

H2S04(aq) --'» H+(aq) + HS04-(aq)

HS04-(aq) ~ H+(aq) + SOt(aq)

[4.9]

[4.10]

Apesar de H2S04 ser urn eletr6lito forte, apenas a primeira ioniza<;ao ecompleta. Portanto, solu<;6es aquosas de <icidosulfurico con tern uma misturade H+(aq), HS04'(aq) e SOt(aq).

BasesBases sac substancias que aceitam (rea gem com) ions H+. Elas produzem

ions hidr6xido (OH-) quando dissolvidos em <igua.Compostos ionicos de hi-dr6xidos, como NaOH, KOH e Ca(OH)2' estao entre as bases mais comuns.Quando dissolvidos em <igua,dissociam-se em seus ions componentes, intro-duzindo ions Off na solu<;ao.

Compostos que nao contem ions OH' podem tambem ser bases. Parexemplo, a amonia (NH3) e uma base comum. Quando adicionada a <igua,acei-ta urn ion H+ da molecula de agua e, consequentemente, produz urn ion OH-(Figura 4.6):

Como apenas uma pequena fra<;aode NH3 (aproximadamente 1%) formaions NH4 +e Off, a amonia e urn eletr6lito fraco.

Acidos e bases fortes e fracosOs <icidose bases que sac eletr6litos fortes (completamente ionizados em

solu<;ao) sao chamados acidos fortes e bases fortes. Os que sac eletr6litos fra-cos (parcialmente ionizados) sac chamados cicidos fracos e bases fracas.Os <icidos fortes sac mais reativos do que os fracos quando a reatividade de-pende tao·somente da concentra<;ao de H+(aq). Entretanto, a reatividade deurn <icidopode depender tanto do anion quanta do H+(aq). Por exemplo, <icidofluorldrico (HF) e urn <icidofraco (apenas parcialmente ionizado em solu<;aoaquosa), mas e muito reativo e ataca vigorosamente muitas substancias, inclu-sive 0 vidro. Essa reatividade deve-se a a<;aocombinada de H+(aq) e F(aq).

A Tabela 4.2 relaciona os <icidos e bases fortes mais comuns. Voce devememoriza-los. A me did a que examinar a tabela, observe primeiro que algunsdos acidos mais comuns, como por exemplo HCt HN03 e H2S04, sao fortes.

Em segundo lugar, tres dos acidos mais fortes resultam da combina<;ao de urn Momo de hidrogenio e urn Momo dehalogenio. (Entre tanto, HF e urn acido fraco.) Em terceiro, a lista de acidos fortes e muito pequena. A maioria dosacidos e fraca. Em quarto lugar, as Unicas bases fortes comuns sao os hidr6xidos de Li+,Na+, K+, Rb+e Cs+(os metaisalcalinos,grupo lA) e os hidr6xidos de Ca2+,Sr2+e Bi+ (os metais alcalinos terrosos mais pesados, grupo 2A). Essessao os hidr6xidos metalicos soluveis mais comuns. A maioria dos outros hidr6xidos metalicos e insoluvel emagua.A base fraca mais comum e NH3, que reage com agua para formar ions Off (Equa<;ao 4.11).

TABELA 4.2 Acidos e bases fortes comuns

Cloridrico, HClBromidrico, HBrIodidrico, HICl6rico,HCl03

Percl6rico, HCl04

Nitrico, HN03

Sulfurico, H2S04

Hidr6xidos dos metais do grupo lA (LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH)Hidr6xidos dos metais mais pesados do grupo 2A (Ca(OH)2' Sr(OH)2' Ba(OH)2)

COMO FAZER 4.5Os seguintes diagramas representam solw;6es aquosas de tn2sacidos (HX, BY e HZ) com as moleculas de agua omiti-das por quest6es de clareza. Coloque-os em ordem decrescente de forc:;aacida.

Solu~ao °acido mais forte e 0 que apresenta mai..sions H+e menos moleculas de acido nao dissociadas em soluc:;ao.Naturalmente, a ordem e HY > HZ > HX. HY e urn acido forte porque esta totalmente ionizado (nao existem moleculasde HY em soluc:;ao),enquanto os outros, HX e HY, sac acid os fracos, cujas soluc:;6esconsistem de uma mistura demoleculas e ions.

PRATIQUEImagine urn diagrama mostrando dez ions Na +e dez ions Off. Se essa soluc:;aofosse misturada com a de BY mostradana figura acima, como seria 0 diagrama que representa a soluc:;aodepois de uma possivel reac:;ao?(Os ions H+reagiraocom os ions Off para formar H20.)Resposta: 0 diagrama final mostrara dez ions Na+, dois ions Off, oito ions Y- e oito moleculas de H20.

Identificando eletrolitos fortes e fracosSelembrarmos dos acidos e bases fortes comuns (Tabela 4.2) e tambem de

queNH3 e uma base fraca, podemos fazer previs6es razoaveis sobre 0 com-portamento eletrolitico de urn grande numero de substancias soluveis emagua.A Tabela 4.3 resume nossas observa<;6es sobre eletr6litos. Para classifi-caruma substancia soluvel como eletr6lito forte, eletr6lito £raco ou nao-eletr6lito, basta olhar a primeira coluna databelade cima para baixo e, depois, a linha correspondente. Primeiro nos perguntamos se a substancia e i6nica oumolecular. Se for i6nica, e urn eletr6lito forte. Se for molecular, perguntamos se e urn acido. Se e urn acido, confia-mosna lista memorizada da Tabela 4.2 para determinar se e urn eletr6lito forte ou fraco. Se urn acido nao esta rela-cionado na Tabela 4.2, provavelmente e urn eletr6lito fraco. Por exemplo, H3P04, H2S03 e HC7Hs02 nao estao

ATiVIDADEAcidos fortes

relacionados na Tabela 4.2 e sac acidos fracos. NH3 e a Unicabase fraca que abordaremos neste capitulo. (Existemcompostos chamados aminas que sac relacionados com NH3e tambem sac bases moleculares, mas nao serao abor-dados antes do Capitulo 16.) Finalmente, qualquer subsHincia molecular que encontrarmos, neste capitulo, quenao seja acido ou NH3 fatalmente sera urn nao-eletr6lito.

TABELA4.3 Resumo do comportamento eletrolftico de compostos i6nicos soluveis e moleculares comuns

Eletr6lito forte Eletr6lito fraco Nao-eletr6lito

IOnico Todos enhum NenhumMolecular Acidos fortes Acidos fracos (H. ..)

(ver Tabela 4.2) Bases fracas (NH3) Todos os outros compostos

COMO FAZER4.6Classifique cada uma das seguintes substancias dissolvidas como eletr6lito forte, eletr6lito fraco ou nao-eletr6lito:CaCl2, HN03, C2HsOH (etanol), HCH02 (acido f6rmico) e KOH.

Solu~aoAnalise: dadas varias f6rmulas quimicas, pede-se classificar cada uma das substancias como eletr6lito forte, eletr6litofraco ou nao-eletr6lito.Planejamento: 0 caminho que escolhemos esta detalhado na Tabela 4.3. Podemos determinar se uma subsUincia e i6-nica ou molecular baseados em sua composi<;ao. Como vimos na Se<;ao2.7, a maior parte dos compostos ionic os queencontramos no texto e constituida tanto de metal como de nao-metal, enquanto a maioria dos compostos molecula-res e constituida apenas por nao-metais.Resolu~ao: dois compostos se encaixam nesse criterio para compostos ionicos: CaCl2 e KOH. Ambos sac eletr6litosfortes. Os tres compostos restantes sac moleculares. Dois, HN03 e HCH02, sac acidos. °acido nitrico, HN03, e urn<icidoforte comum (eletr6lito forte), como mostrado na Tabela 4.2. Como a maioria dos acidos e fraca, a melhor supo-si<;aoseria de que HCH02 e urn acido fraco (eletr6lito fraco). Isso esta correto. ° composto molecular que resta,C2HsOH, nao e acido nem base; portanto, e nao-eletr6Iito.Comentario: apesar de C2HsOH ter urn grupo OH, ele nao e urn hidr6xido metalico; logo, nao e uma base. E, maisacertadamente, membro de uma classe de compostos organicos que tern liga<;6es C-OH conhecida como alco6is.CXD (Se<;ao2.9).

PRATIQUEConsidere as solu<;6esnas quais 0,1 mol de cada urn dos seguintes compostos e dissolvido em 1 L de agua: Ca(N03)2(nitrato de calcio), C6H1206 (glicose), NaC2H302 (acetato de s6dio) e HC2HP2 (acido acetico). Coloque as solu<;6esemordem crescente de condutividade eletrica, baseado no principio de que quanta maior 0 mimero de ions em solu<;ao,maior a condutividade.Resposta: C6H1206 (nao-eletr6Iito) < HC2H302 (eletr6lito fraco, existindo principalmente na forma de moleculas compoucos ions) < NaC2Hp2 (eletr6lito forte que fornece dois ions, Na + e C2H302-) < Ca(N03h (eletr6lito forte que fornecetres ions, Ca2

+ e 2N03-)

Rea~oes de neutraliza~ao e saisAs solu<;6esde acidos e bases tern propriedades muito diferentes. as acidos tern sabor azedo, enquanto as ba-

ses, sabor amargo2. as acidos podem mudar a cor de certos corantes de maneira peculiar, diferentemente do efeito

de uma base (Figura 4.7). a corante conhecido como tornassol, por exemplo, muda de azul para vermelho na pre-sen<;ade urn acido, e de vermelho para azul na presen<;ade uma base. Alem disso, solu<;6esacidas e basicas dife-rem nas propriedades quimicas em varios aspectos, que exploraremos neste e em capitulos posteriores.

Quando uma solu<;ao de urn acido e a de uma base sac misturadas, ocorre uma rea\ao de neutraliza\ao.as produtos da rea<;aonao tern caracteristicas de solu<;6esacidas nem de solu<;6esbasicas. Por exemplo, quando 0

acido cloridrico e misturado a uma solu<;aode hidr6xido de s6dio, a seguinte rea<;aoocorre:

2 Provar solw;6es quimicas nao e uma boa prMica. Entretanto, todos n6s ja experimentamos acidos, como por exemplo acidoasc6rbico (vitamina C), acido acetilsalicilico (aspirina), e acido citrico (em frutas citricas), e estamos acostumados com seu saborazedo caracteristico. Sab6es, que sac basicos, tern 0 sabor amargo caracteristico das solw;6es de base.

HCl(aq) + NaOH(aq) ~ HP(l) + NaCl(aq)(,kido) (base) (agua) (sal)

A agua e 0 sal de cozinha, NaCl, saDos produtos da rea<;ao.Por analogia aessarea<;ao,0 termo sal significa qualquer composto i6nico cujo cation vem deuma base (por exemplo, Na+ de NaOH) e cujo anion vem de urn acido (porexemplo,cr de HCl). Em geral, uma rea(iio de neutraliza(iio entre um acido e umhidr6xido metalico produz agua e sal.

Uma vez que HCI, NaOH e NaCl saD todos eletr6litos fortes soluveis,a equa<;ao i6nica completa associada com a Equa<;ao 4.12 e

1.,- ..

Figura 4.7 0 indicador acido-baseazul de bromotimol e azul emsoluc;:6esbasicas e amarelo emsoluc;:6esacidas. 0 frasco daesquerda mostra 0 indicador napresenc;:a de uma base, ameniaaquosa (rotulado como hidr6xidode amenia). 0 frasco da direitamostra 0 indicador em presenc;:adeacido clorfdrico, HCI.

A Equa<;ao4.14 resume a caracteristica principal da rea<;aode neutraliza-C;:30entre urn acido forte e uma base forte: os ions H+(aq) e OH-(aq) combi-nam-separa formar H20.

A Figura 4.8 mostra a rea<;aoentre 0 acido cloridrico e outra base, Mg(OH)2' 0 qual e insoluvel em agua. Umasuspensao branca leitosa de Mg(OH)2' chamada leite de magnesia, pode ser vista dissolvendo-se a medida que areaC;:3ode neutraliza<;ao ocorre:

Equa(iiomolecular:

Equa(iio i8nica simplificada:

Mg(OHMs) + 2HCl(aq) ~ MgCI2(aq) + 2HP(l)

Mg(OHMs) + 2H+(aq) ~ Mg2+(aq) + 2Hp(l)

[4.15]

[4.16]

Observe que os ions OH- (dessa vez em urn reagente solido) e os ions H+combinam-se para formar H20.Umavezque os ions trocam de contra-ions, as rea<;oesde neutraliza<;ao entre acidos e hidroxidos metalicos saDtambemreac;:oesde metatese.

Figura4.8 (a) 0 leite de magnesia e uma suspensao de hidr6xido de magnesio, Mg(OH)is), em agua. (b) 0 hidr6xido demagnesio dissolve-se com a adic;:aode acido clorfdrico, HCI(aq). (c) A soluc;:aotransparente final contem MgCI2(aq),mostrado na Equac;:ao4.15.

COMO FAZER 4.7(a) Escreva uma equa<;ao quimica completa e balanceada para a rea<;ao entre solu<;6es aquosas de <icido acetico(HC2HPz) e hidr6xido de bario (Ba(OH)z)' (b) Escreva a equa<;ao ienica simplificada para essa rea<;ao.

Solu~aoAnalise: dadas as f6rmulas quimicas para urn acido e urna base, pede-se escrever a equac;ao quimica balanceada e aequac;ao quimica simplificada para sua reac;ao de neutralizac;ao.Planejamento: como a Equac;ao 4.12 e a frase em italico que a segue indicam, reac;6es de neutralizac;ao formam daisprodutos, H20 e urn sal. Examinemos 0 cation da base e 0 anion do acido para determinar a composic;ao do sal.Resolu{:ao: (a) ° sal contera 0 cation da base (Ba2+)e 0 anion do acido (C2H302-). Portanto, a f6rmula do sal eBa(C2H302)2'De acordo com as regras de solubilidade na Tabela 4.1, esse composto e soltivel. A equac;ao nao-balanceadapara a reac;ao de neutralizac;ao e:

HC2Hp2(aq) + Ba(OHMaq) ~ Hp(l) + Ba(C2Hp2Maq)Para balancear a equac;ao, devemos fornecer duas moleculas de HC2H302 para produzir dois ions C2H302- e proverdois ions H+ necessarios para combinar com os dois ions OI-r da base. A equac;ao balanceada e:

2HC2Hp2(aq) + Ba(OHMaq) ~ 2Hp(l) + Ba(C2Hp2Maq)(b) Para escrever a equac;ao ionica, devemos determinar se cada composto soluvel em soluc;6es aquosas e urn eletr6litoforte ou nao. °HC2HP2 e urn eletr6lito £raco (acido £raco), Ba(OHh e urn eletr6lito forte e Ba(C2H302)2tambem e urneletr6lito forte. Portanto, a equac;ao ionica completa e:

2HC2Hp2(aq) + Ba2+(aq)+ 20I-r(aq) ~ 2HP(l) + Ba2+(aq)+ 2C2Hp2-(aq)

Eliminando os ions espectadores, obtem-se:2HC2Hp2(aq) + 20I-r(aq) ~ 2Hp(l) + 2C2Hp2-(aq)

Simplificando os coeficientes, obtemos a equac;ao ionic a simplificada:HC2Hp2(aq) + OI-r(aq) ~ HP(l) + C2HP2-(aq)

Conferencia: podemos determinar se a equac;ao molecular esta corretamente balanceada contando 0 numero de Ma-mos de cada tipo em ambos os lados da seta. (Existem dez H, seis 0, quatro C e urn Ba de cada lado.) Geralmente emais facHconferir as equac;6es contando grupos: existem dois grupos C2H302, bem como urn Ba e quatro Momos de Hadicionais e 2 Momos de °adicionais de cada lado da equac;ao. A equac;ao ionica simplificada confere porque os nu-meros de elementos de cada tipo e as cargas liquidas saD as mesmas em ambos os lados da equac;ao.

PRATIQUE(a) Escreva uma equac;ao balanceada para a reac;ao de acido carbonico (H2C03) e hidr6xido de potassio (KOH).(b) Escreva a equac;ao ionica simplificada para essa reac;ao.Resposta: (a) H2C03(aq) + 2KOH(aq) ~ 2HP(l) + K2C03(aq); (b) H2C03(aq) + 20I-r(aq) ~ 2Hp(l) + COt(aq)(H2C03 e urn eletr6lito £raco, enquanto KOH e K2C03 sao eletr6litos fortes).

Rea~oes acido-base com forma~ao de gasExistem muitas bases alem do OIr que rea gem com 0 H+ para formar compostos moleculares. Duas destas,

que podem ser encontradas em laboratorio, sac 0 ion sulfeto e 0 ion carbona to. Esses dois anions rea gem com aci-dos para formar gases que tern baixas solubilidades em agua. °sulfeto de hidrogenio (H2S), a substancia que ciaaos ovos podres seu cheiro putrido, forma-se quando urn acido como HCl(aq) reage com urn sulfeto metalico comoNa2S:

Equafiio molecular:

Equafiio i8nica balanceada:

2HCl(aq) + Na2S(aq) ~ H2S(g) + 2NaCl(aq)

2H+(aq) + S2-(aq) ~ H2S(g)

[4.17]

[4.18]

Os carbonatos e os bicarbonatos reagem com acidos para formar gas CO2, A rea<;ao de cot ou HC03- com urnacido produz primeiro 0 acido carbonico (H2C03). Por exemplo, quando acido cloridrico e adicionado ao bicarba-nato de sodio, ocorre a seguinte rea<;ao:

°acido carbonico e instavel; se presente em solu<;ao em concentra<;oes suficientes, decompoe-se para formarCO2' que escapa da solu<;ao como urn gas.

A decomposi<;ao de H2C03 produz bolhas de gas CO2, como mostrado na Figura 4.9. A rea<;ao total esta resu-mida nas seguintes equa<;oes:

Equa9iio molecular:HCl(aq) + NaHC03(aq) ~ NaCl(aq) + HzO(l) + CO2(g)

Equa9iio ionica simplificada:H+(aq) + HC03-(aq) ~ HzO(l) + CO2(g)

Tanto NaHC03 quanta Na2C03 saD usados como neutralizadores acidosem derramamentos de acidos. °sal bicarbonato ou carbona to e adicionado ateque a efervescencia causada pela forma<;ao do CO2 (g) pare. Algumas vezesbicarbonato de s6dio e usado como antiacido para aliviar disturbios estoma-cais. Nesse caso, 0 HC03- reage com 0 acido do estomago para formar CO2(g).A efervescencia que ocorre quando comprimidos de Alka-Seltzer® saD adicio-nados a agua deve-se a rea<;ao de bicarbonato de s6dio e acido citrico.

°estomago produz acidos para ajudar na cligesU'iodos ali-rnentos. Esses acidos, os quais incluem acido clorfdrico, con-tern aproximadamente 0,1 mol de H+ por litro de solw;ao.o estomago e 0 trato digestivo sac normalmente protegidosdosefeitos corrosivos do acido estomacal por urn revestimen-to mucoso. Entretanto, podem se desenvolver buracos nesserevestimento, permitindo que 0 acido ataque 0 tecido subja-cente, causando les6es dolorosas. Esses buracos, conhecidoscomoulceras, podem ser causados pela secreC;aode acido emexcessoou par urna fraqueza do revestimento digestivo. Estu-dos recentes indicarn, entretanto, que muitas Ulceras sac cau-

Figura 4.10 Anti,kidos e inibidores acidos sacmedicamentos comuns que podem ser vendidos semprescri~aomedica. Tagamet HB®e Pepcid AC®sac inibidoresde acidos e os demais produtos sac antiacidos.

4.4 Rea~6esde oxirredu~ao

Figura 4.9 Os carbonatos reagemcom acidos para formar 0 gasdioxido de carbono. Aqui 0 NaHC03(solido branco) reage com acidoc1oridrico;as bolhas contem CO2,

sadas por infecc;6esbacterianas. Entre 10 e 20% dos norte-arne-ricanos sofrem de Ulcera em algum perfodo de suas vidas emuitos outros experimentarn indigest6es ocasionais ou aziadevido ao usa ocasional de acidos digestivos.

Podemos tratar 0 problema do excesso de acido estomacalde dois modos simples: (1) removendo 0 excesso de acido ou (2)diminuindo a produC;aode acido. As substancias que removemo excesso de acido sac chamadas antiacidos, enquanto as que di-minuem a produC;aode acidos sac charnadas inibidores de acidos.A Figura 4.10 mostra varios medicarnentos comuns dos dois ti-pos que podem ser vendidos sem receita medica.

Os antiacidos sac bases simples que neutralizam acidos.Sua capacidade de neutralizaC;ao se deve aos fons hidr6xi-do, carbonato ou bicarbonato que eles contem. A Tabela 4.4relaciona os prindpios ativos de alguns antiacidos.

A mais nova geraC;ao de medicamentos contra ulcera,como Tagamet® e Zantac®, e inibidora de acidos. Eles agemnas celulas produtoras de acido no revestimento do estoma-go. Desse modo, os medicamentos que controlam 0 acidonao podem ser vendidos sem prescriC;aomedica.

TABELA4.4 Alguns antiacidos comuns

Agentes neutralizadoresde acidos

Alka-Seltzer®Amphojel®Di-Gel®Leite de magnesiaMaalox®Mylanta®Rolaids®

Tums®

NaHC03AI(OHhMg(OH)2 e CaC03Mg(OH)2Mg(OH)2 e AI(OH)3Mg(OH)2 e AI(OH)3NaAI(OH)2C03

CaC03

Em rea<;6es de precipita<;ao, cations e anions se unem para formar urn composto ionico insoluvel. Em rea<;6esde neutraliza<;ao, fons H+ e fons OH- se unem para formar moleculas de H20. Consideremos agora urn terceiro tipo

Figura 4.11 A corrosao nosterminais de uma bateria, causadapelo ataque ao metal, provocadapelo acido sulfurico.

importante de rea~ao na qual eh?trons saG transferidos entre reagentes. Essasrea~6es saG chamadas rea~oes de oxirredu~ao, ou redox.

Oxidas;ao e redus;aoA corrosao do ferro (ferrugem) e de outros meta is, como terminais de bate-

ria automotiva, saGprocessos comuns. °que chamamos de corrosdo e a conver-saG de urn metal em composto metalico por uma rea~ao entre 0 metal e algumasubsHincia em seu ambiente. Ferrugem envolve a rea~ao do oxigenio com 0

ferro na presen~a de agua. A corrosao mostrada na Figura 4.11 resulta da rea-~ao do acido da bateria (HzS04) com 0 metal da bra~adeira.

Quando urn metal sofre corrosao, ele perde eletrons e forma dtions. Porexemplo, 0 dlcio e atacado vigorosamente por acidos para formar ions calcio(Caz+):

Ca(s) + 2H+(aq) ~ Caz+(aq) + Hz(g) [4.23]

Quando urn atomo, ion ou molecula se torna mais positivamente carrega-do (isto e, quando perde eletrons), dizemos que ele foi oxidado. A perda de ele-trans par uma substancia e chamada oxida~ao. Portanto, Ca, que nao tern carga, eoxidado (sofre oxida~ao) na Equa~ao 4.23, formando Caz

+.° termo oxida~ao e usado porque as primeiras rea~6es desse tipo a sercompletamente estudadas foram rea~6es com oxigenio. Muitos meta is rea gem diretamente com 0 Oz no ar paraformar 6xidos metalicos. Nessas rea~6es, 0 metal perde eletrons para 0 oxigenio, formando urn composto ionico deion metalico e ion 6xido. Por exemplo, quando 0 dlcio metalico e exposto ao ar, a superficie metalica brilhante dometal emba~a a me did a que CaO se forma:

ANIMA~OESReac;6es de Oxirreduc;ao: parte I,Reac;6es de Oxirreduc;ao: parte 1\

Substancia Substanciaoxida reduz(perde (ganhaeletron) eletron)

Figura 4.12 A oXidac;:aoe a perdade eletrons pela substancia; areduc;:aoe 0 ganho de eletrons porela. A oXidac;:aode uma substanciasempre e acompanhada pelareduc;:aode outra.

Conforme Ca vai sendo oxidado na Equa~ao 4.24, 0 oxigenio e transforma-do da forma 0z neutro para dois ions OZ-.Quando urn atomo, ion ou moleculase torna mais negativamente carregado (ganha eletrons), dizemos que ele e re-duzido. 0 ganho de eletrons par uma substancia e chama do redu~ao. Quando urnreagente perde eletrons, outro tern de ganha-Ios; a oxida~ao de uma substanciae sempre acompanhada pela redu~ao de outra, ja que eletrons saG transferidosentre elas, como mostrado na Figura 4.12.

Numeros de oxidas;aoAntes que possamos identificar devidamente uma rea~ao de oxirredu~ao,

devemos obter uma forma de nos manter informados sobre os eletrons ganhospela substancia reduzida e sobre os perdidos pela substancia oxidada. °con-ceito de numeros de oxida~ao (tambem chamado estados de oxida{:do) foi desen-volvido visando ser uma maneira simples de informa~ao sobre os eletrons emrea~6es. °mimero de oxida~ao de urn atomo em uma substancia e a carga real

do atomo se ele for urn ion monoatomico; de outra forma, e a carga hipotetica assinalada ao atomo usando urn con-junto de regras. A oxida~ao ocorre quando ha aumento no numero de oxida~ao; a redu~ao, quando ha diminui~aono numero de oxida~ao.

Usamos as seguintes regras para assinalar numeros de oxida~ao:1. Para um Mama na sua forma elementar a numero de oxida{:do e sempre zero. Assim, cada atomo de H na molecu-

la de Hz tern urn numero de oxida~ao igual a 0, e cada atomo de P na mole cuI a de P4 tern urn numero de oxi-da~ao igual a O.

2. Para qualquer ion monoat8mico a numero de oxida{:do e igual a carga do ion. Dessa forma, K+ tern numero de oxi-da~ao de +1, Sz- tern urn estado de oxida~ao de -2 e assim por diante. Os ions dos metais alcalinos (grupolA) sempre tern carga 1+ em seus compostos. Do mesmo modo, os metais alcalinos terrosos (grupo 2A) sacsempre +2 e 0 aluminio (grupo 3A) e sempre +3 em seus compostos. (Ao escrever numeros de oxida~ao,colocaremos 0 sinal antes do numero para distingui-Ios das cargas eletronicas reais, que acompanhara 0

numero primeiro.)3. Geralmente os nao-metais tern numero de oxida~ao negativo, apesar de algumas vezes serem positivos:

(a) 0 numero de oxida(ao do oxigenio normalmente e -2 tanto em com-postos ionicos como moleculares. A principal exce<;aoe nos compos-tos chamados per6xidos, que contem 0 ion ot, dando a cada oxi- .genio um numero de oxida<;ao -1.

(b) 0 numero de oxida(ao do hidrogenio e +1quando ligado a nao-metais, e -1 quando ligado a metais.(c) 0 numero de oxida(ao do fluor e -1 em todos as compostos. Os outros halogenios tem numero de oxida<;ao

-1na maioria dos compostos binarios. Quando combinados com 0 oxigenio, como em oxianions, entre-tanto, tem estados de oxida<;ao positivos.

4. A soma dos numeros de oxida(iio de tadas as atomos em um composto neutro e zero. A soma dos numeros de oxi-da(ao em um ion poliat8mico e igual a carga do ion. Por exemplo, no ion hidronio, H30+, 0 numero de oxida-<;aode cada hidrogenio e +1 e de cada oxigenio e -2. A soma dos numeros de oxida<;ao e 3(+1) + (-2) = +1,que e igual a carga liquid a do ion. Essa regra e muito uti! para obter 0 numero de oxida<;ao de um Momoem um composto ou ion se voce souber os numeros de oxida<;ao de outros Momos, como ilustrado em"Como fazer 4.8".

ATIVIDADENumeros de oxida~ao

COMO FAlER 4.8

Determine 0 estado de oxida~ao do enxofre em cada urn dos seguintes itens: (a) H2S; (b) S8;(c) SCI2; (d) Na2S03;

(e) sot.

Solu~ao (a) Quando ligado a urn nao-metal, 0 hidrogenio tern mimero de oxida~ao +1 (regra 3b). Uma vez que amolecula de H"Se neutra, a soma dos mimeros de oxida~ao deve ser igual a zero (regra 4). Fazendo 0 mimero deoxida~ao de S igual a x, temos 2(+1) + x = O. Logo, Stem mimero de oxida~ao -2.(b) Como essa e a forma elementar do enxofre, 0 mimero de oxida~ao de sea (regra 1).(c)Devido a ser urn composto binario, esperamos que 0 cloro tenha mimero de oxida~ao -1 (regra 3c).A soma dosnu-meros de oxida~ao deve ser igual a zero (regra 4). Igualando omimero de oxida~ao de Sax, temos x + 2(-1) = O. Conse-quentemente, 0 numero de oxida~ao de S deve ser +2.(d)°s6dio, urn metal alcalino, sempre tern numero de oxida~ao +1 em seus compostos (regra 2).°oxigenio tern seunumero de oxida~ao comum -2 (regra 3a). Igualando 0 numero de oxida~ao de S a x, temos 2(+1)+ x + 3(-2) = O. Por-tanto, 0 numero de oxida~ao de S nesse composto e +4.(e)°estado de oxida~ao de °e -2 (regra 3a). A soma dos mimeros de oxida~ao e igual a -2, a carga liquida do ionsot (regra 4). Logo, temos que x + 4(-2) = -2. A partir dessa rela~ao, concluimos que 0 mimero de oxida~ao de Snesse ion e +6.Esses exemplos ilustram que 0 numero de oxida~ao de certo elemento depende do composto no qual ele aparece.Os numeros de oxida~ao do enxofre, como visto aqui, variam de -2 a +6.

PRATIQUE

Qual e 0 estado de oxida~ao dos elementos em destaque em cada urn dos seguintes itens: (a)P20S;(b) NaH; (c)Cr20/-;(d) SnBr4; (e) BaO/Respostas: (a) +5; (b) -1; (c)+6; (d) +4; (e)-1.

Oxida~ao de metais por acidos e sa isExistem varios tipos de rea<;6esredox. Por exemplo, rea<;6esde combustao sao rea<;6esredox porque 0 oxige-

nioelementar e convertido em compostos de oxigenio. ©llC> (Se<;ao3.2) Neste capitulo, abordaremos as rea<;6esre-doxentre metais e acidos ou sais. No Capitulo 20 examinaremos tipos mais complexos de rea<;6es redox.

A rea<;aode um metal com um acido ou com um sal metalico obedece ao seguinte padrao geral:

Zn(s) + 2HBr(aq) -----'; ZnBr2(aq) + H2(g)

Mn(s) + Pb(N03Maq) -----'; Mn(N03Maq) + Pb(s)

Essas rea<;6es sao chamadas reac;6es de deslocamento porque 0 ion em solu<;ao e deslocado ou trocado pelaoxida<;aode um elemento.

Muitos metais sofrem rea<;6esde deslocamento com acidos, produzindo sais e gas hidrogenio. Por exemplo,o magnesio metalico reage com acido cloridrico para formar clore to de magnesio e gas hidrogenio (Figura 4.13).Paramostrar que ocorreu oxida<;ao e redu<;ao, 0 numero de oxida<;ao de cada Momo e mostrado embaixo da equa-\ao quimica para essa rea<;ao:

Figura 4.13 Muitos metais,como 0 magnesio mostrado aqui,reagem com acidos para formargas hidrogenio. As bolhas SaDproduzidas pelo gas hidrogenio.

Mg(s) + 2HCl(aq) ~ MgCl2(aq) + H2(g)I Iiio +1 -1 +2 -1 0

I I 1 I

Observe que 0 numero de oxida<;ao do Mg muda de 0 para +2. 0 aumentono numero de oxida<;ao indica que 0 Momo perdeu eletrons; logo, foi oxidado.o ion H+ do acido diminui 0 numero de oxida<;ao de +1 para 0, indicando queesse ion ganhou eletrons e com isso foi reduzido. 0 numero de oxida<;ao do ioncr permanece -1 e e urn ion espectadar na rea<;ao. A equa<;ao ionic a simplifica-da e a seguinte:

Os metais podem tambem ser oxidados por solu<;6es aquosas de variossais. 0 ferro metalico, por exemplo, e oxidado a Fe2+ par solu<;6es aquosas deNi2+, como Ni(N03Maq):

Equa<;iiomolecular: Fe(s) + Ni(N03Maq) ~ Fe(N03Maq) + Ni(s) [4.28]

Equa<;iio i8nica simplificada: Fe(s) + Ni2+(aq) ~ Fe2+(aq) + Ni(s) [4.29]

A oxida<;ao do Fe para formar Fe2+ nessa rea<;ao e acompanhada pela redu-<;ao do Ni2+ aNi. Lembre-se: sempre que uma substancia Iioxidada, alguma outratem que ser reduzida.

COMO FAZER 4.9Escreva a equa~ao molecular e a equa~ao ionic a simplificada (ambas balanceadas) para a rea~ao de aluminio com aci-do bromidrico.

Solu~aoAnalise: devemos escrever a equa~ao para a rea~ao redox entre metal e acido.Planejamento: os metais reagem com acidos para formar sais e gas Hz. Para escrever a equa~ao balanceada, devemosescrever as f6rmulas quimicas para os dois reagentes e determinar a f6rmula do sal. 0 sal e constituido pelo cation far-mado pelo metal e pelo anion do acido.Resolu~ao: as f6rmulas dos reagentes dados saDAl e HBr. 0 cation formado pelo Al e Ae+, e 0 anion do acido bromi-drico e Br-. 0 sal formado na rea~ao e AlBr3. Escrevendo os reagentes e produtos para balancear a equa~ao, a seguirobtem-se:

2AI(s) + 6HBr(aq) ~ 2AlBr3(aq) + 3Hz(g)

Tanto HBr quanto AlBr3 saD eletr6litos fortes sohiveis. Portanto, a equa~ao ionica completa e:2AI(s) + 6H+(aq) + 6Br-(aq) ~ 2AI3+(aq) + 6Br-(aq) + 3H2(g)

Como Br- e urn ion espectador, a equa~ao ionica simplificada e:2AI(s) + 6H+(aq) ~ 2AI3+(aq) + 3H2(g)

Comentario: a substancia oxidada e 0 aluminio metalico porque seu estado de oxida~ao mud a de a para +3 no cation,aumentando seu numero de oxida~ao. 0 H+ e reduzido porque seu estado de oxida~ao muda de +1 para a no Hz.

PRATIQUE(a) Escreva a equa~ao molecular e a equa~ao ionica simplificada (ambas balanceadas) para a rea~ao entre 0 magnesio eo sulfato de cobalto(II). (b) Qual sofreu oxida~ao equal sofreu redu~ao na rea~ao?Respostas: (a) Mg(s) + CoS04(aq) ~ MgS04(aq) + Co(s); Mg(s) + C02+(aq) ~ Mg2+(aq) + Co(s); (b) Mg e oxidadoe C02

+ e reduzido.

Serie de atividadePodemos determinar se urn metal sera oxidado por urn acido ou par urn sal especifico? Essa e uma pergunta de

suma importancia na pratica e de grande interesse quimico. De acardo com a Equa<;ao 4.28, por exemplo, nao seriasensato armazenar uma solu<;ao de nitrato de niquel em urn recipiente de ferro porque a ela dissolveria 0 recipiente.

Quando urn metal e oxidado, ele parece ser destruido a medida que reage para formar varios compostos. A oxida-~aoextensiva pode levar ao mau funcionamento das pe<;as de metal de maquinarios ou a deteriora<;ao de estrutu-ras metalicas.

Diferentes metais variam na facilidade com que sac oxidados. 0 Zn e oxidado por solu<;6es aquosas de Cu2+,

por exemplo; Ag nao e. Portanto, Zn perde eletrons mais facilmente do que Ag, isto e, Zn e mais facil de oxidar doque Ag.

Uma lista de metais dispostos em ordem decrescente de facilidade de oxida<;ao e chamada serie de atividade.ATabela 4.5 fornece a serie de atividade em solu<;ao aquosa para a maioria dos metais comuns. 0 hidrogenio tam-hem esta incluido na tabela. Os meta is no topo da tabela, como os alcalinos e os alcalinos terrosos, sac mais facil-mente oxidados, isto e, reagem mais facilmente para formar compostos. Eles sac chamados metais ativos. Os metaisna base da serie de atividade, como os elementos de transi<;ao dos grupos 8B e 1B, sac muito estaveis e formamcompostos com menos facilidade. Esses metais, usados para fazer moedas e j6ias, sac chamados metais nobres por-que apresentam baixa reatividade.

TABELA 4.5 Serie de atividade de metais em solu~ao aquosaFllMEQuimieade oxirredu~aodoestanho e do zineo

Metal Rea"ao de Oxida"ao

Utio Li(s) ~ Li+(aq) + ePotassio K(s) ~ K+(aq) + e

Ba2+(aq)ATIVIDADE

Bario Ba(s) ~ + 2e- Rea,,5esde preeipita~ao,redoxCalcio Ca(s) ~ Ca2+(aq) + 2e- e neutraliza~aoS6dio Na(s) ~ Na +(aq) + eMagnesio Mg(s) ~ Mg2+(aq) + 2e-Aluminio Al(s) Ae+(aq)

03~ + 3e- -l::Manganes Mn(s) Mn2+(aq)

(l)

~ + 2e- EiZinco Zn(s) Zn2+(aq) 2e- ;:l

~ + 03

Cl+(aq)a

Cramo Cr(s) ~ + 3e- 103V'

Fe2+(aq)<Il

Ferro Fe(s) ~ + 2e- "d'xCobalto Co(s) ~ Co2+(aq) + 2e- a

(l)

Niquel Ni(s) ~ Ni2+(aq) + 2e- "d(l)

Estanho Sn(s) ~ Sn2+(aq) + 2e- "d<Il

Chumbo Pb(s) ~ Pb2+(aq) + 2e- ~u

Hidrogenio H2(g) ~ 2H+(aq) + 2e- ro..•..Cobre Cu(s) ~ Cu2+(aq) + 2e- «Prata Ag(s) ~ Ag+(aq) + eMercurio Hg(l) ~ Hg2+(aq) + 2e-Platina Pt(s) ~ pe+(aq) + 2e-Gura Au(s) ~ Au3+(aq) + 3e-

A serie de atividade pode ser usada para preyer 0 resultado de rea<;6es entre metais e sais metalicos ou acidos.Qualquer metal na lista po de ser oxidado por fons do elemento abaixo dele. Por exemplo, 0 cobre esta acima da prata na se-rie.Portanto, 0 cobre metalico pode ser ~xidado por ions prata, como mostrado na Figura 4.14:

A oxida<;ao do cobre a ions cobre e acompanhada pela redu<;ao de ionsprata em prata metalica. A prata metalica esta evidente na superficie do fio decobre da Figura 4.14 (b) e (c). 0 nitrate de cobre(II) produz cor azul na solu<;ao,que esta mais evidente na parte (c).

Apenas os meta is acima do hidrogenio na serie de atividade sac capazes de reagir com acidos para formar H2•

Por exemplo, 0 Ni reage com HCl(aq) para formar H2:

FllMEForma"aode cristaisde prata

Figura 4.14 Quando 0 cobre metalico e colocado em uma solw,:ao de nitrato de prata (a), ocorre uma rear,:ao redox,formando prata metalica e solur,:aoazul de nitrato de Cu(lI) (b e c).

Como os elementos abaixo do hidrogenio na serie de atividade nao podem ser oxidados pelo H+, Cu nao reagecom HCI(aq). De maneira interessante, 0 cobre reage como acido nitrico, como mostrado anteriormente na Figura1.11. Entretanto, essa rea<;:aonao e simples oxida<;:ao de Cu pelo ion H+ do acido. Em vez disso, 0 metal e oxidado aCuz+ pelo ion nitrato do acido, acompanhado pela forma<;:ao do gas marrom di6xido de nitrogenio, NOz(g):

Qual substancia e reduzida it medida que 0 cobre e oxidado na Equa<;:ao 4.32? Nesse caso, 0 NOz resulta da re-du<;:ao de N03-. Examinaremos rea<;:6es desse tipo com mais detalhes no Capitulo 20.

COMO FAZER 4.10Uma solw;ao de clore to de ferro(II) oxidara 0 magnesio metalico? Se a oxidac;ao ocarrer, escreva a equac;ao molecular ea equac;ao ianica simplificada (ambas balanceadas) para a reac;ao.

Solu~aoAnalise: dadas duas substancias - um sal em soluc;ao aquosa, FeClz' e um metal, Mg -, pergunta-se se eles reagementre si.Planejamento: a reac;ao acontecera se 0 Mg estiver acima do Fez+ na serie de atividade (Tabela 4.5). Se a reac;ao ocorrer,o ion Fez

+ no FeClz sera reduzido a Fe, e 0 Mg elementar sera oxidado a Mg2+. •Resolu~ao: em virtu de de Mg estar acima de Fe na tabela, a reac;ao ocorrera. Para escrever a f6rmula para 0 sal quesera produzido devemos lembrar as cargas dos ions comuns. °magnesio esta sempre presente em compostos comoMg2+; 0 ion clore to e cr. °sal de magnesio forma do na reac;ao e MgCl2:

Mg(s) + FeCl2(aq) ~ MgCl2(aq) + Fe(s)Tanto 0 FeCl2 como 0 MgCl2'sao eletr6litos fortes sohiveis e podem ser escritos na forma ianica. Entao, 0 cr e um ionespectador na reac;ao. A equac;ao ianica simplificada e

Mg(s) + Fe2+\aq) ~ Mg2+(aq) + Fe(s)A equac;ao ianica simplificada mostra que 0 Mg e oxidado e 0 Fe2+e reduzido nessa reac;ao.

PRATIQUEQuais dos seguintes metais serao oxidados por Pb(N03)2: Zn, Cu, Fe?Resposta: Zn e Fe.

o DurOe conhecido desde os registros mais antigos daexistencia humana. Ao longo da Hist6ria, as pessoas ternapreciado 0 ouro, tern lutado e morrido por ele.

As propriedades fisicas e quimicas do ouro fazem deleum metal especial. Em primeiro lugar, sua beleza e raridadeintrinsecas 0 fazem precioso. Em segundo, 0 DurOe maleavelepode ser facilmente transformado em objetos artisticos, j6i-ase moedas (Figura 4.15). Em terceiro lugar, 0 ouro e urn dosmetais menos ativos (Tabela 4.5). Ele nao e oxidado ao ar enaoreage com a agua. Nao e reativo mediante solw;6es basicase diante de praticamente todas as solw;6es acidas. Como re-sultado disso, 0 aura pode ser encontrado na natureza comoum elemento puro, em vez de combinado com oxigenio ououtros elementos, 0 que explica sua precoce descoberta.

Muitos dos estudos mais antigos sobre as rea,,6es do DurOsurgiram da pratica da alquirnia, pela qual as pessoas tenta-vam transformar metais baratos, como 0 chumbo, em ouro.as alquimistas descobriram que 0 DurOpode ser dissolvidoem uma mistura 3:1 de acidos cloridrico e nitrico, conhecidacomoagua regia ('agua real'). A a"ao do acido nitrico no ouroeanaloga a do cobre (Equa"ao 4.32),ou seja, 0 ion nitrato, e naoH', oxida 0 DurOmetalico a Au3

+. Os ions cr interagem com 0

Au3+para formar os ions altamente estaveis AuCI4-. A equa"ao

i6nicasimplificada para a rea"ao do DurOcom agua regia e:Au(s) + N03-(aq) + 4H+(aq) + 4Cr(aq) ~

AuCl4-(aq) + 2H20(l) + NO(g)Todo 0 aura que ja foi explorado caberia em um cubo de

19m de lado pesando aproximadamente 1,1 x108 kg (125 miltoneladas). Mais de 90% dessa quantidade foi produzidadesde 0 inicio da corrida do DurO de 1848 na Calif6rnia.Acada ano, a produ"ao mundial de ouro soma aproximada-

mente 1,8 x 106 kg (2 mil toneladas). De outro lado, mais de1,5 x1010 kg (16 milh6es toneladas) de aluminio sao produzi-das anualmente. ° ouro e usado principalmente em j6ias(73%), moedas (10%) e na eletronica (9%). Seu uso na area daeletronica se deve a sua excelente condutividade e resisten-cia a corrosao. °DurOe usado, por exemplo, para placas decontato em chaves eletricas, reles e conex6es. Urn telefoneTouch-Tone® tipico contem 33 contatos folheados a ouro.°DurOe usado tambem em computadores e outros disposi-tivos microeletronicos nos quais um fio fino desse material eusa do para conectar componentes.

Alem do seu valor para a joalheria, moedas e eletronicos,o DurOe tambem importante nas profiss6es da saude. Pelacapacidade de resistencia a corrosao por acidos e outrassubstancias encontradas na saliva, 0 DurOe 0 metal ideal paracoroas e restaura,,6es dentarias, que respondem por aproxi-madamente 3% do uso anual do elemento. °metal puro emuito maleavel para ser utilizado em odontologia, sendocombinado com outros metais para formar ligas.

Figura 4.15 Imagem dofara6 Tutankamon (1346-1337 a.c.) feita de aura epedras preciosas. Detalhe daparte interna do caixao deTutankamon.

Neste capitulo voce conheceu urn grande numero de rea-,,6esquimicas. A principal dificuldade que os estudantes en-contram quando tentam dominar material desse tipo e obteruma 'percep"ao' do que acontece quando produtos quimi-cossao colocados para reagir. Na realidade, voce pode se ad-mirar com a facilidade que seu professor tern para decifrarosresultados de uma rea"ao quimica. Urn de nossos objetivosnesselivro e ajuda-Io a se tomar mais habil em determinar 0

resultado de rea,,6es. °segredo para obter essa 'intui"ao qui-mica' e entender como classifica-Ias.

Existem tantas rea,,6es singulares na quimica que memo-rizar todas elas seria uma tarefa tola. E muito mais proveitosotentar usar um padrao de reconhecimento para determinar acategoria geral de uma rea"ao, como metatese ou rea"ao deoxirredu"ao. Portanto, quando voce deparar com 0 desafiode prever 0 resultado de uma rea"ao quimica, fa"a a vocemesmo as seguintes quest6es apropriadas:

• Quais sao os reagentes na rea"ao?• Sao eletr6litos ou nao-eletr6litos?• Sao acid os ou bases?• Seos rea gentes sao eletr6litos, a metatese produzira urn

precipitado? Agua? Gas?

• Se a metatese nao pode ocorrer, os reagentes podemprovavelmente se encaixar em uma rea"ao de oxirredu-"ao? Isso requer a existencia tanto de urn reagente quepossa ser oxidado como de urn que possa ser reduzido.

Fazendo perguntas como essas, voce estara apto a deter-minar 0 que podera acontecer durante a rea"ao. Voce podenem sempre estar correto, mas, se mantiver esse raciodnio,nao estara longe. A medida que voce ganhar experienciacom rea,,6es quimicas, come"ara a procurar pelos rea gentesque podem nao ser imediatamente 6bvios, como a agua dasolu"ao ou 0 oxigenio da atmosfera.

Uma das maiores ferramentas disponiveis para n6s naquimica e a experimenta"ao. Se voce realiza urn experimen-to no qual duas solu,,6es sao misturadas, voce pode fazer ob-serva,,6es que 0 ajudarao a entender 0 que esta acontecendo.Por exemplo, utilizar a informa"ao da Tabela 4.1 para preyerse um precipitado sera forma do nao e nem de perto tao emo-cionante como ver realmente 0 precipitado se formar, comona Figura 4.4. Observa,,6es cuidadosas nas aulas praticas docurso farao com que a materia das aulas te6ricas seja maisbem assimilada.

10Capitulo

Gases

Nos ultimos capftulos, aprendemos sobre estruturas eletronicasdosMomos e a maneira como estes se combinam para formar moleculas esubstanciasionicas. Entretanto, no dia-a-dia, m'io temos experiencia diretacomas Momos. Em vez disso, encontramos materia como cole<;:6es de enormesnumerosde Momos ou moleculas que constituem gases, liquidos e s6lidos.Ofatode que a materia e, na realidade, de natureza atomica nao e realmente 6b-\'io,Apesar de a concep<;:ao de Momos existir desde a Grecia antiga, levou urngrandeperfodo para que 0 conceito ganhasse completa aceita<;:ao,mesmo entre £1-sicosequimicos. Entretanto, uma vez que a natureza atomica da materia e enten-dida,podemos facilmente compreender como Momos e moleculas dao origem aspropriedadesque observamos nas materias em nivel macrosc6pico. Neste capitulofocalizaremosos gases; no Capitulo 11, abordaremos liquidos e s6lidos.

Emmuitos aspectos, os gases SaG a forma de materia mais facilmente en-lendida.Ainda que diferentes gases possam ter diferentes propriedades qui-micas,eles se comportam de maneira bastante similar no que concerne aspropriedades £1sicas. Por exemplo, vivemos em uma atmosfera composta decertamistura de gases que chamamos ar. Respiramos 0 ar para absorver oxige-nio,Oz,que da suporte a vida humana. °ar tambem contem nitrogenio, Nz,quetern muitas propriedades quiJ;nicas diferentes do oxigenio. A atmosfera,igualmente,con tern pequenas quantidades de outras substfmcias gasosas, noentantocomporta-se fisicamente como urn material gasoso. A relativa simpli-cidadedo estado gasoso propicia urn born ponto de partida a propor<;:ao querrocuramosentender as propriedades da materia em termos de constitui<;:aoat6micae molecular.

10.1 Caracterfsticas dos gases.Aoconsiderar as caracteristicas dos gases, nao existe lugar mais apropria-

dopara come<;:armos do que a pr6pria atmosfera da Terra, vital para toda a\'idado planeta. Consideraremos a atmosfera de forma mais completa noCapitulo18. No momento, basta examinar a Tabela 18.1, que relaciona a com-rosi~aoda atmosfera. Observe que 0 ar e uma mistura complexa de muitassubstanciassimples, atomic as por natureza ou consistindo em moleculas pe-quenas.Contudo, ele comp6e-se basicamente de Nz (78%) e Oz (21%).

Alem de Oz e Nz, alguns outros elementos (Hz, Fz, Clz) existem como gasessobcondi<;:6esordinarias de temperatura e pressao. Os gases nobres (He, Ne,Ar,Kre Xe) SaG monoatomicos. Muitos compostos moleculares tambem SaGgases,A Tabela 10.1 relaciona alguns compostos gasosos mais comuns. Obser-

• Compararemos as caracteristicasdistintas dos gases com as deliquidos e s6lidos.

• Estudaremos a pressi'io do gas,como ela e medida e as unidadesusadas para expressa-Ia, bemcomo consideraremos a atmos-fera da Terra e a pressao que elaexerce.

• 0 estado de urn gas pode ser ex-pres so em termos de volume,pressao, temperatura e quan-tidade de gas. Examinaremos va-rias rela~6es empiricas que rela-cionam essas variaveis entre si.Colocadas lado a lado, tais rela-~6es gerais fundamentais a equa-~i'iodo gas ideal, PV = nRT.

• Enquanto a equa~ao do gas idealnao e obedecida por nenhumgas real, outros gases aproxi-mam-se de obedece-Ia nas con-di~6es de temperatura e pressaode maior interesse. Consequen-temente, podemos usar a equa-~ao do gas ideal para fazer mui-tos calculos uteis.

• Na teoria cintitica molecular dosgases, sup6e-se que os atomos oumoleculas que constituem os ga-ses sao mass as ponhlais que semovem ao redor com uma ener-gia cinetica media, proporcionala temperatura do gas,

• A teoria cinetica molecular levaa equa~ao do gas ideal e aju-da-nos a explicar tais proprieda-des dos gases como a efusi'io,pelas aberturas minusculas, etambem a difusi'io.

• Os gases reais sao exce~6es aocomportamento ideal, basicamen-te porque as moleculas de gas ternvolume finito e porque as for~asatrativas existem entre as molecu-las. A equa~i'io de van der Waalsfomece uma explica~ao mais acu-rada do comportamento de gasreal a altas press6es e baixas tem-peraturas,

ve que todos esses gases sao compostos unicamente de elementos nao-metalicos. Alem disso, todos tern f6rmulasmoleculares simples e, portanto, massas molares baixas.

As substancias que sao liquidas ou s6lidas sob condi<;6es ordinarias tam-bem podem geralmente existir no estado gasoso, ocasiao em que nos referimosaelas como vapores. A substancia H20, por exemplo, pode existir como aguali·quida, gelo s6lido ou vapor de agua. Sob as condi<;6es corretas, uma substanciapode coexistir nos tres estados da materia, ou fases, ao mesmo tempo. Vma gar·rafa termica contendo uma mistura de gelo e agua a 0 DC tern algum vapor deagua na fase gasosa alem das fases liquid a e s6lida.

Os gases diferem significativamente dos s6lidos e liquidos em varios aspec·tos. Por exemplo, urn gas expande-se espontaneamente para encher um recipiente. Dessa forma, 0 volume de urngas se iguala ao volume do recipiente que 0 contem. Os gases tambem sao altamente compresslveis: quando seaplica pressao a urn gas, seu volume diminui rapidamente. Os s6lidos e liquidos, por outro lado, nao se expandernpara encher os recipientes que os con tern, e s6lidos e liquidos nao sao rapidamente compresslveis.

Os gases formam misturas homo gene as entre si independentemente das identidades ou propor<;6es relativasdos gases componentes. A atmosfera serve como urn excelente exemplo. Outro adicional e a mistura de agua ega-solina, os dois liquidos permanecem como camadas separadas. Em contraste, os vapores de agua e gasolina acimados liquidos formam uma mistura gasosa homogenea. As propriedades caracteristicas dos gases resultam do fatode as moleculas individuais estarem relativamente bem separadas. No ar que respiramos, por exemplo, as moh~cu-las ocupam apenas aproximadamente 0,1 % do volume total, com 0 restante sendo espa<;o vazio. Assim, cada mole-cula se comporta basicamente como se as outras nao estivessem presentes. Como resultado, os diferentes gasescomportam-se de forma similar, mesmo que eles sejam compostos de moleculas diferentes. As moleculas indivi-duais em urn liquido, ao contrario, estao muito pr6ximas uma da outra e ocupam talvez 70% do espa<;o total.As for<;as atrativas entre as moleculas mantem 0 liquido coeso.

MODELOS 3-DCianeto de hidrogenio, Cloretode hidrogenio, Sulfeto dehidrogenio, Monoxido de

carbono, Dioxido de carbono, Metano,Oxido nitroso, Dioxido de nitrogenio,Am6nia, Dioxido de enxofre

TABELA10.1 Alguns compostos comuns que silo gases a temperatura ambiente

HCNH2SCOCO2

CH4

C2H4

C3HsNzON02

NH3

S02

Nome

Cianeto de hidrogenioSulfeto de hidrogenioMonoxido de carbonoDi6xido de carbonoMetanoEtilenoPropano6xido nitrosoDi6xido de nitrogenioAm6niaDi6xido de enxofre

Muito t6xieo, odor leve de amendoas azedasMuito t6xieo, eheiro de ovo,podreT6xieo, sem cor e sem cheiroSem cor e sem eheiroSem cor, sem eheiro, inflamavelSem cor, frutas madurasSem cor; gas engarrafadoSem cor; eheiro doee, gas hilarianteT6xieo, marrom-avermelhado, odor irritanteSem cor, odor pungenteSem cor, odor irritante

Entre as propriedades de urn gas medidas com mais facilidade estao temperatura, volume e pressao. Niioesurpreendente que muitos estudos antigos sobre os gases se detivessem nas rela<;6es entre essas propriedades. Jaabordamos volume e temperatura. <rim> (Se<;ao 1.4) Vamos agora considerar 0 conceito de pressao.

Em termos gerais, pressao transmite a ideia de for<;a, urn empurrao que tende a mover algo em determinadadire<;ao. A pressao, P, e, na realidade, a for<;a, F, que age em certa area, A.

F·P=-

A

Os gases exercem pressao em uma superficie com a qual estao em contato. °gas em urn balao inflavel, porexemplo, exerce pressao na superficie interna do balao.

Pressao atmosferica e 0 bar6metroVoce,eu, as cocos e as moleculas de nitrogenio, todos sofrem for<;aatrativa que nos impele em dire<;aoao cen-

tradaTerra. Quando urn coco cai do coqueiro, por exemplo, a for<;aatrativa gravitacional faz com que ele seja im-pelidocom rapidez em dire<;aoa Terra, aumentando a velocidade a medida que sua energia potencial e convertidaemenergiacinetica. @©©J (5e<;ao5.1) Os atomos e as moleculas na atmosfera tambem sofrem acelera<;ao gravitacio-nal.Entretanto, como as particulas gasosas tern mass as tao reduzidas, as respectivas energias termicas de movi-mentosuperam as for<;as gravitacionais, de forma que a atmosfera nao se acumula em uma camada fina na5uperficieda Terra. Contudo, a gravida de age, e faz com que a atmosfera como urn todo pressione a superficie,criandouma pressao atmosferica.

A existencia da pressao atmosferica pode ser determinada com uma garrafa de plastico vazia de agua au de re-Irigerante.5e voce tirar a ar de uma garrafa vazia com a boca, a possibilidade e que ela se feche parcialmente.Quandovoce quebra a vacuo parcial que criou, a garrafa volta a sua forma original. 0 que faz com que a garrafa selechequando a pressao interna e reduzida, mesmo com as quantidades relativamente pequenas que voce e capazdeproduzir com seus pulmoes? A atmosfera esta exercendo certa for<;ado lado de fora da garrafa que e maior quealor~adentro da garrafa quando parte do gas e sugado.

Pode-se calcular a valor da pressao atmosferica como segue: a for<;a,F, exercida por qualquer objeto e a produ-todesua massa, m, pela acelera<;ao, a; F = ma. A acelera<;ao produzida pela gravidade da Terra e 9,8 m/ S2. @©©J (5e-\305.1)Agora imagine uma coluna de ar de 1 m2 de se<;aotransversal estendendo-se ate a atmosfera. Essa colunatemmassade aproximadamente 10.000 kg (Figura 10.1). A for<;aexercida pela coluna e

F = (10.000 kg)(9,8 m/s2) = 1 x 105 kg m/s2 = 1 x 105 N

Aunidade 51para for<;ae kg m/ S2 e e chamada Newton (N): 1N = 1 kg m/ S2. A pressao exercida par uma colunae afor~adividida par sua area da se<;aotransversal, A.

FIx 105 N 5 2 5 2P=-=---=lxl0 N/m =1 x 10 Pa=l x 10 kPaA 1m2

A unidade 51 de pressao e N/m2• A ela deram a nome de pascal (Pa) em homenagem a Blaise Pascal

(1623-1662),urn matematico e cientista frances: 1 Pa = 1 N / m2. Outra unidade relacionada, usada algumas vezes

paraexpressar pressao, e a bar, que e igual a 105 Pa. A pressao atmosferica no nivel do mar e aproximadamente100kPa au 1 bar. A pressao atmosferica real em qualquer local depende das condi<;oes do tempo e da altitude.

No inicio do seculo XVII, acreditava-se que a atmosfera nao tinha peso. Evangelista Torricelli (1608-1647), queloidiscipulode Galileu, inventou a barometro (Figura 10.2)para mostrar que a atmosfera tinha peso. Urn tuba de vi-drocommais de 760 mm de comprimento, fechado em uma ponta, e completamente cheio com mercurio e inverti-dodentro de urn prato que contem mais mercurio. Deve-se ter cuidado para que a ar nao entre no tuba. Parte domercurioescorre quando a tuba e invertido, mas uma coluna de mercurio permanece no tuba. Torricelli argumen-touquea superficie de mercurio no prato sofre a for<;atotal, au peso, da atmosfera terrestre. Como nao existe ar (e,consequentemente, nao existe pressao atmosferica) acima do mercurio no tuba, este e empurrado para cima notuboate que a pressao na base, relativa a massa da coluna de mercurio, equilibre a pressao atmosferica. Portanto, aalturada coluna de mercurio e uma medida da pressao atmosferica; logo, ela variara a medida que a pressao varie.

FOr<;:a \gravitacional

Coluna de ar de 1 m2 •

~ (mass a = 104 kg)Figura 10.1 Ilustra~ao da formacom que a atmosfera da Terraexerce pressao na superficie doplaneta. A massa de uma colunade atmosfera com exatamente1 m2 de se~ao transversal eestendendo-se ate 0 tope daatmosfera exerce for~a de1,01 x10sN.

\1 atm de pressa.o

na superficie

Vacuo~

Hg

Pressaoatmosferica

Figura 10.2 Bar6metro demercurio. A pressao da atmosferana superficie do mercurio(representada pela seta azul) eigual a pressao da coluna demercurio (seta vermelha).

A explica<;ao proposta por Torricelli encontrou violenta oposi<;ao. Algunsargumentaram que nao poderia haver urn vacuo no topo do tubo. Eles disse-ram: "A natureza nao permite vacuo!" Mas Torricelli tambem tinha apoio.Blaise Pascal, por exemplo, carregou urn dos barometros para 0 topo do Puyde Dome, uma montanha vulcanica no centro da Fran<;a, e comparou suas lei-turas com outro barometro mantido ao pe da montanha. A propor<;ao que sesubia com 0 barometro, a altura da coluna de mer curio diminua, como se su-pUnha, uma vez que a quantidade de atmosfera pressionando a superficie di-minui a medida que se sobe. Esse experimento e outros realizados por outroscientistas eventualmente prevaleceram, tornando a ideia, de que a atmosferatern peso, viavel durante muitos anos.

A pressao atmosferica padrao, que corresponde a pressao tipica no niveldo mar, e suficiente para suportar uma coluna de mercurio de 760 mm de altu-ra. Em unidades 51, essa pressao e igual a 1,01325 x 105 Pa. A pressao atmosfe-rica padrao define algumas unidades comuns, que nao sao do 51, usadas paraexpressar as press6es de gases, como a atmosfera (atm) e 0 milimetra de mercu-ria (mm Hg). A ultima unidade e tambem chamada torr, em homenagem aTorricelli.

Observe que as unidades mm Hg e torr sao equivalentes: 1torr = 1mm Hg.Geralmente expressaremos a pressao de gases em unidades de atm, Pa (ou kPa) ou torr, para que voce sinta se-

guran<;a em converter press6es de gases a partir de urn conjunto de unidades para outra.

COMO FAZER10.1(a) Converta 0,357 atm para torr. (b) Converta 6,6 x 10-2 torr para atm. (c) Converta 147,2 kPa para torr.

Solu~aoAnalise: em cada caso foi dad a a pressao em uma unidade e pede-se converte-la em outra. 0 objetivo, portanto, e esco-lher as unidades apropriadas de conversao.Planejamento: ao resolver problemas desse tipo, podemos usar a analise dimensional.Resolu~ao: (a) Convertemos atmosferas para torr usando 0 fator de conversao derivado de 760 torr = 1 atm.

(O,357.3-trrf) (760 torr) = 271 torr1gtm-

Observe que as unidades cancelam-se da maneira adequada.(b) Usamos a mesma rela<;aoutilizada no item (a). Para obter as unidades apropriadas a ser canceladas, devemos usaro fator de conversao como segue:

(6,6 X 1O-21QI'r)( 1 atm ) = 8,7 X 10-5 atm760 wrt'

(c) A rela<;ao760 torr = 101,325 kPa permite-nos escrever urn fator de conversao apropriado para este problema:

(1472 kPa) ( 760 torr J = 1.104 torr, 101,325 k-Pa

Conferencia: em cada caso examine a ordem de grandeza de sua resposta e compare-a com 0 valor inicial. Torr e umaunidade muito menor que atmosfera, de forma que esperamos ser a resposta numerica maior que a quantidade inicialem (a) e menor em (b). 0 item (c) envolve a unidade menos familiar kPa. 0 torr e aproximadamente oito vezes menorque kPa, logo a resposta numeric a em tort deve ser maior, conforme obtido.

PRATIQUEEm paises que usam 0 sistema metrico, como 0 Canada, a pressao atmosferica na previsao do tempo e dada em unida-des de kPa. Converta certa pressao de 745 torr para kPa.Resposta: 99,3 kPa

Podemos usar varios dispositivos para medir as press6es em gases em sistemas fechados. Os calibradores depneus, por exemplo, medem a pressao do ar nos pneus de autom6veis e bicicletas. Nos laborat6rios usamos, algu-

masvezes, um dispositivo chamado manometro. Um manometro opera baseado em um principio similar ao baro-metro,como mostrado em "Como fazer 10.2".

COMO FAZER 10.2Em determinado dia 0 barometro em certo laborat6rio indica que a pressao at-mosferica e 764,7 torr. Uma amostra de gas e colocada em um recipiente liga-do a uma ponta aberta de um manometro de mercurio, mostrado na Figura10.3.Um metro e usado para medir a altura do mercurio acima da base do ma-nometro. 0 nivel de mercurio no bra<;:oaberto do manometro tem altura me-did a de 136,4 mm, e aquele bra<;:oque esta em contato com 0 gas tem altura de103,8 mm. Qual e a pressao do gas (a) em atmosferas; (b) em kPa?

Solu~aoAnalise: tentamos decobrir a pressao do gas no frasco. Sabemos que a pressaodeve ser maior que a pressao atmosferica porque 0 nfvel do manometro dolado do frasco e menor que 0 do lado aberto para a atmosfera, como indicadona Figura 10.3.Planejamento: foram dados a pressao atmosferica (764,7 torr) e 0 fato de queo nfvel de mercurio no bra<;:odo manometro que esta aberto para a atmosferae mais alto (136,4 mm) que 0 no bra<;:oligado ao frasco de gas (103,8mm). Usa-remos a diferen<;:ana altura entre os dois bra<;:ospara obter a quantidade naqual a pressao do gas excede a pressao atmosferica (h na Figura 10.3). Para seusar um manometro aberto, devemos saber 0 valor da pressao atmosferica.Como 0 manometro de mercurio e usado, a diferen<;:ana altura mede direta-mente a diferen<;:ade pressao em mm Hg ou torr.Resolu~ao: (a) A pressao do gas e igual a pressao atmosferica mais a diferen<;:ana altura entre os dois bra<;:osdo manometro:

Pgas = Patm + (diferen<;:aentre as alturas dos bra<;:os)= 764,7 torr + (136,4 torr -103,8 torr)= 797,3 torr

Convertemos a pressao do gas para atmosferas:

Pgas = (797,3 torr) ( 1 atm ) = 1,049 atm760 torr

(b) Para calcular a pressao em kPa, empregamos 0 fator de conversao entreatmosferas e kPa:

1,049 atm (101,3 kPa) = 106,3'kPa1 atm

Conferencia: a pressao calculada e um pouco maior que uma atmosfera.Isso faz sentido porque sabfamos que a pressao no frasco seria maior que apressao da atmosfera agindo no manometro, que e um pouco maior que a pres-sao atmosferica padrao.

PRATIQUEConverta uma pressao de 0,975 atm para Pa e kPa.Resposta: 98,8 x 103 Pa e 98,8 kPa.

As leisdos gases

Figura 10.3 Um manometro,algumas vezes empregado nolaboratorio para medir press5es degases proximas a pressaoatmosferica.

ATIVIDADEManometro

Os experimentos com grande numero de gases revelam que sac necessarias quatro variaveis para definir acondi~aofisica, ou estado, de um gas: temperatura, T; pressao, P; volume, V; e quantidade de gas, geralmente e ex-pressaem quantidade de materia, n. As equa~6es que expressam as rela~6es entre T, P, Ve n sac conhecidas comoleisdos gases.

o cora<;aohumano bombeia sangue para as outras partesdo corpo pelas arh~rias,e 0 sangue retorna ao cora<;aopelasveias. Quando a pressao arterial e medida, dois valores saoobservados como 120/80 (120por 80) ou, mais normalmen-te, 12/8 (12por 8), que e uma leitura normal. A primeira me-dida e a pressiio sist6lica, a pressao maxima quando 0 cora<;aoesta bombeando. A segunda e a pressiio diast6lica, a pressaoquando parte do ciclo bombeador do cora<;ao esta emrepouso. A unidade associada a essas medidas de pressao eo torr (ou torr /10).

A pressao arterial e medida usando um medidor de pres-sao ligado a urn inv6lucro ou manguito cheio de ar que eaplicado como um torniquete ao bra<;o (Figura 10.4). Elepode ser um manometro de mercurio ou algum outro dispo-sitivo. A pressao do ar no manguito e aumentada usandouma pequena bomba ate que esteja acima da pressao sist6li-ca e previna 0 fluxo de sangue. A pressao do ar dentro domanguito, e entao, reduzida lentamente ate que 0 sangue co-mece a pulsar pela arteria, como detectado por um estetos-c6pio. Nesse ponto, a pressao no manguito e igual a pressaoque 0 sangue exerce dentro das arterias. A leitura no medi-dor fornece a pressao sist6lica. A pressao no manguito e, aseguir, reduzida ainda mais ate que 0 sangue flua livremen-te. A pressao nesse ponto e a diast6lica.

Figura 10.4 Medindo apressao arterial.

A hipertensiio e a presen<;a de pressao acima do normal.o criterio usual para a hipertensao e pressao arterial maiorque 140/90 (ou 14/9). A hipertensao aumenta significativa-mente a carga de trabalho do cora<;aoe tambem causa estres-se nas paredes dos vasos sanguineos por todo 0 corpo. Essesefeitos aurnentam 0 risco de aneurisma, ataques cardiacos einfartos.

Rela~ao pressao-volume: lei de BoyleSe a pressao sobre urn balao diminui, ele se expande. Essa e a razao pela qual os baloes meteorologicos expan-

dem-se a medida que sobem para a atmosfera (Figura 10.5). De modo inverso, quando um volume de gas e compri-mido, a pressao do gas aurnenta. 0 quimico britanico Robert Boyle (1627-1691) investigou inicialmente a rela<;aoentre a pressao de um gas e seu volume.

Para realizar seus experimentos com gases, Boyle usou um tubo em forma de J similar ao mostrado na Figura10.6. Certa quantidade de gas e presa em um tubo atras de uma coluna de mercurio. Boyle variou a pressao no gasadicionando mercurio ao tubo. Ele descobriu que 0 volume do gas diminuia conforme a pressao aumentava. Porexemplo, dobrar a pressao provocava diminui<;ao do volume para meta de de seu valor original.

Figura 10.5 0 volume de gas emum balao de previsao de tempoaumentara a medida que ele subirpara a atmosfera mais alta, onde apressao atmosferica e mais baixaque na superficie da Terra.

Pressaoatmosferica

Pressaoatmosferica

Figura 10.6 Ilustrac;ao doexperimento de Boyle. Em (a) 0

volume de gas preso no tubo em Je 60 mL quando a pressao do gasfor 760 t'orr. Quando se adicionamais mercurio, como mostradoem (b), 0 gas preso e comprimido.o volume e 30 mL quando suapressao total for 1.520 torr,correspondendo a pressaoatmosferica mais a pressao exercidapela coluna de 760 mm demercurio.

Gas~Volume i

= 60mLI

Hg adlcionado ~

IffllVolume 1~30mL !

A lei de Boyle, que resume essas observa<;oes, afirma que 0 volume de certa quantidade fixa de urn gas mantido atemperatura constante e inversamente proporcional a pressiio. Quando duas medidas sao inversamente proporcionais,umatorna-se menor a medida que a outra se torna maior. A lei de Boyle pode ser expressa matematicamente como:

1V = constante x-

P

ovalor da constante depende da temperatura e da quantidade de gas na amostra. 0 grcificode V versus P na Fi-gura1O.7(a)mostra 0 tipo de curva obtida para determinada quantidade de gas a uma temperatura fixa. Vma rela-\ao linear e obtida quando se tra<;aurn grcifico de V versus liP (Figura 10.7(b)).

Apesar de ser simples, a lei de Boyle ocupa urn lugar especial na hist6ria da ciencia. Boyle foi 0 primeiro a reali-zaruma serie de experimentos nos quais 0 valor de uma varia vel foi sistematicamente alterado para determinar 0

efeitoem outra variavel. Os dados dos experimentos foram empregados para estabelecer uma rela<;ao empirica,uma'lei'. Aplicamos a lei de Boyle toda vez que respiramos. 0volume dos pulmoes e controlado pela caixa toracica,quepode expandir e contrair, e pelo diafragma, urn musculo abaixo dos pulmoes. A inala<;aoocorre quando a caixatoracicase expande e 0 diafragma move-se para baixo. As duas a<;oesaumentam 0 volume dos pulmoes, diminuin-doassim a pressao do gas dentro dos pulmoes. A pressao atmosferica, dessa forma, for<;a0 ar para dentro dos pul-m6esate que a pressao dos pulmoes se iguale a pressao atmosferica. A expira<;ao reverte 0 processo: a caixatoracicacontrai-se e 0 diafragma move-se para cima, ambos diminuindo 0 volume dos pulmoes. 0 ar e for<;adoparafora dos pulmoes pelo aumento na pressao.

Rela~ao temperatura-volume: lei de CharlesOs baloes de ar quente sobem porque 0 ar expande-se a propor<;ao que e aquecido. 0 ar mais quente e menos

densoque 0 ar da vizinhan<;a mais fria a me sma pressao. Essa diferen<;ana densidade faz com que 0 balao suba. Demaneira inversa, urn balao encolhe quando urn gas dentro dele e resfriado, como visto na Figura 10.8.

A rela<;ao entre volume de gas e temperatura foi descoberta em 1787 pelo cientista frances Jacques Charles(1746-1823).Charles descobriu que 0 volume de certa quantidade fixa de gas a pressao constante aumenta linear-mente com a temperatura. Alguns daclos tipicos estao mostrados na Figura 10.9. Observe que a linha (que esta

Figura 10.7 GrMicos baseados nalei de Boyle: (a) volume versuspressao; (b) volume versus 1/ P.

V0,5

V0,5

2,0P

(a)

Figura 10.8 A medida quenitrogenio liquido (-196°C) ederramado sobre um balao, 0 gas nobalao e resfriado e seu volumediminui.

tracejada) extrapolada (estendida) passa pelo valor -273°C. Observe tambem que se supoe que 0 gas tenha volumezero a essa temperatura. Entretanto, essa condic;aonunc a e possivel, porque todos os gases se liquefazem ou se so-lidificam antes de atingir essa temperatura.

Em 1848William Thomson (1824-1907), urn fisico britanico cujo titulo era lord Kelvin, propos uma escala detemperatura absoluta, hoje conhecida como escala Kelvin. Nessa escala, 0 K, chama do zero absoluto, e igual a-273,15°C. @@ (Sec;ao1.4)Em termos de escala Kelvin, a lei de Charles pode ser expressa como segue: 0 volume decerta quantidade fixa de gas mantido a pressiio constante e diretamente proporcional a respectiva temperatura absoluta. Por-tanto, ao se dobrar a temperatura absoluta, digamos de 200 K para 400 K, 0 volume do gas dobrara. Matematica-mente, a lei de Charles assume a seguinte forma:

v- = constanteT

o valor da constante depende da pressao e da quantidade de gas.

Rela~ao quantidade-volume: lei de AvogadroConforme adicionamos gas a urn balao, ele se expande. 0volume de urn gas e afetado nao apenas pela pressao

e temperatura, mas tambem pela quantidade de gas. A relac;aoentre quantidade de gas e respectivo volume re-sultou do trabalho de Gay-Lussac (1778-1823) e Amadeo Avogadro (1776-1856).

Gay-Lussac e uma daquelas figuras extraordinarias na hist6ria da cH~nciaque realmente poderia ser chamadourn aventureiro. Ele estava interessado em baloes mais leves que 0 ar e em 1804fez com que urn deles subisse atewna altura aproximada de 7.000m - fac;anhaque manteve 0 recorde de altitude por varias decadas. Para melhorcontrolar baloes mais leves que 0 ar, os volumes dos gases que reagem entre si estao na proporc;ao dos menores nu-meros inteiros. Por exemplo, dois volumes de gas hidrogenio reagem com urn volume de gas oxigenio para formardois volumes de vapor de agua, como mostrado na Figura 10.10.

Tres anos depois Amadeo Avogadro @:l§ (Sec;ao3.4) interpretou a observac;ao de Gay-Lussac propondo 0 queatualmente e conhecido como hipotese de Avogadro: volumes iguais de gases a mesma temperatura e pressiio conUm

Figura 10.9 Volume de um gas emum sistema fechado como funr;ao datemperatura a pressao constante.A linha tracejada e uma extrapolar;aopara temperaturas nas quais asubstancia nao e mais um gas.

50

40

'"S 30~Q)

S;:j20<3

>""10 ,,"

"""""o-3001 -200 -100 0 100

-273°C Temperatura (0C)

Dois volumesde hidrogenio

Urn volumede oxigenio

Dois volumes devapor de agua

Volume 22,4 L 22,4 L 22,4 L

Pressao 1 atm 1 atm 1 atmTemperatura O°C O°C O°CMassa do gas 4,00 g 28,0 g 16,0 gNumero de 6,02 X 1023 6,02 X 1023 6,02 X 1023

moleculas do gas

Figura 10.1 0 Observa~aoexperimental de Gay-Lussac sobreos volumes combinantes anexada aexplica~ao de Avogadro sobre essefen6meno.

Figura 10.11 Compara~aoilustrando a hip6tese de Avogadro.Observe que 0 gas helio consisteem Momos de helio. Cada gas temo mesmo volume; temperatura epressao, consequentemente,contem 0 mesmo numero demoleculas. Como uma molecula decerta substancia difere em massade uma outra molecula, as massasdos gases nos tres recipientes sacdiferentes.

1111merosiguais de moleculas. Por exemplo, experimentos mostram que 22,4 L de urn gas a °DC e 1 atrn contem 6,02 x 1023

moleculas de gas (isto e, 1 mol), como mostrado na Figura 10.11.A lei de Avogadro resulta da hip6tese de Avogadro: 0 volume de um gas mantido a temperatura e pressiio constantes

e diretamente proporcional ii quantidade de materia do gas. Isto e,

Portanto, dobrando-se a quantidade de materia do gas, 0 volume tambem dobra se T e P permaneceremconstantes.

COMO FAZER 10.3

Suponha que tenhamos urn gas confinado em urn pistao como mostrado naFigura 10.12. Considere as seguintes varia<;6es: (a) aquecer 0 gas de 298 Kpara 360 K, man tendo a posi<;aoatual do pistao. (b) Mover 0 pistao para redu-zir 0 volume do gas de 1L para 0,5 L. (c) Injetar mais gas pela valvula de entra-da de gas. Indique se em cada uma dessas varia<;6es hayed:1. diminui<;ao da distancia media entre as moleculas2. aumento da pressao do gas3. aumento da massa total do gas no cilindro4. aumento da quantidade de materia do gas presente

Solu~aoAnalise: precisamos pensar como cada varia<;aono sistema afetara as molecu-las de gas au a condi<;ao nas quais elas existem.Planejamento: perguntaremos como cada uma das varia<;6es indicadas po-deriam afetar as varias grandezas 1 a 4. Figura 10.12 Cilindro com pistao

e valvula de entrada de gas.

Resolu~ao: (a) Aquecer 0 gas man tendo a posi<;aodo pistao nao provocara varia<;aono numero de molt~culaspor uni-dade de volume. Portanto, a distancia entre as molt~culas,a massa total das moleculas e a quantidade de materia dogas permanecem constantes. °aumento da temperatura provocara 0 aumento na pressao. (b) Mover 0 pistao compri-me a mesma quantidade de gas para urn volume menor. A quantidade de materia total do gas, e, portanto, a massa to-tal, permanece constante. Entretanto, a distancia media entre as moleculas deve diminuir por causa do menor volumeem que 0 gas esta contido; pressao aumentara. (c) Injetar mais gas no cilindro man tendo 0 mesmo volume e a mesmatemperatura resultara em mais moleculas e, assim, em maior massa e maior quantidade de materia. A distancia mediaentre os Momos deve diminuir, uma vez que seus numeros por unidade de volume aumentam. De maneira corres-pondente, a pressao aumenta.

PRATIQUECO e oxidado a CO2 de acordo com a equa<;ao,2CO(g) + 02(g) ~ 2C02(g). Se 2 L de CO(g) sao rnisturados com 2Lde 02(g), qual e 0 volume total de gas resultante depois que a rea<;aose completar, supondo que nao ocorra nenhumavaria<;aona temperatura ou na pressao total?Resposta: 3 L

A equa\=ao do gas idealNa 5e<;ao10.3examinamos tres leis dos gases historicamente importantes que descrevem as rela<;6esentre as

quatro variaveis, P, V, Ten, que definem 0 estado de urn gas. Cada lei foi obtida ao se manter duas variaveis cons-tantes para se observar como as outras duas variaveis sac afetadas pelas outras. Podemos expressar cada lei comouma rela<;aode proporcionalidade. Usando 0 simbolo ex;, que se Ie "e proporcional a", temos:

lei de Boyle: V ex; ~P

(constante n, P)

(constante P, I)

Podemos combinar essas rela<;6espara chegar a uma lei de gas mais geral:

Vex;nTP

0,08206

8,314

1,9878,314

62,36

Essa equa<;aoe conhecida como equa-;ao dd gas ideal. Urngas ideal e urn gas hipotetico cujos comportamentos da pressao,do volume e da temperatura sac completamente descritos pelaequa<;aodo gas ideal.

o termo R na equa<;aodo gas ideal e chama do constante dosgases. 0 valor e a unidade de R dependem das unidades de P, V,neT. A temperatura deve sempre ser expressa como temperaturaabsoluta. A quantidade de gas, n, e normalmente expressa emmols. As unidades escolhidas para pressao e volume sac geral-mente atm e litros, respectivamente. Entretanto, outras unidadespodem ser usadas. Em muitos paises a unidade 51Pa (ou kPa)emais comumente usada. A Tabela 10.2mostra os valores numeri-cos de R em varias unidades. Como vimos no quadro "Urn olharmais de perto" a respeito de trabalho PV, na 5e<;ao5.3, 0 produto

TABELA10.2 Valores numericos da constantedos gases, R, em varias unidades

Unidades

L atm/morl K-l

J/morJ K-J•

cal/morl K-l

m3 Pa/morl Jel.L torr / mOrl K-l

30

~•...20«l

(3SOJ

S 10::l(3:>

Figura 10.13 Comparando osvolumes molares nas CNTP de um gasideal com varios gases reais.

PV tern a unidade de energia. Dessa forma, a unidade de R pode incluir joules ou calorias. Ao resolver problemascoma equa<;:ao do gas ideal, as unidades de P, V, neT devem estar de acordo com as unidades na constante dos ga-ses.Neste capitulo usaremos com mais frequencia 0 valor de R = 0,08206 L atm/mol K (quatro algarismos signifi-cativos) ou 0,0821 L atm/mol K (tres algarismos significativos) toda vez que usarmos a equa<;:ao do gas ideal,consistentes com a unidade de atm para pressao. 0 uso do valor R = 8,314 J /mol K, coerente com a unidade de Papara pressao, e tambem muito comum.

Suponha que temos 1,000 mol de urn gas ideal a 1,000 atm e 0,00 °C (273,15 K). De acordo com a equa<;:ao do gasideal, 0 volume do gas e:

V = nRT = (1,000 mol) (0,08206 L atm/mol K (273,15 K) =22,41 LP 1,000 atm

As condi<;:6es 0 °C e 1 atm referem-se as condi~oes normais de temperatura e pressao (CNTP). Muitas pro-priedades dos gases sao tabeladas para essas condi<;:6es. 0 volume ocupado por 1 mol de urn gas ideal nas CNTP,22,4 L, e conhecido como volume molar de urn gas ideal nas CNTP.

A equa<;ao do gas ideal explica adequadamente as propriedades da maioria dos gases sob varias circunstancias.Entretanto, ela nao e exatamente correta para urn gas real. Dessa forma, 0 volume me dido, V, para determinadascondi<;:6esde P, neT pode diferir do volume calculado a partir de PV = nRT. Para ilustrar, os volumes molares me-didos para gases reais nas CNTP sao comparados com os volumes calculados de urn gas ideal na Figura 10.13.Embora esses gases reais nao se equiparem exatamente ao comportamento de gas ideal, as diferen<;:as sao tao pe-quenas que podemos ignora-Ias, a nao ser que seja para urn trabalho muito acurado. Falaremos mais sobre as dife-ren<;:asentre gases ideais e reais na Se<;:ao10.9.

COMO FAlER 10.4°carbonato de caleio, CaC03(s), decomp6e-se com aquecimento para produzir CaO(s) e CO2(g-). Vma amostra deCaC03 e decomposta e 0 dioxido de carbono e coletado em urn frasco de 250 mL. Depois de a decomposi<;ao se com-pIe tar, 0 gas tern pressao de 1,3 atm a temperatura de 31°C. Qual a quantidade de materia de gas CO2 produzida?

Solu~aoAnalise: dados 0 volume (250 mL), a pressao (1,3 atm) e a temperatura (31°C) de uma amostra de gas CO2 e pede-separa caleular a quantidade de materia de CO2 na amostra.Planejamento: como foram dados V, PeT, podemos resolver a equa<;ao do gas ideal pai"aa quantidade desconhecida,n.Resolu~ao: ao analisar e resolver problemas de leis dos gases, e Util tabelar as informa<;6es dadas nos problemas para,em seguida, converter os valores para unidades que sejam coerentes com as de R (0,0821 L atm/mol K). Nesse caso osvalores dados sac:

P = 1,3 atmV = 250 mL = 0,250 LT = 31°C = (31 + 273) K = 304 K

Lembre-se: a temperatura absoluta deve sempre ser usada quando a equa~ao do gas ideal for resolvida.Agora reordenamos a equa<;ao do gas ideal (Equa<;ao 10.5) para resolver para n.

PVn=-

RTn = (1,3 atm)(0,250 L) = 0,013 mol de CO

2(0,0821 L atm/mol K)(304 K)

Conferencia: as unidades apropriadas se cancelam, garantindo assim que reordenemos apropriadamente a equa<;aodo gas ideal e convertamos corretamente as unidades.

PRATIQUEAs bolas de tenis saDnormalmente cheias com ar ou gas N2 com pressao acima da pressao atmosferica para aumentarseus 'quiques'. Se uma bola de tenis em particular tern volume de 144cm3 e contem 0,33 g de gas N2, qual e a pressaodentro da bola a 24°C?Resposta: 2,0 atm

Na quimica e por meio de estudos de ciencia e matemati-ca, voce devera encontrar problemas que envolvam diversasvariaveis medidas experimentalmente, bem como variasconstantes ffsicas diferentes. Neste capitulo encontramos di-versos problemas baseados na equa<;aodo gas ideal, que con-siste em quatro grandezas experimentais - P, V, neT - euma constante, R. Dependendo do tipo de problema, talvezseja necessario descobrir quaisquer das quatro grandezas.

Para evitar qualquer dificuldade ao extrair as informa-<;6esnecessarias dos problemas quando divers as variaveisestao envolvidas, sugerimos seguir os seguintes passos amedida que analisa, planeja e resolve tais problemas:

1. Colocar as informar;oes em uma tabela. Leia 0 problemacuidadosamente para determinar qual a grandeza desco-nhecida e quais grandezas foram dadas. Cada vez que en-contrar um valor numerico, anote-o. Em muitos casos,construir uma tabela das informa<;6esdadas sera util.

2. Converta para unidades coerentes. Como voce tern vis to,frequentemente usamos varias unidades diferentes para ex-pressar a mesma grandeza. Tenha certeza de que as grande-zas saDconvertidas para as unidades apropriadas usando osfatores de conversao corretos. Ao usar a equa<;ao do gasideal, por exemplo, geralmente usamos 0 valor de R que ternas unidades de L atm/mol K. Se a pressao lhe for dada emtorr, sera necessario converte-Ia para atmosferas.

3. Se uma unica equar;ao relaciona muitas variaveis, reordene aequar;ao para fornecer a desconhecida. Assegure-se de sabercomo usar a algebra para resolver a equa<;aopara a variaveldesejada. No caso da equa<;aodo gas ideal, os seguintes rear-ranjos algebricos seriio usados uma hora ou outra:

P = nRT. V = nRT. n = PV. T = PVV ' p' RT' nR

4. Use a analise dimensional. Coloque as unidades durantetodo 0 seu calculo. 0 uso da analise dimensional permiteconferir se voce resolveu a equa<;aocorretamente. Se as uni-dades das grandezas na equa<;ao cancelam-se apropriada-mente, fornecendo as unidades da varia vel desejada, eprovavel que tenha usado a equa<;aocorretamente.

Algumas vezes os valores para as variaveis necessariasnao saDfornecidos de forma direta. Ao contrario, saDdadosvalores para outras grandezas que podem ser usados para de-terminar as variaveis necessarias. Por exemplo, suponha quevoce tente usar a equa<;aodo gas ideal para calcular a pressaode urn gas. E fornecida a temperatura do gas, mas nao osvalo-res explicitos para n e V.Entretanto, 0 problema afirma que "aamostra de gas contem 0,15 mol de gas por litro." Podemostransformar essa afirma<;aona expressao:

~ = 0,15 mol/LV

Resolvendo a equa<;aodo gas ideal para pressao, obtemos:

P = n~T = (~ ) RT

Portanto, podemos resolver a equa<;ao mesmo que naosejam dados os valores especificos de n e V. Examinaremoscomo usar a densidade e a massa molar de urn gas dessa for-ma na Se<;ao10.5.

Como temos enfatizado continuamente, a coisa mais im-portante que se pode fazer para tornar-se habil em resolverproblemas e praticar com os exercicios do item "Pratique" ecom os exercicios no final de cada capitulo. Usando 0 proce-dirnento sistematico, como esses descritos aqui, voce sera ca-paz de minimizar as dificuldades em resolver problemasenvolvendo muitas variaveis.

Relacionando a equa~ao do gas ideal e as leis dos gasesAs leis dos gases simples que abordamos na Se<;ao10.3, como a lei de Boyle, SaDcasos especiais da equa~ao

ideal dos gases. Por exemplo, quando a quantidade de gas e a temperatura SaDmantidas constantes, neT tern valo-res fixos. Dessa forma, 0 produto nRT eo produto de tres constantes e deve por si s6 ser constante.

Assim, temos a lei de Boyle. Vemos que se neT SaDconstantes, os valores individuais de P e V podem variar,mas 0 produto PV deve permanecer tambem constante.

Podemos usar a lei de Boyle para determinar como 0 volume de um gas varia quando sua pressao varia. Porexemplo,se um cilindro de metal comporta 50,0 L de gas O2 a 18,5 atm e 21°C, qual 0 volume que 0 gas ocupara se atemperatura for mantida a 21°C enquanto a pressao e reduzida para 1,00 atm? Uma vez que 0 produto PV e umaconstantequando um gas e manti do com neT constantes, sabemos que:

Onde Pl e V1 sao os valores iniciais e P2 e V2 sao os valores finais. Dividindo ambos os lados dessa equa<;aoporP2,obtemos0 volume final, V2•

V2 = (50,0 L) (18,5 atm) = 925 L1,00 atm

A resposta e razoavel porque os gases expandem-se it medida que as respectivas press6es diminuem.Demodo similar, podemos come<;arcom a equa<;ao do gas ideal e derivar a rela<;aoentre quaisquer outras duas

variaveis,VeT (lei de Charles), n e V (lei de Avogadro), ou PeT. Em "Como fazer lOS' ha um exemplo de comoessasrela<;6espodem ser derivadas e utilizadas.

COMO FAlER 10.5

A pressao do gas em uma lata de aerossol e 1,5atm a 25°C. Supondo que 0 gas dentro da lata obedece a equa<;aodo gasideal, qual seria a pressao se a lata fosse aquecida a 450°C?

Solu~aoAnalise: dadas a pressao e a temperatura do gas a 1,5atm e 25 DC, pede-se a pressao a temperatura mais aHa (450DC).

Planejamento: 0 volume e a quantidade de materia do gas nao variam; logo, devemos usar a rela<;aointerligando apressao e a temperatura. Convertendo a temperatura para a escala Kelvin e colocando em uma tabela a informa<;aodada, temos:

InicialFinal

1.,5atmP2

T

298K

723K

Resolu~ao: para determinar como PeT estao relacionados, come<;amoscom a equa<;aodo gas ideal e isolamos asquantidades que nao variam (n, Ve R) em urn lado, e as variaveis (P e T) no outro.

P nR- = - = constanteT V

Vma vez que 0 quaciente PIT e uma constante, podemos escrever:PI P2

Tj T2

onde os indices inferiores 1 e 2 representam os estados iniciais e finais, respectivamente. Reordenando para resolverpara P2 e substituindo os valores dados, obtem-se:

P = P X T22 I T

I

P2 = (1,5 atm) (723 K) = 3,6 atm298K

Conferencia: essa resposta e intuitivamenfe coerente - com 0 aumentdo da temperatura de urn gas ha aumento dapressao. Esta evidente a partir deste exemplo por que as latas de aerossol possuem aviso para nao ser incineradas.

PRATIQUEUm grande tanque de estocagem de gas natural e arranjado de tal forma que a pressao e mantida a 2,20 atm. Em urndia frio de dezembro na Europa, quando a temperatura e -15°C (4 OF),0 volume do gas no tanque e 807 m3

. Qual e avolume da mesma quantidade de gas em um dia quente de julho, quando a temperatura e 31°C (88 OF)?Resposta: 951 m3

Frequentemente deparamos com a situa<;ao na qual P, Ve Tvariam enquanto a quantidade de materia de gaspermanece fixa. Como n e constante nessas circunstancias, a equa<;ao do gas ideal e:

PV- = nR = constanteT

Se representarmos as condi<;6es inicial e final de pressao, temperatura e volume pelos indices inferiores 1 e 2,respectivamente, podemos escrever

COMO FAZER 10.6Um balao cheio tem volume de 6,0 L no nivel do mar (1,0 atm) e e incitado a subir ate que a pressao seja 0,45 atm.Durante a subida a temperatura do gas cai de 22°C para -21°C. Calcule 0 volume do balao a essa altitude final.

Solu~aoAnalise: precisamos determinar um novo volume para uma amostra de gas em uma situa<;ao onde tanto a pressaoquanto a temperatura variem.Planejamento: vamos de novo pro ceder convertendo a temperatura para a escala Kelvin e colocar em uma tabela ainforma<;ao dada.

InidalFinal

1,0 atm0,45atm

V

6,OL

Vz

T

295K252K

Uma vez que 11 e constante, podemos usar a Equa<;ao 10.8.Resolu~ao: reordenando para resolver para Vz, obtemos:

Vz = VI X PI X Tz = (6,0 L)( 1,0 atm J (252 K) = 11 LPz T1 0,45 atm 295 K

Conferencia: 0 resultado parece coerente. Observe que 0 cMculo envolve multiplicar 0 volume inicial por uma razaode press6es e uma razao de temperaturas. Intuitivamente esperamos que a diminui<;ao da pressao provoque 0 aumen-to do volume. Similarmente, a diminui<;ao da temperatura devera provocar diminui<;ao do volume. Observe que a di-feren<;a nas press6es e mais drastica que a diferen<;a nas temperaturas. Portanto, devemos supor que 0 efeito davaria<;ao da pressao predomine na determina<;ao do volume final- 0 que e verdadeiro.

PRATIQUEUma amostra de 0,50 mol de gas oxigenio e confinada em um cilindro a 0 °C com um pistao movel, como mostradona Figura 10.12. 0 gas tem pressao inicial de 1,0 atm. Ele e, em seguida, comprimido por um pistao de tal forma queo volume final seja a meta de do inicial. A pressao final do gas e 2,2 atm. Qual e a temperatura final do gas em grausCelsius?Resposta: 27°C

Aplica~6es adicionais da equa~ao do gas idealA equa<;ao do gas ideal pode ser usada para definir a rela<;ao entre a densidade de urn gas e a respectiva massa

molar e para calcular os volumes de gases formados ou consumidos em rea<;6es quimicas.

Densidades de gases e massa molarA equa<;ao do gas ideal tern muitas aplica<;oes ao medir e calcular a densidade do gas. A densidade tern unida-

des de massa por unidade de volume. Podemos ordenar a equa<;ao dos gases para obter a quantidade de materiapar unidade de volume.

n PV RT

Observe que n/V tern as unidades de mols por litro. Suponha que multipliquemos ambos os lados dessa equa-~aopela massa molar, :M, que e 0 numero de gramas em 1 mol de certa substancia:

n:M P:MV RT

o produto das quantidades n/V e :Me igual a densidade em glL, como vis-to a partir de suas unidades:

mols gramas gram as--x ----litro mols litro

A densidade, d, de urn gas e dada pela expressao a dire ita da equa<;ao 10.9:

d=P:MRT

A partir da Equa<;ao 10.10, vemos que a densidade de urn gas depende desuapressao, de sua massa molar e de sua temperatura. Quanto maiores a mas-samolar e a pressao, men os denso 0 gas. Apesar de os gases formarem mistu-ras homo gene as independentemente de suas identidades, urn gas menosdenso se localizara acima de urn gas mais denso na ausencia de mistura. Porexemplo, CO2 tern massa molar maior que N2 ou 02 e e, consequentementemais denso do que 0 ar. Quando 0 CO2 e liberado de urn extintor de incendio,como mostrado na Figura 10.14, ele cobre 0 fogo, impedindo 02 de atingir 0

material combustivel. °fato de que urn gas mais quente e menos denso queurngas mais frio explica por que 0 ar quente sobe. A diferen<;a entre as densi-dades do ar quente e frio e responsavel pela subida de baloes de ar quente. Etambem responsavel por muitos fenomenos no clima, como a forma<;ao degrandes nuvens durante as tempestades com relampagos.

COMO FAlER 10.7Qual e a densidade do vapor de tetracloreto de carbono a 714 torr e 125°C?

ATIVIDADEDensidade de gases

Figura 10.14 °gas CO2 de umextintor de incendio e mais densoque 0 ar. CO2 resfria-sesignificantemente a medida que elesai do extintor. °vapor de aguano ar e condensado pelo gas CO2

frio e forma uma nuvem branca,acompanhando CO2 incolor.

Solu~aoAnalise: para encontrar a densidade, dadas a temperatura e a pressao, precisamos usar a Equa<;:ao10.10.Planejamento: antes que possamos usar a Equa<;:ao10.10, precisamos converter as quantidades necessarias para asunidades apropriadas. A massa molar de CCl4 e 12,0 + (4)(35,5) = 154,0 g/mol. Devemos converter a temperatura paraa escala Kelvin e a pressao para atmosferas.Resolu~ao: usando a Equa<;:ao10.10, temos

d = (714 torr) (1 atm/760 torr)(154,O glmol) _ 4,43 gIL(0,0821 L atm/mol K)(398 K)

Conferencia: se dividirmos a massa molar (g/ mol) pela densidade (g/L), obtemos L/ mol. 0 valor numerico e aproxi-madamente 154/4,4 = 35. Essa e uma aproxima<;:aogrosseiramente correta para 0 volume molar de urn gas aquecido a125°C a uma pressao pr6xima a pressao atmosferica, tomando a resposta coerente.

PRATIQUEA massa molar media da atmosfera na superficie de Tita, a maior lua de Saturno, e 28,6 g/mol. A temperatura da su-perficie e 95 K e a pressao, 1,6 atm. Supondo 0 comportamento ideal, calcule a densidade da atmosfera de Tita.Resposta: 5,9 g/L

A Equac;ao 10.10 pode ser reorganizada para que se ache a massa molar de urn gas:

dRT:M=--

P

Portanto, podemos usar a densidade de urn gas medida experimentalmente para determinar a massa molardas moleculas de gas, como mostrado em "Como fazer 10.8".

COMO FAZER 10.8Vma serie de medidas e feita para se determinar a massa molar de urn gas desconhecido. Primeiro, urn grande fras-co e evacuado e consta que ele pesa 134,567 g. Entao, ele e cheio com 0 gas a uma pressao de 735 torr a 31°C e pesadonovamente; sua massa e agora 137,456 g. Finalmente, 0 frasco e cheio com agua a 31°C e e encontrada uma massa de1.067,9 g. (A densidade da agua a essa temperatura e 0,997 g/mL.) Supondo que a equac;ao do gas ideal se aplica, cal-cule a massa molar do gas desconhecido.

Solu~ao

Analise: dadas a informac;ao sobre a massa, a temperatura e a pressao para 0 gas, pede-se calcular a respectiva massamolar.Planejamento: precisamos usar a informac;ao sobre a mass a dada para calcular 0 volume do recipiente e a massa dogas dentro dele. A partir disso, calculamos a densidade do gas e a seguir aplicamos a Equac;ao 10.11 para calcular amassa molar do gas.Resolu~ao: a massa do gas e a diferenc;a entre a massa do frasco cheio com 0 gas e a massa do frasco vazio (evacuado):

137,456 g - 134,567 g = 2,889 go volume do gas e igual ao de agua que 0 frasco pode comportar. 0 volume de agua e calculado a partir de sua massae densidade. A massa da agua e a diferenc;a entre as massas do frasco cheio e vazio:

1.067,9 g - 134,567 g = 933,3 gReordenando a equac;ao para densidade (d = m/V), temos:

V = m = (933,3 g) - 936 mLd (0,997 glmL)

Conhecendo a mass a do gas (2,889 g) e seu volume (936 mL), podemos calcular a densidade do gas:2,889 g/O,936 L = 3,09 g/L

Depois de converter a pressao para atmosferas e a temperatura para kelvins, podemos usar a Equac;ao 10.11 para cal-cwar a massa molar:

dRT'M=--

P= (3,09 gIL) (0,0821 L atm/mol K)(304 K) = 79,7g1mol

. (735/760) atm

Conferencia: as unidades encaixam-se apropriadamente e 0 valor da massa molar obtido e coerente para uma subs-tancia que e gasosa a uma temperatura proxima a temperatura ambiente.

PRATIQUECalcule a massa molar media do ar seco se sua densidade for 1,17 g/L a 21°C e 740,0 torr.Resposta: 29,0 g/mol

ANIMA<;AOAir bags

Volumes de gases em rea~6es qufmicasEntender as propriedades de gases e importante porque os gases sao mui-

tas vezes reagentes ou produtos nas reac;6es quimicas. Por essa razao, geral-mente estamos diante de calculos de volumes de gases consumidos ouproduzidos nas reac;6es. Vimos que os coeficientes em equac;6es quimicas ba-

lanceadas fornecem as quantidades relativas (em mols) de reagentes e produtos em certa rea<;ao.A quantidade demateria de urn gas, par sua vez, esta relacionada com P, VeT.

COMO FAlER 10.9

Os air bags de seguran<;a em autom6veis contem gas nitrogenio gerado pela decomposi<;ao rapida de azida de s6dio,NaN3:

2NaN3(s) ~ 2Na(s) + 3N2(g)

Se urn air bag tern urn volume de 36 L e con tern gas nitrogenio a uma pressao de 1,15 atm a temperatura de 26,0 °C,quantos gramas de NaN3 devem ser decompostos?

Solu~ao

Analise: esse e urn problema de varios passos. Sao dadas informa<;5es sobre 0 gas N2 (volume, pressao e temperatura)e a equa<;ao quimica para a rea<;aona qual N2 e gerado. Devemos usar essa informa<;ao para calcular 0 numero de gra-mas necessario para se obter N2 necessario.Planejamento: precisamos usar os dados do gas e a equa<;ao do gas ideal para calcular a quantidade de materia do gasN2 necessaria para 0 air bag operar corretamente. Podemos usar a equa<;ao balanceada para determinar a quantidadede materia de NaN3• Finalmente, converteremos mols de NaN3 em gramas.

Resolu~ao: a quantidade de materia de N2 e dada por:n = PV = (1,15 atm)(36 L) -1 7 mol de N

RT (0,0821 L atm/mol K)(299 K)' 2

A partir daqui usamos os coeficientes na equa<;ao balanceada para calcular a quantidade de materia de NaN3•

(1,7 mol de N2)(2 mols de NaN3J = 1,1 mol de NaN33 mols de N2

Finalmente, usando a massa molar de NaNJI convertemos mols de NaN3 em gramas:

(1,1 mol de NaN3) (65,0 g de NaN3J = 72 g NaN31 mol de NaN3

Conferencia: a melhor maneira de conferir a abordagem e ter certeza de que as unidades cancelam-se apropriada-mente em cada passo nos calculos, apresentando a correta unidade na resposta, g.

PRATIQUE

No primeiro passo do processo industrial para produzir <icidonitrico, a amonia reage com 0 oxigenio na presen<;a deurn catalisador apropriado para formar 6xido nitrico e vapor de agua:

4NH3(g) + 502(g) ~ 4NO(g) + 6Hp(g)

Quantos litros de NH3(g) a 850°C e 5,00 atm sac necessarios para reagir com 1,00 mol de 02(g) nessa rea<;ao?Resposta: 14,8 L

Mistura de gases e press6es parciais

Ate aqui consideramos apenas 0 comportamento de gases puros - asque consistem em uma Unica substancia no estado gasoso. Como lidamoscomgases compostos de uma mistura de duas au mais substancias diferen-tes?Enquanto estudava as propriedades do ar, John Dalton _ (Se<;ao2.1)observou que a pressao total de uma mistura de gases e igual a soma das pressoesparciais que cada gas exerceria se estivesse sozinho. A pressao exercida por urn componente em particular de certa mis-turade gases e chamada pressao parcial daquele gas, e a observa<;ao de Dalton e conhecida como lei de Dalton daspress6es parciais.

ATIVIDADEPress5es parciais

Muitas pessoas nao tern conhecimento da vasta rede deencanamentos subterraneos que envolvem 0 mundo desen-volvido. Os encanamentos sac usados para transportar gran-des quantidades de liquidos e gases por distancias considera-veis. Por exemplo, os encanamentos transportam gas natural(metano) a partir de enormes campos de gas natural na Sibe-ria para a Europa Ocidental. 0 gas natural da Argelia e trans-portado para a Halia atraves de urn gasoduto de 120 em dediametro e 2.500 km de comprimento que se estende pelomar Mediterraneo a profundezas de 600 m. Nos Estados Uni-dos 0 sistema de encanamentos consiste em linhas-tronco deencanamentos de diametro grande para transporte de dis-tancias longas, com ramifica~6es de diametro menor e pres-sac mais baixa para transporte local para e a partir daslinhas-tronco.

Basicamente todas as substancias que sac gases nas CNTPsac transportadas comercialmente atraves de encanamentos,incluindo am6nia, dioxido de carbono, monoxido de car-bono, cloro, etano, helio, hidrogenio e metano. 0 maior vo-lume transportado ate agora, todavia, e de gas natural.o gas rico em metano de oleo e po~os de gas e processadopara remover substancias particuladas, agua e varias im-purezas gasosas, como sulfeto de hidrogenio e dioxido decarbono. 0 gas e a seguir comprimido para press6es na fai-xa entre 3,5 Mpa (35 atrn) e 10 Mpa (100 atrn), dependendoda idade e do diametro do encanamento (Figura 10.15). Osencanamentos de longa distancia tern aproximadamente40 em de diametro e sac feitos de a~o. A pressao e mantidapor grandes esta~6es compressoras ao longo do gasoduto,espa~adas em intervalos de 80 a 160 km.

Lembre-se da Figura 5.24, em que se comentava ser 0 gasnatural a principal fonte de energia para os Estados Uni-

dos. Para alcan~ar essa demanda, 0 metano deve ser trans-portado de po~os par todo os Estados Unidos e Canada paratodas as partes do pals. 0 comprimento total dos gasodutospara transporte de JSasnatural nos Estados Unidos e aproxi-madamente 6 x 10 km e continua crescendo. Os EstadosUnidos sac divididos em sete regi6es. A entrega total de gasnatural para elas excede 2,7 x 1012 L (medidos nas CNTP),que e quase 100 bilh6es de pes cubicos por dial 0 volume degasodutos seria inteiramente inadequado para gerenciar asenarmes quantidades de gas natural colocadas e tiradas dosistema de forma continua. Por essa razao, instala~6es de es-toeagem no sub solo, como as cavernas de sal e outras forma-~6es naturais, sac empregadas para armazenar gran desquantidades de gas.

Figura 10.15 Esta~ao de revezamento de encanamentosde gas natural.

Se permitirmos que PI seja a pressao total e Pj, P2, P3 etc. sejam as pressoes parciais dos gases na mistura, pode-mos escrever a lei de Dalton como segue:

Essa equa<;aoimplica que cada gas na mistura comporta-se de forma independente, como podemos ver pelaanalise a seguir. Designamos de nl' n2, n3 a quantidade de materia de cada urn dos gases na mistura, e de nt a quanti-dade de materia total do gas (nl = nj + n2 + n3 + ...).

Se cada urn dos gases obedece it equa<;aodo gas ideal, podemos escrever:

Todos os gases na mistura estao it mesma temperatura e ocupam 0 mesmo volume. Consequentemente, substi-tuindo na Equa<;ao10.12,obtemos:

RT (RT)Pt = (nj + n2 + n3 + ...) V = nt V

Isto e, a pressao total a temperatura e volume constantes e determinada pela quantidade de materia total dogas presente, independentemente de esse total representar apenas uma substancia ou uma mistura.

COMO FAZER 10.10Uma mistura gasosa feita de 6,00 g de O2 e 9,00 g de CH4 e colocada em recipiente de 15,0 LaO DC. Qual e a pressaoparcial de cada gas e a pressao total no recipiente?

Solu~ao

Analise: precisamos calcular a pressao para dois gases diferentes em um mesmo volume.Planejamento: como cada gas comporta-se de forma independente, podemos usar a equa<;ao do gas ideal para calcu-lar a pressao que cada um exerceria se 0 outro nao estivesse presente.Resolu~ao: devemos primeiro converter a massa de cada gas para quantidade de materia:

no = (6,00 g de O2)(1 mol de °2 J = 0,188 mol de 022 32,0 g de O2

= (9 00 de CH )(1 mol de CH4 J = ° 563 mol de CHnCH, ,g 4 16,0 g de CH4' 4

Podemos agora usar a equa<;ao do gas ideal para calcular a pressao parcial de cada gas:Po = no, RT = (0,188 mol)(0,0821 L atm/mol de K) (273 K) = 0,281 atm

2 V 15,0 L

P = nO-I, RT = (0,563 mol)(0,0821 L atm/mol de K) (273 K) = ° 841 atmCH, V 15,OL '

De acordo com a lei de Dalton (Equa<;ao 10.12), a pressao total no recipiente e a soma das press6es parciais:PI = Po, + PCH, = 0,281 atm + 0,841 atm = 1,122 atm

Conferencia: fazer estimativas aproximadas e uma boa pratica, mesmo quando voce sente que nao precis a conferirsua resposta. Nesse caso, a pressao de 1 atm parece correta para uma mistura de aproximadamente 0,2 mol de O2

(6/32) e um pouco mais que 0,5 mol de CH4 (9/16), juntos em um volume de 15,0 L, porque um mol de um gas ideal a 1atm de pressao e ° °C ocupa aproximadamente 22 L.

PRATIQUEQual e a pressao total exercida por uma mistura de 2,00 g de Hz e 8,00 g de Nz a 273 K em um recipiente de 10,0 L?Resposta: 2,86 atm

Pressoes parciais e fra~oes em quantidade de materiaComo cada gas em uma mistura comporta-se de forma independente, podemos relacionar a quantidade de

certo gas em uma mistura com sua pressao parcial. Para urn gas ideal, P = nRT/V, e portanto podemos escrever:

Pj njRT/V nj

PI ntRT/V nl

A razao n/nt e chamada fra<;ao em quantidade de materia do gas 1, que representamos por Xl. A fra~ao emquantidade de materia ou fra~ao em mol, X, e urn numero sem dimensao que expressa a razao entre a quantidadede materia de certo componente e a quantidade de materia total na mistura. Podemos reordenar a Equa<;ao 10.14para fornecer:

Portanto, a pressao parcial de urn gas em uma mistura e sua fra<;ao em quantidade de materia multiplicadapela pressao total.

A fra<;ao em quantidade de materia de N2 no ar e 0,78 (isto e, 78% das moleculas no ar sac N2). Se a pressaobarometrica total for 760 torr, a pressao parcial de N2 sera:

Esse resultado e intuitivamente coerente: como N2 compreende 78% da mistura, ele contribui com 78% da pres-SaG total.

COMO FAlER 10.11Urn estudo dos efeitos de certos gases no crescimento de plantas requer uma atmosfera sintetica composta de 1,5%mol de CO2, 18,0% mol de O2 e 80,5% mol de Ar. (a) Calcule a pressao parcial de O2 na mistura se a pressao atmosfericatotal for 745 torr. (b) Se a atmosfera e para ser mantida em urn espa~o de 120 L a 295 K, qual e a quantidade de materiade O2 necessaria?

Solu~aoAnalise: precisamos determinar a quantidade de materia de O2 necessaria para perfazer uma atmosfera sintetica,dada a composi~ao percentual.Planejamento: calcularemos a pressao parcial de 02' a seguir continuaremos para calcular a quantidade de materiade 02' aquela pressao, necessaria para ocupar 120 L.Resolu~ao: (a) A quantidade de materia percentual e exatamente igual a fra~ao em quantidade de materia multiplica-da por 100. Portanto, a fra~ao em quantidade de materia do O2 e 0,180. Usando a Equa~ao 10.15, temos:

Po, = (0,180) (745 torr) = 134 torr(b) Colocando as variaveis dadas em uma tabela e convertendo-as para as unidades apropriadas, temos:

Po = (134 torr) (_l_a_tm_) = 0,176 atm, 760 torr

V = 120 L

no,=?

R = ° 0821 L atm, mol deK

T= 295 K

Resolvendo a equa~ao do gas ideal para no" temos:

(V) 120 Lno, = Po, RT = (0,176 atm) 0,0821 L atm/mol de K) (295 K) = 0,872 mol

Conferencia: as unidades conferem satisfatoriamente e a resposta parece estar na ordem de magnitude correta.

PRATIQUEA partir dos dados coletados pela Voyager 1, os cientistas tern estimado a composic;ao da atmosfera de Tita, a maior luade Saturno. A pressao total na superflcie de Tita e 1.220 torr. A atmosfera consiste em 82% mol de N2, 12% mol de Ar e6,0% mol de CH4. Calcule a pressao parcial de cada urn desses gases na atmosfera de Tita.Resposta: 1,0 x 103 torr de N2, 1,5 x 102 torr de Ar e 73 torr de CH4•

Coletando gases sobre a aguaUrn experimento que aparece frequentemente durante 0 trabalho de laborat6rio envolve determinar a quanti-

dade de materia do gas coletado a partir de uma rea<;:aoquimica. Algumas vezes esse gas e coletado sobre a agua.Por exemplo, clorato de potassio s6lido, KCIOy pode ser decomposto por aquecimento em urn tubo de ensaio emuma montagem como a mostrada na Figura 10.16. A equa<;:aobalanceada para a rea<;:aoe:

Figura 10.16 (a) Coleta de gas sobrea agua. (b) Quando 0 gas tiver sidecoletado, 0 bequer e levantado ouabaixado de forma que as alturas deagua dentro e fora do frasco de coletafiquem iguais. A pressao total dosgases dentro do frasco e igual 11pressao atmosferica.

Nivel do volumede gas

a volume de gas coletado e medido ao se levantar ou abaixar 0 bequer quanto necessario ate que os niveis deagua dentro e fora dele sejam os mesmos. Quando se satisfaz essa condi<;ao, a pressao dentro do bequer e igual apressao atmosferica do lado de fora. A pressao total dentro do bequer e a soma das press6es do gas coletado e devapor da agua em equilibrio com a agua liquida.

COMO FAZER 10.12Vma amostra de KCl03 e decomposta parcialmente (Equa<;ao 10.16), produzindo gas 02' coletado sobre a agua, comomostra a Figura 10.16.°volume de gas coleta do e 0,250 L a 26°C e 765 torr de pressao total. (a) Qual e a quantidade demateria de O2coletada? (b) Qual e a massa, em gramas, de KCl03 decomposta?

Solu~aoAnalise: primeiro precisamos calcular a quantidade de materia do gas O2em urn recipiente que tambem con tern urnsegundo gas (vapor de agua). Em segundo lugar, precisamos usar a estequiometria da rea<;aopara calcular a quanti-dade de materia do reagente KCl03 decomposta.(a) Planejamento: se colocarmos as informa<;5es apresentadas em uma tabela, veremos que saDdados os valores paraVeT. Para calcular a incognita, no" precisamos tambem conhecer a pressao de O2no sistema. Consequentemente,precisamos antes determinar a pressao parcial do gas 02 na mistura de O2e vapor de H20 coletados sobre a agua.Resolu~ao: a pressao parcial do gas O2e a diferen<;a entre a pressao total, 765 torr, e a pressao do vapor de agua a26°C, 25 torr (Apendice B):

Po, = 765 torr - 25 torr = 740 torrPodemos usar a equa<;ao do gas ideal para obter a quantidade de materia de 02' que nos fornece:

n = Po, V = (740 torr)(l atm/760 torr)(0,250 L) _ 9 92 x10-3 mol de °0, RT (0,0821 L atm/mol de K) (299 K) , 2

(b) Planejamento: podemos usar a equa<;ao qufmica balanceada para determinar a quantidade de materia de KCl03

decomposta a partir da quantidade de materia de O2formada, em seguida converter quantidade de materia de KCl03 emgramas de KCI03.

Resolu~ao: a partir da Equa<;ao 10.16, temos que 2 mols de KCl03 "" 3 mol de 02' A massa molar de KCI03 e 122,6g/mol. Portanto, podemos converter a quantidade de materia de O2que encontramos no item (a) para a quantida-de de materia de KCl03 e gramas de KCl03:

(9,92 x 10-3 mols de 02) (2 mols de KCI03] (122,6 g de KCl03] = 0,811 g de KCl03l 3 mols de O2 IImol de KCl03

Conferencia: como sempre, procuramos ter certeza de que as unidades saDcanceladas apropriadamente nos calculos.Alem disso, a quantidade de materia de O2e KCl03 parecem coerentes, dado 0 pequeno volume de gas coletado.Comentario: muitos compostos qufmicos que reagem com a agua e 0 vapor de agua seriam degradados pela exposi-<;aoao gas umido. Dessa forma, em laboratorios de pesquisa, os gases saDgeralmente secos passando 0 gas umido so-bre uma substancia que absorva agua (urn dessecante), como 0 sulfato de calcio, CaS04• Os cristais de sulfa to de calciosaD vendidos com 0 nome registrado de Drierite™.

PRATIQUE°nitrito de amonio, NH4N02, decomp5e-se por aquecimento para formar gas N2:NH4N02(s) -----,> N2(g) + 2Hp(l)

Quando uma amostra de NH4N02 e decomposta em urn tubo de ensaio, como na Figura 10.16,511 mL de gas N2 saocoletados sobre a agua a 26°C e 745 torr de pressao total. Quantos gramas de NH4N02 foram decompostos?Resposta: 1,26 g

A equac;aodo gas ideal descreve como os gases se comportam, mas nao ex-plica par que eles se comportam de determinada maneira. Por que urn gas ex-pande quando aquecido a pressao constante? Ou, por que sua pressaoaumenta quando 0 gas e comprimido a temperatura constante? Para entenderas propriedades fisicas dos gases, precisamos de urn modelo que nos ajude a

imaginar 0 que acontece as particulas de gas a proporcao que condic;oescomo pressao ou temperatura variem. Talmodelo, conhecido como teoria cinetica molecular, foi desenvolvido durante urn periodo de aproximadamentecern anos, culminando em 1857 quando Rudolf Clausius (1822-1888) publicou uma forma completa e satisfat6riada teoria.

A teoria cinetica molecular (a teoria das moleculas em movimento) e resumida pelas seguintes afirmac;oes:1. Os gases consistem em grande numero de moleculas que estao em movimento continuo e aleat6rio. (Apa-

lavra molecula e usada aqui para designar a menor particula de qualquer gas; alguns gases, como os nobres,consistem em Momos individuais.)

2. 0 volume de todas as moleculas do gas e desprezivel comparado ao volume total no qual 0 gas esta contido.3. As forc;asatrativas e repulsivas entre as moleculas de gas sao despreziveis.4. A energia pode ser transferida entre as moleculas durante as colisoes, mas a energia cinetica media das mo-

leculas nao varia com 0 tempo, desde que a temperatura do gas permanec;a constante. Em outras palavras,as colisoes sao perfeitamente elasticas.

5. A energia cinetica media das moleculas e proporcional a temperatura absoluta. Para certa temperatura, asmoleculas de todos os gases tern a mesma energia cinetica media.A teoria cinetica molecular explica tanto a pressao quanto a temperatura em nivel molecular. A pressao deurn gas e provocada pelas colisoes das moleculas com as paredes do recipiente, como mostrado na Figura10.17. A magnitude da pressao e determinada tanto pela frequencia quanta pela forc;acom que as molecu-las batem nas paredes.

A temperatura absoluta de urn gas e uma medida da energia cinetica media de suas moleculas. Se dois gases di-ferentes estao a mesma temperatura, suas moleculas tern a mesma energia cinetica media. Se a temperatura abso-luta de urn gas e dobrada (digamos de 200 K para 400 K), a energia cinetica media de suas moleculas dobra. Assim,o movimento molecular aumenta com 0 aumento da temperatura.

Apesar de as moleculas em uma amostra de gas terem uma energia cinetica media e, em consequencia, uma ve-locidade media, as moleculas individuais movem-se a velocidades variadas.As moleculas em movimento sofrem colisoes frequentes com outras molecu-las. 0 momenta e conservado em cada colisao, mas uma das moleculas queestiver colidindo pode ser desviada a alta velocidade enquanto a outra pratica-mente para de uma 56vez. 0 resultado e que as moleculas a qualquer instantetern faixa larga de velocidades. A Figura 10.18 ilustra a distribuic;ao das veloci-dades moleculares para 0 gas nitrogenio a O°C (linha azul) e a 100°C (linhavermelha). A curva mostra a frac;aodas moleculas movendo-se a cada veloci-dade. A altas temperaturas, uma frac;aode molecuias move-se a altas velocida-des; a distribuic;ao da curva desloca-se em direc;aoas altas velocidades e de laem direc;aoas maiores energias cineticas medias.

A Figura 10.18 tambem mostra 0 valor da velocidade media quadratica(vmq), u, das moleculas a cada temperatura. Essa quantidade e a velocidadede uma molecula possuindo energia cinetica media. A velocidade vmq nao eexatamente a mesma coisa que velocidade media. Entretanto, a diferenc;aentre

d' 1as uas e pequena.

ANIMA<;:AOEnergia cinetica de moleculasde gas

Figura 10.17 A pressaode umgas e provocadapelascolisoesdasmoleculasde gas com as paredesde seusrecipientes.

Para ilustrar a diferen<;a entre a velocidade vmq e a velocidade media, considere quatro objetos com velocidades de 4,0,6,0,10,0 e12,0 m/s. A velocidade media deles e %(4,0 + 6,0 + 10,0 + 12,0) = 8,0 m/s. A velocidade vmq, u, entretanto, e a raiz quadrada damedia das velocidades das moleculas elevadas ao quadrado:

~+(4,02 + 6,02 + 10,02 + 12,02) = .J74,0 = 8,6 m/s

Para urn gas ideal, a velocidade media e igual a 0,921 x u. Portanto, a velocidade media e diretamente proporcional a velocidadevmq, e as duas SaD na realidade aproximadamente iguais.

Figura 10.18 A distribuis:aodasvelocidades moleculares para 0

nitrogenio a 0 o( (Iinha azul) e100 o( (Iinha vermelha).

5 X 102

Velocidade molecular (m/s)

Avelocidade vmq e impartante parque a energia cinetica media das moleculas de gas, E, esta relacionada dire-tamentea u2

:

ondemea massa da molecula. A massa nao varia com a temperatura. Portanto, 0 aumento na energia cinetica me-diaa medida que a temperatura aumenta implica que a velocidade vmq (e tambem a velocidade media) das mole-culasaumente similarmente conforme a temperatura aumenta.

Aplica~ao das leis de gasesAs observa<;oesempiricas das propriedades dos gases como expressas em suas respectivas leis sac rapidamente

entendidas em termos de tearia cinetica molecular. Os seguintes exemplos ilustram esse ponto:1. 0 efeito de um aumento de volume a temperatura constante: temperatura constante significa que a energia cine-

tica media das moleculas dos gases permanece inalterada. Isso, por sua vez, significa que a velocidade vmqdas moleculas, u, nao varia. Entretanto, se 0 volume aumenta, as moleculas devem mover-se por uma dis-tancia maior entre as colisoes. Dessa forma, existem menos colisoes par unidade de tempo com as paredesdo recipiente, e a pressao diminui. 0 modelo explica de maneira simples a lei de Boyle.

2. 0 efeito do aumento da temperatura a volume constante: aumento na temperatura significa aumento na energiacinetica media das moleculas; assim, aumento em u. Se nao existe varia<;aono volume, havera mais colisoescom as paredes por unidade de tempo. Alem disso, a varia<;aono momenta em cada colisao aumenta (asmoleculas chocam-se contra as paredes com mais for<;a).0 modelo explica 0 aumento de pressao observado.

COMO FAZER 10.13Vma amostra de gas O2 inicialmente nas CNTP e comprimida para urn volume men or a temperatura constante.Qual 0 efeito que essa varia<;:aotern (a) na energia cinetica media das moleculas de 02; (b) na velocidade media dasmoleculas de 02; (c) no numero total de colis6es das moleculas de O2 contra as paredes do recipiente em uma unida-de de tempo; (d) no numero de colis6es das moleculas de O2 com uma unidade de area das paredes do recipientepor unidade de tempo?

Solus:ao

Analise: precisamos aplicar os conceitos da teoria cinetica molecular para uma situa<;:aona qual urn gas e comprimidoa temperatura constante.Planejamento: determinaremos como cada uma das grandezas em (a) - (d) e afetada pela varia<;:aona pressao a volu-me constante.Resolus:ao: (a) A energia cinetica media das moleculas de O2 e determinada apenas pela temperatura. A energia cine-tica media nao varia pela compressao do O2 a temperatura constante. (b) Se a energia cinetica media das moleculas deO2 nao varia, a velocidade media permanece constante. (c) °numero total de colis6es contra as paredes do recipientepor unidade de tempo deve aumentar porque as moleculas estao se movendo em volume menor, mas com a mesmavelocidade media anterior. Sob essas condi<;:6es,elas devem encontrar as paredes mais vezes. (d) °numero de coli-s6es com uma unidade de area das paredes e menor que antes.

Conferencia: em um exercfcio conceitual desse tipo, nao existe resposta numerica para conferir. Realmente usamos 0

raciocfnio no decorrer da resolu<;ao do problema.

PRATIQUEComo varia a velocidade vmq das moleculas de N2 em uma amostra de gas (a) com um aumento na temperatura;(b) com urn aumento no volume da amostra; (c) ao ser misturada com uma amostra de Ar a mesma temperatura?Respostas: (a) aumenta; (b) nenhum efeito; (c) nenhum efeito.

Come<;ando com os postulados da teoria cinetica molecu-lar, e possivel extrair a equa<;ao do gas ideal. Melhor do queprosseguir pela extra<;ao,vamos considerar em termos quali-tativos como a equa<;ao do gas ideal pode seguir. Como te-mos visto, a pressao e a for<;apor unidade de area. (Se<;ao10.2) A for<;a total das colisoes moleculares nas paredes, econsequentemente a pressao produzida por elas, dependetanto do grau de intensidade das colisoes entre as moleculase as paredes (0 impulso cedido por colisao) quanta da taxa naqual essas colisoes ocorrem:

P oc impulso cedido por colisao x taxa de colisoes

Para uma molecula movendo-se com velocidade vmq, u,o impulso cedido por uma colisao com uma parede dependedo momenta linear da molecula, isto e, depende do produtode sua massa pela velocidade, mu. A taxa de colisoes e pro-porcional tanto ao numero de moleculas por unidade de vo-lume, n/V, quanta as velocidades, u. Se existem maismoleculas em um recipiente, existirao mais colisoes frequen-tes com as paredes do recipiente. A medida que a velocidademolecular aumenta ou 0 volume do recipiente diminui, 0

tempo necessario para as moleculas percorrerem a disHinciade urna parede a outra e reduzido, e as moleculas colidemcom frequencia com as paredes. Assim, temos:

n nmu2P ocmu x- xu oc--

V V

Uma vez que a energia cinetica media, t mt?, e proporcio-nal a temperatura, temos que 1m? oc T. Fazendo essas substi-tui<;oesna Equa<;ao 10.19, obtemos:

P oc n( mu 2) oc nT [10.20]V V

Vamos agora converter os sinais de proporcionalidadepara um sinal de igual expressando n como a quantidade demateria do gas; a seguir inserimos uma constante de prop or-cionalidade - R, a constante molar dos gases:

P = nRT [10.21]V

Essa expressao e a equa<;ao do gas ideal.Um eminente matematico sui<;o,Daniel Bernoulli (1700-1782),

idealizou um modelo para gases que foi, para todas as pro-postas praticas, 0 mesmo que 0 modelo da teoria cinetica. Apartir desse modelo, Bernoulli extraiu a lei de Boyle e a equa-<;aodo gas ideal. Seu modelo foi urn dos primeiros exemplosna ciencia do desenvolvimento de um modelo matematico apartir de suposi<;oes ou afirmativas hipoteticas. Entretanto,apesar de sua eminencia, 0 trabalho de Bernoulli nesse as-sunto foi completamente ignorado, sendo apenas redesco-berto cem anos mais tarde por Clausius e outros. Foiignorado porque entrava em conflito com cren<;aspopulares.Por exemplo, sua ideia de que 0 calor e uma medida da ener-gia de movimento nao foi aceito porque estava em conflitocom a entao popular (e incorreta) teoria cal6rica do aqueci-mento. Em segundo lugar, a teoria de Bernoulli estava emconflito com 0 modelo de Isaac Newton para gases (tambemincorreto). Esses tabus tinham que cair antes que 0 caminhoestivesse aberto para a teoria cinetica molecular. A moral dahist6ria e que a ciencia nao e uma estrada direta daqui para a'verdade.' A estrada e construida por humanos; portanto, echeia de ziguezague.

De acordo com a teoria cinetica molecular, a energia cinetica media de qualquer colec;ao de moleculas de urn

gas, t mu2, tern urn valor espedfico a determinada temperatura. Assim, urn gas compos to de particulas leves, como

He, tera a mesma energia cinetica media que urn composto de particulas muito mais pesadas, como Xe, desde queos dois gases estejam a mesma temperatura. A massa, m, das particulas no gas mais leve e menor que aquela no gasmais pesado. Dessa forma, as particulas no gas mais leve devem ter maior velocidade vmq, u, que as particulas dogas mais pesado. A seguinte equac;ao, que expressa esse fato quantitativamente, pode ser derivada da teoria cineti-ca molecular:

u =~3::

Figura 10.19 A distribuic;ao dasvelocidades moleculares paradiferentes gases a 25°C.

ATIVIDADEFase gasosa: distribuic;:ao deBoltzmann

10 X 102 15 X 102 20 X 102 25 X 102 30 X 102 35 X 102

Velocidade molecular (m/s)

Como a massa molar, 'Jvl, aparece no denominador, quanta mais leve as moleculas de gas, maior a velocidadevmq,u. A Figura 10.19 mostra a distribui<;aodas velocidades moleculares para varios gases diferentes a 25°C. Observecomoas distribui<;6es sao deslocadas em dire<;aoas velocidades maiores para gases com menores massas molares.

COMO FAZER 10.14Calcule a velocidade vmq, u, de uma molecula de N2 a 25°C.

Solu~aoAnalise: os dados apresentados sac a identidade do gas e a temperatura, as duas grandezas que precisamos para cal-cular a velocidade vmq.Planejamento: calcularemos a velocidade vmq usando a Equac;ao 10.22.Resolu~ao: ao usar a Equac;ao 10.22, devemos converter cada grandeza para unidades 51de forma que todas as unida-des sejam compatfveis. Usaremos tambem R nas unidades de JImol K (Tabela 10.2) para que fac;amos 0 cancela men todas unidades corretamente.

T = 25 + 273 = 298 K:M = 28,0 gl mol = 28,0 x 10-3 kgl molR = 8,314 J/mol K = 8,314 kg m2/s-2 morl K-1 (Essas unidades aparecem

pelo fato de que 1 J = 1 kg m2/s2)

u = 3(8,314 kg m 2/s2 mol K) (298K) = 5,15 x 102 m/s28,0 x 10-3 kg/mol

Comentario: isso corresponde a uma velocidade de 1.150mi/h. Como a massa molecular media das moleculas de ar eligeiramente maior que N2, a velocidade vmq das moleculas de ar e um pouco menor que para N2. A velocidade naqual 0 som se propaga pelo ar e de aproximadamente 350 ml s, um valor de quase dois terc;osda media da velocidadevmq para as moleculas de ar.

PRATIQUEQual e a velocidade vmq de um Momo de He a 25°C?Resposta: 1,36 x 103 m/s

A dependencia das velocidades moleculares da massa apresenta varias conseqiiencias interessantes. 0 primei-rofenomeno e a efusao, que e a fuga das moleculas de gas por buracos minusculos para um espa<;oevacuado comomostrado na Figura 10.20. 0 segundo e a difusao, que e 0 espalhamento de uma substfmcia pelo espa<;oou porumasegunda substancia. Por exemplo, as moleculas de perfume que se difundem por uma sala.

Leida efusao de GrahamEm 1846, Thomas Graham (1805-1869) des.cobriu que a taxa de efusao de um gas e inversamente proporcional

a raizquadrada de sua massa molar. Suponha que temos dois gases a mesma temperatura e pressao em recipientescomburacos identicos feitos por alfinete. Se as taxas de efusao de duas substancias sao 'I e '2'e suas respectivasmassasmolares sao 'Jvl1 e 'Jvl2, a lei de Graham afirma:

Figura 10.20 Efusao de umamolecula de gas por um buraco dealfinete. As moleculas escapam deseu recipiente para um espa<;oevacuado apenas quando 'batem'no buraco.

Figura 10.21 Os Momos oumoleculas mais leves escapam porporos de um balao com maiorrapidez que os mais pesados. (a)Dais baloes cheios com 0 mesmovolume, um com helio e ooutrocom nitrogenio. (b) Ap6s 48 horaso balao cheio com helio estamenor que 0 outro, cheio comnitrogenio, porque 0 helio escapamais rapido que 0 nitrogenio.

A Equa~ao 10.23 compara as taxas de efusao de dois gases diferentes sob con-di~6es identicas, indicando que 0 gas mais leve efunde-se mais rapidamente.

A Figura 10.20 ilustra a base da lei de Graham. A unica maneira de umamolecula de gas escapar de um recipiente e ela 'bater' no buraco. Quanto maisrapidamente as moleculas se movem, maior a chance de uma molecula cho-car-se no buraco e efundir. Isso implica que a taxa de efusao e diretamente pro-porcional a velocidade vmq das moleculas. Como R e T sao constantes, temosa partir da Equa~ao 10.22:

!i= ~ = 3RT /?f4 = ~ ?12 [10.24]r2 u2 3RT/?12 ?f4

Como esperado, a partir da lei de Graham, 0 helio escapa dos recipientespelos buracos minusculos feitos com alfinete com maior rapidez que gasescom maior massa molecular (Figura 10.21).

COMO FAZER 10.15Um gas desconhecido, composto de moleculas diatomicas homonucleares, efunde-se a uma taxa que e apenas 0,355vezes a taxa de 02 a mesma temperatura. Qual e a identidade do gas desconhecido?

Solu~aoAnalise: dadas as informa<;oes relativas a taxa de efusao de um gas desconhecido, a partir delas pede-se encontrar arespectiva massa molar. Portanto, precisamos relacionar as taxas de efusao com as massas molares relativas.Planejamento: podemos usar a lei de Graham da efusao, Equa<;ao10.23, para determinar a massa molar do gas desco-nhecido. Se deixarmos Yx e 'Mx representarem a taxa de efusao e a massa molar do gas desconhecido, a Equa<;ao 10.23pode ser escrita como segue:

~ = 0,355 = 32,0 glmolYo, 'Mx

Agora resolvemos para a massa molar desconhecida, :Mx:

32,0 g/mol _ (0 ,355? = 0,126:Mx

:M = 32,0 g/ mol =254 / molx 0126 g,

Como foi dito que 0 gas desconhecido e composto de moleculas diat6micas homonucleares, ele deve ser urn elemen-to. A massa molar deve representar duas vezes a massa at6mica dos Momos no gas desconhecido. Conclulmos que 0

gas desconhecido e 12•

PRATIQUECalcule a razao entre as taxas de efusao de 2 e O2, r N 2 / rO

2•

Resposta:rN2

/ ro, = 1,07

Difusao e caminho medio livreA difusao, como a efusao, e mais rapida para moleculas mais leves que para as mais pesadas. Na realidade, a

razao das taxas de difusao de dois gases sob condi<;6es experimentais identicas e aproximada pela lei de Graham,Equa<;ao10.23. Contudo, as colis6es moleculares tornam a difusao mais complicada que a efusao.

Podemos ver a partir da escala horizontal na Figura 10.19 que as velocida-des das moleculas saD bem altas. Por exemplo, a velocidade media de N2 atemperatura ambiente e 515 m/s (1.150 mi/h). Apesar dessa alta velocidade,sealguem abrir urn vidro de perfume de urn lado de uma sala, passa algumtempo - talvez poucos minutos - antes que 0 odor possa ser sentido do ou-trolado. A difusao dos gases e muito mais lenta que as velocidades molecula-res relativas as colis6es moleculares.2 Essas colis6es ocorrem com bastantefreqiiencia para urn gas a pressao atmosferica - aproximadamente 1010 vezespar segundo para cada molecula. As colis6es ocorrem porque as moleculas degases reais tern volumes finitos.

Por causa das colis6es moleculares, a dire<;ao de movimento de uma mole-culade gas varia constantemente. Portanto, a difusao de uma molecula de urnponto para outro consiste em muitos segmentos retos e curtos porque as coli-s6esgolpeiam-nas ao redor em dire<;6es aleatorias, como mostrado na Figura10.22. Primeiro as moleculas movem-se em uma dire<;ao, depois em outra; emurnmomenta a alta velocidade, no proximo instante a baixa velocidade.

A distancia media percorrida por uma molecula entre as colis6es e chama-da caminho medio livre. 0 caminho medio livre varia com a pressao como aseguinte analogia explica. Imagine-se caminhando por urn shopping center.Quando 0 shopping esta muito cheio (alta pressao), a distancia media quevocepode caminhar antes de esbarrar em alguem e curta (caminho medio li-vre curto). Quando 0 shopping esta vazio (baixa pressao), voce pode andarpar urn longo caminho (caminho medio livre longo) antes de esbarrar em al-guem. 0 caminho medio livre para as moleculas de ar no myel do mar e apro-xirnadamente 60 nm (6 x 10-6 cm). A aproximadamente 100 km de altitude,onde a densidade do ar e muito mais baixa, 0 caminho livre medio e cerca de10 em, mais ou menos 10 milh6es de vezes mais longo que na superficie daTerra.

Figura 10.22 Ilustra,,:aoesquemMica da difusao de umamolE~culade gas. Por razoes dec1areza, nenhuma outra moleculade gas no recipiente e mostrada.o caminho da molecula emquestao come,,:a em um ponto.Cada segmento curto de retarepresenta 0 movimento entrecolis6es. A seta azul indica adistancia percorrida pela molecula.

A taxa na qual 0 perfume move-se pela sala tambem depende do fato de se 0 ar esta bem agitado, dos gradientes de temperatura edo movimento das pessoas. Todavia, mesmo com a ajuda desses fatores, ainda leva mais tempo para as moleculas atravessarem asala do que se esperaria a partir de suas velocidades vmq sozinhas.

o fato de moleculas mais leves moverem-se a velocidadesmedias maiores que as de moleculas mais massivas tem mui-tas conseqiiencias e aplicac;6es interessantes. Por exemplo,o esforc;opara desenvolver a bomba at6mica durante a Segtm-da Guerra Mundial necessitou que os cientistas separassem 0

isotopo 23\J (0,7%)de relativa baixa abundancia do mais abun-dante 238U (99,3%). Isso foi obtido com a conversao do uranioem urn composto vol<itilUF(Y que se deixou passar por barrei-ras porosas. Devido aos tamanhos dos poras, isso nao e urnasimples efusao. Todavia, a dependencia da massa molar e ba-sicamente a mesma. A pequena diferenc;a na massa molar en-tre os compostos de dois isotopos faz com que as moleculasmovam-se com taxas ligeiramente diferentes:

r235 = 352,04 = 1 0043r238 349,03 '

Assim, 0 gas que inicialmente aparecia no lado oposto dabarreira era muito pouco enriquecido em moleculas mais le-Yes.0 pracesso de difusao foi repetido milhares de vezes, le-vando a separac;ao quase completa de dois isotopos de uranio.

A taxa na qual um gas passa por um meio poroso medionao e sempre determinada unicamente pela massa molecu-lar das moleculas de gas. Mesmo interac;6es entre as molecu-las de gas e outras do meio poraso afetarao a taxa. As intera-c;6esintermoleculares atrativas diminuem a taxa na qual umamolecula de gas atravessa passagens estreitas de meio poroso.

Gases reais: desvios do comportamento ideal

Embora a equa<;ao do gas ideal seja muito uti! em descrever os gases, todos os gases reais nao obedecem a rela-<;aoate certo grau. A extensao na qual urn gas real foge do comportamento ideal pode ser vista ao se reordenar aequa<;ao do gas ideal:

PV-=nRT

FILMEDifusaodo vapor de bromo

Para urn mol de gas ideal (n = 1) a quantidade PV /RT e igual a 1 a todas aspressoes. Na Figura 10.23. PV /RT e colocado em urn grafico como fun<;aodePpara 1 mol de varios gases diferentes. A altas pressoes 0 desvio de comporta-mento ideal (PV/RT = 1) e grande e diferente para cada gas. Dessa forma, osgases reais nao se comportam de modo ideal a altas pressoes. Entretanto, abaixas pressoes (geralmente abaixo de 10 atm), 0 desvio de gas ideal e menorepode-se usar a equa<;ao do gas ideal sem que sejam gerados erros serios.

ATIVIDADEDifusaoe efusao

3

500K

2

PV 1.000 KRT

Gas ideal1

PVRT 1,0

400 600P(atm)

600P (atm)

Figura 10.23 PV/RT versus a pressao para 1 mol devarios gases a 300 K. Os dados para CO2 referem-se atemperatura de 313 K porque CO2 se liquefaz a altapressao a 300 K.

Figura 10.24 PV/RT versus pressao para 1 mol de gasnitrogenio a tres temperaturas diferentes. A medida quea temperatura aumenta, 0 gas aproxima-se mais docomportamento ideal.

Figura 10.25 Ilustra~ao do efeitodo volume finito das moleculas degas nas propriedades de um gasreal a alta pressao. Em (a), a baixapressao, 0 volume das moleculasde gas e pequeno comparado como volume do recipiente. Em (b), aalta pressao, 0 volume dasmoleculas de gas e uma fra~aomaior do espa~o total disponivel.

ATIVIDADEGases reais

o desvio do comportamento ideal tambem depende da temperatura. A Fi-gura 10.24 mostra os graficos de PV /RT versus P para 1 mol de Nz a tres tempe-raturas diferentes. A medida que a temperatura aumenta, as propriedades dogas aproximam-se mais das de urn gas ideal. Em geral, os desvios de compor-tamento ideal aumentam conforme a temperatura diminui, tornando-se signi-ficante proximo a temperatura na qual 0 gas e convertido em liquido.

As suposi~oes basicas da teoria cinetica molecular fornecem-nos umacompreensao clara de por que os gases reais desviam do comportamentoideal. As moleculas de urn gas ideal supostamente nao ocupam espa~o e nao seatraem. Entretanto, as moleculas reais tem volumes finitos e eles se atraem. Comomostrado na Figura 10.25, 0 espa~o livre e nao ocupado no qual as moleculaspodem se mover e algo menor que 0 volume do recipiente. A pressoes relativa-mente baixas 0 volume das moleculas de gas e desprezlvel, comparado com 0

volume do recipiente. Assim, 0 volume livre disponivel para as moleculas e es-sencialmente 0 volume inteiro do recipiente. Entretanto, a propor~ao que apressao aumenta, 0 espa~o livre no qual as moleculas podem se mover tor-na-se uma fra~ao menor do volume do recipiente. Sob essas condi~oes, obvia-mente, os volumes dos gases tendem a ser ligeiramente maiores que osprevistos pela equa~ao do gas ideal.

Alem disso, as for~as atrativas entre as moleculas vem a ter urn papel a dis-tancias curtas, como quando as moleculas estao amontoadas a altas pressoes.Por causa dessas for~as atrativas, 0 impacto de determinada molecula com aparede do recipiente diminui. Se pudessemos parar a a~ao em urn gas, as posi-~6esdas moleculas poderiam lembrar a ilustra~ao da Figura 10.26. A moleculaqueesta proxima de fazer contato com a parede sofre as for~as atrativas de molecu-laspr6ximas a ela. Essas atra~oes diminuem a for~a com a qual a molecula batenaparede. Como resultado, a pressao e menor que a de urn gas ideal. Esse efei-toserve para diminuir PV /RT, como visto na Figura 10.23. Quando a pressao e suficientemente alta, esses efeitos devolume dominam e PV /RT diminui.

A temperatura determina quao efetivas sao as for~as atrativas entre as moleculas de gas. A medida que 0 gas eresfriado, a energia cinetica media diminui, enquanto as atra~oes intermoleculares permanecem constantes. De certomodo, 0 resfriamento de urn gas impede que as moleculas tenham a energia de que elas precisam para veneer suasinfluencias atrativas mutuas. Os efeitos de temperatura mostrados na Figura 10.24 ilustram esse ponto muito bem.Conforme a temperatura aurnenta, a fuga negativa de PV /RT de urn comportamento de gas ideal desaparece. A dife-ren<;aque permanece a alta temperatura origina-se basicamente do efeito dos volumes finitos das moleculas.

Figura 10.26 0 efeito das for~asintermoleculares atrativas napressao exercida por um gas nasparedes de seu recipiente.A molecula que esta pr6xima dechocar-se contra a parede sofrefor~as atrativas de moleculaspr6ximas e seu impacto e, dessemodo, diminuido. As for~asatrativas tornam-se significantesapenas sob condi~6es de altapressao, quando a distancia mediaentre as moleculas e pequena.

A equa~ao de van der WaalsOs engenheiros e cientistas que trabalham com gases a altas pressoes geralmente nao podem usar a equa~ao do

gasideal para determinar as propriedades de pressao e volume de gases porque a fuga do comportamento ideal e

muito grande. Uma equa<;ao uti! desenvolvida para determinar 0 comportamento de gases reais foi proposta pelocientista holandes Johannes van der Waals (1837-1923).

A equa<;ao do gas ideal determina que a pressao de urn gas e:

p= nRTV

Van der Waals identificou que, para urn gas real, essa expressao teria de ser corrigida para 0 volume finito acu-pado pelas moleculas de gas e para as for<;as atrativas entre as moleculas de gas. Ele introduziu duas constantes, aeb, para fazer as corre<;6es.

p = nRTV-nb

Correc;ao para 0

volume das moleculasCorrec;ao para aatrac;ao molecular

o volume e diminuido por urn fator nb, que explica 0 volume finito ocupado pelas moleculas de gas (Figura10.25). A constante de van der Waals b e uma me did a do volume real ocupado por urn mol de moleculas de gas;b tern unidades de L/mol. A pressao e, por sua vez, diminuida pelo fator n2ajV2, que explica 0 fato de as for<;as atra-tivas entre os pares de moleculas aumentarem com 0 quadrado do numero de moleculas por unidade de volume(njV2)2. Consequentemente, a constante de van der Waals a tern unidades L2 atm/mol2. A magnitude de a refleteafor<;a com que as moleculas de gas se atraem.

A Equa<;ao 10.26 e geralmente reordenada para fornecer a seguinte forma da equa\ao de van der Waals:

( nZ a)p+ VZ (V -nb)=nRT

As constantes de van der Waals a e b saG diferentes para cada gas. Os valores dessas constantes para varios ga-ses estao relacionados na Tabela 10.3. Observe que os valores tanto de a quanto de b aumentam com 0 aumentodamassa molecular e da complexidade de sua estrutura. As moleculas maiores, mais massivas, nao apenas tern volu-mes maio res como tambem tend em a ter for<;as atrativas intermoleculares mais fortes.

TABELA10.3 Constantes de van der Waals para moleculas de gas

Substancia a ( e atm/mof) b (LImo\)

He 0,0341 0,02370

Ne 0,211 0,0171Ar 1,34 0,0322Kr 2,32 0,0398Xe 4,19 0,0510

Hz 0,244 0,0266

1,39 0,0391

Oz 1,36 0,0318

Clz 6,49 0,0562HzO 5,46 0,0305

CH4 2,25 0,0428

COz 3,59 0,0427CCl4 20,4 0,1383

COMO FAZER 10.16Se 1,000 mol de urn gas ideal estivesse confinado em urn volume de 22,41 La 0,0 0c, exerceria uma pressao de 1,000atm. Use a equac;ao de van der Waals e as constantes da Tabela 10.3 para estimar a pressao exercida por 1,000 mol deClig) em 22,41 La 0,0 0c.Solu~ao

Analise: a grandeza que precisamos descobrir e a pressao. Como usaremos a equac;ao de van der Waals, devemosidentificar os valores apropriados para as constantes que aparecem na tabela.Planejamento: usando a Equac;ao 10.26, temos:

p = nRT _ nZaY -nb yZ

Resolu~ao: substituindo n = 1,000 mol, R = 0,08206 L atm/mol K, T = 273,2 K, Y = 22,41 L, a = 6,49 LZ atm/moe eb = 0,0562 L/mol:

p = (1,000 mol)(0,08206 L atm/mol K)(273,2 K)22,41 L -(1,000 mol)(0,0562 L/mol)

(1,000 mol)z(6,49 e atm/molz)(22,41 L)z

= 1,003 atm - 0,013 atm = 0,990 atmConferencia: esperamos uma pressao nao muito distante de 1,000 atm, que seria 0 valor para urn gas ideal; logo, a res-posta parece muito coerente.Comentario: observe que 0 primeiro termo, 1,003 atm, e a pressao corrigida para 0 volume molecular. Esse valor emaior que 0 valor ideal, 1,000 atm, porque 0 volume no qual as moleculas estao livres para se mover e menor do que 0

volume do recipiente, 22,41 L. Portanto, as moleculas devem colidir mais freqiientemente com as paredes do recipien-te. °segundo fator, 0,013 atm, corrige para as forc;as intermoleculares. As atrac;6es intermoleculares entre as molecu-las reduzem a pressaD para 0,990 atm. Com isso, podemos concluir que as atrac;6es intermoleculares sac a principalcausa para urn pequeno desvio de Clz(g) do comportamento ideal sob as condic;6es experimentais apresentadas.

PRATIQUEConsidere uma amostra de 1,000 mol de COz(g) confinada a urn volume de 3,000 L a 0,0 0c. Calcule a pressao do gasusando (a) a equac;ao do gas ideal e (b) a equac;ao de van der Waals.Respostas: (a) 7,473 atm; (b) 7,182 atm.

COMO FAZER ESPECIAL: Interligando os conceitos°cianogenio, gas altamente t6xico, e composto de 46,2% de C e 53,8% de N em massa. A 25°C e 751 torr, 1,05 g de ci-anogenio ocupa 0,500 L. (a) Qual e a f6rmula molecular do cianogenio? (b) Determine sua estrutura molecular. (c)Determine a polaridade do composto.

Solu~aoAnalise: precisamos determinar a f6rmula molecular de urn composto a partir de dados de analise elementar e dadosdas propriedades da subsHincia gasosa. Portanto, temos dois calculos separados para realizar.(a) Planejamento: podemos usar a composic;ao percentual para calcular a f6rmula minima. CIilI!Cl> (Sec;ao3.5) Em se-guida, podemos determinar a f6rmula molecular comparando a massa da f6rmula minima com a mass a molar. CIIID (Se-c;ao3.5)Resolu~ao: para determinar a f6rmula minima, supomos haver uma amostra de 100 g do composto; calculamos aquantidade de materia de cada elemento na amostra:

Mols de C = (46,2 g de C) ( 1 mol de C J = 3,85 mol de Cl12,01 g de C

Mols de N = (53,8 g de N) ( 1 mol de N J = 3,84 mol de Nl14,01 g de N

Como a razao entre a quantidade de materia dos dois elementos e praticamente1:1, a f6rmula minima e CN.Para determinar a massa molar do compos to, usamos a Equac;ao 10.11.

:Nt = dRT = (1,05 glO,500 L)(0,0821 L atm/mol K)(298 K) = 52,0 glmolp (751/760) atm

A massa molar associada a formula minima, CN, e 12,0 + 14,0 = 26,0 g/mol. Dividindo a massa molar do compostopela massa molar de sua formula minima da (52,0 g/mol)/(26,0 g/mol) = 2,00. Portanto, a molecula tem duas vezesmais Momos de cada elemento do que a formula minima, fornecendo a formula molecular CzNz.(b) Planejamento: para determinar a estrutura molecular da molecula, devemos primeiro determinar a respectiva es-trutura de Lewis. 0lIC> (Sec;ao8.5) Podemos usar 0 modelo RPENV para determinar a estrutura. ~ (Sec;ao9.2)Resolu~ao: a molecula tern 2(4) + 2(5) = 18 eletrons de valencia. Por tentativa-e-erro, procuramos uma estrutura de Le-wis com 18 eletrons de valencia na qual cada Momo tern urn octeto e as cargas formais saDas mais baixas possiveis. Aseguinte estrutura atende a esses criterios:

:N=C-C=N:(Essa estrutura tern cargas formais zero em cada Momo.)

A estrutura de Lewis mostra que cada Momo tern dois dominios de eletrons. (Cada nitrogenio tern urn par nao-ligantede eletrons e uma ligac;ao tripla, enquanto cada carbono tern outra ligac;ao tripla e outra ligac;ao simples.) Assim 0 ar-ranjo ao redor de cada Momo e linear, levando a molecula como urn todo a se-lo tambem.(c) Planejamento: para determinar a polaridade da molecula, devemos examinar a polaridade individual das liga-c;6ese a geometria da molecula como urn todo.Resolu~ao: como a molecula e linear, esperamos que dois dipolos criados pela polaridade na ligac;ao carbono-nitro-genio cancelem-se, deixando a molecula sem nenhum momenta dipolo.

Sec;ao 10.1 As substancias que sao gases a tempera-tura ambiente tend em a ser substancias molecularescom massas molares baixas. 0 ar, uma mistura compos-ta principalmente de Nz e 0z' e 0 gas mais comum queencontramos. Alguns liquidos e s6lidos tambem podemexistir no estado gasoso, ocasiao em que sao conhecidoscomo vapores. Os gases sao compressiveis, misturam-seem todas as propon;6es porque suas moleculas compo-nentes estao afastadas umas das outras.

Sec;ao 10.2 Para descrever 0 estado ou a condic;ao dogas, devemos especificar quatro variaveis: pressao (P),volume (V), temperatura (T) e quantidade de gas (n). 0volume geralmente e me dido em litros, a temperaturaem kelvins e a quantidade de gas, em mols. A pressao ea forc;a por unidade de area. E ex~ressa em unidades 51como pascals, Pa (1 Pa = 1 N/m = 1 kg/m-1s-z). Umaunidade relacionada, 0 bar, e igual a 105 Pa. Na quimica,a pressao atmosferica padrao e usada para definir aatmosfera (atm) e 0 torr (tambem chamado milimetrode mercurio). Uma atmosfera de pressao e igual a101,325 kPa, ou 760 torr. Urn barometro e usado muitasvezes para medir a pressao a tmosferica. Urn manometropode ser usado para medir a pressao em gases em siste-mas fechados.

Sec;oes 10.3 e 10.4 Estudos tern revelado varias leissimples dos gases: para uma quantidade constante degas a temperatura constante, 0 volume do gas e inversa-mente proporcional a pressao (lei de Boyle). Para umaquantidade fixa de gas a pressao constante, 0 volume ediretamente proporcional a temperatura absoluta (leide Charles). Volumes iguais de gases a mesma tempe-ratura e pressao contem numeros de moleculas iguais(hip6tese de Avogadro). Para urn gas a temperatura e

pressao constantes, 0 volume do gas e diretamenteproporcional a quantidade de materia do gas (lei deAvogadro). Cada uma dessas leis e urn caso especial daequac;ao do gas ideal.

A equac;ao do gas ideal, PV = nRT, e a equac;ao de es-tado para um gas ideal. 0 termo R nessa equac;ao e a cons·tante dos gases. Podemos usar a equac;ao do gas ideal paracalcular as diversificac;6es em uma variavel quando wnaou mais das outras varia. Muitos gases a press6es de 1 atme temperaturas pr6ximas a 273 K, ou acima, obedecem itequac;ao do gas ideal razoavelmente bem. As condic;6es de273 K (0 0c) e 1 arm sao conhecidas como condic;oes nor-mais de temperatura e pressao (CNTP).

Sec;oes 10.5 e 10.6 Usando a equac;ao do gas ideatpodemos relacionar a densidade de urn gas a massa mo-lar: Jvl = dRT/P. Podemos tambem usar a equac;ao do gasideal para resolver problemas envolvendo os gasescomo reagentes ou produtos em reac;6es quimicas. Emtodas as aplicac;6es da equac;ao do gas ideal, devemoslembrar de converter as temperaturas para a escala detemperaturas absolutas (a escala Kelvin).

Em misturas de gases, a pressao total e a soma daspressoes parciais que cada gas exerceria se ele estivessesozinho sob as mesmas condic;6es (lei de Dalton daspressoes parciais). A pressao parcial de urn componen-te de uma mistura e igual a sua frac;ao em quantidade demateria multiplicada pela pressao total: P1 = X1Pt• A fra-c;ao em quantidade de materia e a razao entre a quanti-dade de materia de urn componente de certa mistura eaquantidade de materia total de todos os componentes.Ao calcular a quantidade de gas coletado sobre a agua, acorrec;ao deve ser feita para a pressao parcial do vaporde agua na mistura gasosa.

Se~ao 10.7 A teoria cinetica molecular explica aspropriedades de urn gas ideal em termos de conjunto desuposi<;oessobre a natureza dos gases. Brevemente, es-sassuposi<;oessaG:as moleculas estao em movimentoca6ticocontinuo; 0 volume das moleculas de gas e des-prezlvelse comparado ao volume do recipiente; as mo-leculasde gas nao tern for<;asatrativas entre elas; suascolisoessaGelasticas e a energia cinetica media das mo-leculasde gas e proporcional a temperatura absoluta.

As moleculas de urn gas nao tern a mesma energiacineticaem determinado instante. Suas velocidadessaodistribuldas sobre uma faixa larga; a distribui<;aovariacom a massa molar do gas e com a temperatura.A velocidade media quadratic a (vmq), u, varia pro-porcionalmente a raiz quadrada da temperatura abso-lutae inversamente a raiz quadrada da massa molar:u =~3RT/:M.

Se~ao10.8Segue-se a partir da teoria cinetica mole-cularque a taxa na qual urn gas sofre efusao (escapaatravesde urn buraco minusculo para urn vacuo) e in-versamente proporcional a raiz quadrada de sua massa

molar (lei de Graham). A difusao de urn gas por urn es-pa<;oocupado por urn segundo gas e outro fenomenorelacionado as velocidades nas quais as moleculas mo-vimentam-se. Como as moleculas sofrem colisoesvariasvezes com as outras, 0 caminho medio livre - a distan-cia media percorrida entre as colisoes - e curto. As coli-soes entre as moleculas limitam a velocidade na qualuma molecula de gas pode difundir-se.

Se~ao10.9Desvios do comportamento ideal aumen-tam em magnitude a medida que a pressao aumenta e atemperatura dirninui. A extensao de nao-idealidade deurn gas real pode ser vista se examinadas as quantida-des PV/RT para 1 mol do gas como fun<;aoda pressao;para urn gas ideal, essa quantidade e exatamente 1a to-das as pressoes. as gases reais desviam do comporta-mento ideal porque as moleculas possuem volumefinito e sofrem for<;asatrativas uma pelas outras nas co-lisoes. A equa~ao de van der Waals e uma equa<;aodeestado para gases que modifica a equa<;aodo gas idealpara explicar 0 volume molecular intrinseco e as for<;asmoleculares.

Caracterlsticas do gas; pressao

10.1 Como urn gas difere de urn lfquido com base em cadauma das seguintes propriedades: (a) densidade;(b) compressibilidade; (c) habilidade para misturar-secom outras substancias na mesma fase para formar mis-turas homogeneas?

10.2 (a) Tanto urn lfquido quanta urn gas sao transferidospara urn recipiente grande. Como seus comportamentosdiferem? Explique a diferenc;a em termos moleculares.(b) Apesar de a agua e de 0 tetra cloreto de carbona,CCl4(1), nao se misturarem, seus vapores formam mistu-ras homogeneas. Explique. (c)As densidades dos gasessao geralmente dadas em unidades de g/L, enquantooutras para Hquidos SaDdadas em g/mL. Explique abase molecular para essa diferenc;a.

10.3 Considere duas pessoas de mesma massa em pe emuma sala. Uma esta de pe de modo normal e a outra estade pe em urn dos pes. (a)Uma pessoa exerce forc;amaiorno chao do que a outra? (b) Uma pessoa exerce pressaomaior no chao do que a outra?

10.4 A altura de uma coluna de mercurio em urn barometroem Denver, elevac;aode 5.000pes, e menor que uma co-luna em Los Angeles, elevac;aode 132pes. Explique.

10.5 (a) Que altura uma coluna de agua deve possuir paraexercer pressao igual a urna coluna de 760mm de mer-curio? A densidade da agua e 1,0 g/mL, enquanto a domercurio e 13,6g/mL. (b) Qual e a pressao em atrnosfe-ras no corpo de urn motorista se ele esta a 36 pes sob asuperffcie da agua quando a pressao atmosferica na su-perffcie e 0,95 atm?

10.60 composto l-iodododecano e urn lfquido nao volMilcom densidade de 1,20 g/mL. A densidade do mercu-

rio e 13,6g/mL. 0 que voce determina para a altura deuma coluna de barometro baseado no l-iodododecano,quando a pressao atmosferica e 752 torr?

10.7 Cada uma das seguintes afirmac;6es diz respeito a urnbarometro de mercurio como 0 mostrado na Figura10.2. Identifique alguma afirmac;ao incorreta e corri-ja-as. (a) 0 tubo deve ter uma area transversal de 1cm2

.

(b) No equilfbrio, a forc;ada gravida de por unidade dearea agindo na coluna de mercurio no nivel da colunade mercurio de fora e igual it forc;ada gravidade porunidade de area agindo na atmosfera. (c) A coluna demercurio e sustentada pelo vacuo no topo da coluna.

10.8 Suponha que voce fac;a urn barometro de mercuriousando urn tubo de vidro de aproximadamente 50 cmde comprimento, fechado em urn lado. 0 que voce es-per aria ver se 0 tubo e cheio com mercurio e invertidoem urn prato de mercUrio, como na Figura 1O.2?Expli-que.

10.9 A pressao atrnosferica tfpica no topo do monte Everest(29.028 pes) e aproximadamente 265 torr. Convertaessa pressao para (a) atm; (b) mm Hg; (c) pascals; (d)bars.

10.10 Fac;aas seguintes convers6es: (a) 2,44 atm para torr;(b) 682 torr para quilopascals; (c) 776 mm Hg paraatmosferas; (d) 1,456 x 105 Pa para atmosferas; (e) 3,44atm para bars.

10.11 Nos Estados Unidos, as press6es barometricas sao for-necidas em polegadas de mercurio (pol. de Hg). Em urnlindo dia de verao em Chicago a pressao barometrica e30,45 pol. de Hg. (a) Converta essa pressao para torr.(b) Urn meteorologista preve belo clima e faz referencia

a 'area de alta pressao'. A luz de sua resposta para 0

item (a), explique por que esse termo faz sentido.10.12 (a) Em Tita, a maior lua de Saturno, a pressao atmosfe-

rica e 1,63105 Pa. Qual e a pressao atmosferica de Titaem atm? (b) Em Venus, a pressao atmosferica na super-ficie e aproximadamente 90 atmosferas da Terra. Qual ea pressao atmosferica de Venus em quilopascals?

10.13 Suponha que uma mulher com massa igual a 125 lb ecal<;andourn sapato de salto alto coloque momentanea-mente todo seu peso no salto de urn dos pes. Se a areado salto e 0,50 pol.z, calcule a pressao exercida na super-ficie sob 0 salto em quilopascals.

10.14 Urn conjunto de prateleiras esta apoiado em uma su-perficie de chao duro pelas laterais dos do is lados verti-cais das prateleiras, cada uma das quais com dimensaotransversal de 2,2 x 30 cm. A massa total das prateleirasmais os livros colocados nela e 262 kg. Calcule a pres-sao em pascals exercida pelos pes das prateleiras na su-perficie.

10.15 Se a pressao atmosferica for 0,975 atm, qual e a pressaodo gas fechado em cada urn dos tres casos representa-dos no desenho?

Lado aberto~

Lado aberto~,

Lado fechado

~lTh

1h = 10,3 em

(iii)

Urn manometro de lado aberto con tendo mercUrio eeo-nectado a um recipiente de gas, como representado em"Como fazer 10.2". Qual e a pressao do gas no recipien-te em torr em cada uma das seguintes situa<;6es? (a)0mercurio no bra<;oligado ao gas esta 13,6 cm mais altoque no lado aberto para a atmosfera; a pressao atmosfe-rica e 1,05 atm. (b) 0 mercurio no bra<;o ligado ao gasesta 12 mm mais baixo que no lado aberto para a atmos-fera; a pressao atmosferica e 0,988 atm.

As leis dos gases

10.17 Suponha que haja uma amostra de gas em urn recipien-te com urn pistao m6vel como 0 da ilustra<;ao. (a) Rede-senhe 0 recipiente para mostrar como ele ficara se atemperatura do gas for aumentada de 300 K para 500 Kenquanto a pressao for mantida constante. (b) Redese-nhe 0 recipiente para mostrar como ele ficara se a pres-sao no pistao e aumentada de 1,0 atm para 2,0 atmenquanto a temperatura for mantida constante.

10.18 Suponha ter urn cilindro com um pistao m6vel. 0 queaconteceria com a pressao dentro do cilindro se voce fi-zesse 0 que segue? (a) Dirninuir 0 volume para urn ter<;odo volume original mantendo a temperatura constante.(b) Reduzir a temperatura kelvin para a metade de seuvalor original, mantendo 0 volume constante. (c) Redu-zir a quantidade de gas para a meta de mantendo 0 vo-lume e a temperatura constantes.

10.19 Uma quantidade fixa de gas a 23°C exibe pressao de748 torr e ocupa urn volume de 10,3 L. (a) Use a lei de

Boyle para calcular 0 volume que 0 gas ocupara a 23·Cse a pressao for aumentada para 1,88 atm. (b) Use a leide Charles para calcular 0 volume que 0 gas ocupara sea temperatura for aumentada para 165°C enquanto apressao for mantida constante.

10.20 Uma amostra de gas ocupa urn volume de 1.248pes3

sob 0,98 atm e 28,0 0c. (a) Calcule a pressao do gas seseu volume for diminuido para 978 pes3 enquanto suatemperatura for mantida constante. (b) A qual tempe-ratura em graus Celsius 0 volume do gas e 1.435pes sea pressao for mantida constante?

10.21 (a) Como a lei de volumes combinados e explieadapela hip6tese de Avogadro? (b) Considere urn frascode 1,0 L con tendo gas neonio e urn frasco de 1,5 Leon-tendo gas xenonio. Ambos os gases estao a mesmapressao e temperatura. De acordo com a lei de Avoga-dro, 0 que pode ser dito sobre a razao do nu.mero deMomos nos dois frascos?

10.22 Os gases nitrogenio e hidrogenio rea gem para forma!gas amonia como segue:

NZ(g) + 3Hz(g) ~ 2NH3(g)Em certa temperatura e pressao, 1,2 L de Nz reagerncom 3,6 L de Hz. Se todo Nz e Hz sao consumidos, qual0volume de NH3, a mesma temperatura e pressao, quesera produzido?

A equa~ao do gas ideal

10.2.3 (a) Escreva a equa<;ao do gas ideal e de as unidades usa-das para cada termo na equa<;ao quando R = 0,0821 Latm/mol K. (b) 0 que e um gas ideal?

10.24 (a) Que condi<;6es sao representadas pela abreviaturaCNTP? (b) Qual e 0 volume molar de urn gas idealnas CNTP? (c) Geralmente, assume-se que a tempera-tura ambiente e 25°C. Calcule 0 volume molar de urngas ideal a temperatura ambiente.

10.25Suponha que the sejam dados dois frascos e the sejadito que urn contem urn gas de massa molar 30, ooutrourn gas de massa molar 60, ambos a mesma temperatu-ra. A pressao no frasco A e X atm, e a massa de gas nofrasco e 1,2 g. A pressao no frasco B e 0,5Xatm, e a mas-sa de gas no frasco e 1,2 g. Qual frasco con tern 0 gas demassa molar 30 equal contem 0 de massa molar 60?

10.26Suponha que the sejam dados dois frascos a mesmatemperatura, urn de 2 L de volume e 0 outro de 3 L. Nofrasco de 2 L, a pressao do gas e X atm, e a massa de gasno frasco e 4,8 g. No frasco de 3 L a pressao do gas eO,1X,e a massa do gas e 0,36 g. Os dois gases tern a mes-ma massa molar? Caso nao tenham, qual contem 0 gasde maiar massa molar?

10.27Calcule cada uma das seguintes grandezas para urn gasideal: (a) 0 volume de gas, em litros, se 2,46 mol tiverpressao de 1,28 atm a temperatura de -6°C; (b) a tem-peratura absoluta do gas na qual 4,79 x 10-2mol ocupa135 mL a 720 torr; (c) a pressao, em atmosferas, se 5,52x 10-2mol ocupa 413 mL a 88°C; (d) a quantidade de

gas, em mols, se 88,4 L a 54°C tern pressao de 9,84 kPa.10.28Para urn gas ideal, calcule as seguintes grandezas:

(a) a pressao do gas se 0,215 mol ocupa 338 mL a 32DC;(b) a temperatura (em kelvins) na qual 0,0412 molocupa 3,00 L a 1,05 atm; (c) a quantidade de materiaem 98,5 L a 236 K e 690 torr; (d) 0 volume ocupado por5,48 x 10-3mol a 55°C e sob pressao de 3,87 kPa.

10.29°Hindenburg foi urn dirigfvel cheio com hidrogenioque explodiu em 1937. Se 0 Hindenburg comportasse2,0 x 105 m3 de gas hidrogenio a 23°C e 1,0 atm, qual amassa de hidrogenio que estaria presente?

10.30Urn luminoso de neonio e feito de tubo de vidro cujodiametro e 4,5 em e cujo comprimento e 5,3 m. Se 0

luminoso contem neonio a uma pressao de 2,03 torra 35°C, quantos gramas de neonio 0 luminoso con-tern? (0 volume de urn cilindro e 1tr

2h.)10.31Urn tanque de um aparelho de mergulhador contem 0,29

kg de O2comprimido em urn volume de 2,3 L. (a) Cal-cule a pressao de gas dentro do tanque a 9 DC.(b) Quevolume esse oxigenio ocuparia a 26°C e 0,95 atm?

10.32Uma lata de spray aerossol com urn volume de 456 mLcontem 3,18 g de gas propano (C3Hs)como urn prope-lente. (a) Se a lata esta a 23 DC,qual e a pressao nela?(b) Qual 0 volume que 0 propano ocuparia nasCNTP? (c) Na lata esta escrito que a exposi~ao a tempe-raturas acima de 130 OF pode causar estouro do reci-piente. Qual e a pressao na lata a essa temperatura?

10.33 °eloro e muito utilizado para purificar aguas fomecidaspelos municfpios e para tratar aguas de piscinas. Supo-nha que 0 volume de uma amostra, em particular de gasCl2' e 9,22 L a 1.124 torr e 24°C. (a) Quantos gramas deCl2a amostra con tern? (b) Qual 0 volume que Cl2ocupa-ra nas CNTP? (c) A qual temperatura 0 volume sera 15,00L se a pressao for 8,76 x 102torr? (d) A qual pressao 0 vo-lume sera igual a 6,00 L se a temperatura for 58°C?

10.34 Muitos gases sac transportados em recipientes de aHapressao. Considere urn tanque de a~o cujo volume e68,0 L e que contem gas 02 a uma pressao de 15.900kPaa 23°C. (a) Qual a massa de O2 que 0 tan que con tern?(b) Que volume 0 gas ocuparia nas CNTP? (c) A qualtemperatura a pressao no tanque seria igual a 170 atm?(d) Qual seria a pressao do gas, em kPa, se ele fosse trans-ferido para um recipiente a 24°C cujo volume e 52,6L?

10.35 Em urn experimento relatado na literatura cientlfica,baratas machos foram colocadas para correr a diferen-tes velocidades em uma miniatura de moinho enquan-to os respectivos consumos de oxigenio eram medidos.Em uma hora em media a barata correndo a 0,08 km/hconsumiu 0,8 mL de O2sob 1 atm de pressao e 24°C porgram a de massa do inseto. (a) Qual quantidade de ma-teria de O2seria consumida em 1 h por uma barata de5,2 g movendo-se com essa velocidade? (b) Essa mesmabarata e capturada por uma crian~a e colocada em potede 1,00 L com uma tampa bem apertada. Supondo 0

mesmo nfvel de atividade continua como na pesquisa,a barata consumira mais do que 20% do O2 disponlvelem urn perfodo de 48 h? (A parcentagem em quantidadede materia de 02 e igual a 21%.)

10.36 Depois de grande erup~ao do Monte de St. Helens em1980, amostras de gas do vulcao foram tomadas testan-do a coluna de fuma~a de gas levada pelo vento. Asamostras de gas nao filtradas foram passadas atravesde uma serpentina de arame recoberta com ouro paraabsorver 0 mercuric (Hg) presente no gas. °mercuricfoi recuperado da serpentina, aquecendo-a, e a seguir,entao analisado. Em urn conjunto particular de experi-mentos os cientistas encontraram urn nfvel de vapor demercuric de 1.800 ng de Hg par metro cubico de colunade fuma~a, it temperatura do gas de 10°C. Calcule (a) apressao parcial de vapor de Hg na coluna de fuma~a;(b) 0 numero de atomos de Hg por metro cubico de gas;(c) a massa total de Hg emitida por dia pelo vulcao se 0

volume de cortina de fuma~a diario for 1.600 km3

Aplica~oesadicionais da equa~ao do gas ideal

10.37Qual e 0 gas mais denso a 1,00 atm e 298 K: (a) CO2;

(b) N20 ou (c) Cl/ Justifique sua resposta.10.38Qual e 0 gas menos denso a 1,00 atm e 298 K: (a) S03;

(b) HCI ou (c) CO/ Justifique sua resposta.10.39Qual das seguintes afirmativas explica melhor par que

um bali3.ofechado cheio com gas Mlio sobe no ar?

(a) °helio e urn gas monoatomico, enquanto quase to-das as moleculas que comp5em 0 ar, como nitrogenio eoxigenio, sac diatomicas.(b) A velocidade media dos atomos de helio e maiorque as velocidades medias das moleculas do ar, e amaior velocidade das colis5es com as paredes do balaoimpulsionam 0 balao para cima.

(c) Como os Momos de helio tem massa menor que amedia das moleculas do ar, 0 gas helio e menos densoque 0 ar. °baHio assim pesa menos que 0 ar deslocadopor esse volume.(d) Vma vez que 0 helio tem menor massa molar que amedia das moleculas do ar, os Momos de helio estao emmovimento mais rapido. Isso significa que a tempera-tura do helio e maior que a temperatura do ar. Gasesquentes tendem a subir.

10.40 Qual das seguintes afirmativas melhor explica por queo gas nitrogenio nas CNTP e menos denso que 0 gas XenasCNTP?(a) Como Xe e um gas nobre, existe menos tendenciapara os Momos de Xe repelirem-se; logo, eles se acomo-dam mais densamente no estado gasoso.(b) Os Momos de Xe tem maior mass a que as moleculasde N2. Vma vez que ambos os gases nas CNTP tem 0

mesmo numero de moleculas por unidade de volume,o gas Xe deve ser mais denso.(c) Os Momos de Xe saD maiores que as moleculas deN2, e, portanto, tomam maior fra<;aodo espa<;o ocupa-do pelo gas.(d) Como os Momos de Xe saD muito mais massivosque as moleculas de N2, eles movem-se mais lentamen-te e, portanto, exercem men os for<;apara cima no reci-piente do gas, fazendo-o parecer mais denso.

10.41 (a) Caleule a densidade do gas N02 a 0,970 atm e 35 DC.(b) Caleule a mass a molar de urn gas se 2,50 g ocupam0,875 L a 685 torr e 35 DC.

10.42 (a) Caleule a densidade do gas hexafluoreto de enxofrea 455 torr e 32 DC. (b) Caleule a massa molar de um va-por que tem densidade de 6,345 g/L a 22 DC e 743 torr.

10.43 Na tecnica do bulbo de Dumas para determinar amassa molar de urn liquido desconhecido, voce vaporiza aamostra de um lfquido que entra em ebuli<;aoabaixo de100 DC em um banho-maria e deterrnina a massa de va-por necessaria para encher 0 bulbo (veja a ilustra<;ao).A partir dos seguintes dados, caleule a massa molar doliquido desconhecido: massa do vapor desconhecido,1,012 g; volume do bulbo, 354 cm3

; pressao, 742 torr;temperatura, 99 Dc.

10.44 A massa molar de uma substancia volMil foi determi-nada pelo metodo do bulbo de Dumas descrito no Exer-cicio 10.43.°vapor desconhecido tinha massa de 0,963g;o volume do bulbo era 418 cm3

, a pressao 752 torr eatemperatura 100 DC. Caleule a massa molar do vapordesconhecido.

10.45 °magnesio pode ser usa do como um 'absorvedor' naevacua<;ao de sistemas fechados, para reagir com os61-timos tra<;os de oxigenio. (0 magnesio e geralmenteaquecido ao se passar uma corrente eletrica por fiooufita do metal.) Se um sistema fechado de 0,382 L ternpressao parcial de O2 de 3,5 x 10-6 torr a 27 DC, qualmassa de magnesio reagira de acordo com a seguinteequa<;ao?

2Mg(s) + 02(g) ~ 2MgO(s)10.46 °hidreto de caleio, CaH2, reage com a agua para for-

mar gas hidrogenio:CaHis) + 2Hp(l) ~ Ca(OHh(aq) + 2H2(g)

Essa rea<;ao algumas vezes e usada para encher batessalva-vidas, baloes de clima e semelhantes, onde urnmeio simples e compacta de gerar ~ e necessario. Quan-tos gramas de CaH2 saDnecessarios para gerar 64,5LdeH2 se a pressao de H2 for 814 torr a 32 DC?

10.47 °sulfato de amonio, um importante fertilizante, podeser preparado pela rea<;ao de amonia com acido suI-furico:

2NH3(g) + H2S04(aq) ~ (NH4)2S04(aq)Caleule 0 volume de NH3(g) necessario a 42 DC e 15,6atrn para reagir com 87 kg de H2S04,

10.48 A oxida<;ao metab6lica da glicose, C6H1206, no corpoproduz CO2, que e expelido dos pulmoes como urngas:

C6H1206(aq) + 602(g) ~ 6C02(g) + 6HP(I)Caleule 0 volume de CO2 seco produzido a temperatu·ra corporal (37 DC) e 0,970 atm quando 24,5 g de glicosesaD consumidos nessa rea<;ao.

10.49 ° gas hidrogenio e produzido quando 0 zinco reagecom 0 acido sulfurico:

Zn(s) + H2S04(aq) ~ ZnSOiaq) + H2(g)Se 159 mL de H2 (imido e coletado sobre a agua a 24°Cea uma pressao barometrica de 738 torr, quantos gramasde Zn saD consumidos? (A pressao de vapor da aguaesta tabelada no Apendice B.)

10.50 °gas acetileno, C2H2(g), pode ser preparado pela rea-<;aode carbeto de caleio com agua:

CaC2(s) + 2Hp(l) ~ Ca(OHh(s) + C2H2(g)Caleule 0 volume de C2H2 que e coletado sobre a aguaa21 DC pela rea<;aode 3,26 g de CaC2 se a pressao totaldegas for 748 torr. (A pressao de vapor da agua esta tabe-lada no Apendice B.)

Considere 0 aparelho mostrado no desenho. (a) Quan-do a torneira entre os dois recipientes e aberta e os ga-ses, misturados, como varia 0 volume ocupado pelogas Nz? Qual e a pressao parcial de Nz depois da mistu-ra? (b) Como 0 volume do gas 0z varia quando os gasesse misturam? Qual e a pressao parcial de 0z na mistu-ra? (c) Qual e a pressao total no recipiente depois damistura dos gases?

2,0 L1,0 atm25°C

3,OL2,0 atm25°C

Considere uma mistura de dois gases, A e B, confinadosem recipiente fechado. Certa quantidade de urn terceirogas, C, e adicionada ao mesmo recipiente a mesma tem-peratura. Como 0 gas adicional C afeta: (a) a pressao par-cial do gas A; (b) a pressao total no recipiente; (c)a frac;:aoem quantidade de materia do gas B?Vma mistura contendo 0,538 mol de He(g), 0,315 molde Ne(g) e 0,103 mol de Ar(g) e confinada em urn reci-piente de 7,00 L a 25 DC.(a) Calcule a pressao parcial decada urn dos gases na mistura. (b) Calcule a pressao to-tal da mistura.Vma mistura contendo 3,15 g de cada urn dos seguintesgases: CH4(g), CZH4(g) e C4H10(g) e confinada em urnfrasco de 2,00 L a uma temperatura de 64 DC.(a) Calcule

a pressao parcial de cada urn dos gases na mistura.(b) Calcule a pressao total da mistura.Vma mistura de gases con tern 0,75 mol de Nz' 0,30 molde Oz e 0,15 mol de COz' Se a pressao total e 1,56 atm,qual e a pressao parcial de cada componente?Vma mistura de gases contem 12,47 g de Nz' 1,98 g deHz e 8,15 g de NH3. Se a pressao total da mistura e 2,35atm, qual e a pressao parcial de cad a componente?A uma profundidade de 250 pes sob a superficie daagua, a pressao e 8,38 atm. Qual deve ser a porcentagemem quantidade de materia de oxigenio no gas de mergu-lho para a pressao parcial de oxigenio na mistura ser0,21 atm, a mesma que no ar a 1 atm?(a) Quais sao as frac;:6esem quantidade de materia decada componente na mistura de 6,55 g de 02' 4,92 g deNz e 1,32 g de Hz? (b) Quale a pressao parcial em atm decada componente dessa mistura se ela for mantida emurn recipiente de 12,40 L a 15 DC?Vma quantidade de gas Nz originalmente mantido a3,80 atm de pressao em urn recipiente de 1,00L a 26 DCetransferida para urn recipiente de 10,0 L a 20 DC.Vmaquantidade de gas 0z originalmente a 4,75 atm e 26 DCem um recipiente de 5,00 L e transferida para esse mes-mo recipiente. Qual e a pressao total no novo recipiente?Vma amostra de 5,25 g de SOz(g) originalmente em urnrecipiente de 4,00 L a 26 DCe transferida para urn reci-piente de 13,6 L a 25 DC.Vma amostra de 2,35 g de Nz(g),originalmente em urn recipiente de 3,18 L a 20 DC,etransferida para urn recipiente semelhante de 13,6 L. (a)Qual e a pressao parcial de SOz(g) no recipientemaior? (b) Qual e a pressao de Nz(g) nesse recipiente?(c) Qual e a pressao total no recipiente?

Teoriacinetica molecular; lei de Graham

10.61 Qual(ais) variac;:ao(6es) no estado de urn gas provo-ca os seguintes efeitos: (a) numero de impactos porunidade de tempo na parede de determinado reci-piente aumenta; (b) a energia media do impacto dasmoleculas com a pare de do recipiente diminui; (c) adistancia media entre as moleculas de gas diminui;(d) a velocidade media das moleculas na mistura degas aumenta.

10.62 Indique quais das seguintes afirmativas a respeito da tea-ria cinetica molecular sao corretas. Para as que sao falsas,formule a versao correta da afirmativa. (a) A energia cine-ticamedia de uma colec;:aode moleculas de gas a determi-nada temperatura e proporcional a 'M1

/Z• (b) Sup6em-se

que as moleculas de gas nao exercem forc;:asentre si.(c) Todas as moleculas de um gas em determinada tem-peratura tern a mesma energia cinetica. (d)°volume dasmoleculas de gas e desprezivel em comparac;:aocom 0 vo-lume total no qual 0 gas esta contido.

1D.63 Qual(ais) propriedade(s) de gases voce pode apontarpara dar suporte a suposic;:aode que a maioria do volu-me em urn gas e espac;:ovazio?

10.64 Newton elaborou uma teoria incorreta de gases na qualele supes que todas as moleculas repeliam as paredes dorecipiente e se repeliam mutuamente. Portanto, as mole-culas de um gas estao estatica e uniformemente distribui-

das, tentando ficar 0 mais afastado possivel umas dasoutras e das paredes do recipiente. Essa repulsao da ori-gem a pressao. Explique por que a lei de Charles apre-senta argumentos a favor da teoria cinetica molecular econtra 0 modelo de Newton.

10.65 °recipiente A con tern CO(g) a 0 DCe 1 atm. °recipien-te Bcon tern SOz(g) a 20 DCe 0,5 atm. Os dois recipientestern 0 mesmo volume. (a) Qual recipiente contem maismoleculas? (b) Qual con tern mais massa? (c) Em qualrecipiente a energia cinetica media das moleculas emaior? (d) Em qual recipiente a velocidade vmq dasmoleculas e maior?

10.66 Suponha ter dois recipientes de 1 L, urn contendo N2

nas CNTP, 0 outro contendo CH4 nas CNTP. Como es-ses sistemas se comparam com relac;:ao:(a) ao numerode moleculas; (b) a densidade; (c) a energia cinetica me-dia das moleculas; (d) a taxa de efusao por urn vaza-mento por buraco de alfinete?

10.67 (a) Coloque os seguintes gases em ordem crescente develocidade molecular media a 300 K: CO2, Np, HF, F2,

Hz. (b) Calcule e compare as velocidades vmq das mo-leculas de Hz e COz a 300 K.

10.68 (a)Coloque os seguintes gases em ordem crescente de ve-locidade molecular media a 25 DC:Ne, HBr, 502, NF3'CO.(b) Calcule a velocidade vmq das moleculas de NF3a 25DC.

10.69 0 hidrogenio tern dois is6topos naturais, IHe 2H.0 clo-ro tambem tern dois is6topos naturais, 35Cl e 37Cl.Assim, 0 gas cloreto de hidrogenio consiste em ~uatrotipos distintos de moleculas: IH35Cl,IH37Cl,2H5Cl e2H37C1.Coloque essas quatro moleculas em ordem cres-cente de taxa de efusao.

10.70 Como abordado no quadro" A quimica no trabalho" naSe~ao 10.9,0 uranio enriquecido e produzido via difu-sao gasosa de UF6. Suponha que urn processo fosse de-senvolvido para permitir a difusao gasosa de Momosde uranio, U(g). Calcule a razao das taxas de difusaopara 235Ue 238Ue compare-a com a razao para UF6 dadano ensaio.

10.71 0 sufeto de arsenio(III) sublima-se facilmente, mesmoabaixo de seu ponto de fusao de 320°C. Descobre-se

que as moleculas da fase de vapor efundem por urnbu-raco minusculo a 0,28 vezes a taxa de efusao dos ala-mos de Ar nas mesmas condi~6es de temperatura epressao. Qual e a f6rmula molecular do sulfeto de arse-nio(III) na fase gasosa?

10.72 Urn gas de massa molecular desconhecida foi deixadoefundir por uma pequena abertura sob condic;6esdepressao constante. Necessitou-se de 105s para que 1,0Ldo gas efundisse. Sob condi~6es experimentais identi-cas necessitou-se de 31 s para que 1,0L de gas O2efun-disse. Calcule a massa molar do gas desconhecido.(Lembre-se de que quanta mais rapida a taxa de efu-sao, menor 0 tempo necessario para a efusao de 1,0L,is to e, a taxa e 0 tempo sao inversamente proporcio·nais.)

Comportamento de gas nao ideal

10.73 (a) Sob quais condi~6es experimentais de temperatu-ra e pressao os gases em geral se comportam nao ide-almente? (b) Quais as duas propriedades ou caracteris-ticas das moleculas de gas fazem com que elas se com-portem de forma pouco ideal?

10.74 0 planeta JUpiter tern massa 318 vezes a da Terra e asua temperatura superficial e 140K. Mercurio tern mas-sa 0,05 vezes a da Terra e sua temperatura superficialesta entre 600 e 700 K. Em qual planeta a atmosfera emais provavel de obedecer a lei de gas ideal? Explique.

10.75 Explique como a fun~ao PV/RT pode ser usada paramostrar como os gases se comportam de forma poucoideal a altas press6es.

10.76 Para aproximadamente todos os gases reais, a gran-deza PV /RT diminui abaixo do valor de 1, 0 que ca-racteriza urn gas ideal, a medida que a pressao no gasaumenta. Entretanto, a press6es muito mais altas,PV/RT aumenta e passa do valor de 1. (a) Explique aqueda inicial no valor de PV/RT abaixo de 1 e 0 fatode que ele ultrapassa 1 para press6es ainda mais al-tas. (b) Os efeitos que acabamos de observar sao me-

nores para gases a temperaturas mais altas. Por queisso acontece?

10.77 Com base em suas respectivas constantes de van derWaals (Tabela 10.3),qual se espera comportar-se comourn gas ideal a altas press6es, Ar ou CO/ Justifiquesuaresposta.

10.78 Explique brevemente 0 significado das constantes a ebna equa~ao de van der Waals.

10.79 Calcule a pressao que 0 CC14exercera a 40°C se 1,00mol ocupa 28,0 L, supondo que (a) 0 CCl4 obedeceaequa~ao do gas ideal; (b) 0 CCl4 obedece a equac;aodevan der Waals. (Os valores para as constantes de vander Waals sao dados na Tabela 10.3.)

10.80 Verifica-se que a constante de van der Waals b e igualaquatro vezes 0 volume total realmente ocupado pelasmoleculas de urn mol de gas. Usando esse dado, calculea fra~ao do volume no recipiente realmente ocupadopelos Momos de Ar (a) nas CNTP; (b) a 100atm depres-sao e 0 0c. (Suponha para simplifica~ao que a equa<;aodo gas ideal ainda se aplique.)

10.81 Considere 0 aparelho a seguir, que mostra os gases emdois recipientes e urn terceiro recipiente vazio. Quandoas torneiras sao abertas e os gases misturados, qual e adistribui~ao dos Momos em cada recipiente, supondoque os recipientes sao de volumes iguais e ignorando 0

volume do tubo que os conecta?

10.82 Suponha que 0 mercurio usado para fazer urn baro-metro tenha algumas gotas de agua presas nele quesobem para 0 topo do mercurio no tubo. 0 barometro

mostrara a correta pressao atmosferica? Justifique suaresposta.

10.83 Uma bolha de gas com volume de 1,0 mm3 origina-seno fundo de urn lago onde a pressao e 3,0 atm. Calculeseu volume quando a bolha atingir a superficie do lagoonde a pressao e 695 torr, supondo que a temperaturanao varie.

10.84 Para diminuir a taxa de evapora~ao de urn filamentodetungstenio, 1,4 x 10-5 mol de argonio e colocado emuma lampada de 600 cm3.Qual e a pressao de argoniona lampada a 23°C?

10.85 0 propano, C3Hg, liquefaz-se sob press6es modestas,perrnitindo que uma grande quantidade seja estocadaem urn recipiente. (a) Calcule a quantidade de materiado gas propano em urn recipiente de 110L a 3,00atme27°C. (b) Calcule a quantidade de materia do propano

liquido que pode ser estocada no mesmo volume se adensidade do liquido for 0,590gl mL. (c)Calcule a ra-zao entre a quantidade de materia do liquido e aquantidade de materia do gas. Discuta essa razao aluz da teoria cinetica dos gases.Qual e a massa total (em gramas) de 02 em um quartoque mede (10,0 x 8,0 x 8,0)pes3 se 0 ar no quarto estanas CNTP e contem 20,95%de 02'° carbonil de niquel, Ni(CO)4' e uma das muitassubstancias toxicas conhecidas. A concentra~ao ma-xima permitida na atualidade no ar de um laborato-rio durante urn dia de trabalho de 8 horas e 1 parteem 109

. Suponha 24°C e 1,00atm de pressao. Qual e amassa de i(CO)4perrnitida em um laboratorio quetem 54 m2 de area, com um teto de 3,1 m de altura?Considere 0 arranjo de bulbos mostrados na ilustra"ao.

VolumePressao

1,0 L265 torr

1,0 L800 torr

0,5 L532 torr

Cada um dos bulbos contem um gas a pressao mos-trada. Qual e a pressao do sistema quando todas astorneiras estao abertas, supondo que a temperaturapermanece constante? (Podemos desprezar 0 volumedos tubos capilares que conectam os bulbos.)

10.89 Suponha que um cilindro de motor de automovel te-nha volume de 524cm3

. (a)Se 0 cilindro esta cheia dear a 74°C e 0,980atrn, qual a quantidade de materiade 02 presente? (Afra"ao em quantidade de materia de02 no ar seco e 0,2095.)(b) Quantos gramas de CSH1S

poderiam ser queimados por essa quantidade de 02'supondo a combustao completa com forma~ao deCO2 eHp?

[10.90] Amonia, NH3(g), e cloreto de hidrogenio, HCl(g), re-agem para formar cloreto de amonio solido,NH4CI(s):

NH3(g) + HCI(g) ------'» H4Cl(s)

Dois frascos de 2,00L a 25°C saDconectados por umatorneira, como mostrado na ilustra~ao. Um frascocontem 5,00 g de H3(g) e 0 outro contem 5,00 g deHCl(g). Quando a torneira e aberta, os gases reagemate um deles ser completamente consumido. (a)Qualgas permanecera no sistema depois que a rea~ao secompletar? (b) Qual sera a pressao final no sistemadepois que a rea"ao se completar? (Despreze 0 volu-me do cloreto de amonio formado.)

10.91 Uma amostra de 1,42 g de helio e uma quantidadenao medida de 02 saD rnisturadas em um frasco atemperatura ambiente. A pressao parcial do helio nofrasco e 42,5torr, e a pressao parcial do oxigenio e 158torr. Qual e a massa de oxigenio no recipiente?

[10.92] Uma mistura dos gases 02 e Kr possui densidadeigual a 1,104 g/L, sob pressao de 435 torr e 300 K.Qual e a porcentagem em quantidade de materia do02 nessa mistura?

[10.93] Um recipiente de vidro adaptado com urna torneiratem massa de 337,428 g quando esta sob vacuo.Quando cheio com Ar, ele tem massa de 339,854g.Quando evacuado e novamente cheio com uma mis-tura de Ne eAr, sob as mesmas condi,,6es de tempe-ratura e pressao, possui massa de 339,076g. Qual e aporcentagem em quantidade de materia de Ne narnistura de gases?

[10.94] A densidade de um gas de massa molar desconheci-da foi medida como uma fun~ao da pressao a ° DC,como na tabela a seguir. (a) Determine uma massamolar precisa para 0 gas. (Dica: fa~a0 grafico diP ver-sus P.) (b) Por que diP nao e uma constante como umafun~ao da pressao?

Pressao(atm)

Densidade(g/L)

Imagine que, quando Torricelli teve sua grande ideiapara construir urn manometro de mercurio, ele cor-reu ao laboratorio e encontrou os seguintes objetosde vidro:

Qual deles teria sido satisfatorio para seu uso na for-ma~ao do primeiro manometro? Explique por que osinsatisfatorios nao teriam funcionado.Considere 0 aparelho usado no Exercfcio 10.90.Umgas a 1 atm de pressao esta contido no frasco da es-querda, e 0 frasco a direita esta evacuado. Quando atorneira e aberta, 0 gas expande-se para encher am-bos os frascos. Uma varia"ao muito pequena de tem-peratura e observada quando essa expansao ocorre.Explique como essa observa~ao se relaciona com asuposi"ao 3 da teoria cinetica molecular, Se~ao10.7.Em um unico grafico, esboce qualitativamente a dis-tribui~ao das velocidades moleculares para (a) Kr(g)a 250DC;(b) Kr(g) a ° DC;(c) Ar(g) a ° dc.° efeito da atra"ao molecular nas propriedades deum gas torna-se mais significante ou menos signifi-cante se: (a)0 gas e comprimido para urn volume me-nor a temperatura constante; (b) a temperatura dogas aumenta a volume constante.Grandes quantidades de gas nitrogenio saD usadasna fabrica~ao de amonia, principalmente para usoem fertilizantes. Suponha que 120,00kg de N2(g) esta

estocado em um cilindro metilico de 1.100,0L a 280 DC.(a) Calcule a pressao do gas supondo 0 comporta-mento de gas ideal. (b) Usando os dados na Tabela10.3, calcule a pressao do gas de acordo com a equa-

\ao de van der Waals. (c)Sob as condi\oes desse proble-ma, qual a corre\ao que domina, aquela para 0 vohunefinito das moleculas de gas ou aquela para as intera-\oes atrativas?

Exerdcios cumulativos

10.100 °ciclopropano, gas usado com 0 oxigenio como anes-tesico geral, e compos to de 85,7%de C e 14,3%de H emmassa. (a) Se 1,56g de ciclopropano tem um volume de1,00L a 0,984atm e 50,0 DC, qual e a formula moleculardo ciclopropano? (b) Julgando a partir de sua formulamolecular, voce espera que 0 ciclopropano desvie maisou menos do que Ar do comportamento de gas ideal apressoes moderadamente altas e a temperatura am-biente? Justifique sua resposta.

10.101 No quadro "A quimica no trabalho" sobre gasodu-tos, na Se\ao 10.5, menciona-se que a entrega total degas natural (metano, CH4) as varias repioes dos Esta-dos Unidos esta na ardem de 2,7 x 101 L por dia, me-didas nas CNTP. Calcule a varia\ao total de entalpiapara a combustao dessa quantidade de metano.(Observe: uma quantidade menor que essa de metanoe na realidade queimada diariamente. Parte do gasentregue e passada par regioes.)

[10.102] Um gas forma-se quando 0 enxofre elementar e aque-cido cuidadosamente com AgF. °produto inicial en-tra em ebuli\ao a 15 DC. Experimentos em variasamostras produziram densidade do gas de 0,803 ±0,010 g/L para 0 gas alSO mm de pressao e 32 DC.Quando 0 gas reage com a agua, todo 0 fluor e con-vertido em HF aquoso. Outros produtos saD enxofreelementar, S&,e outros compostos contendo enxofre.Umaamostra de 480 mL de gas seco a 126 mm de pressao e28 DC, quando em rea\ao com 80 mL de agua, produ-ziu uma solu\ao 0,081 mol/L de HF. °produto gaso-so inicial sofre transforma\ao durante um periodopara um segundo composto com as mesmas formu-las minima e molecular, que entra em ebuli\ao a -10 Dc.(a) Determine as formulas minima e molecular doprimeiro compos to formado. (b) Desenhe no minimaduas estruturas de Lewis coerentes que representemo composto inicial e aquele no qual ele e transforma-do com 0 decorrer do tempo. (c) Descreva as prova-veis geometrias desses compostos e fa\a umaestimativa das distancias das liga\oes simples, tendosido dado que a distancia de liga\ao S - S no S8e 2,04A e a distancia F - F no F2 e 1,43 A.

10.103 °gas dioxido de cloro (Cl02) e usado como urn agen-te alvejante comercial. Ele alveja os materiais oxidan-do-os. No curso dessas rea\oes, 0 Cl02 e reduzido.(a) Qual e a estrutura de Lewis para 0 Cl02? (b) Porque voce acha que 0 Cl02 e reduzido tao rapidamen-te? (c) Quando uma molecula de Cl02 ganha um ele-tron, forma-se 0 ion clorito, Cl02-. Desenhe aestrutura de Lewis para 0 ion Cl02-. (d) Determine 0

angulo da liga\ao °-Cl- °no ion Cl02-. (e) Um me-

todo de preparar Cl02 e pela rea\ao do claro com 0

clarito de sodio: Cl2(g) + 2NaCl02(s) -----'> 2Cl02(g)+ 2NaCI(s). Se voce deixar 10,0 g de NaCI02 reagircom 2,00 L de gas cloro a pressao de 1,50 atm a 21°C,quantos gramas de Cl02 podem ser preparados?

[10.104] °gas natural e muito abundante em muitos camposde petroleo do Oriente Medio. Entretanto, os custosde transpartar 0 gas para os mercados em outraspartes do mundo saDaltos porque e necessario lique-fazer 0 gas, que e principalmente metano e por issotem um ponto de ebuli\ao a pressao atmosferica de-164 DC.Uma possivel estrategia e oxidar 0 metana ametano!, CI-LpH, que tem um ponto de ebuli\ao de 65°ce que pode, assim, ser transportado mais facilmente.Suponha que 10,7 x 109 pes3 de metana a pressao at-mosferica e 25 DCsejam oxidados a metanol. (a) Qualo volume de metanol farmado se a densidade doCHpH for 0,791 g/L? (b) Escreva as egua\oes qui-micas balanceadas para as oxida\oes do metano emetanol em CO2(g) e HP(I). Calcule a varia\ao totalde entalpia para a combustao completa da quantida-de equivalente de metanol, como calculado no item(a). (c)°metano, quando liquefeito, tern densidadede 0,466 g/mL; a densidade do metanol a 25°C e0,791 g/L. Compare a varia\ao de entalpia na com-bustao de uma unidade de volume de metano liqui-do e metanol lfquido. Do ponto de vista deprodu\ao de energia, qual substancia tem a maiorentalpia de combustao par unidade de volume?

[10.105] °pentafluoreto de iodo gasoso, IFs' pode ser prepa-rado pela rea\ao de iodo solido e fluar gasoso:

lis) + 5F2(g) -----'> 2IFs(g)Adicionam-se a um frasco de 5,00 L con tendo 10,0gde 1210,0 g de F2 e a rea\ao prossegue ate que um dosrea gentes seja completamente consumido. Depoisdea rea\ao se completar, a temperatura no frasco e125 DC.(a) Qual e a pressao parcial de IFs no frasco?(b) Qual e a fra\ao em quantidade de materia de IPsno frasco?

[10.106] Uma amostra de certa mistura de carbonato de mag-nesio e carbonato de calcio e tratada com excessodeacido claridrico. A rea\ao resultante produz 1,72Ldegas dioxido de carbono a 28 DCe 743 torr de pressao.(a) Escreva equa\oes quimicas balanceadas para asrea\oes que ocorrem entre 0 acido clorfdrico e cadaum dos componentes da mistura. (b) Calcule a quan-tidade de materia total de dioxido de carbono queseforma a partir dessas rea\oes. (c) Supondo que asrea-\oes sejam completas, calcule a porcentagem emmassa de carbonato de magnesio na mistura.