Atmosfera: Temperatura, Pressão e Densidade em função da altitude

 

Quantidade em Química Volume Molar e Densidade de um gás
Relação pressão-nº de moléculas de um gás Relação pressão-volume de um gás
Relação pressão-temperatura de um gás Relação volume-temperatura de um gás
Relação volume-nº de partículas de um gás Aplicações

 

 

 

Mole de uma substância: número de Avogadro de partículas

A pressão que a atmosfera exerce sobre a superfície terrestre ou sobre uma nave que sobrevoe a Terra a uma dada altitude relaciona-se com a densidade dos gases da atmosfera, que está relacionada com o número de partículas dos gases aí existentes.

O número de partículas existente numa pequena porção de matéria é muito grande e, para o exprimir, utilizamos o número de Avogadro (NA), em homenagem ao físico italiano Amadeo Avogadro, que o determinou experimentalmente pela primeira vez.

O seu valor é, aproximadamente, 6,022 x 1023 mol-1, o que significa que uma mole de qualquer substância ou material possui um número de partículas igual a 6,022 x 1023.

A mole, símbolo mol, é a unidade da grandeza quantidade de substância, a qual se representa pelo símbolo n.

O número de partículas numa amostra qualquer obtém-se multiplicando a .quantidade química dessas partículas pelo número de Avogadro, isto é, n x NA.

Massa Molar

Chama-se massa molar à massa de 1 mol de determinada substância e representa-se pelo símbolo M e exprime-se usualmente em g mol-1.

A massa molar é expressa pelo mesmo número que a massa atómica relativa (Ar) ou massa molecular relativa (Mr), dando ideia de quantas vezes a massa de uma substância ou elemento é maior que a massa do hidrogénio atómico, ou 1/12 da massa do átomo de carbono 12.

A massa de uma amostra de substância pode ser relacionada com a sua massa molar e a sua quantidade química, tal que m = n x M.

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Volume Molar e Densidade de um gás

A pressão (p) define-se como a intensidade da força (F) exercida por cada unidade de superfície (S), o que se traduz por . A unidade SI de força é o newton (N) e a unidade SI de área é o metro quadrado (m2) logo, a unidade SI de pressão é o newton por metro quadrado (N m-2) a que chamamos pascal (Pa).

Existe outra unidade de pressão muito utilizada, a atmosfera (atm), em que a relação entre esta unidade e a unidade SI é 1 atm = 1,0 x 105 Pa, sendo equivalente à pressão atmosférica normal.

Convencionou-se que as condições normais de pressão e temperatura de um gás, condições PTN, são p = 1 atm e T = 273 K.

As propriedades do estado gasoso podem ser condensadas em:

 

Volume molar

O volume ocupado por uma mole de uma dada substância depende do estado físico em que se encontra.

Entende-se por volume molar, , o volume de uma mole de uma dada substância no estado gasoso, devendo especificar as condições de pressão e temperatura em que esta está.

O volume molar de uma substância no estado gasoso, em condições PTN, é de 22,4 dm3, isto é, .

 

Densidade de um gás

A densidade de uma substância, ou material, também designada de massa volúmica, é a relação entre a massa da amostra dessa substância, ou material, e o volume por ela ocupado. Assume, naturalmente, valores diferentes consoante a temperatura e o estado físico da amostra em questão. Para os gases é sempre necessário especificar as condições de pressão e temperatura em que se encontram.

A densidade é uma grandeza física escalar e pode ser expressa através da relação , em que é a massa da amostra e o volume por ela ocupado.

A unidade SI é o kg m-3, mas vem vulgarmente expressa em g cm-3, ou também em kg dm-3 e g dm-3.

 

Relação entre a densidade de um gás e a sua massa molar

A relação entre estas duas grandezas pode ser compreendida através da análise da seguinte demonstração:

 

Em suma, a densidade de um gás é a relação entre a sua massa molar e o volume ocupado por uma mole desse gás, isto é, o volume molar.

Em condições PTN, .

À medida que aumenta a altitude, os gases atmosféricos tornam-se menos densos, pois estão mais rarefeitos, e, consequentemente, o número de partículas por unidade de volume diminui.

À medida que aumenta a altitude, a densidade da atmosfera diminui.

 

Aplicação

Calcula a densidade do oxigénio molecular, nas condições PTN, em g cm-3, g dm-3 e kg m-3.

(Dados: Ar (O) = 16,00 ; Vm = 22,4 dm3 mol-1 , em condições PTN)

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Relação entre a pressão de um gás e o número de moléculas, a temperatura e volume constantes

Quanto maior for o número de partículas, maior será o número de colisões e, consequentemente, maior será a pressão.

Para um mesmo volume, a temperatura constante, a pressão é directamente proporcional ao número de moléculas, isto é,

Existe então uma relação de proporcionalidade directa entre a pressão de um gás, a temperatura e volume constantes, e o número de partículas.

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Relação entre a pressão de um gás e o volume, a temperatura constante

Lei de Boyle-Mariotte

Quanto menor for o volume ocupado pelo gás, maior será o número de colisões por cada unidade de superfície e, consequentemente, maior será a pressão.

Existe uma relação de proporcionalidade inversa entre a pressão de um gás e o volume por ele ocupado, a temperatura constante.

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Relação entre a pressão de um gás e a temperatura, a volume constante

2ª Lei de Charles e Gay-Lussac

Quanto maior for a temperatura, maior será a energia cinética média das partículas do gás, e consequentemente maior a velocidade dessas mesmas partículas, e, portanto, maior será o número de colisões e o seu grau de intensidade, isto é, maior será a pressão do gás.

Para uma mesma quantidade de gás, ocupando um dado volume, a pressão e a temperatura são grandezas directamente proporcionais.

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Relação entre o volume de um gás e a temperatura, a pressão constante

1ª Lei de Charles e Gay-Lussac

Para uma mesma quantidade de gás, a pressão constante, o volume ocupado pelo gás é directamente proporcional à temperatura.

Quanto maior for a temperatura, maior o volume ocupado pelo gás, mantendo constante a pressão.

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Relação entre o volume de um gás e o número de partículas, a pressão e temperatura constantes

Lei de Avogadro

Para uma mesma quantidade de gás encerrado num recipiente, a uma dada pressão e temperatura, aumentando a quantidade de gás nesse recipiente, sem alteração da temperatura, aumentará o número de colisões, pois passará a existir menor espaço disponível para cada partícula.

Para garantir que a pressão se mantenha constante, o volume do recipiente onde o gás está colocado deverá aumentar.

Nas mesmas condições de pressão e temperatura, o volume ocupado por um gás é directamente proporcional à sua quantidade química, isto é, o número de moles.

Amadeo Avogadro afirmou que: "Volumes iguais de gases diferentes, nas mesmas condições de pressão e temperatura, contêm o mesmo número de partículas."

Como , se , então, .

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Aplicações dos conceitos anteriores

  1. Num recipiente fechado com a capacidade de 500 mL foram encerradas 34,08 g de amoníaco, NH3.
    1. Calcula a quantidade de amoníaco presente no recipiente.
    2. Explica qual o nº de átomos de azoto e de hidrogénio que se encontram na referida quantidade de amoníaco.
    3. Mostra qual a quantidade de amoníaco tem de se retirar para que a pressão se mantenha, se esta amostra de amoníaco for transferida para um outro recipiente com metade da capacidade do anterior, mantendo a temperatura constante.

            Resolução

     

  2. Considera uma amostra com 11,00 g de dióxido de carbono, CO2, encerrada num recipiente fechado, em condições PTN.
    1. Calcula a quantidade de dióxido de carbono contido no recipiente.
    2. Determina o volume ocupado por este gás nas condições referidas.
    3. Explica qual é a densidade deste gás nas condições referidas.
    4. Supõe que esta mesma quantidade de dióxido de carbono é encerrada num outro recipiente com 10 dm3 de capacidade, e que a temperatura se mantém constante.
      1. Indica o que acontece à pressão que o gás agora exerce sobre as paredes do recipiente.
      2. Determina, nas novas condições, a densidade do dióxido de carbono.

            Resolução

     

  3. Pretende-se preparar 250 mL de uma solução aquosa 0,40 mol dm-3 em sulfato de sódio.
    1. Calcula a massa de soluto presente na solução.
    2. Determina a concentração molar e a concentração mássica desta solução.
    3. Indica a equação que traduz a dissociação deste sal na água.
    4. Explica qual é a concentração molar em iões sódio e em iões sulfato na solução de sulfato de sódio.
    5. Mostra que volume de água desionizada se deve adicionar à solução inicial para se obter uma solução 0,10 mol dm-3 em sulfato de sódio.

            Resolução

     

  4. Misturaram-se 250 g de água com 250 g de acetona.
  5. Dados: r água = 1,0 g cm-3 e r acetona = 0,79 g cm-3

    1. Explica que volumes de água e acetona se misturaram.
    2. Calcula a percentagem %(V/V) de cada uma destas substâncias na mistura resultante.

            Resolução

     

  6. Determina o volume de etanol num recipiente de 0,75 dm3 a 95%(V/V).

  7.         Resolução

     

  8. Explica qual é a fracção molar de hidróxido de sódio numa solução a 25%(m/m).

        Resolução

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Bibliografia:

Mendonça, Lucinda Santos; Dantas, Mª da Conceição; Ramalho, Marta Duarte; Jogo de Partículas; Química; Ciências Físico-Químicas; 10º ano; Texto Editora; Unidade 2; págs. 149 a 167

Mendonça, Lucinda Santos; Dantas, Mª da Conceição; Ramalho, Marta Duarte; Jogo de Partículas; Química; Ciências Físico-Químicas; 10º ano; Texto Editora; Material Fotocopiável