Propriedades e Leis Fundamentais dos Gases

Propriedades e Composição do Ar

As primeiras propriedades observadas nos gases foram a transparência, a capacidade de compressão e expansão, e a capacidade de difusão.

A Pressão do Ar

A primeira propriedade do ar a ser estudada quantitativamente foi a pressão, cuja medida é essencial para estabelecer as leis dos gases.

A Composição Química do Ar

A atmosfera terrestre é uma mistura de gases. Quatro destes constituem 99 por cento do volume total, sendo muitas vezes referidos como os principais componentes do ar. A grande variabilidade de sua presença no ar ocorre porque a concentração de gases atmosféricos está mais sujeita a variações sazonais e de altitude.

Leis dos Gases Ideais

Lei de Boyle

A compressibilidade do ar é um fato comprovado. Em um tubo de vidro em forma de J, fechado em uma extremidade, derramou-se uma quantidade de mercúrio, de modo que na extremidade fechada ficasse aprisionado um volume de ar. Adicionando quantidades sucessivas de mercúrio, pode-se obter ar mais comprimido. Depois de cada porção de mercúrio, mediam-se o volume total de ar aprisionado e a pressão à qual este foi submetido. PV = constante. Boyle não conseguiu controlar a temperatura em que realizou o experimento, mas partiu do princípio de que ela se manteve constante. Em temperatura constante, a pressão e o volume de uma quantidade fixa de gás são inversamente proporcionais.

Lei de Charles e Gay-Lussac

Após o trabalho de Boyle, foi feito um esforço sustentado para descobrir o efeito das mudanças de temperatura sobre a pressão e o volume de um gás. Boyle repetiu o experimento a temperaturas diferentes para obter as curvas chamadas isotermas. A existência dessas curvas é um sinal de que a temperatura influencia a pressão para o mesmo volume, ou o volume para a mesma pressão. Se a pressão se mantém constante, o volume aumenta com a temperatura crescente, ou seja, o gás se expande. A relação entre volume e temperatura foi determinada por Charles. Em um tubo fechado em uma extremidade, colocou-se uma pequena quantidade de mercúrio, que abrigava uma determinada massa de ar na extremidade fechada do tubo. Com o aumento da temperatura, observou-se que o mercúrio se elevou, aumentando o volume de ar aprisionado. Os resultados do experimento podem ser representados em um diagrama volume-temperatura, obtendo-se uma linha que cruza o eixo x no primeiro quadrante. Se a linha é estendida para temperaturas negativas, corta o eixo em -273 °C. V/T = constante.

Para uma quantidade fixa de gás mantida a pressão constante, o volume e a temperatura absoluta são diretamente proporcionais. Esta lei foi estabelecida por Gay-Lussac em 1808 e confirmada por Dalton. As leis de Boyle e Charles podem ser combinadas em uma equação que relaciona a pressão, o volume e a temperatura de uma massa fixa de gás. Suponha que uma massa de gás fechada em um balão passe por três estados consecutivos caracterizados pelos valores de volume, temperatura e pressão. Esta lei é muito útil para saber o volume de gás sob condições de P e T determinadas, sabendo o volume ocupado pelo mesmo gás sob diferentes condições de P e T.

Hipótese de Avogadro

A hipótese de Avogadro, formulada em 1811, afirma que volumes iguais de todos os gases, medidos nas mesmas condições de temperatura e pressão, contêm números iguais de moléculas. A escala utilizada para medir a quantidade de gás é o número de moléculas, o que é suficiente para incorporar o conceito de mol. Se na Lei Combinada substituirmos o termo constante pelo número de moles de gás, obtemos a equação geral dos gases ideais: PV = nRT. Nesta equação, R é a constante dos gases ideais, cujo valor depende das unidades em que a pressão e o volume são medidos. Quando o volume é medido em litros, a pressão em atmosferas e a temperatura em kelvin, R = 0,082 atm.L/(mol.K).

Lei de Dalton das Pressões Parciais

Muitas vezes, é necessária a relação entre P, V e T de uma mistura de gases. Isto requer a compreensão de como a pressão total da mistura se relaciona com a pressão dos componentes individuais. Cada gás exerce uma pressão dentro da mistura, que é chamada de pressão parcial. Em 1801, Dalton formulou uma lei, conhecida como a Lei das Pressões Parciais de Dalton, que afirma que a pressão total de uma mistura de gases é a soma das pressões que cada gás exerceria se estivesse sozinho.

Lei de Difusão de Graham

Em um recipiente no qual há um gás, podemos introduzir um segundo gás. Depois de um tempo, os dois gases formam uma mistura homogênea. A mistura gradual dos dois gases para formar uma mistura é um fenômeno conhecido como difusão e foi estudado por Thomas Graham em 1832. Ele formulou uma lei que diz que, sob a mesma pressão e temperatura, as taxas de difusão gasosa são inversamente proporcionais à raiz quadrada da massa molar. Esta lei é conhecida como a Lei de Difusão de Graham. Esta equação é usada também para descrever o fenômeno da efusão.