Captulo 1

VAnjo, vero de 2014

Estados de Slido, Liquido Gasoso e Equilbrio de Fases

Disciplina: Qumica Bsica II

Prof. Dr. Vanjoaldo Lopes

Engenharia Qumica

Estados fsicos da matria ou fases so as diferentes formas de como uma substncia pode se apresentar no espao.

Slido

Lquido

Vapor

Os principais so:

VAnjo, vero de 2014

Estados Fsicos da Matria

Engenharia Qumica

quando os tomos das molculas constituintes da matria esto em um estado de agitao baixo, podendo ser concentrados mais tomos em um mesmo espao fsico.

Ex.: Bola de bilhar.

A fora de atrao maior que a fora de repulso entre suas molculas

VAnjo, vero de 2014

Estado Slido

Slido

Engenharia Qumica

So aqueles que as molculas esto acomodadas regularmente e as unidades formam um cristal

So aqueles que as molculas esto relativamente fixas em suas posies, mas nuns arranjo irregular

A principal caractersticas so fraturas regulares

Formam-se fraturas irregulares

Exemplo: NaCl e Sacarose

Exemplo: Vidro e Plstico

VAnjo, vero de 2014

Estado Slido

Tipos de slidos

Cristalino

Amorfos (vtreo)

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Slido

Caractersticas microscpicas

Caractersticas macroscpicas

- Forma definida

Volume definido RigidezResistncia a deformao

- Estrutura organizada

- Partculas bem prximas

-Energia de ligao grande

Diamante

Grafite

Silcio

Slido Cristalino

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Slido

Caractersticas microscpicas

Caractersticas macroscpicas

- Forma definida

- Volume definido

- Estrutura desorganizada

- Partculas afastadas

-Energia de ligao mdia

Slido Amorfo

Ex:

Asfalto;

Borracha, Vidro,

Plstico, etc.

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Slido

Tipos de Slidos

Estrutura Cristalina: os cristais formam um agrupamento atmico, inico ou molecular onde as partculas se dispem seguindo um padro determinado que se repete sistematicamente nas trs dimenses

Slidos Amorfos: nestas substncias os tomos ou molculas podem estar enlaados com bastante fora entre si, mas no possuem nenhuma regularidade peridica geometria. Podem ter um determinado ordenamento de curto alcance.

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Slido

Estrutura rgida;

Foras de atrao >> Foras de repulso;

Pouca movimentao molecular.

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Slido

Os diferentes modos de empacotamento em um cristal promovem diferenas, as chamadas fases polimrficas (variedade alotrpica para os elementos qumicos), que conferem aos cristais (aos materiais) distintas propriedades.

Por exemplo, de todos so conhecidas as distintas aparncias e propriedades do elemento qumico Carbono, que se apresenta na Natureza em duas formas cristalinas muito diferentes, o diamante e a grafite.

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Slido

No diamante, cada tomo de carbono est unido a outros quatro em forma de uma rede tridimensional muito compacta (cristais covalentes), da vem a extrema dureza e seu carter cortante

No grafite os tomos de carbono esto distribudos em forma de capas paralelas separadas entre si muito mais que os tomos da mesma capa. Devido a esta unio to frgil entre as capas, os deslizamentos de umas frente a outras ocorrem sem grande esforo, da vem a capacidade lubrificante, seu uso como lpis e sua utilidade como condutor.

Engenharia Qumica

Metano

Diamante

VAnjo, vero de 2014

Estado Slido

Engenharia Qumica

Grafite

VAnjo, vero de 2014

Estado Slido

Engenharia Qumica

Fulereno

VAnjo, vero de 2014

Estado Slido

Engenharia Qumica

Nano Tubos de Carbono

VAnjo, vero de 2014

Estado Slido

Engenharia Qumica

*

Estado Slido

Redes Cristalinas

Qualquer padro repetitivo e regular possui aspecto simtrico, mesmo que possui arranjos inusitados.

Engenharia Qumica

Estado Slido

Redes Cristalinas

Rede cbica simples.

VAnjo, vero de 2014

Clula unitria tridimensional, com as arestas a, b e c, com seus ngulos , e .

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Slido

Tipos Redes Cristalinas, isomtricos

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Slido

Tipos Redes Cristalinas, ortorrmbicos

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Slido

Tipos Redes Cristalinas

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Slido

Contando os tomos de uma Rede Cristalina

Poro de Sal-gema (NaCl) e os ons contidos numa clula (cbica de faces centradas) unitria

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Slido

Contando os tomos de uma Rede Cristalina

8 vrtices * 1/8 Cl- = 1Cl-

6 faces * 1/2 Cl- = 3Cl-

Total = 4Cl-

12 arestas * 1/4 Na+ = 3Na+

1Na+ no centro = 1Na+

Total = 4Na+

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Slido

Difrao de R-X e a estrutura Cristalina

Tendo em conta que as distncias interatmicas medem apenas alguns Angstroms, os Raios X constituem o modo mais apropriado para determinar estas distancias (range de 1 10 nm)

Max Von Laue (1912) verificou que a direo e a intensidade dos Raios-X refletidos por um monocristal dependeria da estrutura reticular e da composio qumica deste monocristal.

Equao de Bragg

2d sen = n

Onde,

d = distancia entre planos

= anglo incidente/reflexivo

n = nmero inteiro

= comprimento de onda R-X

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Slido

Difrao de R-X e a estrutura Cristalina

Exemplo: R-X de comprimento de onda 154 pm incidem num cristal e so refletidos em um ngulo de 22,5. Considerando n=1, calcle o espao entre os planos deste cristal.

2d sen = n

d = n/(2 sen)

d = (1) (154)/(2 sen 22,5)

d = (1) (154)/(2 * 0,38)

d = 201 pm

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Slido

Tipos de cristais

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Slido

Cristais de gua (Gelo)

Engenharia Qumica

Ocorre quando as molculas j esto um pouco mais dispersas em relao mesma matria no estado slido. Substncias no estado lquido tm volume fixo, porm a sua forma pode variar.

A fora de atrao aproximadamente igual fora de repulso entre suas molculas

Por exemplo, a gua, se estiver em um copo, toma a forma do copo, se estiver na jarra, fica na forma da jarra.

Ex.: gua.

VAnjo, vero de 2014

Estado Lquido

Lquido

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Caractersticas

Estado Lquido

Viscosidade, oposto da fluidez, resistncia ao escoamento, normalmente aumenta com o decrscimo da temperatura;

Molhabilidade, capacidade do lquido de molhar determinada superfcie. Capacidade do liquido de deixar uma fina camada em uma superfcie de um material semelhante;

Dissoluo, capacidade do lquido dissolver e manter em seus interstcios outras substancias (gases, vapores, lquidos ou slidos) semelhante.

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Lquido

Tenso Superficial, capacidade do lquido em manter unidas (devido as foras intermoleculares) as molculas (ou partculas) da sua superfcie.

Caractersticas

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Lquido

Tenso Superficial x Molhabilidade X Gravidade = Menisco

a) Acetona em tubo de vidro; b) gua em tubo de vidro; c) gua em tubo de plstico hidrfobo; d) Mercrio em vidro; e) d) Mercrio em vidro com membrana de prata;

Caractersticas

Engenharia Qumica

Acontece quando as partculas que formam a matria esto bastante afastadas, dispersas no espao. Por isso, elas podem ter a forma e o volume variveis.

A fora de atrao menor que a fora de repulso entre suas molculas

Por exemplo, o oxignio pode ser comprimido dentro de um cilindro e tomar a forma desse cilindro.

Ex.: Oxignio.

VAnjo, vero de 2014

Estado Gasoso

Engenharia Qumica

Mecanismos de Troca Gasosa no Corpo Humano

VAnjo, vero de 2014

Estado Gasoso

1) HemoCO2 + O2 HemoO2 + CO2

(reao pulmonar, maior concentrao de O2, CO2 expirado)

2 ) Sangue transporta HemoO2 para as clulas do corpo

3) HemoO2 + CO2 HemoCO2 + O2

(reao intracelular, maior concentrao de CO2, O2 usado pela clula )

4) Sangue transporta HemoCO2 para os pulmes

HemoCO e HemoCN so estveis, no se decompe, impedem o transporte de O2 e CO2, matam por asfixia qumica.

HemoCO2 = Carbohemoglobina; HemoO2 = Oxihemoglobina

HemoCO2 = Carboxihemoglobina; HemoCN = Cianohemoglobina

Engenharia Qumica

Unidades de Presso

Fora / rea [SI] = Pa

VAnjo, vero de 2014

Estado Gasoso

Nome Smbolo ValorEquivale aPascal1 Pa (SI)1 N m-3, 1 kg m-1 s-20,0000098692 atmBar1 bar-------------------105 Pa; 0,987 atmAtmosfera1 Atm-------------------101.325 PaTorr1 torr1 mm Hg133,322 PaMilmetros de Hg1 mm Hg1 torr133,322 PaPsi1 psi (sistema ingles)1 lb/pol26.894,757 Pa; 0,068046 atm

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Gasoso

Difuso, as partculas esto em movimento constante e aleatrio, com colises elsticas; portanto o nico limite para a difuso o recipiente;

Caractersticas

Densidade, por muito espao entre as partculas, a densidade do gs muito menor que as de slido e lquidos;

Compressibilidade, um gs pode ser comprimido, mediante a aplicao de uma presso, muito mais fcil e amplamente que um lquido.

Movimento das Partculas, catico e desordenado, com choques entre partculas e entre as paredes do recipiente (elsticos);

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Gasoso

Gases Ideais, Lei de Boyle

Lei de Boyle: O volume de um gs diminui proporcionalmente com o aumento da presso (isotrmica). Matematicamente:

p1V1 = p2V2

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Gasoso

Gases Ideais, Lei de Boyle graficamente

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Gasoso

Gases Ideais, Lei de Charles

Lei de Charles: O volume de um gs aumenta proporcionalmente com o aumento da temperatura (isobrica). Matematicamente:

V1/T1 = V2/T2

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Gasoso

Gases Ideais, Lei de Gay Lussac

A presso de um gs aumenta proporcionalmente com o aumento da temperatura (Isovolumtrica). Matematicamente:

p1/T1 = p2/T2

Engenharia Qumica

Observamos que se estendermos as retas rumo s temperaturas negativas, para P=0, a temperatura de 273,15 C para as trs retas Tal temperatura representa um limite inferior para os processos fsicos, porque a presso mais baixa possvel P=0 (inatigivel, um vcuo perfeito). Definimos a temperatura de 273,15 C como sendo o zero absoluto.

VAnjo, vero de 2014

Estado Gasoso

Escala de Kelvin de Temperatura

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Gasoso

Volumes iguais de gases, medidos na mesma presso e temperatura (CNTP), contm o mesmo nmero de partculas".

Gases Ideais, Lei de Avogadro

Nas CNTP (Condies Normais de Presso e Temperatura, 298 K e 1,00 Bar) um mol de qualquer gs ocupa o mesmo volume: 22,7111 litros. Nas STP (presso e temperatura padro, 273 K e 1,00 Atm) um mol de qualquer gs ocupa o mesmo volume: 22,4655 litros;

O nmero de Avogadro (um mol) contem 6,022x1023 partculas, quer sejam ons, tomos ou molculas.

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Gasoso

Equao Geral do Gases Ideais (Equao de Clapeyron)

Esta uma das mais famosas equaes da cincia e, praticamente, j faz parte do senso comum. A expresso poderosa: nos permite prever qualquer estado possvel para um gs, pois as variveis (p, V, n, T) so interdependentes e obedecem uma funo

pV/nT = R

Engenharia Qumica

PV=nRT

P presso (SI / Pa)
V Volume total disponvel (SI / m3)

n quantidade de substncia (SI / mol)

T Temperatura (SI / K)
R Constante dos gases

VAnjo, vero de 2014

Estado Gasoso

Valor de RUnidades0,0820574587L atm K1 mol18,20574587 x 105m atm K1 mol18,314472L kPa K1 mol18,314472m3 Pa K1 mol162,3637L mmHg K1 mol162,3637L Torr K1 mol18.314510JK-1mol-162363.7mm Hgcm3K-1mol-11.98722calK-1mol-182.0574587atmcm3K-1mol-1

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Gasoso

Outras Equaes Importantes

Lei de Graham, a velocidade de difuso (passagem para outro meio) ou efuso (passagem por um orifcio ou barreira) de um gs inversamente proporcional a raiz quadrada de sua massa molar:

Lei das Presses Parciais de Dalton, numa mistura de gases, as molculas dos diferentes componentes da mistura no interagem umas com as outras. Assim, a presso total do sistema a soma das presses de cada componente como se este estivesse isolado:

pT = pA + pB + pC + ... pn

pA = xA * pT

xA = (nA/nT)

Engenharia Qumica

MB

MA

vA

vB

=

VAnjo, vero de 2014

Estado Gasoso

Gases Ideais X Gases Reais

Molculas no possuem volume

Molculas no interagem

Molculas possuem volume

Molculas interagem

Engenharia Qumica

Foras de atrao Foras de repulso

Interaes de curto alcance;

distancia intermolecular pequena;

Presso alta

Alcance relativamente grande;

presses moderadas

VAnjo, vero de 2014

Estado Gasoso

Interaes nas Molculas dos Gases Reais

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Gasoso

Gases Reais, Correo da Equao Geral

VR = V - nb

Onde VR o volume livre que as molecular podem transitar; V volume total do recipiente; n nmero de moles do gs; e b fator de correo devido ao volume excludo

pR = p + n2a/V2

Onde pR a presso total do sistema sem que houvessem interaes moleculares; p a presso efetivamente medida; n nmero de moles do gs; a o fator de correo devido as interaes; e V o volume total do recipiente.

(p + n2a/V2) * (V - nb) = nRT

Equao de estado de Van der Waals para um gs real. Premio Nobel de Fsica em 1910

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Gasoso

Gases Reais, Correo da Equao Geral

Engenharia Qumica

Enquanto o termo a /Vm2 desempenha o papel de uma correco presso (em relao ao comportamento do gs perfeito), permitindo escrever:

O parmetro b uma correco ao volume molar. Por outras palavras: se as molculas dos gases reais se atraem umas s outras, como se a presso que sobre elas se exerce fosse maior do que a presso que sobre elas se exerceria se no existissem foras intermoleculares (i. e., se o gs fosse um gs perfeito); e, por outro lado, se as molculas dos gases reais no so pontuais (ocupando, portanto, um certo volume), ento os centros moleculares no podem deslocar-se por todo o volume Vm: s uma parte (Vmb) acessvel ao movimento molecular. Portanto no final teremos

(p + n2a/V2) * (V - nb) = nRT

VAnjo, vero de 2014

Estado Gasoso

Resumo da Equao de Van der Waals

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Gasoso

Superfcie de Estado dos Gases Ideais X Gases Reais

Transformaes isotrmicas Transformaes isobricas Transformaes isomtricas

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Estado Gasoso

Superfcie de Estado dos Gases Reais X Gases Ideais

Engenharia Qumica

*

A influncia da Presso e da Temperatura fazem a matria se apresentar ora em um, ora em outro estado fsico.

As mudanas de um estado fsico para outro recebem denominaes especficas...

Ex.: gua coexistindo nos trs estados fsicos.

VAnjo, vero de 2014

Mudanas de Estado Fsico

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Mudanas de Estado

Evaporao

Substancia A em baixa temp.

Substancia A e B (mais voltil) em baixa temp.

Substancia A em alta temp.

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Mudanas de Estado

Presso de Vapor

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Mudanas de Estado

Presso de Vapor

a presso que o vapor de um determinado lquido exerce em um ambiente fechado quando esta em equilbrio com sua fase liquida. Os lquidos so mais volteis (menor pondo de ebulio) possuem maiores presso de vapor numa dada temperatura.

A presso de vapor aumenta exponencialmente com o aumento da temperatura.

Engenharia Qumica

Depende da estrutura

a) CS2 - dissulfeto de carbono

b) CH3OH - metanol

c) C2H5OH - etanol

d) H20 - gua

e) C6H5NH2 - anilina

VAnjo, vero de 2014

Mudanas de Estado

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Mudanas de Estado

Presso de Vapor

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

Mudanas de Estado

Temperaturas de Mudana de Estados

Temperatura de ebulio, a temperatura em que a presso de vapor se iguala a presso externa; neste ponto (presso e temperatura) e energia cintica das partculas liquidas conseguem passar para a fase vapor.

Temperatura de fuso, neste ponto (presso e temperatura) e energia cintica das partculas slidas conseguem passar para a fase lquida.

Engenharia Qumica

Mapa de Presses e Temperaturas que indica os Estados Fsicos em que uma substncia pura pode se apresentar e suas possveis mudanas de Estado Fsico.

O Diagrama de Fases composto por trs curvas que delimitam tais Estados Fsicos.

VAnjo, vero de 2014

Diagrama de Fases

Presso

Temperatura

0

pT

pC

Slido

Lquido

Vapor

Gs

1

Pc

PT

2

3

TT

TC

Engenharia Qumica

CURVA 1 - CURVA DE FUSO ou SOLIDIFICAO: fronteira entre os estados SLIDO-LQUIDO; sobre essa curva esto os valores de temperatura e presso em que coexiste estas estados

Diagrama de Fases, o Que Representa cada Curva

CURVA 2 - CURVA DE VAPORIZAO ou CONDENSAO: fronteira entre os estados LQUIDO-VAPOR; sobre essa curva esto os valores de temperatura e presso em que coexiste estas estados

VAnjo, vero de 2014

Presso

Temperatura

0

pT

pC

Slido

Lquido

Vapor

Gs

1

Pc

PT

2

3

TT

TC

Engenharia Qumica

CURVA 3: CURVA DE SUBLIMAO - RESSUBLIMAO: Fronteira entre os estados VAPOR-SLIDO; sobre essa curva esto os valores de temperatura e presso em que coexiste estas estados

Diagrama de Fases, o Que Representa cada Curva

PT: PONTO TRIPLO: Indica os valores de presso e temperatura nos quais a substncia coexiste nos TRS ESTADOS FSICOS o ponto em que as trs curvas se interceptam

VAnjo, vero de 2014

Pc: PONTO CRTICO: Indica o limite que determina se a substncia um vapor ou um GS. Ele mostra a temperatura crtica a partir da qual a substncia passa a ser um GS

Presso

Temperatura

0

pT

pC

Slido

Lquido

Vapor

Gs

1

Pc

PT

2

3

TT

TC

Engenharia Qumica

Diagrama de Fases

VAnjo, vero de 2014

Engenharia Qumica

Fluido Super Crtico - SCF

VAnjo, vero de 2014

Vapor

Gs

Engenharia Qumica

Diagrama de Fases

VAnjo, vero de 2014

Engenharia Qumica

No Ponto Triplo, temos: TT = 0,01C e pT = 0,006 atm).

Com esses valores de temperatura e presso, poderemos observar a gua simultaneamente nos trs estados: slido (gelo), lquido (gua) e vapor (vapor dgua).

Diagrama de Fases da gua

VAnjo, vero de 2014

760

4,579

0

0,01

100

P(mmHg)

t(C)

gua

lquida

gua

slida

gua

vapor

Ponto triplo

solidificao

ebulio

sublimao

Engenharia Qumica

Diagrama de Fases da gua

VAnjo, vero de 2014

Ponto Critico:

TC= 374C

pC= 218 atm

H2O (vapor)

H2O (vapor)

H2O (vapor)

H2O (gs)

1Atm = 0C

8,1Atm= -0,06C

135Atm= -1,0C

135Atm= -2,5C

Engenharia Qumica

Slido

Lquido

Vapor

Gs

PT

PC

Diagrama de Fases do CO2

VAnjo, vero de 2014

Engenharia Qumica

Diagrama de Fases do HgI2

VAnjo, vero de 2014

Engenharia Qumica

Diagrama de fase de uma substncia tpica, como o CO2: a curva CF sobe se deslocando para a direita. A maioria das substncias tem comportamento semelhante.

Existem outras substncias que seguem o comportamento da gua, em que a curva CF sobe invertida.

SFC

Diagrama de Fases

VAnjo, vero de 2014

Engenharia Qumica

*

Fis-cad-1-top-9 3 Prova

*

Diagrama de Fases do Carbono

VAnjo, vero de 2014

Engenharia Qumica

VAPOR: Estado Fsico que capaz de estar em equilbrio com o Estado Lquido ou Slido, ou transformar-se nesses estados a partir da variao da Presso ou Temperatura.

Ex.: Quando colocamos gua para ferver numa chaleira, obtemos gua no estado de vapor.

Imagem: Erich Ferdinand / Creative CommonsAttribution 2.0 Generic.

O Que Vapor?

VAnjo, vero de 2014

Engenharia Qumica

GS: Estado Fsico que no pode ser alterado apenas pela da variao da Temperatura. Para que haja mudanas no Estado Fsico de um gs, necessrio que se varie a sua Presso.

Ex.: O gs de cozinha (GLP Gs Liquefeito de Petrleo). Dentro do botijo, ele se encontra no estado lquido por estar a altas presses.

O que Gs?

VAnjo, vero de 2014

Engenharia Qumica

VAnjo, vero de 2014

CHEGA!!!!!!!!!!!!

ACABOU!!!!!!!!!!!!

FUI!!!!!!!!!!!!

Engenharia Qumica

2

V

n

a

nb

V

nRT

P

-

-

=