1. AS PROPRIEDADES DE UM GÁS
Sabemos que os estados físicos da matéria possuem propriedades distintas. No estado sólido, a ligação química é mais forte, o espaçamento entre as moléculas e sua movimentação são menores. No estado líquido, a ligação química enfraquece, o espaçamento entre as moléculas aumenta, assim como a liberdade para a movimentação.
No estado gasoso, a ligação química é inexistente, o espaçamento entre as moléculas é grande e as moléculas se movimentam com liberdade. Essas características permitem que os gases possuam propriedades peculiares, que serão discutidas as seguir.
1.1. Compressibilidade
Um gás possui alta compressibilidade e pode ser comprimido, pois a distância entre as moléculas neste estado é maior que à dos sólidos e líquidos.
Em (a), o êmbolo é pressionado. O espaçamento entre as moléculas é grande e o gás pode ocupar um espaço menor com facilidade (b).
1.2. Expansibilidade
Um gás expande e dilata mais que um sólido ou líquido devido a maior liberdade na movimentação das suas moléculas.
Essa propriedade é usada nos airbags, onde o gás nitrogênio produzido no momento do seu acionamento, se expande violentamente, infla o balão em um tempo muito curto, o suficiente para o motorista não atingir diretamente o seu rosto contra o volante do carro.
1.3. Ocupação dos espaços
As moléculas de um gás possuem liberdade para se movimentarem livremente. Por isso, um gás ocupa o espaço que lhe é dado. Se o gás contido em um bujão vazar, as moléculas do gás se movem livremente até o ocupar o novo espaço, a cozinha, por exemplo.
2. GASES IDEAIS
Na prática, um gás onde a temperatura é alta e a pressão é baixa, se comporta muito próximo de um gás ideal. A compreensão do comportamento de um gás ideal facilita o estudo dos gases reais.
A atmosfera terrestre é constituída de substâncias no estado gasoso: gás nitrogênio (N2) e oxigênio (O2) representam 99% dessas substâncias. O restante é vapor d´água, hidrogênio e ozônio.
3. VARIÁVEIS DE ESTADO
Um gás ideal é definido por quatro grandezas denominadas variáveis de estado: pressão, volume, temperatura e número de mols.
3.1. Pressão (p)
A pressão é um conceito importante que vale tanto para o mundo macroscópico quanto microscópico. Para ilustrar esse conceito, considere o seguinte experimento. Peça para o seu amigo esticar uma folha de papel. Pressione levemente a folha no centro. Repare que a folha não rasga.
Agora, pegue um lápis afiado e repita o experimento. Apesar da força aplicada ser a mesma, o lápis consegue furar o papel. A diferença entre as duas situações se deve ao fato da aplicação da força em uma área menor e isto acarreta um aumento na pressão.
\(P = \frac{F}{A}\)
Concluímos que a pressão e a área de aplicação da força são grandezas inversamente proporcionais.
As unidades mais comuns são:
\(\frac{N}{{{m^2}}}\) (SI) ou atm (atmosfera)
Obs: 1 atm = 1.105 \(\frac{N}{{{m^2}}}\)
Pegadinha do Malandro: não é preciso decorar o fator de conversão acima, isso é obrigatoriamente fornecido como dado em uma questão.
Nos gases, as moléculas exercem uma força ao se chocarem contra a parede do recipiente. Agora imagine uma ordem de 1023 moléculas se chocando contra essas paredes!
Em um determinado instante, a quantidade média de moléculas se chocando com a parede do recipiente é constante, o que faz com que a pressão exercida pelo gás permaneça constante.
3.2. Volume (V)
O gás possui alta compressibilidade pois as suas moléculas podem ser consideradas como pontos, ou seja, um gás é basicamente constituído de espaço vazio!
As unidades dessa grandeza são:
m3 (SI) ou litros (l)
Obs.: 1 l = 10-3 m3
Pegadinha do Malandro: é necessário lembrar deste fator de conversão. Por se tratar de unidades usuais do cotidiano, as questões (na sua maioria) não apresentam este dado para você.
3.3. Temperatura (T)
Já estudamos que a temperatura mede o grau de agitação das moléculas. A energia cinética está associada a massa e a velocidade de um corpo.
Um gás é constituído por partículas em movimento e a expressão que calcula a energia cinética média das partículas de um gás é diretamente proporcional a sua temperatura.
\({E_{CIN}} = \frac{3}{2}kT\)
onde k é a constante de Boltzmann e vale 1,38.10-23 J/K
A unidade da temperatura é o Kelvin.
Pegadinha do Malandro: a expressão acima é raríssima e quase não é cobrada nos exercícios. Porém, é interessante lembrar que, a energia cinética média das moléculas de um gás é diretamente proporcional a sua temperatura.
Isso é de simples entendimento. Lembre-se, ao aumentar a temperatura, as moléculas se tornam mais agitadas e a sua velocidade média aumenta. Este aumento na velocidade provoca um aumento na energia cinética média das moléculas.
3.4. Número de mols (n)
O número de moléculas em um gás é da ordem de 1023 moléculas. Portanto, não é prático trabalhar com um número tão grande no cotidiano. Por isso, os cientistas criaram o conceito de mol. Um mol de qualquer gás contém 6,02.1023 átomos.
O número de mols é calculado pela razão entre a massa do gás (m – que depende do número de moléculas) e a sua massa molecular (M).
\(n = \frac{m}{M}\)
Por exemplo, o gás oxigênio possui massa molecular M = 32 g / mol. Portanto 64 gramas de oxigênio são equivalente a 2 mols.
\(n = \frac{{64}}{{32}} = 2\;mols\)
É mais fácil citar que um gás possui 2 mols do que 12,04.1023 átomos!
4. Equação de Clapeyron
Um gás ideal é o gás mais simples que se pode trabalhar. Portanto, a equação de Clapeyron relaciona as grandezas descritas acima para esse tipo de gás.
\(pV = nRT\)
R = 0,082 atm.L / K.mol
R = 8,31 J / K.mol
R = 2 cal / mol.K
Pegadinha do Malandro: o valor de R é uma constante e pode assumir acima os valores acima dependendo das unidades trabalhadas. Quando R = 0,082 atm.L / K.mol, a pressão é dada em atmosferas e o volume em litros. Quando R = 8,31 J / K.mol, a pressão é dada em N/m2 e o volume em m3, ou seja, no S.I. O terceiro valor é raro nos exercícios.