Estudo dos Gases

Teoria cinética dos gases

Características de uma substância no estado gasoso - Não tem forma e nem volume próprios. Um gás tem a forma do recipiente onde está contido e ocupa todo o espaço limitado pelas paredes do recipiente. O volume de um gás é o volume do recipiente onde está contido.

Modelo do estado gasoso (teoria cinética dos gases) - Um gás é constituído por moléculas isoladas, separadas umas das outras por grandes espaços vazios em relação ao seu tamanho e em contínuo movimento de translação, rotação e vibração.

Gás ideal

Gás ideal ou gás perfeito - É um modelo teórico. É um gás que obedece às equações p·V/T = k e p·V = n·R·T, com exatidão matemática.
Na prática, temos gases reais. Um gás real tende para o gás ideal quando a pressão tende a zero e a temperatura se eleva.

Lei de Boyle e lei de Charles e Gay-Lussac

Lei de Boyle - A temperatura constante, o volume ocupado por uma quantidade fixa de um gás é inversamente proporcional à sua pressão.

P·V = k = constante

Lei de Charles e Gay-Lussac - A volume constante, a pressão de uma massa fixa de um gás varia linearmente com a temperatura do gás em graus Celsius.

A pressão constante, o volume de uma massa fixa de um gás varia linearmente com a temperatura do gás em graus Celsius.

Com a introdução da escala absoluta, as leis de Charles e Gay-Lussac foram assim enunciadas:

• A volume constante, a pressão de uma massa fixa de gás é diretamente proporcional à temperatura absoluta do gás.
• A pressão constante, o volume de uma massa fixa de gás é diretamente proporcional à temperatura absoluta do gás.

Equação geral dos gases perfeitos

(número de mols constante)

Volume molar de um gás

Volume molar é o volume de um mol de substância.
O volume molar de um gás é constante para todos os gases a uma mesma pressão e temperatura.

Nas CNTP, o volume molar é igual a 22,4 L/mol.

Densidade de um gás

Densidade de um gás nas CNTP:

Densidade de um gás a uma pressão p e temperatura T:

Densidade de um gás A em relação a um gás B:

Densidade de um gás A em relação ao ar:

A Teoria Cinética dos Gases
O modelo utilizado para descrever o estado gasoso é a Teoria Cinética dos Gases. Esta teoria baseia-se nos seguintes postulados:
a- As unidades elementares encontram-se em rápido e constante movimento em linha reta;
b- As distâncias entre elas são muito grandes em relação ao seu tamanho;
c- Pode ser desprezado a interação entre as unidades elementares;
d- Quando ocorrem colisões entre as unidades elementares, a energia é conservada;
e- A temperatura é uma medida da energia cinética média das unidades elementares.
Além da temperatura, duas outras grandezas são fundamentais na descrição de um gás, que são a pressão e o volume. Quando um gás é colocado em um recipiente fechado, conforme a figura baixo, as suas unidades elementares estarão se movimentando em linha reta, em todas as direções e a altas velocidades. Desta maneira, rapidamente elas ocuparão todo o recipiente, adotando então o seu volume. Durante o movimento, elas irão colidir entre si e também com as paredes do recipiente. Cada colisão sobre as paredes irá exercer uma pequena forca sobre ela. Como a pressão é definida pela força exercida sobre uma determinada área (P = F / A), a pressão total será dada pelo somatório de todas as colisões sobre a área total do recipiente. A relação entre as diversas grandezas que definem o estado gasoso foram descritas pelas: Lei de Avogadro, Lei de Boyle e Lei de Charles. Buscando uma lei geral para descrever o Estado Gasoso foi proposta inicialmente a Lei dos Gases Combinada, associando as Leis de Boyle e Charles, e finalmente a Lei dos Gases Ideais, a qual conseguiu reunir as três leis básicas. Utilizando ainda os conceitos de pressão e volume parciais, pela Lei de Dalton, pode-se utilizar aplicar estas leis para misturas gasosas.

Metais

Metais

Metalurgia é a seqüência de processos que visa à obtenção de um elemento metálico a partir de seu minério.

Alguns metais são encontrados livres na natureza na forma de substância simples, também chamada "forma nativa". Esses metais são chamados de metais nobres e se encontram isolados devido a sua baixa reatividade.

Metais como o ferro, o estanho, o zinco e o manganês são obtidos através de reações químicas onde ocorre a redução do metal. O ferro, por exemplo, pode ser obtido a partir da hematita:

Fe₂O₃ + 3 CO ® 2 Fe + 3 CO₂

a hematita reage com o monóxido de carbono produzindo ferro metálico e gás carbônico.

Esta é uma reação de óxido-redução, onde o CO é o agente redutor (causou a redução do ferro).

Metais muito reativos, como o magnésio, alumínio e o sódio são obtidos a partir dos minérios através de eletrólise. A eletrólise é a decomposição do minério através da corrente elétrica.

Ferro

Possui pouca utilidade quando puro, mas misturado com outros elementos, obtêm-se ligas com propriedades extremamente úteis.

Liga é toda substância metálica, resultante da união íntima entre dois ou mais elementos, onde um pelo menos, é metal.

Dentre as ligas que contêm ferro, a mais importante é o aço, formado por ferro e carbono em proporções adequadas. A adição de outros elementos proporciona a obtenção de aços especiais. Um exemplo disso é o aço inoxidável (adição de níquel e cromo).

O ferro em presença do ar, oxida-se, resultando a ferrugem:

4Fe + 3 O₂ ® 2 Fe₂O₃

A reação é catalisada pelo vapor-d’agua do ar.

Cobre

Metal bem menos freqüente na natureza do que o ferro. É utilizado, principalmente, na indústria de equipamentos elétricos, já que é um ótimo condutor elétrico.

É usado também na fabricação de ligas:

Quando exposto ao ar úmido com gás carbônico o cobre lentamente se oxida, ficando coberto com uma camada esverdeada chamada de zinabre, cuja fórmula é:

CuCO₃ · Cu(OH)₂

Alumínio

Metal mais abundante da crosta terrestre. Leve e muito resistente se mostra ideal para uma série de aplicações, por exemplo:

·         revestimento de aviões e navios

·         fabricação de portões, janelas, etc.

·         fabricação de rodas de automóvel

·         fabricação de "latinhas" de refrigerante e embalagens em geral

O alumínio não sofre corrosão porque ao reagir com o oxigênio do ar forma-se Al₂O₃, que adere ao alumínio, formando uma película protetora.

Ouro

É o metal mais maleável. Não é atacado por nenhum ácido. Pode ser encontrado isolado na natureza, sob a forma de veios ou pepitas. Pepitas são pequenos pedaços de ouro que se encontram misturados com sedimentos acumulados em vales fluviais. Veios são incrustações do metal presentes em rochas.

O ouro puro não pode ser utilizado na confecção de jóias, justamente por ser muito maleável. Geralmente o que se faz é misturá-lo com cobre e/ou prata, a fim de obter um material menos sujeito a deformação.

O ouro puro é denominado "ouro 24 quilates". "Ouro 18 quilates" significa que em cada 24 gramas do material, 18 gramas são de ouro, e o restante é cobre e/ou prata.

Prata

Além do uso em joalheria é utilizada também para fabricar espelhos, medalhas, e utensílios de mesa. É também utilizada na indústria eletrônica e na de materiais fotográficos.

A chamada "prata de lei" é uma liga de 92,5% de prata com 7,5% de cobre.

A prata escurece com o tempo após reagir com substâncias que contenham enxofre, devido a formação de uma camada superficial de sulfeto de prata.

Mercúrio

É o único metal líquido.

É utilizado na fabricação de termômetros e barômetros, nas obturações dentárias, fabricação de pilhas especiais, mineração de ouro, etc..

Não é tóxico quando sólido ou líquido, já os vapores e os compostos, quando ingeridos, podem ser facilmente absorvidos pelo organismo, sendo altamente venenosos.

Modelos atômicos

MODELOS ATÔMICOS

Dalton:

       Dalton foi o primeiro cientista a desenvolver uma teoria atômica, segundo a qual a matéria se compõem de pequeníssimas partículas indestrutíveis chamadas átomos. De acordo com essa teoria, os átomos de determinada substância ou elemento são idênticos entre si, mas são diferentes dos átomos dos outros elementos.

       Verificou ainda que as reações químicas não passam de uma redisposição dos átomos, e que, para se obter um composto de substâncias diversas, é preciso formar átomos compostos contendo um número definido de átomos de cada elemento. Essa teoria já está ultrapassada hoje em dia.

Rutherford:

       Propôs um modelo atômico: o átomo seria como um sistema solar em miniatura, cujo "sol" - o núcleo - concentra quase toda a massa e toda a carga positiva do sistema; gravitando em torno do núcleo, em órbitas elípticas, estão os elétrons, cuja soma de cargas negativas é igual a carga positiva nuclear com o que se tem o equilíbrio elétrico e a conseqüente estabilidade do conjunto. O dinamarquês Bohr deu uma fundamentação teórica ao modelo.

Bohr:

       Sugeriu que um átomo de hidrogênio consistia em um único elétron perfazendo uma órbita circular ao redor de um próton central (o núcleo), sendo a energia do próton quantizada (isto é, o elétron poderia carregar apenas uma quantidade bem definida de energia). Com esse modelo, conseguiu explicar a origem das bolsas espectrais.

NÚMERO MÁXIMO DE ELÉTRONS NOS NÍVEIS DE ENERGIA

       Os elétrons da eletrosfera distribuem-se em sete camadas eletrônicas que são designadas pelas letras do alfabeto: K,L,M,N,O,P,Q. Os elétrons de cada uma das camadas possuem uma quantidade de energia sempre inferior à da camada seguinte. A quantidade de energia dos elétrons determina um nível de energia que recebe um valor numérico denominado número quântico. Cada número quântico corresponde a uma camada eletrônica.

       Seja qual for a última camada de um átomo, ele nunca pode possuir mais de 8 elétrons. A penúltima camada geralmente tem 8 ou 18 elétrons. Quando um átomo se combina com outro, há uma tendência a completar-se o n° máximo de elétrons da última camada.

ISÓTOPOS, ISÓBAROS, ISÓTONOS

Isótopos:

       São átomos do mesmo elemento químico, com o mesmo número atômico (prótons representado por Z), porém n° de massa (prótons + nêutrons, representado por A) diferentes. Ex: O carbono 12 é isótopo do carbono 14, porque o 12 tem Z=6 e A=12, e o 14 tem Z=6 e A=14.

Isóbaros:

       São átomos com diferentes n°s atômicos. Portanto, Pertencem a elementos químicos diferentes, mas tem o mesmo número de massa. Ex: O potássio 40 é isóbaro do cálcio 40, porque o potássio 40 tem Z=19 e A=40, e o cálcio 40 tem Z=20 e A=40.

Isótonos:

       São átomos de elementos químicos diferentes, de diferentes números atômicos, diferentes números de massa, e mesmo número de nêutrons. Ex: o hidrogênio 3 é isótono do hélio 4, porque o H tem Z=1 e A=3, então tem 2 nêutrons (A-Z), e o hélio tem Z=2 e A=4, então também tem 2 nêutrons.

Radioatividade

Radioatividade

1.      Emissões radioativas naturais

2.      Séries radioativas naturais

3.      Cinética das radiações

4.      Fissão atômica e fusão nuclear

Emissões radioativas naturais 

Radioatividade é a emissão espontânea de partículas e/ou radiações de núcleos instáveis.

Séries radioativas naturais

Elementos radioativos naturais - Todos com Z £ 84; parte dos que têm Z entre 81 e 83. São exceções os isótopos radioativos naturais com Z < 81.

Séries radioativas naturais

·         Série do urânio ²³⁸U ® ²⁰⁶Pb (4n + 2)

·         Série do tório ²³²Th ® ²⁰⁸Pb (4n)

·         Série do actínio ²³⁵U ® ²⁰⁷Pb (4n + 3)

Contador Geiger-Muller é o aparelho usado para detectar radioatividade. As emissões radioativas ionizam os gases, tornando-os condutores de eletricidade; este é o princípio de funcionamento do aparelho.

Cinética das radiações

v = k·N
v = velocidade de desintegração ou atividade radioativa
k = constante radioativa
N = número de átomos do elemento radioativo

Meia-vida (t_1/2) é o tempo depois do qual metade dos átomos da amostra se desintegra.

k·t_1/2 = 0,693

Vida média = 1/k

A velocidade de desintegração ou atividade radioativa não depende de fatores externos como pressão e temperatura, nem da substância sob a qual se apresenta o elemento radioativo. Só depende do número de átomos N do elemento radioativo presente na amostra.

Transmutação artificial (Rutherford, 1919)

¹⁴N + ⁴a ® ¹⁷O + ¹p

A partir dessa, muitas outras transmutações foram conseguidas.

Fissão atômica e fusão nuclear

Fissão atômica - Transmutação com divisão do núcleo, dando dois núcleos menores. É a transmutação da bomba atômica. 

Fusão nuclear - Transmutação com união de dois núcleos, dando um único núcleo. É a transmutação da bomba de hidrogênio.

Teoria das Soluções

Quando duas ou mais substâncias são misturadas, diversas situações são possíveis:

a) As forças de interação dos componentes puros são alteradas, surgindo um novo balanço de forças que inclui interações entre todos os componentes. Neste caso, o sistema adquire uma distribuição homogênea de todos os compostos que o formam. Esta mistura é denominada então de mistura homogênea, possuindo uma única fase;
b) Os componentes da mistura mantêm as forças de interação que possuíam quando puros, não ocorrendo interação entre os diversos componentes a nível molecular. Neste caso, o sistema possui heterogeneidades na sua composição. Esta mistura é denominada então de mistura heterogênea e possui diversas fases;
c) Finalmente, existem sistemas intermediários entre os homogêneo e heterogêneo: os colóides. Os colóides ocorrem quando existe uma fase de dimensões muito pequenas (as quais não podem ser vistas a olho nu) dispersa uniformemente sobre outra de forma estável.

        As misturas homogêneas são também conhecidas como soluções. Nestes sistemas, um ou mais componentes (soluto) são dissolvidos em outro que possui maior quantidade (solvente). A quantidade máxima possível de um soluto na solução é definida com sendo a sua solubilidade no solvente. Tanto o solvente quanto o(s) soluto(s) podem apresentar-se nos três estados físicos, sendo que a solução geralmente permanece no estado do solvente. Portanto, podem ser verificadas soluções gasosas, líquidas ou sólidas. Na tabela abaixo, as diversas situações possíveis para uma solução são apresentadas.