Respiramos. Vapores flutuam. Partículas agitadas se chocam em todas as direções. Ventos sopram em diferentes sentidos, criando correntes de ar. Contemplemos o estado gasoso da matéria, alguns de seus comportamentos e as relações entre volume, pressão e temperatura. De forma clara, os gases aparecem nas imagens de natureza, na metafísica, nas imagens de ciência, na filosofia na ciência desde os primeiros registros filosóficos e científicos do Ocidente.
O estudo de GASES é um tópico importante na QUÍMICA porque é o estudo de um dos três estados físicos da matéria: líquido, sólido e gasoso.
Quando comparamos o estado sólido com o gasoso, por exemplo, percebemos que as partículas (moléculas ou átomos) no estado gasoso não têm forma definida, assumindo formas variáveis de acordo com o recipiente. Da mesma maneira, o volume dos gases é variável, com suas partículas mais comprimidas ou afastadas, de acordo com o volume total do recipiente.
As variáveis que vamos estudar nos gases são: pressao, volume e temperatura. No livro Química Geral, de John Russel, o capítulo quatro apresenta as “leis dos gases”. Essas leis vão tratar exatamente das variáveis que vamos usar para analisar os gases.
Porém, antes de entrar nas leis, é importante saber sobre as unidades de medida que usaremos para calcular as variáveis:
- PRESSÃO (P), que na física é a relação da força pela área; na química, pressão está relacionada com volume e temperatura de um gás. Vamos usar as seguintes unidades de medida: atm ou mmHG. Também é comum receber a pressão em Torr e bar, mas nesse caso é necessário converter para atm ou mmHG para realizar cálculos;
- VOLUME (V), m3 é a unidade padrão. É comum precisar converter mL = cm3, L= dm3, etc.
- TEMPERATURA (T), obrigatoriamente, no estudo físico dos gases tem que ser em Kelvin. Para transformar graus Celsius em K, precisamos aplicar a fórmula T(K)= t(C) + 273.
Lei de Boyle – relação isotérmica
Por volta de 1650, o físico e naturalista britânico Robert Boyle e seu colega francês Edme Mariotte realizaram experimentos de variação da pressão e do volume com a temperatura constante (isotérmica, do grego, “calor igual”). Eles observaram uma relação quantificada entre pressão e volume inversamente proporcionais.
“Em um sistema fechado em que a temperatura é mantida constante, verifica-se que determinada massa de gás ocupa um volume inversamente proporcional a sua pressão.”
LEI DE BOYLE – XVII
P.V = K
Em outras palavras, quando dobramos a pressão sobre um gás em um sistema fechado, o volume do gás irá diminuir pela metade; quando reduzimos a pressão pela metade, o volume ocupado pelo gás dobra. Se duas grandezas são inversamente proporcionais, isso significa matematicamente que seu produto é uma constante: o produto de pressão e volume (P.V) é igual a uma constante (=K).
Lei de Charles – relação isobárica
Mais de um século depois, dois físicos franceses, Jacques Charles e Joseph Gay-Lussac, resolveram fazer um experimento mantendo a mesma pressão (experimento isobárico), para ver a variação do volume e da temperatura. Eles observaram uma relação quantificada entre volume e temperatura diretamente proporcionais.
“Para uma quantidade fixa de gás ideal, mantida à pressão constante, o volume por ele ocupado é diretamente proporcional a sua temperatura absoluta”.
V/T = constanteObservação: fazer a conversão de Celsius para Kevin (Kelvin = Celsius + 273,15).
LEI DE CHARLES – XVIII
Em outras palavras, a lei de Charles mostrou que quando dobramos a temperatura de um gás, o volume dele também dobrará; ao reduzirmos a temperatura ao meio, o volume também cairá para metade.
Lei de Gay-Lussac – relação isovolumétrica
Joseph Gay-Lussac fez um experimento mantendo o mesmo volume (experimento isovolumétrica) para ver a variação do pressão e da temperatura. Observou uma relação quantificada entre pressão e temperatura diretamente proporcionais.
“Para uma quantidade fixa de gás ideal, mantida o volume constante, a pressão exercida pelo gás é diretamente proporcional a sua temperatura absoluta”.
V/T = constanteObservação: fazer a conversão de Celsius para Kevin (Kelvin = Celsius + 273,15).
LEI DE CHARLES – XVIII
Gay-Lussac se ateve à combinação de volumes. Notou que nas mesmas condições de temperatura e pressão, os volumes dos gases de uma reação tem uma proporção volumétrica constante 2 : 1 : 2, como exemplo, 2.H2 (g) + 1.O2 (g) = 2.H2O.
“Quando medidos sob as mesmas condições de temperatura e pressão, os volumes dos reagentes e produtos gasosos de uma reação estão na razão de números inteiros e pequenos“.
PRIMEIRA LEI DE GAY-LUSSAC – XVIII
Também notou uma transformação isovolumétrica relacionada com o comportamento dos gases quando submetidos a um volume constante. A elaboração dessa lei contou com a participação de Jacques Charles.
“a hipótese ou lei de Avogadro.
“Quando um gás é colocado em um recipiente a um volume constante, verifica-se que, se uma pressão for exercida sobre esse gás, ocorrerá um aumento proporcional da temperatura absoluta desse gás”.
SEGUNDA LEI DE GAY-LUSSAC – XVIII
Número de mols do gás é constante
Selo impresso na Itália mostra Amedeo Avogadro e o enunciado de sua lei, em 1956* Amedeo Avogadro (1776-1856) mostrou que, na realidade, os gases não eram átomos isolados, mas sim moléculas (com exceção dos gases nobres).