UNIDADE 2 – NA ATMOSFERA DA TERRA: RADIAÇÃO, MATÉRIA E ESTRUTURA 2.1. MOLE. NÚMERO DE AVOGADRO. MASSA MOLAR 2.2. VOLUME MOLAR E DENSIDADE DE UM GÁS 2.3. MISTURAS NA ATMOSFERA. CONCENTRAÇÃO DE SOLUÇÕES Escola Secundária Maria Lamas – Torres Novas Física e Química A – 10º Ano Nelson Alves Correia

Objectivos Estabelecer uma relação, para uma dada pressão e temperatura, entre o volume de um gás e o número de partículas nele contido. Relacionar a densidade de uma substância gasosa com a sua massa molar. Relacionar a variação da densidade da atmosfera com a altitude. Indicar o significado de solução, colóide e suspensão. Identificar soluções, colóides e suspensões em situações do quotidiano.

Objectivos Reconhecer que a atmosfera é formada por uma solução gasosa, na qual se encontram outras dispersões como os colóides e suspensões, na forma de material particulado. Calcular a composição quantitativa de uma solução em termos de concentração, concentração mássica, percentagem em massa, percentagem em volume, fracção molar e partes por milhão.

CONTEÚDOS Mole Massa Molar Características de um Gás Relação entre a Pressão, o Número de Moléculas, o Volume e a Temperatura Volume Molar Densidade de um Gás Dispersões Concentração de uma Solução Diluição de Soluções Exercícios

MOLE Quantidade química ou quantidade de substância (n) – Número de partículas (ex: átomos, moléculas e iões). Mole (mol) – Unidade de medida da quantidade química: 1 mol = 6,022 x 1023 ≈ 6 x 1023 partículas = número de Avogadro ou constante de Avogadro (NA); Número de partículas = mol x 6 x 1023

MOLE 1 mol H2O  2 mol H + 1 mol O  6 x 1023 moléculas de H2O  12 x 1023 átomos de H + 6 x 1023 átomos de O 2 mol CaCl2  2 mol Ca2+ + 4 mol Cl-  12 x 1023 iões de Na+ + 24 x 1023 iões de Cl-

MOLE

MASSA MOLAR Massa molar (M) – Massa de 1 mol de substância. A unidade de medida é o grama por mole (g/mol­ ou g mol-1). O valor da massa molar é igual ao valor da massa atómica relativa (Ar) ou da massa molecular relativa (Mr). Ar (H) = 1,0  M (H) = 1,0 g/mol­ Mr (H2O) = 18,0  M (H2O) = 18,0 g/mol­

MASSA MOLAR Podemos relacionar a massa (m) de uma substância com a sua massa molar (M) e a sua quantidade química (n) através das expressões:

MASSA MOLAR

CARACTERÍSTICAS DE UM GÁS Há muito espaço vazio entre as partículas de um gás. As partículas estão praticamente livres, movimentam-se ao acaso e ocupam todo o volume do recipiente. O gás não tem volume constante e não tem forma própria (varia com o recipiente). O gás é muito compressível (quando se comprime um gás, as suas partículas aproximam-se e o seu volume diminui). A pressão que um gás exerce sobre uma superfície, resulta dos choques das partículas do gás contra essa superfície.

CARACTERÍSTICAS DE UM GÁS

CARACTERÍSTICAS DE UM GÁS A unidade SI de pressão é o pascal (Pa): 1 Pa = 1N / 1 m2 Outras unidades de pressão: atmosfera (atm), torricelli (torr) e milímetro de mercúrio (mm Hg) - 1 atm = 1,0 × 105 Pa = 760 torr Condições normais de pressão e de temperatura de um gás (PTN): p = 1 atm e T = 273 K A pressão de um gás varia com o número de partículas, o volume do recipiente e a temperatura.

RELAÇÃO ENTRE A PRESSÃO, O NÚMERO DE MOLÉCULAS, O VOLUME E A TEMPERATURA Para um volume e temperatura constantes, a pressão é directamente proporcional ao número de moléculas: p / n = constante  p1 / n1 = p2 / n2  p1 / p2 = n1 / n2 Quanto maior for o número de moléculas, maior será o número de choques e a pressão aumenta.

RELAÇÃO ENTRE A PRESSÃO, O NÚMERO DE MOLÉCULAS, O VOLUME E A TEMPERATURA

RELAÇÃO ENTRE A PRESSÃO, O NÚMERO DE MOLÉCULAS, O VOLUME E A TEMPERATURA Para um número de moléculas e temperatura constantes, a pressão é inversamente proporcional ao volume (Lei de Boyle-Mariotte): pV = constante  p1V1 = p2V2  p1 / p2 = V2 / V1 Quanto maior for o volume do gás, menor será o número de choques e a pressão diminui.

RELAÇÃO ENTRE A PRESSÃO, O NÚMERO DE MOLÉCULAS, O VOLUME E A TEMPERATURA

RELAÇÃO ENTRE A PRESSÃO, O NÚMERO DE MOLÉCULAS, O VOLUME E A TEMPERATURA Para um número de moléculas e volume constantes, a pressão é directamente proporcional à temperatura (Lei de Gay-Lussac): p / T = constante  p1 / T1 = p2 / T2  p1 / p2 = T1 / T2 Quanto maior for a temperatura do gás, maior será a velocidade das moléculas e o número de choques, e a pressão aumenta.

RELAÇÃO ENTRE A PRESSÃO, O NÚMERO DE MOLÉCULAS, O VOLUME E A TEMPERATURA

RELAÇÃO ENTRE A PRESSÃO, O NÚMERO DE MOLÉCULAS, O VOLUME E A TEMPERATURA Para um número de moléculas e pressão constantes, o volume é directamente proporcional à temperatura (Lei de Charles): V / T = constante  V1 / T1 = V2 / T2  V1 / V2 = T1 / T2 Quanto maior for a temperatura do gás, maior será o número de choques e o volume aumenta.

RELAÇÃO ENTRE A PRESSÃO, O NÚMERO DE MOLÉCULAS, O VOLUME E A TEMPERATURA

RELAÇÃO ENTRE A PRESSÃO, O NÚMERO DE MOLÉCULAS, O VOLUME E A TEMPERATURA Para uma pressão e temperatura constantes, o volume é directamente proporcional ao número de moléculas ou número de moles (Lei de Avogadro): V / n = constante  V1 / n1 = V2 / n2  V1 / V2 = T1 / T2 Quanto maior for o número de moléculas do gás, maior será o número de choques e o volume aumenta.

RELAÇÃO ENTRE A PRESSÃO, O NÚMERO DE MOLÉCULAS, O VOLUME E A TEMPERATURA

VOLUME MOLAR Nas mesmas condições de pressão e temperatura, volumes iguais de gases diferentes, contêm o mesmo número de moléculas: V1 / n1 = V2 / n2  se V1 = V2 então n1 = n2 ou vice-versa Volume molar (Vm) – Volume ocupado por 1 mol de partículas. Nas condições PTN, o volume de 1 mol de um gás é igual a 22,4 dm3: Vm = 22,4 dm3/mol. Nas mesmas condições de pressão e de temperatura, os gases têm o mesmo volume molar.

VOLUME MOLAR O volume ocupado por uma mole de uma substância depende do estado físico em que esta se encontra: 1 mol de água (18 g) no estado líquido ocupa o volume de 18 cm3; a mesma quantidade de água no estado gasoso ocupa o volume de 22 400 cm3, nas condições PTN.

DENSIDADE DE UM GÁS Densidade ou massa volúmica () – Massa de uma substância que existe numa unidade de volume:  = m / V A unidade SI de densidade é kg/m3, mas utiliza-se mais o g/dm3 (g dm­-3) para os gases.

DENSIDADE DE UM GÁS Densidade de uma mole de um gás (nas condições PTN): Massa de 1 mol = massa molar (M) Volume de 1 mol = volume molar (Vm) = 22,4 dm3  = m / V   = M / Vm = M / 22,4 A densidade da atmosfera diminui quando aumenta a altitude, porque o número de partículas e a respectiva massa diminui.

DISPERSÕES Dispersão – É uma mistura de duas ou mais substâncias, em que as partículas da fase dispersa (soluto) estão espalhadas no meio da fase dispersante (solvente). As dispersões são classificadas de acordo com a dimensão das partículas da fase dispersa: Soluções (soluções verdadeiras) – Partículas < 1 nm; Colóides (soluções coloidais) – Partículas entre 1 nm e 1 m; Suspensões – Partículas > 1 m. Nota: 1 nm = 10-9 m; 1 m = 10-6 m

DISPERSÕES As soluções são misturas homogéneas, porque só têm uma fase. Os colóides e as suspensões são misturas heterogéneas, porque têm mais do que uma fase. Nos colóides, as partículas da fase dispersa podem ser vistas ao microscópio. Nas suspensões, as partículas da fase dispersa podem ser vistas a olho nu. A atmosfera é uma solução gasosa. Na atmosfera podem existir colóides, suspensões de gotas de água (o nevoeiro e as nuvens) e suspensões de partículas sólidas (o fumo e o smog). O smog é uma mistura de fumo com nevoeiro.

DISPERSÕES

DISPERSÕES

CONCENTRAÇÃO DE UMA SOLUÇÃO Concentração mássica (cm) – Massa de soluto que existe por unidade de volume da solução: cm = msoluto / Vsolução A unidade SI é o kg/m­3 (também se utiliza o g/cm­3 ou g/dm­3). Concentração molar (c) ou molaridade – Quantidade química de soluto (mol) por unidade de volume de solução: c = mol / Vsolução A unidade SI é o mol/m­3 (também se utiliza o mol/dm­3). c = cm /M

CONCENTRAÇÃO DE UMA SOLUÇÃO Percentagem em massa (% m/m) – Massa de soluto por cada 100 unidades de massa de solução: % m/m = msoluto / msolução × 100 Ex: HCl a 60% m/m – Em 100 g de solução existem 60 g de HCl. Percentagem em volume (% V/V) – Volume de soluto por cada 100 unidades de volume de solução: % V/V = Vsoluto / Vsolução × 100 Ex: Etanol a 96% V/V – Em 100 mL de solução existem 96 mL de etanol e os restantes 4 mL são de água.

CONCENTRAÇÃO DE UMA SOLUÇÃO Partes por milhão (ppm) – Massa ou volume de soluto por um milhão (106) de unidades de massa ou volume da solução: ppm = msoluto / msolução × 106 ou ppm = Vsoluto / Vsolução × 106 Utiliza-se quando a concentração do soluto é muito baixa. 95 ppm de CO2 no ar significa que existem 95 g de CO2 por cada 1000000 g de ar (ou 95 mg de CO2 em 1000000 mg de ar).

CONCENTRAÇÃO DE UMA SOLUÇÃO Fracção molar (xC) – Quociente entre o número de moles do componente C e o número total de moles na solução: xC = nC / ntotal ; xsoluto = nsoluto / ntotal ; xsolvente = nsolvente / ntotal A soma das fracções molares dos diversos componentes de uma solução é igual a um: xsoluto 1 + xsoluto 2 + ... + xsolvente = 1 Molalidade – Número de moles de soluto por quilograma de solvente (mol/kg):

DILUIÇÃO DE SOLUÇÕES Solução concentrada – Solução que tem o valor mais alto de concentração. Solução diluída – Solução que tem o valor mais baixo de concentração. Pode ser preparada a partir de uma solução concentrada, misturando-a com água. Factor de diluição (f) – Indica o número de vezes que a concentração da solução diluída (cf = concentração final) é menor do que a concentração da solução concentrada (ci = concentração inicial ): f = ci / cf

DILUIÇÃO DE SOLUÇÕES Diluir uma solução de HCl 1,0 mol/dm­3 de um factor 10 significa que a solução diluída terá uma concentração 10 vezes menor (0,1 mol/dm­3). A quantidade de soluto que existe na solução diluída é igual à quantidade de soluto que existe na solução concentrada, pois apenas se adicionou água durante a diluição: ni = nf  ci × Vi = cf × Vf  ci / cf = Vf / Vi = f

EXERCÍCIOS

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BIBLIOGRAFIA Dantas, M., & Ramalho, M. (2008). Jogo de Partículas A - Física e Química A - Química -­ Bloco 1 ­- 10º/11º Ano. Lisboa: Texto Editores.